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两眼同时注视一个物体时,感知为单一物像的过程,称为双眼视觉,又称双眼单视。是大脑皮质的视觉中枢,把来自两眼的有差异的视觉信号进行分析整理,综合成为一个完整的、具有立体知觉印象的过程。
立体视觉是双眼视觉的最高阶段,其形成是涉及视皮质以外大脑高级整合区的一项复杂的认知过程,因此是视觉认知研究的重要内容。
目前在方法学上,视觉认知神经科学包括两大类互补的研究方法:一类是清醒动物认知生理心理学研究方法,另一类无创性脑功能(认知)成像技术。前一类方法包括单细胞记录、多细胞记录、多维(阵列)电极记录法和其他生理心理学方法(手术法、冷却法、药物法等),通过观察细胞所敏感的刺激类型,了解细胞柱的分布排列,以观察对视觉信息的处理和加工过程;后一类方法中又分为脑代谢功能成像和生理功能成像两种,功能磁共振(functional magnetic resonarice imaging,fMRI)即属于脑代谢功能成像的一种,它可以为我们对认知过程的脑功能形成直观的图像,以提供结构或区域性功能关系。
功能磁共振(fMRI)是以血氧水平相关(blood oxygenation level deperldent,BOLD)信号为核心检测和定位神经活动的一种具有高空间(毫米量级)分辨率及无创伤性的神经影像医学技术。在视觉研究中,功能磁共振技术检测脑组织局部血氧浓度在不同视觉刺激下的变化(BOLD对比度),根据血氧变化强度与神经活动强度的相关特性,间接地探测大脑不同区域对视觉信息的处理和认知过程中的活动特点。
近年采用BOLD-fMRI技术,研究人员逐步阐明了哺乳类动物,特别是人类视知觉形成相关大脑功能皮层的组成和定位,例如,人脑的视皮层V1、V2、V3、V4和MT/V5等各区的位置和功能。目前,根据多个以猴为主的动物实验结果,随着双眼的视觉信息逐级向上级视皮质传导,各级视皮质区对立体视觉信息表现出越来越强的处理能力。但是,立体视觉的最终中枢在哪个区域,尚存在很大争议。
研究目的:
本课题采用BOLD-fMRI技术,使用3.0T的功能磁共振仪观察正常受试者在接受立体视觉刺激时所激活的大脑区域和强度,并研究水平视差大小与脑区激活程度是否相关,探索立体视觉的最终形成区域。
研究对象
健康大学生或研究生12例,男6例,女6例,年龄为21~26岁。均为右利手,除屈光不正外无其他眼疾史,无仝身疾病史或其他神经系统疾患,无头部外伤史。
研究方法:
一、眼科专科检查内容及方法1.眼科检查(1)裸眼远近视力,(2)双眼前后段检查,(3)散瞳验光及次日复光;
2.双眼视觉功能检查:(1)眼位检查:角膜映光法,交替遮盖、遮盖与去遮盖法、Maddox杆加三棱镜法;(2)眼球运动;(3)调节和集合功能:包括集合近点(NPC),相对性集合和双眼调节灵敏度; (4)Bagolini线状镜检查法; (5)同视机检查:包括同时知觉和融合功能,远立体视觉定性检查,AC/A比率测定; (6)近立体视锐度检查; (7)主导眼检查:四点试验法。
3.色觉检查:Panel D-15。
二、入选标准
1.视力:双眼裸眼或矫正视力1.0以上。
2.屈光状态:屈光度+0.50D~-3.00D,散光度0D~-1.00D,且经等效球镜转换后,屈光度+0.50D~-3.00D。
3.眼科检查:未发现眼前段和眼底器质性病变。
4.双眼视觉功能:(1)双眼正位;(2)遮盖与去遮盖检查无显性斜视;Maddox杆加三棱镜法远距离检查,1<△>内隐斜~3<△>外隐斜;近距离检查,0<△>~6<△>外隐斜;(3)眼球向九个方位运动均到位; (4)双眼调节灵敏度≥6周期/分钟; (5)NPC范围:3~9cm;(6)近处正相对集合:模糊点15-17<△>,破裂点19-21<△>,恢复点8-11<△>;近处负相对集合:模糊点12-13<△>,破裂点20-21<△>,恢复点11-13<△>;(7)Bagolini线状镜检查正常; (8)同视机检查有同时视,自觉斜视角与他觉斜视角相差<5°;(9)水平融合范围:-6~+30°;(10)近立体视锐度≤60秒弧角; (11)AC/A比率值为4~7<△>;(12)四点试验可见2红2蓝; 5.Panel D-15色觉检查正常。
被选者必须满足以上各项指标方可入组接受本实验。
三、fMRI实验采用BOLD-fMRI技术及组块(BLOCKS)设计模式,以SIEMENS 3.0T Trio磁共振成像系统扫描图像获取数据。视觉刺激采用E-Prime软件设计,由深圳市美德医疗电子技术有限公司生产的脑功能视觉刺激系统SA-8800执行。受试者通过注视额前方固定的平面反光镜观察投影屏上的刺激图像。刺激图像成像距受试者双眼约60cm。
刺激/控制任务1:全白色块/全黑色块;刺激/控制任务2:无水平视差随机点图/水平视差不同的随机点图;间隔:固定于刺激屏中央的白底黑色+字。
实验中受试者完全矫正屈光不正,配戴与刺激所用随机点图配套的红绿眼镜(右眼为红色)。实验分4个大组,每个大组含有8个组块,刺激/控制任务1和2交替出现。每个组块包括5次刺激状态和5次控制状态,均以刺激状态开始,每个状态之间用间隔图像隔开。每个刺激状态和控制状态各呈现3.5秒,间隔图像呈现0.5秒。刺激开始与MRl扫描同时激发,每2秒扫描一次。为避免过渡性磁饱和效应的影响,每一大组开始时,在任务状态前用控制状态预扫描8秒,并舍弃其数据,总有效扫描时间312秒,每一大组共取得156组数据。第l组作为训练受试者,结果予以舍弃。第2、3、4组随机点立体视图的水平视差分别为500弧秒、1000弧秒和1500弧秒,每一组块内,配对的刺激状态和控制状态随机出现。从第二大组实验开始,要求受试者作出判断,当刺激状态下受试者感觉到有立体图像或屏幕显示白色色块时,按按键盒的右键;如无立体图像或屏幕显示黑色色块时,按左键。
实验中按顺序采集结构图像、BOLD数据和三维全脑解剖图像,采集结构图像时排除明显的脑部器质性病变。被试完成视觉任务及数据采集后,数据结果处理如下:
(1)以黑屏和白屏随机出现的刺激任务为刺激/控制任务1,有水平视差的随机点立体视图和无水平视差的随机点图随机出现的刺激任务为刺激/控制任务2,用E-prime软件计算受试者判断的正确率,并用配对T检验对刺激/控制任务1和刺激/控制任务2响应时间的差异进行统计学处理;(2)以SPM2软件进行BOLD数据处理。首先进行头动矫正及三维空间平滑。采用相关分析法,阈值设定为0.05,获取功能激活图像。将功能激活图像及三维解剖图像Talairach标准化后,进行相关测量及分析。对同一受试者2、3、4三组的双侧皮层激活范围进行两样本配对t检验,取p<0,005为有统计学意义。分析水平视差大小与皮层激活情况的线性相关程度。实验结果:
12例入选的正常志愿者全部完成了本项研究。
(1) 经E-prime软件处理,12位受试者的判断正确率均在95﹪以上。仅第2组的刺激/控制任务1和刺激/控制任务2响应时间之间的差异有统计学意义,根据均数可知,判断立体图像的时间明显长于判断黑白颜色的时间。第3、4两组的响应时间与判断颜色所需时间之间无统计学差别。
(2) 第2、3、4组数据分别行单样本T检验,α=0.05。三组激活区均主要集中在双侧Brodmann 18区(BA 18) ,以枕中回最为强烈。第2组还有左侧BA 19和BA 10额中回和左侧额下回等激活,第3组则有额叶的大范围激活。
(3) 组间分析。将上述第2、3、4组数据进行各组间两两比较,均未出现统计学意义的激活点(P<,FDR-cirr>≤0.005),可以认为本实验中激活区的激活强度并未随着水平视差的加大而发生明显的变化。
(4) 视三组数据来自同一总体,将上述数据综合,进行单样本T检验,α=0.001,可见双侧枕叶、额叶,以及右侧顶叶皮质被明显激活,主要的激活区集中在双侧Brodmann 18区(BA18)和右侧Brodmann 19区(BA19),还有右侧的BA7(包括顶上小叶和楔前叶),右侧的BA 37(颞中回)。另外,双侧大脑半球的额部也有明显激活,以左侧额中回最为强烈。另外还有海马回前部(BA 27),右侧扣带回、左侧岛叶也有激活的表现。初级视皮质BA17区并未见激活。
结论:
1.立体视觉的形成并不单纯由视觉皮质参与,还涉及了多个脑区的共同作用,包括支配眼球的协同运动、注意力、智力等的功能区都有激活。
2.本实验中BA 17(V1区)没有参与立体视觉的形成,它可能仅对亮度和形状等的立体视觉产生响应,对无明显边缘,且形状不由亮度决定的随机点立体视图无响应。
3.本实验中,立体视觉的形成主要涉及双侧大脑半球BA 18和右侧大脑半球BA 19、右侧颞中回以及右侧BA 7,其传导途径可能是双眼的视觉信息经过视觉皮层BA 18整合后,向右侧大脑半球的高级视觉联合区BA 19及颞中回投射,再传入视觉信息背侧通路末端的BA 7进行综合加工处理。