第一章综述

1.1视觉系统信息处理通路概述

视觉系统是人与外界相联系的最主要途径之一。在人们认识世界的过程中，大约有80%-90%的信息是通过视觉系统获得的。视觉系统使用可见光信息构筑机体对周围世界的感知。它从可见光中检测和解释视觉信息，形成一个周围环境的表征。视觉信息的处理是一个相当复杂而有序的过程，包括接收光并形成单眼表征；双眼对两个维度投射构建双眼知觉；视觉对象的识别和分类；评估与视觉目标之间以及视觉对象本身之间的距离；以视觉对象为参考，指导身体动作等。视觉系统是中枢神经系统的一个重要组成部分，它赋予生物体处理视觉信息的能力。从生理学角度看，哺乳动物的视觉系统包括：眼球，特别是视网膜，视神经，视交叉，视束，外侧膝状体，视放射和视皮层（图1.1)。视网膜由大量的光感受器细胞构成，这些光感受器细胞具有一种特定的蛋白质分子，称为视蛋白。对于人类而言，有两种视蛋白参与视觉：视杆蛋白和视锥蛋白。视蛋白吸收光子（光的粒子）并且通过信号转导途径将信号传送到细胞。导致光感受器发生去极化现象。视杆和视锥细胞的功能是不同的。视杆细胞分布在视网膜外周主导低亮度水平的视觉。视锥细胞分布在视网膜的中央（中央凹）。根据它们吸收波长的不同，视锥细胞可以分为三类。通常称为短波长或主导蓝色视锥细胞，中间波长或主导绿色视锥细胞，和长波长或主导红色视锥细胞。视锥细胞通常负贵正常亮度水平下颜色辨别和其他视觉特征。视网膜中，光感受器突触直接和双极细胞相连，双极细胞通过突触和位于最外层的神经节细胞相连，神经节细胞将动作电位传导至大脑皮层。大量的视觉信息处理来源于视网膜上神经元之间的连接模式。约有一亿三千万光接收器吸收光，而仅有约一百二十万神经节细胞的轴突将信息从视网膜传递至大脑皮层。视网膜的信息处理包括双极细胞和神经节细胞的中央-周边感受野的形成，以及光感受器到双极细胞过程中的汇聚和分离。另外，视网膜中的其他细胞，特别是水平细胞和无长突细胞，将视觉信息进行水平传递（从某层中的某个细胞传递到同层中的相邻细胞），这样一来，感受野变的更为复杂，有的对颜色敏感对运动不敏感，而有的对运动敏感对颜色不敏感(Mark F. Bear, February 7, 2006)。

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1.2视觉系统神经元的图像对比度编码

对比度是视觉世界中一个重要的特征，是指与其平均亮度水平相比，视觉刺激的相对亮度的变化。对比度指一幅图像灰度反差的大小，是图像中最亮的区域和最暗的区域之间不同亮度层级的度量。差异范围越小代表对比度越小，差异范围越大代表对比度越大。外侧膝状体细胞的特性和它们的主要输入视网膜神经节细胞的特性非常类似(Kaplanand Shapley，1986)。也就是说，视觉场景中颜色、亮度等平行信息处理开始于视网膜(Kaplan and Shapley, 1986)。猴外侧膝状体核(LGN)细胞层组构：四个背侧的小细胞（parvocellular)和两个腹侧大细胞层（magnocellular)。大细胞层细胞的对比度增益约比小细胞层细胞高10倍(Shapley and Victor, 1981，Kaplanand Shapley, 1982，Derrington and Lennie, 1984)。猴视网膜含有两种类型的视网膜神经节细胞，一个具有高亮度对比敏感度，另一个具有低亮度对比敏感度。具有高对比敏感度的神经元投射到大细胞层，具有低对比敏感度的细胞投射到小细胞层。因此，视网膜，而不是LGN内部的连接模式，导致了小细胞和大细胞层神经元的对比度增益的差异。低对比度时对比度反应方程的线性部分的斜率即为对比度增益。对比敏感度是达到某个标准的响应时所对应对比度的倒数。因为这些神经元的对比度反应方程没有阈值并且在低对比度下呈线性，对比敏感度与对比度增益呈线性关系图1.4显示了投射到大细胞层的神经节细胞，与投射到小细胞层的神经节细胞相比，投射到大细胞层的神经节细胞具有较大的对比度增益因此具有更高的对比敏感度。

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第二章实验（一）老年猫视通路中细胞对比度反应特性的退化

2.1引言

正常老化导致视觉功能下降(Baracat and Marquie, 1992, Schefrin et al.，1999,Bennettetal.，2007)。值得注意的是，与低阶剌激（亮度调制的一阶刺激）相比，老化对高阶刺激（对比度调制的二阶刺激）知觉功能的损伤发生更早，损伤更显著(Habak and Faubert, 2000, Tang and Zhou, 2009)。光学系统或视网膜部分的改变不能完全解释这些损伤(Elliottetal.，1990，Owsley，2011)，很可能老化导致了中枢神经系统的改变，也就是，视网膜后视觉信息处理的部分发生了改变(Higginsetal., 1988，Schmolesky et al., 2000)。先前在各种老年动物模型上的研究表明老化导致视皮层神经元反应特性退化(Schmolesky et al., 2000, Hua et al.，2006，Liang et al., 2010, Fu et al., 2013),这给老化导致的视功能退化的神经生物学机制奠定了基础。老年称猴(Schmolesky etal., 2000)，老年猫(Hua et al., 2006)以及老年鼠(Wang et al., 2006)的研究表明在不同哺乳动物中老化对视皮层神经元功能的影响是相似的(Wang et al., 2005，Yu etal., 2006，Yang etal.，2009b)?然而，先前的研究均只关注一个或两个视区，不能全面解释考化对整个视觉信息处理通路的影响。另外，试图在不同研究中比较视通路上不同视区的老化影响状况也是行不通的。因为不同研究所用的实验条件不同，比如：刺激模式，实验技术等等。所以，先前的研究缺乏一个有效评估老化相关的等级累积损伤假说,也就是,老化导致的视觉信息处理通路中一种系统的、渐进式的损伤。在同一实验条件下对视通路中各个视区的研究会给与老化相关的细胞特性的改变提供一个更全面的解释。在本研究中，我们记录了视通路中不同阶段神经

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2.2实验材料与方法

实验在6只青年猫（1 - 3岁）和4只老年猫（11 - 13岁)上完成。有研究表明出生后12个月左右猫性成熟，而其脑功能老化大概发生在10岁或更老的年龄(Bowersox et al.，1984a, Bowersox et al., 1984b, Harrison and Buchwald, 1985, Levineeta.，1986)。所有实验动物在数据记录前均使用检眼镜对双眼进行眼科检查，确保所有青年猫和老年猫在实验过程中眼底视网膜和眼球光学系统均在正常状态。本实验所有动物实验操作均取得了中国科学技术大学生命科学学院动物伦理审査委员会的许可，并且遵守神经科学协会和美国国立卫生研究院关于人性化使用实验动物的指导方针，尽力将实验动物数量减至最低，在实验中尽量减轻它们的痛苦。

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第三章实验（二）急性酒精暴露对PMLS区速度表征的影响.........41

3.1 引言 .........41

3.2 实验材料与方法......... 42

3.2.1实验动物 .........42

3.2.2动物准备与电生理记录......... 42

3.2.3视觉刺激 .........43

3.2.4数据采集与分析......... 43

3.2.5 酒精施加和评测......... 44

3.3 实验结果......... 45

3.3.1最优速度......... 46

3.3.2速度调节带宽......... 49

3.3.3调制和辨别指数......... 50

3.3.4自发放，峰反应和信噪比......... 52

3.3.5速度调谐指标和峰反应之间的关系......... 54

3.4 讨论......... 55

第四章总结与展望......... 57

4.1 工作总结......... 57

4.2 研究展望......... 60

第三章实验（二）急性酒精暴露对PMLS区速度表征的影响

3.1引言

酒精引起的损伤己被发现与事故风险存在强烈的关联，并且酒精引起的损伤被认为是交通事故中特别致命的事故中最重要的一个原因(Burianetal.，2002)。开车速度也被认为和个人事故发生率存在正相关(Westetal.，1993)。己有研究表明，急性摄入酒精后的正常人，感知其他车辆相对速度变化的能力下降，并且调整自己车辆速度的能力也下降(Ramaekersetal.，2000)。心理学研究也证明，受试者摄入酒精后，运动知觉产生损伤(WeschkeandNiedeggen，2012)，表现出对基于速度知觉的任务完成能力下降(Andersonetal.，2011)。急性酒精暴露后，在一定程度上依赖于速度和加速度估计的眼动任务的性能也遭受损伤(Wilson and Mitchell,1983)。这些下降很可能归因于一些酒精相关的目标速度感知的变化。急性摄入酒精后，介导视觉运动知觉损伤的视觉皮层功能损伤曾在视觉诱发电位的研究中观察到(Neilletal.，1991)。事实上，我们曾报道，急性酒精暴露后，猫初级视觉皮层细胞的方向选择性发生退化(Chen etal.，2010)。然而，运动知觉的另一个重要部分一速度(Rokszinetal.，2010),尚未被详细研究。在哺乳动物，急性酒精暴露对皮质速度调解机制的影响尚不清楚。

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总结

视觉功能对人们的生活质量有着重要的影响。人类视觉功能的基本组成部分包括对比敏感度、立体视觉、视锐度、颜色辨别、视野及暗适应等。人们在日常生活中，所获得的信息约有80%来自于我们的视觉。从“百闻不如一见”这一读语我们可以看出，视觉信息对人来说是最容易了解,也最能够信赖的信息。但是，视觉功能的好坏会受到许多因素的影响。一旦视觉功能受损，必将会影响人们的日常生活，降低人们的生活质量。因此，采用科学的方法预防视觉功能受损乃至改善这些受损的视觉功能对提高人们的生活质量具有非常重要的现实意义。而为了寻找这一类科学的方法，我们要做的第一步就是清楚地了解受损的视觉系统在哪些方面和部分受到了影响。在众多的影响因素中，老化和酒精曝露均是最为常见的，许多视觉功能都随着老化的进行而逐步衰退，同时有大量文献报道急性酒精曝露会导致视觉功能下降。因而在这里，我们调查了正常老化和急性酒精曝露对视觉系统的影响。研究老化相关的视力变化，其必要性是显而易见的。人类己经进入老龄化社会，和之前几十年相比，与老化有关的眼球状况、疾病和视力损伤在我们社会健康挑战中占据着更大的部分。因此，迫切需要研究明确老化相关的视力障碍的患病率、发病率、相关损伤的机制以及老化如何影响老年人的日常视觉任务的执行。这些研究的结果可以用于幵发和评估减缓或扭转衰老导致的视力下降的干预措施，从而提高老年人的生活质量。另外，在老化相关研究的过程中，对于成年过程中视力如何变化的研究还可以提供关于成年晚期常见严重眼部疾病的生物标记或危险因子的信息。例如，心理物理检测出的与老化相关的某些视功能损伤的老年人最终是否更容易发生严重眼疾（与老化相关的黄斑病变、青光眼等）？晚年发现的视觉功能缺陷可能会揭示视觉系统故障，也可能是发生疾病的早期标记或迹象。

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参考文献（略）