感知觉学习提高青少年视觉质量与认知能力

『美』Roger W. Li, Karen G. Young, Pia Hoenig, and Dennis M. Levi
1 阎丽2 叶宁国3 孙秀伟4 林平光编译
1234 国家医疗保健器具工程技术研究中心;
1234 广东省医用电子仪器及高分子材料制品重点实验室

Investigative Ophthalmology & Visual Science, September 2005, Vol. 46, No. 9 Association for Research in Vision and Ophthalmology ( 由于篇幅有限, 实验程序省略)

目的: 确定通过位置辨别任务训练是否能提高弱视儿童视觉能力及确定其提高的机制。

方法: 5 名弱视儿童(年龄范围7~10 岁) 在位置视觉任务训练中判别3 对线条中那一对偏离了方向。位置噪声是对每一线段的每个gabor 斑用高斯概率函数产生。受试者在三个噪声水平进行训练(包括0), 在7~10 个阶段中每个受试者训练3000~4000 次, 每一次试验给予反馈。

结果: 5 名受试者中有4 名表现出位置视力明显的提高。在这4 名受试者中, 没有噪声时位置视力平均提高约32%,在高噪声时平均提高约26%。我们用位置的平均模型来解析这种进步, 即是效率的提高和等效输入噪声的降低。2 名受试者经过训练后表现为效率的提高(51%和117%) 而等效输入噪声没有变化。另外2 名受试者表现为等效输入噪声的降低(18%和29%) 和效率的提高(17%和71%)。所有5 名受试者都表现为训练后确实有Snellen 视力的提高(约26%)。

结论: 弱视儿童知觉学习可以提高视觉能力。这种提高能被分解为两种重要的原因: 等效输入噪声的降低和效率的提高。知觉学习技术可能会为弱视治疗提供一种新的有效方法。

弱视是一种空间视觉的发育障碍,它大约影响着世界上3%的人群。它是由于早期异常的视觉经历而形成。常见的原因有屈光失衡(屈光参差)、视轴偏离(斜视)、子午线屈光力不对称(散光)、高度的屈光不正和/或由于先天性白内障或上睑下垂引起的形觉剥夺。最重要的临床表现是在弱视眼没有明显的眼部疾病而有视力的低下, 弱视患者的行式视力常低于单个独立的字母视力———拥挤现象。视力的低下可归结于中、高空间频率( SF) 对比敏感度降低的机制。双眼不平衡对弱视程度的影响很大。另外, 弱视还表现出一定范围视觉任务障碍。这些包括: 综合视力、形状知觉、轮廓整合、周围有物体的空间联系、相位敏感度、视觉计算、模式视力、立体视和运动处理障碍。

有许多用于解释弱视大脑的视觉知觉异常的心理物理学

理论( 1) 空间频率调整转换, 低空间频率的皮质感受野的增大; ( 2) 对比敏感度降低, 皮层滤过的降低; ( 3) 皮层神经元的减少( 如采样不足) ; 和( 4) 在皮层水平视觉图象的扭曲, 出现空间不确定和扭曲。

近来的研究表明, 双眼视的丧失可能是弱视发生的关键。超过关键年龄后弱视常被认为不可逆转。这样, 通常对于弱视的治疗只在小于10 岁的儿童中进行( 常小于6 岁) 。然而,近来的研究表明甚至对于9~15 岁开始治疗的病人遮盖疗法仍然有效。有证据表明成人弱视患者大脑仍保留一定程度的可塑性。在过去的四个世纪里弱视的标准治疗主要是用遮盖或阿托品来压抑优势眼, 这样强迫大脑使用来自弱视眼的信息。对于遮盖治疗的反应取决于弱视的类型和程度。随着治疗后视力的提高, 弱视的所有表现, 如对比敏感度、综合视力、侧向交互、轮廓整合、视觉计算、立体视锐度和眼球运动障碍等均恢复到一定程度。已经证明视力的提高是和整个皮层 活动的增加有关的, 而且弱视眼视力的提高常能保留一定时期。大多数近来的研究都试图使遮盖治疗的时间标准化并最大化提高治疗的效率。弱视的药物治疗也在研究。然而, 应用神经递质( 左旋多巴) 来提高弱视大脑的可塑性仍存在争议。

在最近的一项研究中, 我们已经证明知觉学习可以有效的提高成人弱视的视觉能力。我们让7 名成年弱视观察者做重复的位置分辨训练。观察者的任务是辨别出三个刺激( 3选一法, 3AFC) 中错位的刺激。刺激由两排线段组成, 每排由8 个离散的Gabor 斑组成。每一次实验给予反馈。经过训练后, 参加者表现出确切的训练视觉任务能力的提高。为了研究学习的机制, 我们给每个离散的刺激加入了位置噪声。

我们发现学习提高了大脑对于刺激信息采样的能力( 如,效率的提高) 并且降低了等效的内部噪声水平( 如, 降低了代表视觉刺激的神经的波动) 。学习的效应传递至视力和其他高水平的视觉任务, 如计算和立体视。弱视患者表现出平均提高约两行非拥挤的单个视力( 分辨最小视角30%( MAR) ) 现在这研究中, 我们为确定青少年弱视患者( 7~10岁) 通过知觉学习是否提高位置辨别能力。位置噪声是为了减少人视觉系统的内部噪声并研究其神经机制。我们的目的是描述一定噪声水平范围的进步限度和学习的时程。为了确定位置任务的知觉学习是否会传递至视力, 我们在训练过程中监测视力的变化。我们的最终目的是发展更有效的弱视治疗技术, 而目前在临床中几乎完全依靠被动的遮盖优势眼治疗。

讨论: 我们的结果表明, 总体上说, 通过重复的位置分辨认务的视觉训练可以使弱视儿童的视觉能力有确切的提高。我们结合简单的噪声模型应用了位置噪声, 使我们能确定知觉学习的潜在神经机制。5 名观察者中有4 名表现出训练后采样能力的提高, 使弱视大脑更多地提取相关刺激信息用于位置处理。2 名观察者也表现出等效内部噪声的降低, 使大脑校准了视觉系统的空间扭曲。学习的效应还普遍化传递至非训练任务的字母识别上, 结果有2 行的提高。我们发现在学习中存在个体差异。在5 名青少年中有1 名经过训练后位置视敏度没有任何改变。尽管他很积极, 但他训练前的位置阈值没有通过训练而降低。我们还不知道为什么这个观察者没有表现出任何学习效应。我们注意到他有很高的内部噪声。

我们猜想这种无反应性可能是由于一些生理限制所致,如突触连接的延伸性差。可能是内部噪声水平越高, 需要激发神经改变的训练越多。我们最初的想法是儿童发育中的大脑可能比成年人有更好的可塑性和延展性。

出乎意料的是, 青少年弱视视力提高的程度和我们之前在成年弱视研究中的发现一样。这两项研究有一些不同点。在我们最近的一项研究中, 成年的观察者在一个长的阶段中( 约2.5 小时) 执行750 次试验( 几乎是目前这研究中青少年观察者的两倍) 。因为很难让儿童在训练时长时间保持注意力, 所以我们要求儿童每阶段执行400 次试验。可以激发学习相关的神经改变的最小训练量还不清楚。为了将这项技术应用于临床治疗弱视, 还需要确定知觉学习的“剂量- 效应”关系。

在这个研究中, 所有的受试者都在开始试验前有过完整的遮盖治疗。经过一段时间遮盖优势眼治疗后他们的弱视眼的视力已经提高到一定程度。用我们这种训练对于“ 新鲜”弱视者可能进步更大。我们记录到, 观察者BB 和MO 在先前的遮盖治疗中没有任何的进步, 但是经过位置辨别任务训练后视力有所提高。我们的青少年受试者经过20 小时的训练后表现出2 行视力的提高。在14~20 小时过程中获得逐渐的提高。在之前的成年弱视患者也表现出通过知觉学习后视力提高30%~50%。我们推测在比正常治疗年龄( <6 岁) 更小的儿童可能通过知觉学习表现出更好的效果。不象传统的被动的遮盖, 知觉学习更主动和强烈, 观察者在作出知觉反应前必须非常仔细地注意视觉刺激的小细节, 每个试验中对于观察者都立即给予反馈。当他们给出错误的回答, 他们都会有足够的时间来检查和作出正确的选择。

传统的矫治包含了很少的病人主动的参与。而且很少有直接的反馈或一个在“电脑游戏”时争取获得高分。我们假定有反馈的训练可以使某些紊乱的视觉机制得到校准或重新权衡, 使得观察者更有效的对刺激信息采样同时减少不能校准的内部位置抖动。已经证明学习是通过突触的可塑性而完成, 可能这是皮质重新权衡的基础。然而, 这些变化可能部分因为高水平的处理变化引起, 在这个过程中观察者学习用弱视眼注意突显的信息。

知觉学习可能是弱视治疗的一种有效方法。Levi 等第一次提出成人弱视通过重复的游标视力训练可提高视觉能力,这些观察者中有一名甚至在6 次训练后表现出明显的视力( 50%) 提高。它表现为通过其他视觉任务的训练, 如对比度探察, 可能会提高弱视眼视知觉。以前的研究已经证明知觉学习的提高能充分的保持一段时间。

通过位置分辨训练, 我们发现在其他的未训练的高水平任务方面也有能力的提高。训练的时间相对于长期的遮盖来说, 时程更短( 只有7~10 阶段) 而更实用。所有这些研究都支持知觉学习是一种可以应用于临床的有用的技术。在将来的研究中, 弱视治疗时应该考虑联合不同的视觉任务。关于弱视怎样通过学习提高提取刺激信息的能力仍然是不很清楚。我们以前报告过, 在正常的观察者, 行为感受野或“决策模板”的重调完全能说明视觉能力的进步。这种模板的重调可能也能解释弱视观察者的效率的提高; 然而, 我们注意到与正常观察者相比较, 我们的弱视患者中( 包括儿童和成人) 有一些也表现出内部噪声的降低。