感知觉学习与弱视儿童的治疗
孙秀伟1 ,2 翁强2
1 广东省医疗器械研究所2 国家医疗保健器具工程技术研究中心

【摘要】在人的一生中视觉功能的表现能力通过训练是可以提升的。 通过感知觉学习获得的提高包括：对比度察觉、方向辨别、游标视力、深度感知、运动感知和模式辨别等。学习效果通常是经由某些视觉任务刺激物特征和方位方向的特别训练体现出来，它显示出即使是成人大脑都有很大的神经可塑性， 感知觉学习对于我们器官内的知觉系统有相当长的! 改变维持期，它能促进知觉系统对周围环境作出反应。最新研究证明感知觉学习可以有效的提高弱视儿童的视觉能力。文中首先阐述了感知觉学习的神经基础及其机制，介绍了弱视治疗的一些基本情况，然后重点介绍感知觉学习如何提高弱视儿童的视觉能力，以及其研究的最新进展：( 1) Denni s MLevi 的位置辨别任务训练方法， ( 2) 虚拟现实用于实现双眼交互弱视治疗

【关键词】感知觉学习 弱视 位置辨别 虚拟现实 双眼交互

1 感知觉学习
1.1 感知觉学习的定义
感知觉学习对于我们器官内的知觉系统有相当长的! 改变维持期，， 它能促进知觉系统对周围环境作出反应， 感知觉学习是由环境引起的。 因为感知觉的改变越来越短暂， 人们倾向于讨论适应、 注意力处理、 策略转移， 而很少谈及感知觉学习。 如果改变并不是由于环境的输入， 那么我们可以认为是成熟而非学习。 感知觉学习有时可能会在知觉任务中表现下降， 就像Samuel.s 所发现的经历越多的口头语言会阻碍人们的判断： 究竟是听到空白噪声还是与语音混合的噪声’即使在以上情况下， 对语音的经历也会增强人们对噪声语言的译解( 这是人们通常要面对的问题) 。 这一解释的前提是感知觉学习调整器官对信息利用的加工机制。
1.2 感知觉学习的神经基础
感知觉学习是一个终生的过程， 其神经基质与神经编码本身有本质关联， 包括了在皮层功能图、 神经元反应的时间特征和在脉络关系调节上的变化。 对这些表现! 自上而下，的控制表明学习涉及多个皮层区域的交互作用。 最近研究( 各种视觉子功能检测) 显示的基本观点是： 知觉辨识训练中获得的提升通常是受限于与训练刺激源相似的刺激。 这种特异性表明， 学习效果的部分神经基础必定位于感觉处理通路的早期阶段。
1.3 感知觉学习的机制
感知觉学习并非由单一处理来完成。 心理物理学家们区分了相对外围、 特别适应和更为具体的策略， 还有快和慢的感知觉学习过程。 认知科学家则区分有反馈( 监控训练) 和无反馈( 统计形式) 的训练机制。 以，机制， 而非，领域，来组织感知觉学习会有一些不匹配的联结( 如有关知觉区别的神经科学和跨文化的研究) ， 但它的好处是把相关或相互影响的现象连接在一起。
1.3.1 注意权重的改变( attention weighting)
知觉能对任务或环境产生适应的一个方法是增加与任务相关刺激表征的权重或是减少无关表征的权重。 一个特征即一个单一的刺激物元素，一个维度即一系列线性排列的特征。 3 厘米和红色是特征，长度和颜色是维度。 在几个不同阶段的信息加工过程中， 注意力可被选择性地指导到重要刺激物特征上。
1.3.2 刺激铭记( s timulus imprinting)
通过训练学习， 感觉系统发展出特定于刺激全部或部分的感受器/ 检测器。 ，铭记，这个词抓住了! 感受器的形状被碰撞刺激物所雕琢， 这一理念。 这些感受器随着刺激物的重复出现而内在固化， 并在对刺激物进行信息加工过程中不断增加其速度、 正确率和总体影响。 虽然我们也考虑过后来获得的感受器的神经处理的确实证据， 总的来说， 被回顾的研究都支持功能性感受器―― 即任何能解释! 重要的、 重复模式的选择性好处， 的抽象仪器或加工程序。
1.3.3 分化( differentiation)
以前表征融合在一起的刺激全部或部分独立分化出来。感知觉学习的一个重大机制就是那些感知间的分化越来越大。用分化的方法， 以前心理学性融合在一起的刺激物会被分开。当被分开后， 以前不可分辨的感知现在可被辨别开来。 像铭记一样， 分化是在整个刺激物和刺激物里的特征水平上产生的。 刺激物区分的一个重要子域就是脸孔感知。 人们对自己所熟悉的人种的脸孔确认是更容易的。 如美国的白人能更容易辨别白人脸孔( 对比起黑人) ， 这就是所熟悉物体更能被区分的一个例子。
1.3.4 联合( utilization)
持续呈现的复杂构造能触发一个独立功能单元的建构。这样， 以前需要检测几个分离部分才能完成的任务， 现在只需要检测一个单位就可以了。 联合是感知觉学习的一种机制，它似乎跟分化相反! 联合包括对单个功能性元素进行建构，当一个复杂的配置出现时， 它就会被触发! 通过联合， 一个原本需要对几个部分进行辨别的任务可用 ，只察觉一个单元，来完成。 分化把整体分离成清晰分开的部分， 而联合把不同部分整合成单个整体! 联合和分化都是对任务建立，适当尺度表现，的加工机制。 两种现象都能在模型里合成一体， 首先是对物体进行特征描述， 如果特征经常同时出现， 则创建联结这些特征的个体， 并如果在原本特征里发现变量的独立资源， 就再把这些特征分解成子特征。

2 弱视
弱视是一种空间视觉的发育障碍， 它影响着世界上大约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’ 或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———大家都知道的拥挤现象。 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、游标、形状知觉、轮廓整合、周围物体的空间联系、相位敏感度、视觉计算、模式视力、立体视和运动加工障碍。 同时， 即使眼睛自身并没有缺陷， 弱视还是会阻止人们从事一些职业， 比如要求有HGV 许可证的司机’ 警察和外科手术医生， 而且在后来的岁月里因损伤或眼疾导致丧失另一只好眼睛的风险颇高。UK的视觉损伤记录中有很多是弱视患者， 他们在损伤或疾病中丧失了另一只好眼睛。
有许多用于解释弱视大脑的视知觉异常的心理物理学理论：（1）空间频率峰值调整转换为低空间频率的皮层感受野的增大, （2）对比敏感度小皮层滤过的降低, （3） 皮层神经元的减少，如采样不足, 和（4）随着在皮层水平代表视觉图象的扭曲而出现的空间不确定和扭曲。 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到15 岁开始治疗的病人遮盖疗法仍然有效。 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有一定程度的恢复。 已经证明视力的提高是和整个皮层活动的增加有关，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效率。 弱视的药物治疗也在研究。

3 感知觉学习提高弱视儿童的视觉能力
3.1 Dennis MLevi 的位置辨别任务训练方法
在最近的一项研究中， 美国著名的视知觉科学家Levi 已经证明感知觉学习可以有效地提高儿童弱视者的视觉能力。他们让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 对线段中哪一对偏离了方向。 位置噪声是对每一线段的每个gabor 斑用高斯概率函数产生(如Figure 1)。 观察者在三个噪声水平进行训练(包括0)，在7-10 个阶段中每个观察者训练3000-4000 次， 每一次作业都给予反馈。 结果， 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。

Figure 1 有位置噪声的视觉刺激物。 最上一排的两边线段没有对齐， 右边线段比左边稍高。 每次操作都有声音反馈。 如果答案错误，上图左下角的卡通图就会正确答案旁边， 并有不同声音。他们的研究表明学习者学会对这一特定任务敏感的神经组产生注意。 对于分开的刺激物， 位置辨别显示了并不依赖于视标的可见度) 把可见度从99%降到50%并不影响其视觉表现， 但它依赖于空间关系， 并被认为受位置不确定影响。
所以， 研究人员用位置噪声来模仿内部噪声的限制（用表现视标位置不确定的方法， 而不是像亮度噪声那样。 减低其可见度）探索位置辨别的潜在神经机制。 实验显示通过训练， 视 觉表现通过在大范围的噪声水平内更有效地运用刺激物的特征信息（这叫提高效率）有所提高。 在实验里， 研究人员用对噪声的影响进行逐一尝试的方法（分子心理物理方法）来量化刺激物不同部分对被训者作感知觉决策时的影响和记录他们决策模板的转变（这一转变反映了从基本视觉机制输入的分量）， 更深层研究效率的提高程度。 结果就是分类图像) classification image ， 它是一个地形图或空间轮廓， 它显示刺激物的哪一部分影响被训者的视觉表现。 用有效的测量被训者位置噪声里分类图形的技术， 研究人员能记录在训练过程中对决策模板的重新调整， 并发现在学习过程中， 决策模板的效率在稳定和有效的提高!
不像传统的被动遮盖， 感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， 每次作业都对观察者立即给予反馈! 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! 相对于长期的遮盖来说， 训练时间更短（只有7-10 阶段）并更实用。 所有这些研究都支持感知觉学习是一种可以应用于临床的有用技术!
在将来的研究中， 弱视治疗应该考虑联合不同的视觉任务!
3.2 虚拟现实用于实现双眼交互弱视治疗
虚拟现实（ VR）技术是指通过特殊的输入设备和一些能实现三维图形和三维音效的特殊输出设备来模拟人和环境间的交互技术。 虚拟现实技术应用图形’ 声音和图像再造逼真的情境， 使学习者身临其境! 虚拟现实系统包括电脑产生的虚拟环境， 它是现实环境的 模拟或抽象环境的表现! 应用VR 系统时， 立体图像是作为观察同一场景的两幅图像的结果而被感知， 一只眼睛看一幅图像， 有着稍微偏斜的观察视角， 这与我们的左右眼观察现实世界时不同的观察点一致!
这种立体效果是要制造一种深刻的感觉( 用3D 观看虚拟环境， 同时知道它是（虚拟环境）。 这种感觉进一步通过在immersive显示器中（ 比如head!mounted 显示器或CAVE 系统）观察虚拟环境而被增强。
虚拟现实通过特定的感觉刺激和感知觉学习， 激活感觉信号通路， 矫治和改善大脑神经系统的信号加工能力， 从而达到治疗弱视目的。 它是通过斜视矫正医师、 眼科专家和虚拟现实应用研究小组的协作研究来检验其在弱视治疗中的可能应用。 这就是双眼交互弱视治疗系统， 即I- BiT 系统。
I- BiT 系统的根据是给患者的两只眼睛呈现不同的图像。这不是为了提供立体图像， 而是作为给两只眼睛呈现不同视觉信息， 至少有一个图像包括动态刺激。 这在Figure 2 中得到描述， 图中展示了3D 环境的一个鱼缸。 基本原理是呈现给弱视眼有趣的部分（鱼）， 呈现给好的眼睛比较无趣的部分（背景）。 在观看立体图像时， 患者会看缸里的鱼。 因此， 弱视眼接收到优先的视觉信息。 为了确保患者能融合图像（正确地把两个图像连接在一起）， 两幅图有很多共同的元素（缸底和植物）。

英国科学家P E Waddingham 等研究显示是怎样用虚拟现实技术来实现双眼交互治疗弱视。 他们的临床病例研究为此提供了令人鼓舞的结果。 病人渴望使用这个系统（只有2/39的儿童不想使用这个系统） ，经过第一轮的治疗， 视觉敏锐度的快速提高给儿童和家长提供了直接的积极的反馈。 而且，因为治疗效果看起来在2 个小时内就出现了， 所以这种治疗方法不需要长期的临床检查。 治疗的反馈是可变的。 对于一些患者， I- BiTTM 单独治疗足以将视力提高到一个满意的水平， 因此不再需要进一步的治疗。 对于其他病人， 残留的弱视仍然保持， 视觉敏锐度的进一步提高仍要求助于传统弱视治疗方法比如遮盖法。
I- BiTTM 治疗比预期的效果要快， 而且没有预期的模式。这提出了一些问题涉及到弱视治疗的潜在神经学。 弱视眼视觉敏锐度的快速提高暗示了没有足够的时间发生细胞生长。
P E Waddingham 认为这种治疗方法激活了静止的神经通路，所以弱视治疗不能受限于大脑发育的关键期（8 岁以下的儿童）， 它也可能适用于青少年和成年人。这是一个令人兴奋的儿童研究领域。 进一步发展的挑战之一是视觉内容的设计和评价， 为弱视治疗提供最大效力的刺激， 来吸引所有的病人。

4 总结
在整个生命阶段， 感知觉学习是一个持续不断， 贯穿始终的过程。 它反映了感知系统， 包括初级皮层， 都在不断调整自己以适应外界环境变化的需要。 感知觉学习打破弱视治疗的传统局限， 初步证明是一种有效快速的方法， 可以预见感知觉学习将为弱视治疗提供广阔的前景。
在某一不断重复的视觉任务训练中， 神经细胞改变了什么？这些改变又是在神经系统的哪一信息处理阶段产生的呢？很多早期的研究着重于研究视觉系统通过学习的改变是在初级还是在高级阶段， 他们用某些特定的训练进行检查（ 如某一方面的进步是否会转到别的视觉任务中， 如方向性’ 眼睛等）。 后来的研究就用亮度噪声（如加一些黑白噪声在图形里， 就像电视屏幕上的雪花）来研究学习者学到了什么。 至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。 根据以前的报告， 在正常的观察者， 行为感受野或“决策”模板的重调完全能解释视觉能力的进步。 这种模板的重调可能也能解释弱视观察者效率的提高。然而， 与正常观察者相比较， 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。