“诸位的眼睛,可以观赏你们喜爱的任何一幕戏。而我不知道,到底会有多少人在观看一幕戏、一场电影或任何一个场面时,意识到让你们可以享受到色彩、美景与动感的视觉是个奇迹,并对此抱有感激之情呢?”

 ——《假如给我三天光明》 [美国] 海伦•凯勒

如果说几十亿年前生命的诞生是地球上迄今为止最美的奇迹,那么生物体的神经系统堪称这个奇迹中最耀眼的巅峰之作。重量约为1.3千克,体积约为1200立方厘米,包含大约860亿个神经元(即神经细胞,是神经系统的结构与功能单位)以及同样数量的非神经元细胞(例如对神经元提供支撑和保护作用的胶质细胞,运输氧气和养料的血管组织等),人类大脑的复杂程度与奥妙之处被很多神经科学家认为并不亚于广袤无垠充满未知的浩瀚宇宙。

图1 大鼠脑部(左)和人脑(右)的结构示意图

图2 大脑皮层左半球侧面视角的主要脑区和结构

神经系统的功能,概括来说就是根据生物个体的需要以及外部环境的变化来控制或调节自身的行为以及内环境的稳态。这个过程抽象下来实际就是获取信息、处理信息以及输出信息。就像我们在使用计算机时,通过键盘鼠标将信息输入,在计算机进行相应的运算之后通过显示器来输出结果。我们生活在一个丰富多彩的世界里,而即便是从最基本的生存层面来看,每一个生物个体都需要感知周围环境并对外界的变化做出相应的反应。例如,野外生活的动物敏锐地发现猎物才能进行捕食,及时地察觉天敌才能躲避危险。

外界环境信息的获取及处理主要由感觉系统来负责,包括视觉系统、听觉系统、嗅觉系统、味觉系统和触觉系统等。在生物体获取的所有外界信息中,视觉信息占有很大的比例,尤其是对于高等动物这一现象更为明显。对于一个正常人,视觉信息占全部感觉信息的70%以上。我们在生活中也很容易体会到视觉是多么重要的一种感觉。

图3 人体的主要感觉

视觉系统在结构上主要包括眼睛(主要指视网膜)、外侧膝状体(简称外膝体)以及视皮层(包括初级视皮层以及纹外皮层)等,在功能上主要负责视觉信息的获取和处理进而形成视觉,同时也与其他脑区一同参与到一些和视觉成像无关的行为控制中。

图4 视网膜神经节细胞投射的主要脑区和结构

视觉系统是目前为止研究得最为广泛也最为深入的感觉系统之一。一方面是由于视觉的重要性,另一方面则是基于视觉系统本身的特点和研究优势。上文中提到过神经系统的基本功能就是获取、处理并输出信息。因此对神经系统进行研究的关键点之一就是精确了解和控制它获取的信息。而这在视觉系统的研究中是非常容易做到的:研究人员可根据不同的研究目的设计出各种静态及运动图形作为视觉刺激。这些由计算机在时间和空间上精确控制的视觉刺激使得研究人员在实验过程中可以完全了解实验动物视觉系统的输入信息是什么。

视觉信息的获取过程主要发生在视网膜中,而对这些信息进一步的加工处理则发生在视网膜、外膝体、视皮层等。因此对视觉系统功能上的研究也主要集中在这些区域。电活动是神经系统最主要的信息载体,而视网膜中一部分细胞的任务就是将光信号转变为电信号(即光电转化)。这些电信号经过视网膜其他细胞的加工后向脑内的外膝体传递,之后传递给视皮层进行更进一步的信息处理与整合,进而形成视觉。为了便于理解,这个过程可以类比于日常生活中的写信寄信:在写信时信息由写信人的思想转换成文字,而信纸则是载体,这就如同视网膜中的光电转化过程;然后信件被投递至邮箱中,这就如同视觉信息从视网膜传递到外膝体;最后在邮局根据信件的不同类型以及目的地进行归类处理以便转运至收信人所在地,这就如同视皮层的功能。

对于视觉系统的探索,长期以来大量的实验主要集中在对猫、猕猴等实验动物的视皮层以及外膝体的研究,尤其是对视皮层功能的了解。近些年来随着转基因技术在实验小鼠上的成熟推广,很多视觉研究领域的实验室都开始用小鼠开展相关的课题研究并取得了一系列的成果。人们对视网膜的研究同样起步很早。早期的研究材料大多是兔子、猫、蝾螈等实验动物的视网膜,类似地近些年越来越多的实验集中在对小鼠视网膜的研究上,也有关于猕猴和狨猴视网膜的研究报导。

视网膜——视觉第一站

我们之所以能够看到外界的物体,是因为它们反射的光经过眼部的角膜、瞳孔、晶状体、玻璃体等最后聚焦到视网膜上,在这里发生了一次神奇的光电转换,即将光信号转换成电信号。因此,视网膜是接收视觉信息的第一站,对于高等动物来讲视网膜也是唯一的视觉信息来源。

视网膜中的神经元,根据不同的形态和功能主要分为五大类:光感受器负责光电转换,双极神经元负责接收光感受器输出的信号并传递给下游的视网膜神经节细胞,而信息从光感受器到双极细胞以及从双极细胞到神经节细胞的传递过程分别受到水平细胞和无长突细胞的调节,视网膜神经节细胞则是视觉信息在视网膜中的最后一站,其对信息进行加工整合后将电信号向下一级脑区外膝体的中继细胞进行传递。神经元之间的信息传递主要通过化学突触来完成。简单来说,前一级神经元的电活动促使其分泌特定的化学物质(即神经递质)并作用在下一级神经元上进而引起下一级神经元电活动的变化。有的神经递质可以增强下一级神经元的电活动,有的神经递质则会抑制下一级神经元的电活动,比如双极神经元释放的神经递质可以增强神经节细胞的电活动,而无长突细胞释放的递质可以抑制神经节细胞的电活动。

近年来发现的一些不完全依赖于光感受器而是自身就具备感光功能可以进行光电转换的神经节细胞越来越引起人们的注意和兴趣。目前的研究表明这些感光神经节细胞可能并不参与视觉成像而是与生物个体的昼夜节律的调节相关。

图5 视网膜结构及其神经元组成示意图

上面这些只是最基本的情况,而视网膜中各种细胞之间的结构和功能上的连接实际上是极其复杂的,虽然这些连接遵循着一些基本的规律。首先,上面讲到的五种类型的神经元可以进一步的被分成多个亚型,不同的物种之间在亚型的具体数目上有些差异,但总的趋势是一致的。以小鼠的视网膜为例,目前的研究表明光感受器共有三个亚型,双极细胞则有十多个亚型,无长突细胞和神经节细胞各自更是可以分为二十个亚型以上。其次,每个神经元可以和多个神经元、多亚型神经元、多类型神经元形成突触连接,同时一些神经元具有释放多种化学递质的能力。另外,神经元之间除了化学突触连接之外还存在电突触等连接方式。这些情况综合起来使得视网膜神经环路呈现难以想象的复杂程度。一些研究视皮层功能的科研人员通常会假设视网膜只负责信息采集而不进行加工处理。这一点当然是有一定道理的:尤其是对于越高级的生物,主要的视觉信息处理过程都集中在视皮层;同时适当地忽略次要因素也是科学研究的方法之一。但是显然,作为这样一个复杂的系统,很难想象视网膜实际的功能会只局限于简单的像素采集。

通过对视网膜功能的深入研究也证明了这一点。即便是在视觉信息的第一站,在光感受器进行光电转换将光信号转变为电信号之后,接下来一系列的神经元对这些信息进行了或多或少的加工处理,最终由神经节细胞向其他脑区传递。虽然视网膜是这么复杂的系统,但是也可以相对简单地来理解。一种简单的模型是说,光感受器将信息传递给十多个亚型的双极细胞,可以理解为十多条并行的通路,这十多条通路在对视觉信息进行平行传递时由水平细胞和无长突细胞进行加工处理,最终将视觉信息的不同要素(比如明暗变化,颜色,运动速度与方向等)抽提出来传递给不同亚型的神经节细胞。在某种程度上,不同亚型的神经节细胞具有的功能特征多样性反映了视网膜环路功能的复杂性。也是因为这个原因,同时考虑到临床意义,目前为止神经节细胞是视网膜中被研究得最多、了解得最深入的神经元,。而即便如此,我们对它们的了解也还是很不全面,甚至多数还停留在根据形态和功能对细胞进行分类的阶段。更不用说在形态和功能的一些最基本的方面才刚刚开始进行系统研究的双极神经元,以及其他种类的神经元。为了理解视网膜对视觉信息的加工处理过程与机制,对所有这些神经元进行系统而精细的研究都是必须的过程。而很多科学问题的研究和解决依赖于相关技术的进步。例如近些年来转基因小鼠在神经生物学领域的广泛应用,对科学研究起到了极大的促进作用。在视网膜的研究中,结合分子生物学制作的各种不同品系的转基因小鼠,使得实验人员可以针对某一种或者某几种细胞进行深入的功能研究,取得了很多的成果。

图6 视网膜平行通道信息处理模型示意图

外膝体——信息中转站

外膝体的英文是“lateral geniculate nucleus”,其中的“geniculate”就是“形状似膝”的意思。

外膝体类似于视网膜,其中的神经元也是规则地分层排列,不同类型的神经元分布在不同分层,接收不同亚型的视网膜神经节细胞的输入,再将这些信息传输给初级视皮层。在视网膜、外膝体、视皮层以及其他很多脑区,细胞有序的分层排列是很普遍的结构特征。

视网膜神经节细胞投射到外膝体各层是有规律可循的。外膝体每层都与对测视野相应的半个视网膜之间形成一定的视网膜投射图关系,即视网膜中相邻区域投射到外膝体时也是相邻或重叠的。这一点的重要性在于可以将空间位置信息在视觉信息传递的过程中得以保留。

图7 猕猴外侧膝状体在脑内位置以及切片结构示意图;下图为视网膜到外侧膝状体投射的空间位置拓扑关系

传统的研究结果使人们倾向于认为,外膝体的中继细胞主要接收一个或极少数的几个视网膜神经节细胞的输入,并把这些视网膜神经节细胞的输入忠实地传递给下一级的视皮层神经元。因此外膝体被认为是视觉信息的中转站,对视觉信息的加工并不复杂。这个结论对于某些物种的某些外膝体神经元或许是适用的,但可能并不是全部。最新的一些研究结果暗示,在小鼠、猕猴等动物的外膝体中,单个神经元是可能接收多个视网膜神经节细胞的输入的。如果事实真的是这样,我们可能就需要重新考虑外膝体在视觉信息传递中的作用了。它是如何整合多个视网膜神经节细胞的输入的?它是仅仅负责分流传递视觉信息么?

如果再考虑到外膝体中除了这些中继细胞外,还有大约25%的中间神经元,那么外膝体在功能上的复杂性可能就更高了。这些中间神经元一方面接收视网膜神经节细胞的指令,另一方面同时接收视皮层的反馈,作用则是调节其他神经元的电活动。这里就出现了另外一个科学家们在20世纪晚期才注意到的重要现象,视皮层接收外膝体中继细胞的信息之后,会反过来就外膝体进行负反馈的调节。就像一个系统,有兴奋就需要有抑制,有正反馈就需要有负反馈,这样才有可能使系统保持相对的稳定而不至于能量无限的增益直至衰竭崩溃。所以,像前文提到过的中间神经元可以抑制其他神经元的电活动、高级皮层可以对低级脑区进行负反馈调节,这些都是使得神经系统可以正常工作的重要功能。

视网膜应用多条平行通路进行信息的传递和处理,同样的,视觉信息在脑内的处理过程也有类似的平行模式,即不同性质的视觉信息成分经不同的神经环路通道预处理,最终由不同性质的皮层细胞来分别进行分析处理与整合。目前的证据表明,中枢视觉信息的处理既是由低级向高级逐步升级的过程,又遵循着平行处理的原则。而外膝体作为视觉信息的中转站,在平行信息处理通道中起到了关键的作用,将不同细胞种类的平行通道、左右眼信息通道、空间频率通道、颜色信息处理通道、空间方位信息通道、运动方位信息通道等分别传送到专门处理这些信息的皮层神经元。

视皮层——中央处理器

在神经系统这部“巅峰之作”中,大脑皮层的形成可称为“画龙点睛之笔”。进化过程中哺乳动物才开始出现的皮层结构,在学习记忆、语言思考以及知觉意识等高级功能方面发挥着至关重要的作用,且越是高等的生物,其皮层的结构和功能则越是发达。

通常所说的视皮层主要包括初级视皮层(又称作纹状皮层或视觉第一区域,即V1)和纹外皮层(例如视觉第二、第三、第四、第五区域等,即V2、V3、V4、V5)。实际上,根据神经解剖学和生理学的研究,现在已经知道的猴皮层上至少有35个区域与视觉功能有关。视皮层和其他皮层区域一样,根据组织染色的结果以及神经元的种类与连接方式等,通常分为6层,有些层次的细胞接收皮层下区域或者其他皮层的输入,有些层次的细胞则负责向皮层下或者其他皮层输出信息。

图8 外侧膝状体至初级视皮层各层的投射关系、初级视皮层内部的投射关系及初级视皮层向外侧膝状体、上丘及其他皮层区域的投射关系

初级视皮层接收来自外侧膝状体的信息,然后通过V2和V3传递给V4、V5(即MT区)以及更高的脑区。有一种模型认为,整个的皮层信息处理过程由两条并行的通路完成:V1、V2、V4等组成的腹侧通路主要处理物体形状、颜色等信息;V1、V2、V5等组成的背侧通路主要负责对运动等信息的感知。当然,还有其他的模型同样来阐述视觉皮层的工作机制,它们各自都有一定的优缺点。

图9 视觉通路的平行处理模型。主要分为背侧通路和腹侧通路

20世纪50年代末David Hubel(1926–2013)和Torsten Wiesel(1924–)首次开展了对视皮层细胞的研究,可以说他们的探索开创了视皮层结构和功能研究的新纪元。一方面,他们大量的基础工作为视觉神经生物学的后续发展奠定了基础,描述了视觉信息在皮层水平的处理机制的模型;另一方面,他们从发育的角度对皮层功能的可塑性等方面也进行了观察和阐述。因此,他们共同获得了1981年的诺贝尔生理学或医学奖(还有另外一位科学家Roger Sperry同时获得了当年的诺贝尔生理学或医学奖)。

Hubel和Wiesel根据对视觉刺激的反应特征,在视皮层发现了多种神经元,分别叫做简单细胞、复杂细胞以及超复杂细胞。他们后续的研究以及后来大量科研工作者的实验对这些不同细胞的功能进行了深入的探索。他们的另外一项重要发现则是在视皮层中证实了之前由Vernon Mountcastle(1918–2015)根据其在躯体感觉皮层的研究提出的皮层功能柱的结构。他们的发现可以简单描述为许多具有相同特性的皮层细胞,在视皮层内按照一定的规则在空间上排列起来,这种按功能排列的皮层结构,即皮层的功能构筑,沿着皮层的不同层次呈现柱状分布,例如方向柱、方位柱、眼优势柱、空间频率柱以及颜色柱等。这一结构的形成对于皮层内感觉信息的处理具有重要的影响。

图10 初级视皮层功能住模型示意图。X轴代表眼优势功能柱(即柱内细胞接收左眼或右眼输入),Y轴代表方位功能柱(即柱内细胞偏好相应颜色代表的朝向)

上面这些仅仅是对视觉系统的非常基本的简单介绍,但从中我们不难发现一些在结构和功能方面的共同原则。同样地,除了那些对各个组织不同之处的继续研究之外,很多有待解决的问题也是共通的并且并不局限于视觉系统,比如对神经元在结构功能等的分类与研究、神经环路的构成、神经环路中信息的处理等,再考虑到发育、疾病以及高级功能的相关问题,基本上就涵盖了接下来可预见时期内的重要研究方向。

到这里,关于视觉系统的介绍基本就结束了。那么让我们回到最原始的问题:我们到底是如何看到外面丰富多彩的世界的。上面的介绍可以让我们大致了解其中的过程,但是对于故事的开头和结尾却并没有涉及。视网膜进行光电转换,那么为什么就获得了外界的图像信息了呢?其实,光最主要的特征就是亮度和波长,亮度代表黑白,波长则决定了颜色。所以外界物体不同位置反射的光投射到视网膜上不同的细胞上时,每个细胞获得的信息是相应的光强变化和波长,而从群体的角度来看视网膜上所有的光感受器所获得的信息就构成了视野中的明暗和颜色。至于故事的结尾,视皮层对视觉信息进行加工处理与整合后如何形成视知觉,对于这个问题的认识目前为止还比较初步,暂时可能并没有确切的答案。我们目前对于视觉系统、神经系统、生物系统的认识与曾经相比已经获得巨大的飞跃,但是还远不足以回答所有的问题,甚至于若要把我们已经了解的内容说是“冰山一角”也并不知道这样讲是否算作言过其实。但是,这也正是所有这一切的魅力所在,小至分子细胞,大至自然宇宙,好奇心通过科学的力量不断地获得满足,而这个过程又为我们不断地带来愉悦。

出处

“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。”

作者:王博 中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所
原文链接http://www.sibs.cas.cn/kp/kptw/201606/t20160620_4623663.html