視知覺學習的刺激類型、訓練方式及作用機制研究進展

馬加堯，吳建峰，2，王力涵，2

1山東中醫(yī)藥大學（國際）眼科與視光醫(yī)學院，濟南 250014；2山東中醫(yī)藥大學附屬眼科醫(yī)院山東省眼病防治研究院山東省中西醫(yī)結合眼病防治重點實驗室山東省視覺智能工程技術研究中心山東省兒童青少年健康與近視防控研究院山東省眼視光與青少年視力低下防控臨床醫(yī)學研究中心

視覺信息是人類獲取外部世界信息的最主要途徑，視網(wǎng)膜可將收集到的視覺信息從光信號轉變?yōu)殡娦盘?，逐層傳遞至視覺皮層的各個腦區(qū)，進行深加工處理，最終形成意識中的畫面。人類通過知覺學習使感官系統(tǒng)更好地為自身服務，以此適應外界環(huán)境的變化。視知覺學習是指通過不斷進行特定的視覺訓練任務，提高視覺系統(tǒng)對外界視覺信息感知能力的方法［1］。近年來，基于刺激類型和訓練方式的不同，不同形式的視知覺學習不斷涌現(xiàn)，已被用來改善不同類型眼部疾病的視覺表現(xiàn)，包括弱視、近視、老花、低視力及眼部手術后的康復治療等。視知覺學習的作用機制相對復雜，目前尚不明確，但心理物理學及神經生物學領域研究的發(fā)展為揭示視知覺學習的作用機制提供了實驗依據(jù)。本文就視知覺學習的刺激類型、訓練方式和作用機制綜述如下。

1 視知覺學習的刺激類型

視知覺學習多采用視頻和游戲等方式，將患者視覺注意力和感官刺激等關鍵因素相結合，有助于提高患者的依從性，但這些視頻和游戲的刺激不會根據(jù)患者的表現(xiàn)而做出改變，且在改善患者視功能方面上的效果有待進一步研究［2］。目前，字母視標、隨機點立體圖和Gabor斑塊等類型的刺激已被發(fā)現(xiàn)可有效改善患者視功能，其中Gabor斑塊在視知覺學習中應用最為廣泛［3］。

1.1 字母視標字母視標可根據(jù)患者的需求調整大小、對比度、方向和亮度等相關參數(shù)，從而制定更適合患者的個體化刺激方案。弱視患者的患眼會出現(xiàn)中心視力擁擠，表現(xiàn)為無法辨別相同大小而并列一行的視標。CHUNG等［4］分別給予弱視患者不同亮度的字母識別任務和不同對比度的字母識別任務，發(fā)現(xiàn)訓練后患者對不同亮度和不同對比度字母視標的敏感性均有提高。HUSSAIN等［5］給予弱視患者高對比度的字母識別任務，結果顯示訓練結束后患者患眼的中心凹視覺擁擠減少，視力提升。ZHANG等［6］給予弱視患者字母識別的視覺任務，觀察訓練前后視力的變化并記錄治療時間，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)治療比較，接受字母視標刺激訓練的屈光不正性弱視和斜視性弱患者視力恢復更好且治療時間更短，而屈光參差性弱視和其它類型的弱視視力變化不明顯，推測其原因為不同類型的弱視的雙眼狀態(tài)不同，導致治療效果出現(xiàn)差異。

1.2 隨機點立體圖隨機點立體圖是由一系列隨機點組成的立體知覺刺激，在臨床研究中通常通過與視頻游戲結合的形式被用來改善患者的立體視覺。MARTíN等［7］研究發(fā)現(xiàn)，立體視覺缺陷患者在接受隨機點立體圖訓練后的視力保持良好，立體視覺顯著提升且依從性提高。PORTELA等［8］選取32例有立體視覺缺陷的弱視患者進行干預，受試者隨機分為訓練組和對照組，兩組均接受隨機點立體圖訓練，其中訓練組的刺激會隨受試者的反應逐漸增加難度，直至所能達到的最佳立體視覺，對照組刺激限定為840～750 s/ms；60次訓練后，訓練組立體視覺較治療前有改善，而對照組立體視覺未發(fā)現(xiàn)改善。這提示隨機點立體圖有助于增強立體視覺視覺缺陷患者的立體視覺銳度，同時，訓練刺激的參數(shù)應根據(jù)患者的表現(xiàn)動態(tài)調整，以達到更好的治療效果。1.3 Gabor斑塊Gabor斑塊是具有高斯包絡的正弦光柵，通過改變Gabor斑塊的空間頻率、對比度、信噪比等參數(shù)來進行訓練可以增強視覺皮層對空間頻率和對比度的敏感性。近視和弱視患者會出現(xiàn)視力、對比敏感度下降和方向辨別能力降低等視覺缺陷，因此Gabor斑塊常被應用于這類患者的視知覺學習。隨著患者適應性增強，可適時地改變上述參數(shù)以提高訓練難度，增強訓練效果。JIA等［9］選取19例成人屈光參差性弱視患者接受8 d單眼GABOR辨別任務，結果顯示訓練后患者弱視眼的對比敏感度不僅在受訓的空間頻率中顯著提高，在未受訓的空間頻率中也有所改善，同時弱視眼的視力和立體視覺也獲得提高。有研究發(fā)現(xiàn)，受試者在高、低空間頻率下訓練，訓練效果存在差異［10］。YAN等［11］給予23例近視受試者各自截止空間頻率下的單眼GABOR視覺任務，訓練結束后發(fā)現(xiàn)患者訓練眼在全空間頻率下的對比敏感度均有提高，同時未訓練眼的全空間頻率下的對比敏感度也得到改善。WU等［12］給予受試者中高空間頻率的GABOR視覺任務，發(fā)現(xiàn)受試者在訓練結束后視力和對比敏感度提升，并且在高空間頻率下患者視力對比敏感度的改善更大。XI等［13］給予受試者5周/度空間頻率下的單眼GABOR視覺任務，發(fā)現(xiàn)訓練后受試者受訓眼和未受訓眼的視力均有提升，且訓練眼視力改善幅度大于未受訓眼。HUANG等［14］給予視力正?；虺C正到正常的成年人較高空間頻率的Gabor斑塊訓練，患有單眼屈光參差性弱視的成年人較低空間頻率的Gabor斑塊訓練，發(fā)現(xiàn)弱視患者雙眼視力較視力正常者顯著提高，且弱視訓練眼的改善幅度大于未受訓眼。這些研究提示，不同人群在不同空間頻率下的Gabor斑塊訓練效果存在差異，因此應根據(jù)人群特點靈活制定刺激方案，從而達到更好的訓練效果。目前，仍然需要更多的臨床試驗來明確各人群中更為有效的視覺刺激類型及刺激參數(shù)。

2 視知覺學習的訓練方式

2.1 基于視知覺學習的單眼訓練單眼訓練是指在遮擋優(yōu)勢眼的情況下進行視覺任務，目的是刺激非優(yōu)勢眼。在視覺學習的相關研究中，常用Gabor斑塊作為視覺刺激應用于單眼視覺訓練。BAROLLO等［15］對弱視患者進行了不同對比度的Gabor斑塊區(qū)分訓練，結果發(fā)現(xiàn)在低空間頻率下，該訓練能夠降低弱視眼對視覺刺激的抑制作用。CHEN等［16］給予患者截止空間頻率下的單眼訓練，發(fā)現(xiàn)患者在雙眼相位結合任務和雙眼全局一致性任務的表現(xiàn)提高，雙眼視力均得到了改善，且在未受訓練的空間頻率下的視覺對比敏感度提高，提示單眼訓練可以改善患者的雙眼視功能。GU等［17］結合穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位給予屈光參差性弱視患者單眼Gabor辨別任務，發(fā)現(xiàn)弱視眼的單眼Gabor知覺學習能夠減少弱視眼和對側眼之間的眼間差異，增加屈光參差性弱視患者雙眼穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位振幅，提示單眼Gabor知覺學習可以改善弱視視覺系統(tǒng)的雙目視覺加工。由于知覺訓練的單調性和重復性，臨床上常將單眼知覺訓練與視頻游戲相結合，開發(fā)出不同類型的視覺訓練方案。DADEYA等［18］選取4～7歲單眼弱視伴斜視及屈光參差的兒童40例，在接受6周的光學矯正后，患者分別接受傳統(tǒng)單眼遮蓋和單眼遮蓋+視頻游戲進行治療，在治療結束后的第3、6、9、12周評估患者視力，發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)單眼遮蓋，單眼遮蓋加視頻游戲訓練更能夠提升弱視患兒的遠、近視力，且患兒的治療依從性更好、視力改善保持時間更長。SINGH等［19］在評價單眼視頻游戲輔助治療弱視的療效時發(fā)現(xiàn)，結合視頻游戲的單眼遮蓋訓練比傳統(tǒng)單眼遮蓋更有助于弱視患兒視力的恢復，但視頻游戲不能夠恢復患兒的視覺對比敏感度。由上可見，單眼Gabor知覺學習和單眼視頻游戲均能夠改善患者的視力，但只有在截止空間頻率下的單眼Gabor知覺學習才會引起對比敏感度的改善，推測視力的改善和對比敏感度的改善涉及到不同層級視覺皮層的可塑性。

2.2 基于視知覺學習的雙眼訓練弱視、近視和斜視等會引起患者雙眼視覺的異常，雙眼訓練可通過同時給雙眼呈現(xiàn)不同刺激從而減少視覺皮層對視力較差眼的抑制作用。盡管單眼知覺學習的未訓練眼也會出現(xiàn)視功能的改善，但雙眼分視訓練理論上能夠在更短的時間內獲得更大的視功能改善。BIRCH等［20］對48例4～10歲弱視患兒進行了視知覺學習訓練，患兒被隨機分為單眼遮蓋治療組和雙眼訓練組，連續(xù)治療2周后，雙眼訓練組中有21例視力提高，而單眼遮蓋組中12例視力提高、11例沒有改善、1例視力下降。KELLY等［21］將28例弱視患者隨機分為單眼遮蓋組和雙眼游戲組接受治療，旨在比較和評價雙眼分視視頻游戲治療和單眼遮蓋治療的療效，在治療2周后，雙眼游戲組的裸眼視力較單眼遮蓋組有更大改善。但也有研究顯示，盡管知覺學習能改善患者的視功能，但是其改善療效并不如傳統(tǒng)單眼遮蓋療法。HOLMES等［22］對比了5～12歲弱視患兒分別接受單眼遮蓋治療和雙眼分視視頻治療16個療程后的療效，發(fā)現(xiàn)雙眼分視視頻治療組視力提高1.05行，遮蓋組視力提高1.35行，傳統(tǒng)遮蓋治療的視力提高效果更好。因此，相較于傳統(tǒng)單眼遮蓋治療，雙眼視頻游戲訓練的治療效果仍需要更多的實驗來驗證。

3 視知覺學習的作用機制

目前，心理物理學和神經生物學均對知覺學習的機制進行了探索和研究。視知覺學習具體的神經機制較為復雜，迄今尚未清楚；而心理物理學的研究集中于探索知覺學習的理論模型?，F(xiàn)已提出四種知覺學習框架理論，包括初級視皮層可塑性理論、重加權理論、反向層級理論和雙重可塑性理論。初級視皮層對刺激的物理屬性具有選擇性，這種選擇性被稱為神經元的調諧特性，而知覺學習能夠改變這種特性，使得初級視皮層對刺激的神經編碼更為精確。YAN等［23］研究顯示，知覺學習可以改變初級視皮層的神經編碼，提高受試者的任務表現(xiàn)。LI等［24］發(fā)現(xiàn)，知覺學習通過重新調整刺激信息在視覺處理中的權重來提高對刺激信息的利用效率。反向層級理論認為，視覺信號是從高級皮層通過反饋影響到初級皮層，是一種自上而下的表達方式。但也有觀點認為，反向層級理論取決于知覺學習的任務難度，當任務難度低，學習首先發(fā)生在高級皮層；當任務難度大時，隨著訓練的深入，編碼刺激物理屬性的初級視皮層影響高級皮層。WATANABE等［25］提出了雙重可塑性理論，認為知覺學習可能引發(fā)了視覺皮層對刺激屬性的可塑性和對任務類型的可塑性，這兩種可塑性變化可能涉及了處理視覺信息的不同皮層水平和不同學習階段。

神經生物學研究著眼于探索知覺學習發(fā)生的神經位點。知覺學習具有特異性，即其效果特異于訓練的視野位置、空間頻率、運動方向等刺激屬性及任務，這提示知覺學習可能發(fā)生在視覺信息加工的早期階段。MUKAI等［26］為探究初級視覺皮層V1區(qū)是否發(fā)生刺激特異性的相關變化在猴腦內植入微電極，以測量其進行單條形刺激辨別訓練時初級視覺皮層V1區(qū)的激活狀態(tài)。該研究發(fā)現(xiàn)，在相應神經元感受野內，初級視覺皮層V1區(qū)神經元響應可分為早期（0～80 ms）和晚期（80～200 ms），這兩個時期的神經響應均會隨著刺激對比度的增加而增加；在特定方向的訓練中，初級視覺皮層V1區(qū)的神經響應與辨別準確率的提高正相關，說明在初級視覺皮層V1區(qū)發(fā)生了特異于刺激方向的激活。AHMADI等［27］研究了視知覺訓練后C1、P1、N1和P3這4個事件相關電位成分的變化，發(fā)現(xiàn)C1在頂葉區(qū)域的電極振幅顯著降低，與行為表現(xiàn)的改善呈正相關；P1波幅未發(fā)生顯著變化；N1振幅在訓練之后降低；P3波幅顯著增加。C1的降低提示受試者接受視知覺學習引發(fā)上述相關電位的變化可能是基于早期視覺皮層區(qū)域的可塑性，而N1和P3幅值的變化可能是自上而下的注意調控和認知加工相互作用的結果。這提示視知覺學習的發(fā)生過程不僅涉及初級視皮層，也可能有高級皮層的參與。YANG等［28］通過訓練獼猴進行朝向辨別任務發(fā)現(xiàn)，與未訓練獼猴感受野區(qū)域神經元的激活程度比較，接受訓練獼猴的V4區(qū)中與訓練位置重合的神經元反應更為強烈，編碼朝向的神經元調諧曲線帶寬變窄，振幅也隨訓練而增加，訓練結束后對刺激方向的辨別能力隨之提高。SIGMAN等［29］利用功能性磁共振成像來跟蹤對比度辨別任務訓練過程中的大腦激活，研究發(fā)現(xiàn)，受試者在進行視覺任務的初期，其處在高級視皮層的額葉—頂葉網(wǎng)絡同時有很強烈的激活，提示在視知覺學習初始階段，負責注意有關的腦區(qū)開始被激活；而在視知覺學習后，大腦中的低級視皮層活動增強，額葉—頂葉網(wǎng)絡活動明顯減弱，這提示在視知覺學習過程中，低級視皮層和高級視皮層之間存在復雜的相互關系，導致不同腦區(qū)均發(fā)生了相應變化。盡管如此，知覺學習是單獨發(fā)生在高級視皮層還是初級視皮層，又或是知覺學習在高、低視皮層均發(fā)生，但受到“自上而下”表達方式的控制，仍需要大量的研究來驗證。

綜上所述，在視知覺學習中應用字母視標、隨機點立體圖、Gabor斑塊等刺激類型及單眼、雙眼等訓練方式可以改善近視、弱視等眼部疾病患者的視覺功能，其作用機制可能與初級視皮層可塑性、大腦神經元激活有關。但由于現(xiàn)有的研究樣本量較小且訓練方式有較大差異，視知覺學習的治療效果和適應人群仍需進一步討論。我們期待在日后可以對不同人群、不同類型的視知覺學習進行大規(guī)模隨機對照實驗，以進一步評估視知覺學習的有效性，揭示視知覺學習不同的作用機制。