长时程适应对眼优势可塑性的影响

An important goal in neuroscience is to understand and control adaptive neural plasticity. A hot topic under intense study is the ocular dominance plasticity. Reshaping ocular dominance beyond the critical period is difficult, but some residual ocular dominance plasticity likely remains in adult humans. The proposed project relies on a novel methodology we developed, “altered-reality system”, to study the influences of long-term visual adaptation on human ocular dominance. Specifically, during adaptation, each eye’s input signals are manipulated electronically through real-time image process, allowing the participants’ ocular dominance to change as they go about everyday activities. Using this system, one of our recent studies has suggested that the strength of the deprived eye is boosted following monocular deprivation of Fourier phase regularity information. In another work, we developed a novel approach to rebalance the perceptual ocular dominance in normal adults who were not diagnosed with amblyopia, and to improve the vision in adults with amblyopia. The visual displays in neither work can be implemented with traditional methods using optical devices, and both work has disclosed interesting new findings that are worthy of future investigations. In the proposed project, we plan to conduct experiments along these two lines of research. On the one hand, we will investigate the neural mechanisms underlying monocular deprivation. On the other hand, we will explore the underlying mechanisms for the effects of interocular rebalance based on our newly developed approach. The proposed project incorporates the augmented-reality technique into vision research to resolve challenging issues for traditional approaches. The project will not only help deepen the understanding of the mechanisms for visual plasticity but also bridge the gap between fundmental research and clinical applications.

眼优势可塑性是神经可塑性领域被广泛研究的热门问题。近来研究发现成年人的眼优势仍具有一定的可塑性。本项目凭借我们开发的新方法“更改现实系统”研究长时程视适应对眼优势可塑性的影响。该系统可实时地对每只眼的输入图像进行电子化的调节，实现在日常活动的同时重塑眼优势。在此基础上，我们最近发现单眼相位规则信息剥夺能提升剥夺眼的优势。并且我们还开发了一个新颖的方法让成年人双眼更加平衡，也可以改善弱视病人的视力。这两个工作中的视觉刺激呈现都无法通过传统的光学元件来实现；两个研究也都揭示了有趣的新发现，值得进一步加以研究。本项目拟从这两个方面展开深入研究。一方面，从研究单眼剥夺入手考察眼优势可塑性相关的神经机制；另一方面，探索我们开发的新方法得以促使双眼再平衡的背后机制。本项目结合了先进的增强现实技术研究常规手段难以解决的问题，不仅有助于深入理解视觉可塑性的机理，也为从理论研究到临床实际应用奠定了基础。

研究眼优势可塑性是了解大脑可塑性的重要入口之一。经典的神经科学研究认为眼优势可塑性只存在于幼年的发育关键期。近来的单眼剥夺研究表明，成年人依旧具有一定残留的眼优势可塑性。本项目旨在研究单眼剥夺等长时程适应下，成年人眼优势可塑性背后的神经机制。借助脑电的稳态视觉诱发电位（SSVEP）技术，我们发现观看双眼融合的自然场景刺激时，SSVEP幅度的变化仍能体现出神经眼优势的转移。这说明虽然单眼剥夺时两眼输入不一致，但是负责对双眼无冲突的输入进行加工的神经机制也受到了单眼剥夺的影响。该研究也首次验证了在适应阶段全程记录SSVEP的方法可用于在长时程适应时跟踪适应刺激（特别是自然场景刺激）引发的神经活动的动态变化。以此为基础，我们进一步探索注意在单眼剥夺适应中的作用。我们发明了一种新颖的实验范式，给一只眼呈现正放视频而另一只眼呈现倒放视频，保证了适应过程中，两眼总的信息输入相等，但看剧的需求使得被试主要注意呈现正放视频的那只眼。结果发现适应后，知觉眼优势和神经眼优势都向非注意眼转移，并且对额、枕区电极活动的功能连接分析以及脑电活动与行为指标的相关分析都显示基于眼的注意与观看这种离眼倒放视频后眼优势的转移有关。由于适应时眼间冲突的强弱可以决定能否观测到眼优势转移，我们便引入双眼竞争的眼对抗神经元模型对以上发现进行了统一的解释。通过观测适应导致的交互频率的SSVEP信号是如何改变的，我们为该解释找到了支持性的证据，证明了基于眼的注意调节眼优势可塑性是通过双眼竞争机制实现的。另一方面，我们研究了双眼互补的更改现实长时程适应训练治疗弱视背后的神经机制。每天三小时连续六天的适应训练使得弱视眼的视力得到了改善，同时早期视觉皮层V1-V3中央和旁中央视觉区域之间的局部静息态功能连接得到增强，可能反映了眼间整合能力通过训练得到提升，而SSVEP的测量结果显示交互频率的响应在训练后变弱，反映了眼间抑制的减少，这两个效应都在一个月追踪测试中仍旧保持。