(二)弱视功能损害的研究

       21基本过程:光感与色觉

早期的弱视心理物理学研究集中于研究弱视视觉系统基本过程的完整性――也就是研究弱视眼视杆、视锥机制。一个多世纪以前,Bjerrum (1884) 就指出就光感而言,弱视眼与非弱视眼本质上并无不同 (Ciuffreda et al., 1991)。在WaldBurrian(1944)的经典研究中,他们测量了一组弱视被试的暗适应特性与光谱敏感性,结果显示,弱视眼在中央、周边区都有与非弱视眼一致的暗适应曲线及正常的明、暗光谱敏感性(Wald G & Burian 1944)。就其他一些光感功能,如闪烁恢复(glare recovery)、上亮度知觉(Levi DM & Harwerth 1974)等,弱视眼的表现都正常或基本正常。

亮度辨增(luminance increment threshold):对较小的目标,屈光参差性与斜视性弱视的亮度辨增都高于正常对照组(Miller, 1955; Grosvenor, 1957)

空间累积效应:Flynn研究发现弱视眼的空间累积效应增强(Flynn, 1967)Mimura等研究发现弱视眼中央区空间累积区域扩大(Mimura et al., 1984),而在周边区则正常;WongLevi研究发现弱视眼二阶累积效应没有受损(Wong and Levi 2005)MillerGrosvenorFlynn等都是基于视网膜感受野特性的改变(变大及侧抑制减弱)来解释的,但Levi等认为更可能的解释是空间频率特异性的对比敏感度损失(Ciuffreda et al., 1991)

Stiles-CrawfordSC)效应:Enoch第一个提出弱视可能是由于视网膜感受器异常所致。他的此种观点主要源于在弱视所做的SC研究:他发现弱视可能有轻微的SC功能异常。他假设弱视的感受器朝向异常可导致异常的SC效应及中央视锐度降低(Enoch, 1959; Enoch, 1967)。这种假说现在受到了很多挑战:1CampbellGregory发现即使感受器朝向很异常,中央视力降低也很少(Campbell & Gregory, 1960)2)没有检测到的弱视眼异常注视可以模拟视网膜感受器的朝向异常,但很明显此种异常注视不是弱视视力降低的主要原因(Marshall & Flom, 1970)3Enoch实验室的Bedell1980年重新研究了这个问题,他的结果清晰地表明弱视视力的降低既不能归因于物理的或光学的因素,也不能用视网膜感受器的朝向异常来解释(Bedell, 1980)

色觉:弱视的光谱敏感性是基本正常的。研究发现,除了一些重度患者外(视力低于0.1),弱视的色觉基本正常(Ciuffreda et al., 1991)

综上,弱视视觉系统的基本过程(光感、色觉等)是基本正常的,起码是足够正常的。

22空间视觉

弱视现在被广泛认为主要是一种空间视觉缺损疾病(Li & Levi, 2004; Polat et al., 2004)。现在的相关研究包括:视锐度、空间对比敏感度、位置锐度、轮廓整合、侧相互作用、方位辨别等。

221视锐度

视锐度是现今判断弱视的主要标准。视锐度通常有三种不同的评价方法:1)最小可见锐度(minimum visible acuity;指可被知觉的最小物体) 在黑背景下知觉小亮物体主要基于量子吸收,因此,此种方法测量的是亮度阈值而不是空间辨别能力。实验上,在均背景上,改变细线段的宽度可用以测量最小可见锐度。HechtMintz1939)发现,在最优情况下,宽仅0.5弧秒的黑线即可被知觉。由于感受器细胞所需要的宽度大大超过此阈值,因此,必然有内部的放大机制存在。在此情形下,增加宽度等同于增加其对比度,因此,这种测量等同于测量被试的局部对比敏感度。KleinLevi认为基于上述方法测量局部对比敏感度可能对弱视缺损及其他一些视觉障碍高度敏感(Klein & Levi, 1986)2)最小可分离锐度(minimum resolvable acuity;区分相邻物体的最小间隔) 在最优情形下,此阈值在1弧分量级。弱视的最小可分离锐度高于正常人。但研究发现,此种损害并不足以解释斜视性弱视的功能缺失。3)最小可辨别锐度(minimum recognizable acuity;指辨别形状及方位的能力) 此为临床标准测量方法,包括SnellenLandolt CsE字表,正常视力为0.5-1分之间。弱视的最小可辨别锐度高于正常人。

222空间对比敏感度

弱视对比敏感度缺损非常严重(Levi & Harwerth, 1977; Hess, 1979; Levi & Harwerth, 1980; Bradley & Freeman, 1981)。弱视的对比敏感度损害有以下特点:1)损害主要发生在高空间频率,而在低空间频率下则没有损害或损害非常小。观测到的损害多是由于实验设计的问题造成的(如用小的刺激等);2)高频损失和弱视的严重程度很多时候呈正相关。

但关于对比敏感度的研究也有一些争论:1)虽然绝大部分弱视都有对比敏感度缺损,但是也有对比敏感度正常的报道(Hess et al., 1978)。我们自己在研究中,也发现1%左右的弱视被试尽管视力受损,但并无对比敏感度缺损。2HowellMitchellKeith研究了26614岁的弱视患者的对比敏感度(Howell et al., 1983)。他们发现只有5名被试表现出显著的对比敏感度缺损,主要在中、高频。因此,他们认为对比敏感度损失的发生可能晚于视力的下降。

可否用对比敏感度缺损来解释视锐度的缺损?多数认为答案是否定的。传统的视锐度测量多是在高对比度下(~100%)进行的。双眼间上对比度比对实验未发现异常。因此,Hess等认为对比敏感度缺损并不能用来解释视锐度降低(Hess, Bradley et al. 1983)。经过遮盖治疗,视锐度与对比敏感度的提高并不相关(Koskela & Hyvarinen, 1986)。但CiuffredaFisher则发现弱视眼对比度辨别能力弱于非弱视眼(Ciuffreda & Fisher, 1987)

非弱视眼存在对比敏感度缺损也有报道(Koskel,1986Leguire et al.1990)。此种损害发生于遮盖治疗开始之前,应此排除了剥夺性弱视及可能的暗适应效应的影响。遮盖治疗后,非弱视眼的对比敏感度可恢复至正常水平。这和其它一些在非弱视眼的研究提示我们在应用非弱视眼作为弱视眼的对照时应特别注意。

LeviKlein应用噪音调制技术研究了空间对比敏感度限制性因素,发现弱视视觉系统内部乘法噪音升高,模板匹配下降(Levi and Klein, 2003)。我们自己的研究则发现(Xu et al., 2006),限制性因素随测试空间频率不同而不同,在低频主要表现为内部加法噪音,高频则为内部加法噪音与模板匹配能力下降共同作用。我们在治愈弱视也得出类似结果(Huang et al., accepted;见本论文实验研究III)。

223上对比度检测

此类实验大概可分为两类:上对比度比对和对比度辨别。对比度比对(contrast matching)实验表明,弱视眼与非弱视眼在较高对比度下(一般大于30%),对于所有频率下的对比度知觉都是相似的(Hess and Bradley, 1980; Loshin & Levi, 1983)Ciuffreda等发现,这种可比性受制于呈现时间――呈现时间变长以后,很多屈光参差性和斜视性弱视都报道对比度退色现象(Ciuffreda et al., 1991)

很显然,对比度阈值与上实验结果有矛盾,如何加以解释?现在还没有确定结论。KaplanShapley在外膝体发现两种不同类型的对比度反应细胞:一类对较低对比度敏感,另一类对高对比度敏感(Kaplan and Shapley, 1982)Hess据此假设对弱视而言,较敏感的对比度通道可能特异性受损,而对高对比度敏感的通道则未受影响(Hess et al., 1983),但很显然弱视的字母锐度是在高、低对比度水平下都受影响的。其它一些实验则表明弱视的上刺激可能本质上也是不正常的,如:VEP幅度并未表现出任何的高对比度补偿;但反应时间固定时,弱视眼需要更高的对比度(Levi & Harwerth, 1978)。因此,Levi等提出了另外一种假设:对比度感知(contrast sensation),可能与色彩感知一样,是一种性质属性――当刺激对比度超过阈值时,它们的幅度就是已知的。而对比度阈值、反应幅度及反应时间等则不同,需要汇聚很多神经元来的信息才能做出判断。可能弱视仅仅是由于接受输入的反应性细胞减少而已(Ciuffreda et al., 1991)  

CiuffredaFisher发现弱视眼对比度辨别能力弱于非弱视眼(Ciuffreda & Fisher, 1987),降低的程度随着测试空间频率的增加而增加。其它还有其它一些损害,如刺激的极性与相位等。

224空间定位能力

空间定位能力通常通过测量游标锐度(vernier acuity来评价。没有经过训练的正常人也可辨别10秒左右的位置差异,训练后可降至2秒(Levi et.al., 1997)。由于此阈值已低于感受器的直径,因此被认为反应了皮层处理机制。弱视眼的空间定位能力降低(阈值升高)。

空间定位能力的下降可否以对比敏感度缺损来解释?现在还没有确定性结论。BradleyFreeman(1985)发现眼间对比敏感度差异与游标锐度是共变的(covaried),因此他们认为空间定位能力损害可由对比敏感度降低来解释。BarbeitoBedellFlom (1988)则发现,即使通过调节使得刺激在弱视眼可见度更强也不能消除双眼间空间定位能力的差异。(上刺激和阈值对比度任务是两种不同的任务,可能不能反驳BradleyFreeman的解释)。最近,HessField (1994)同时研究了对比度辨别和空间定位能力,他们发现二者并不相关。

HessMcIlhaggaField提出弱视眼空间定位能力的下降可由轮廓整合能力降低解释(Hess et al., 1997)

LeviKlein报道斜视性弱视患者非弱视眼的游标锐度高于正常对照,而屈光参差性弱视则正常(Levi & Klein, 1985)。这种差异提示在斜视性弱视所观测到的游标锐度异常和斜视而非视力损失相关性更高。

        Polat等发现训练弱视游标任务可以改善弱视患者的空间定位能力,且在一部分被试中,视力也会随之改善(Levi & Polat,1996; Levi, Polat & Hu,1997)。

225空间相互作用  

空间相互作用的研究包括:空间知觉异常、拥挤效应、轮廓相互作用、侧相互作用等一些(可能)相关的研究。

空间知觉异常(Bedell & Flom, 1981; Bedell & Flom, 1983)一般是通过基层刺激特异性(空间频率、方位等)表征的失真及降质来解释的(Hess & Field, 1994)。也就是说,空间知觉异常是以局部的、底层的损害来解释的。

拥挤效应存在于弱视及正常视觉系统中。很久以来,科学家就已经发现字母表行视力要低于单个字母视力(Stuart & Burian, 1962)。这种视力的降低现象,被认为是以下三种因素共同作用的结果:轮廓相互作用、注视眼动和注意效应。现在还不清楚哪种因素在拥挤效应中起主要作用(Asper et al., 2000)。拥挤效应的强弱取决于刺激的间隔,研究发现,对正常人而言,发生拥挤效应的最大距离为2个测试字母宽。在FlomWeymouthKahneman的经典研究中(Flom et al., 1963),他们发现效应的强弱和弱视患者及正常人的单字母视力都成比例。他们解释说,弱视局部视力的降低导致他们不得不应用较大感受野去整合较大范围内相互干扰的信息,因此,拥挤效应的强度和单字母视力成比例。他们据此认为弱视具有正常的拥挤现象。关于游标任务的研究也给出了支持(Levi & Klein, 1985)

但最近的两项研究则不支持正常拥挤效应假说。Hess等发现即使对单字母视力进行归一化后,一些斜视性弱视对低频刺激(Landolt C)的拥挤效应仍大大强于正常对照(Hess et al., 2001)Levi等在高频刺激得出了类似的结果。因此,弱视的拥挤效应作用距离更大,并非尺度不变的(“scale-invariant”)。Levi(Levi et al., 2002)认为此种损害不可能发生在低级信息处理阶段(first filtering stage),而应由后期的信息整合过程损害所致(second stage pooling)。

其他一些支持非局部(底层)损害的证据来自于异常大范围侧相互作用的研究。Polat等发现(Polat et al., 1997),在周边呈现高对比度共线刺激时,弱视被试检测中间目标物的对比度阈值并未降低(facilitation)。最近的一项大样本研究(Polat et al., 2004)也显示对很多弱视而言,抑制(suppression)取代了正常情形下的共线性易化(collinear facilitation)。Levi等也有类似的结果(Levi et al., 2002)

研究发现,斜视性弱视完成轮廓整合(contour integration)任务的能力很差(Hess et al., 1997),而屈光参差性弱视则大部分(5/6)都比较好(Hess and Demanins 1998)。但Chandna等则发现19名未行遮盖治疗的被试中的14名的轮廓整合能力都低于正常对照(Chandna et al., 2001),他们将此归因于弱视的治疗史及所用任务敏感性的差异。Chandna等还发现,经过光学矫正或遮盖治疗后,大部分弱视(包括斜视性弱视、屈光参差性弱视及混合性弱视)的轮廓整合能力都能恢复到正常水平,而他们的视力则还有显著的眼间差异(Chandna et al., 2004)

综上所述,关于弱视的空间相互作用的研究也未得出一致性结论,很多问题还有待于深入探索。弱视并非仅仅视力的缺损。

23 运动及时间信息处理

弱视除了上述的空间信息处理障碍以外,还有很多和时间特性相关的信息处理机制也存在损害:时间分辨率、时间对比敏感度、时空对比敏感度、运动方向辨别、方向检测、运动适应、运动后效、异时辨别、速率辨别、运动超锐度、运动定形、时间整合、全局运动(随机点运动)等。

231闪光融合频率 

许多早期的研究都是测量弱视眼的闪光融合频率(CFF, Critical Fusion Frequency)。这些研究的结果很多是相互矛盾的。Feinberg1956)发现弱视眼CFF显著降低(Feinberg, 1956)Alpern, FlitmanJoseph1960)等发现弱视眼和非弱视眼CFF相差很小(Alpern et al., 1960)Miles1949)甚至发现弱视眼的CFF优于非弱视眼(Ciuffreda et al., 1991)。因此,CFF在有些被试而不是所有被试有损害,而且即使损害存在,也是非常小的。这些相互矛盾之处,可能是由于所用刺激的不同,而且刺激基本都还有较多的低频成份。

232时间对比敏感度(Temporal Contrast Sensitivity Function, TSF)

 关于弱视TSF的研究也差异很大。一部分研究发现,TSF有显著损害,在低时间频率损害尤为明显(Wesson & Loop, 1982);另外一部分则认为弱视眼TSF没有损害或损害非常小(Manny & Levi, 1982);也有在中到高频甚至全频发现损害的(Kayazawa et al., 1983)BradleyFreeman的比较研究发现,所观察到的损害和适应水平和刺激大小相关:应用较大刺激的没有观察到损害或损害非常小,应用较小的刺激则观察到损害较大(Bradley & Freeman, 1985)

233 时空对比敏感度(Spatiotemporal Contrast Sensitivity STCS

 关于时空对比敏感度的研究结论主要分为两类:一类认为时间信息处理未受损,所观测到的STCS下降仅反应了空间信息机制损害 (Manny & Levi, 1982);另一类认为低时间频率高空间频率下有损害,而高时间频率低空间频率下则基本完整(Schor & Levi, 1980; Hess & Anderson, 1993)。我们自己的研究支持前面一种观点,所观测到的损害>90%反映了空间信息处理机制的损害(Qiu et al., in manuscript)。

2.3.4 运动检测Motion detection

运动诱发VEP被发现是正常的(Kubova & Kuba, 1992; Kubova et al., 1996)Hess等用低空间频率光栅(0.2 c/deg)研究了两名斜视性弱视的运动检测,他们发现对比非弱视眼,弱视眼在所有研究频率都未表现出损害。但是由于他们用的刺激非常大(40×30 deg),他们的结果可能反应的是视网膜周边机制。很多结果支持斜视性弱视的周边机制是正常的(见(Ciuffreda et al., 1991))。

2.3.5 运动方向辨别与检测 

HessAnderson发现,斜视性弱视在高空间频率与低时间频率下,辨别正弦光栅运动方向的对比度阈值高于非弱视眼(Hess & Anderson, 1993)SchorLevi在屈光参差性和斜视性弱视都发现运动检测和方向辨别的降低,在低时间频率降低尤为明显(Schor & Levi, 1980)

2.3.6 运动适应

 SchorLevi等发现(Schor & Levi, 1980),非弱视眼的运动适应现象和正常人类似(适应后对相同方向运动的光栅的检测敏感性下降),而重度弱视眼(屈光参差性弱视)则没有这种选择性(垂直上或下适应后对上、下的敏感性都下降);对中度弱视(斜视性弱视)而言,鼻侧或侧适应,鼻侧方向运动的敏感性都会下降,但只有在侧方向适应后侧运动检测敏感性才会下降。由于样本量太少,这些数据还不足以确证弱视的运动适应和正常人是否不同。

2.3.7 运动定形(Motion-defined form

Giaschi等(Giaschi et al.,1992)通过检测识别由随机点运动定义的字母来评价弱视患者的视觉能力。他们发现89%(16/18)的儿童弱视患者和20(1/5)的成人弱视的非弱视眼在对motion-defined form的识别上都比正常人差。对弱视眼视锐度大于0.5的弱视患者的研究发现,92%(11/12)的儿童弱视患者和100%(3/3)的成人弱视患者都很难辨认motion-defined form .

2.3.8 时间整合(Temporal integration

Altmann Singer发现弱视患者很难对时间和噪音分割的信息进行加工(Altmann & Singer, 1986)。在他们的第一个任务中,用一个32×32阵列的light emitting diodesLEDs)呈现出一个三角形的图案,这个图案某时刻呈现一次后,过一段时间会呈现2个噪音图案。他们研究发现,弱视患者需要噪音元素和目标图案呈现时间上比较接近才能正确辨认。当这个时间非常短时,弱视患者仍和正常人有同样的表现,排除了低视锐度是造成弱视和正常人表现不同的原因。在第二个实验中,被试面前呈现一个3×3的棋盘,某一时刻,在棋盘上呈现出随机的四个方块,过一段时间间隔后呈现另外的四个随机的四个方块。被试的任务是比较这两次的图案,判断哪个方块丢失了。与正常人对比,大多数的弱视患者需要两次呈现之间的间隔时间较短才能很好的完成任务,少数人可以达到正常水平。在Altmann Singer的实验中,大多数弱视在这两种任务中都表现出一定的缺陷,少数弱视被试只在第一个任务中表现出缺陷。Altmann Singer认为,斜视性弱视患者的持续性反应(parvocellular)神经元的响应可能会减少,从而抑止了时间整合。