摘要

最新研究證實腦中上層的視覺區域對於嬰兒視覺發育的重要。視覺的神經迴路在此有兩條“次級網絡”,分別為“腹側流(ventral stream)"和"背側流(dorsal stream)”;其中背側流的發育和在生活中接受視覺刺激有很明顯的關聯若讓新生小鼠在黑暗環境中長大,即使視覺系統沒有受損,背側流的神經仍無法發育完全。因此先天性白內障的孩童若不及早接受手術,也會因為錯過神經發育的期間而在視覺上有所缺陷。

§ 翻譯原文:Science Daily-The science of baby’s first sight

新生兒第一次睜開眼睛時,所看到的世界並不是那麼清楚的:爸爸媽媽在他眼中是形狀模糊的一團光影;不過不用太久,他的視線就會漸漸清晰。透過他的雙眼,你會發現baby開始認得你。但這時他還無法看清楚玻璃窗外的世界,這對他又是個只有光影的模糊世界,幾個月後,他才開始能看見窗外的蔥蘢;這個世界正逐漸映入他的眼中。

oi?
photo credit: Patr!c!a @flickr

最近,美國北卡羅萊納醫學院的科學家找到了關於新生哺乳動物視力發展時腦中變化的更多線索。這篇以小鼠為研究對象的研究發表在期刊《自然-神經科學》,由Spencer Smith博士帶領團隊研究腦中和視力有關的區域,而這塊腦區負責的功能很可能和視覺的復原有關。

Smith說,這塊腦區在新生兒發育時扮演很重要的腳色,"在胎兒發育時,細胞內的基因和化學分子會幫這條視覺的線路’打好草稿’,出生後這條線路才會透過實際的視覺經驗逐漸被塑型嬰兒光是簡單的東看西看,就能有助於腦中拼湊這條目前所知最複雜的視覺神經網絡。人類和動物的視覺處理過程非常複雜,這過程連目前的超級電腦和最新的運算系統都無法比擬,而我們希望了解這些神經究竟如何完成這樣的迴路。"

若未來要透過基因療法或人工視網膜等方式治療失明,那麼科學家勢必要先了解形成視覺的整個腦中網絡。

“目前為止大部分和視覺復原治療相關的研究工作,都集中在視網膜及初級視覺皮質上",Smith說道,"較少人在研究腦中上層的視覺區域以及它在發育早期受損時的復原能力。我想了解這塊上層視覺區是怎麼發展的,因此必須先知道視覺影像開始被儲存、神經迴路開始發育的每個時間點到底發生什麼事。"

為了瞭解從失明狀態恢復視覺會遇到何種挑戰,我們來看看先天性白內障的例子──在已開發國家,先天性白內障只要在幼兒時用手術移除部分水晶體就能成功恢復視力。"但在開發中或未開發的地區,很多人到青少年甚至成人後仍未接受治療",Smith 說,"他們可能終生都得度過視力模糊的日子,因為成長後再接受手術雖然可以恢復大部分的視覺功能,但仍有部分無法完全恢復。"這些無法復原的視覺感知會影響包括手眼的協調,或是在辨認自己周遭的環境時有障礙。

視覺的神經傳導路徑上有另外兩條"次級網絡",叫做"腹側流(ventral stream)“和"背側流(dorsal stream)“,而背側流在上述的感知行為中扮演很重要的角色。

 

visual_streams
This photo was remixed by Lisa Wu. original photo credit:  OpenStax College [CC BY 3.0 ], via Wikimedia

Smith想知道是否新生兒時的視覺經驗對於背側流的發育有很大的影響,他也想了解這些早期的發育會如何改變神經系統。

為了探究這些問題,Smith和他的同事進行了數百次精密又耗時的實驗,他們使用自己設計的雙光子顯像系統來追溯腦中複雜的神經迴路

“如果你想了解收音機裡的一條線路是怎麼運作的,看著某人組裝那台收音機會是個好方法"Smith說,"這就是我們正在進行的,我們用顯像系統來看動物在胎兒時如何形成這條視覺神經迴路。"

在其中一系列的實驗中,研究團隊把實驗小鼠飼養在完全黑暗的環境中幾個禮拜,甚至為了確保環境黑暗,連研究員要照料牠們時也要帶上夜視鏡,在黑暗中進行;而透過顯像系統以及精準的手術實驗,Smith和他的團隊得以在神經的層級觀察特定腦區。他們發現小鼠的腹側視覺分流很快就會發育出來,當牠受到視覺刺激時這條神經迴路會獨立出現反應,但背側流卻不是如此

Chocolate Does
photo credit: Hy’Shqa @flickr

“讓小鼠待在黑暗中會明顯降低他們背側流的反應",Smith說。這群小鼠在背側區域的神經即使接受到刺激也無法正常的反應。"有趣的是,即使之後重新恢復光明,這個背側流的神經缺陷也仍會存在。"

這點讓人想起罹患先天性白內障的孩子,長大後再接受白內障手術也無法讓視覺完全恢復正常的謎團。

“這些小鼠不只需要靠幼年時的視覺經驗來幫助視覺發育,也需要靠它們來讓整個腦的神經迴路發育完整,"Smith說,"否則牠們的視覺將永遠有所缺陷。"

這些實驗結果可以解釋人類在嬰兒時的腹側和背側流發育,這發育存在於剛出生的幾個月、我們正剛開始睜眼探索世界時。

baby after bath #34
photo credit: tec_estrimberg @flickr

 

Smith最後補充,"現在我們才開始瞭解這兩個次級的分流是如何發育的,這讓我想更深入探究到底這些不同的腦區是如何運算作業的。我希望能夠研究這上層的視覺區到底埋藏了多少資訊、它的功能是否比皮質的視覺區更高階?還有它們如何讓大腦快速又有效率地處理複雜的視覺刺激?”

 

 

§ 延伸閱讀:

視覺對腦力之影響

profile photo credit: Ali Moradmand @flickr
廣告