立體視覺的皮層定位以及與色覺的相關(guān)性的功能磁共振研究.pdf

1、前言 立體視覺或稱深度感覺。當(dāng)人的雙眼同時注視一個立體物體時，物像分別落在兩眼視網(wǎng)膜對應(yīng)部位(主要在黃斑部)，由于兩眼之間相距大約65mm，所以兩眼是從不同的角度看這個物體的，左眼看到物體左邊多些，右眼看到物體右邊多些，這樣左眼和右眼視網(wǎng)膜上分別感受到不完全相同的刺激，形成神經(jīng)沖動，沿著視覺傳入經(jīng)路到達(dá)大腦中樞，大腦皮質(zhì)的視覺中樞把來自兩眼的這些視覺信號分析整理，綜合成為一個完整的、具有立體知覺印象的過程。這樣，人類不僅能夠獲得

2、物體的形狀、大小和顏色的概念，還能獲得物體的空間方向的概念，能夠正確地判斷自身與客觀環(huán)境之間的相對位置關(guān)系。這是人在自然界生存的一個很重要的條件。 隨著科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展，人類對立體視覺的要求更加重視，要求具有敏銳的立體視功能的職業(yè)越來越多，如特殊兵種、各種司機(jī)、運(yùn)動員以及現(xiàn)代化機(jī)械操作、精密儀表制造、顯微外科手術(shù)等人員。 在認(rèn)知科學(xué)體系中，立體視覺處于非常重要的位置，對它的傳統(tǒng)的研究方法主要有以下幾類： 1、視

3、光學(xué)方法： 包括顏-鄭二氏立體視覺檢查圖與全息立體視檢查儀(隨機(jī)點(diǎn)圖)，只能針對光學(xué)通路的檢查，不能觀察到大腦皮層的活動。 2、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)： 主要研究手段是通過事件相關(guān)電位(ERP)、PET、腦電等； 由于事件相關(guān)電位、腦電圖具有很好的時間分辨率、但是空間分辨率較差，無法對皮層功能進(jìn)行定位；而PET能夠反映神經(jīng)元的活動，但是空間分辨率都比較差、價格昂貴、不具有可重復(fù)性，不能作為腦功能研究的主要手段。

4、 基于上述的研究，人們對立體視覺有如下的認(rèn)識： 立體視覺的研究經(jīng)歷了幾個代表性的發(fā)展階段。立體視覺最根本性和最精細(xì)的線索及其神經(jīng)機(jī)制是視差，這是由Julesz把隨機(jī)點(diǎn)立體圖對(RDS)方法應(yīng)用于立體視覺心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)后得到證實(shí)[1]，接著Bishop和Barlow等人發(fā)現(xiàn)皮層雙眼性視差敏感神經(jīng)細(xì)胞提供了神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)[2]，共同奠定了立體視覺的視差理論。后來,Blackmore利用空間頻率條紋構(gòu)成的圖對方法研究結(jié)果提出了立體

5、視覺的頻差理論[3]，引起了學(xué)術(shù)爭論。鄭竺英等人對這兩種不同的立體視覺生成機(jī)制進(jìn)行了研究，對不同大小視差成分的隨機(jī)點(diǎn)圖進(jìn)行空間頻率的頻譜分析研究后認(rèn)為，視差與頻差是統(tǒng)一的[4]，兩者都強(qiáng)調(diào)立體視覺的中樞形成機(jī)制。 但是，由于傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的局限性，立體視覺皮層中樞的確切定位仍然存在爭議。 fMRI的出現(xiàn)給立體視覺中樞機(jī)制的研究開辟了一個嶄新的途徑。該技術(shù)具有較好的空間和時間分辨率、而且可重復(fù)性較好，價格也相對便宜。

6、 對立體視覺的影響因素重要有視差、頻差、顏色、亮度等，同時某些病理因素比如弱視、近視也會有較明顯的影響。其中色覺對立體視覺的影響缺乏系統(tǒng)性的研究。成為本課題研究的選題。 研究目的： 1、通過fMRI的研究手段，研究正常的有立體視覺的受試者的立體視覺皮層功能區(qū)定位。 2、在立體視覺中影響因素很多，比如弱視、近視等，但色覺對其影響有很大的爭議。本研究通過fMRI的研究手段探討色覺與立體視覺形成是否具有相關(guān)性。

7、 材料和方法： 研究對象 1、健康成年人12例，男6例，女6例，年齡為21～26歲。均為右利手，除屈光不正外否認(rèn)其他眼疾史，無全身疾病史或其他神經(jīng)系統(tǒng)疾患。 2、入選條件： 2.1、通過立體視覺、色覺的視光學(xué)檢查無缺陷者。 2.2、通過行為學(xué)試驗(yàn)，能夠分辨出實(shí)驗(yàn)用的隨機(jī)點(diǎn)圖和顏色圖譜，并達(dá)到90％以上的正確率者。 實(shí)驗(yàn)方法 1、實(shí)驗(yàn)中按順序采集結(jié)構(gòu)圖像、BOLD數(shù)據(jù)和三維全腦解剖圖

8、像。 2、采用BOLD—fMRI技術(shù)及組塊(BLOCKS)設(shè)計模式，以SIEMENS 3.0T Trio磁共振成像系統(tǒng)掃描圖像獲取數(shù)據(jù)。視覺刺激采用SA-8800視覺刺激系統(tǒng)設(shè)計和執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)中受試者通過注視額前方固定的平面反光鏡觀察投影屏上的刺激圖像。受試者完全矯正屈光不正，做立體視覺實(shí)驗(yàn)時配戴紅綠眼鏡(右眼為紅色)。 立體視覺部分： 第一組：刺激任務(wù)1：視差為1500弧秒的立體視圖；刺激任務(wù)2：全黑色塊和全白色

9、塊；控制任務(wù)：固定于刺激屏中央的白底黑色+字。 第二、三、四組：刺激任務(wù)1：各組視差分別為500／1000／1500弧秒的立體視圖；刺激任務(wù)2：全黑色塊和全白色塊；控制任務(wù)：固定于刺激屏中央的白底黑色+字。 色覺刺激部分： 第一組：刺激任務(wù)1：隨機(jī)出現(xiàn)單一紅或藍(lán)色卡片；刺激任務(wù)2：隨機(jī)出現(xiàn)全白色全黑色卡片；控制任務(wù)：固定于刺激屏中央的白底黑色+字。 第二組：刺激任務(wù)1：隨機(jī)出現(xiàn)單一紅或藍(lán)色卡片／混合紅藍(lán)色

10、卡片；刺激任務(wù)2：隨機(jī)出現(xiàn)全白色全黑色卡片／混合白色黑色卡片；控制任務(wù)：固定于刺激屏中央的白底黑色+字。 每個組塊包括10個周期，由兩個刺激任務(wù)中的一個與控制任務(wù)組成。每次刺激狀態(tài)呈現(xiàn)時間為3.5秒，控制狀態(tài)呈現(xiàn)時間0.5秒。每組實(shí)驗(yàn)由8個組塊構(gòu)成，兩種刺激任務(wù)交替出現(xiàn)。刺激開始與MRI掃描同時激發(fā)，每2秒掃描一次，舍棄每個組塊前兩次采集的數(shù)據(jù)。每組實(shí)驗(yàn)持續(xù)320s。從第二組實(shí)驗(yàn)開始，要求受試者作出判斷，當(dāng)刺激狀態(tài)下受試者感覺到

11、有立體圖像或屏幕顯示黑色色塊時，按按鍵盒的右鍵；如無立體圖像或屏幕顯示白色色塊時，按左鍵。做色覺實(shí)驗(yàn)時，分兩組，第一組為單一色覺卡片和黑白色對照卡片；第二組為紅藍(lán)色混合卡片和黑白混合卡片的對照實(shí)驗(yàn)。 3、數(shù)據(jù)處理被試完成視覺任務(wù)及數(shù)據(jù)采集后，以SPM2軟件進(jìn)行BOLD數(shù)據(jù)處理，將兩實(shí)驗(yàn)中所有個體數(shù)據(jù)的所有體素逐個計算，每個體素根據(jù)任務(wù)刺激不同所致得BOLD反應(yīng)的不同均與各自的對照刺激進(jìn)行單個樣本t檢驗(yàn)，獲取每組實(shí)驗(yàn)的功能激活圖像。然后對

12、立體視覺時同一受試者2、3、4三組的雙側(cè)皮層激活范圍的差異進(jìn)行F檢驗(yàn)，取p<0.005為有統(tǒng)計學(xué)意義。分析水平視差大小與皮層激活情況是否呈線性相關(guān)。然后將三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果合并進(jìn)行t檢驗(yàn)，得到總的立體視覺激活圖。同樣采用單樣本t檢驗(yàn)得到兩組色覺實(shí)驗(yàn)的激活圖。 4、結(jié)果分析 將立體視覺和色覺的實(shí)驗(yàn)中激活的腦區(qū)進(jìn)行相關(guān)性分析，并通過調(diào)整P值觀察不同的統(tǒng)計敏感參數(shù)情況下立體視覺和色覺激活圖的相關(guān)性。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 按鍵

13、判斷正確率的解讀12例入選的正常志愿者全部完成了本項(xiàng)研究，各組按鍵判斷的正確率都達(dá)到了80％以上。僅第2組的Trial 1和Trial 2響應(yīng)時間之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義，根據(jù)均數(shù)可知，判斷立體視覺的時間明顯長于判斷黑白顏色的時間。第3、4兩組的響應(yīng)時間與判斷顏色所需時間之間無差別；色覺判斷兩組試驗(yàn)彩色和黑白色的判斷未見差異。 故本次試驗(yàn)12例受試者均能被采信。 立體視覺部分 (1)第一組為適應(yīng)試驗(yàn)，舍去。

14、 第二組為500弧秒組，可見雙側(cè)Brodmann 18區(qū)(BAl8)和右側(cè)BA 19，而以左側(cè)枕中回最為強(qiáng)烈；左側(cè)Brodmann 10區(qū)額中回，左側(cè)額下回等激活。 第三組為1000弧秒組，可見雙側(cè)BA 18區(qū)，而以左側(cè)枕中回最為強(qiáng)烈；左側(cè)BA 9區(qū)額上回、中回、下回以及右側(cè)額內(nèi)側(cè)回；左側(cè)BA 8區(qū)額上回和額內(nèi)側(cè)回。 第四組為1500弧秒組，可見雙側(cè)BA 18區(qū)，而以左側(cè)枕中回最為強(qiáng)烈；海馬回前部(BA35區(qū))。

15、 (2)組間分析。三組數(shù)據(jù)行F檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)組間差異?？梢哉J(rèn)為本實(shí)驗(yàn)中激活區(qū)的激活強(qiáng)度并未隨著水平視差的加大而發(fā)生明顯的變化。 (3)將三組數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行單樣本T檢驗(yàn)，P=0.001，可見雙側(cè)枕葉、額葉，以及右側(cè)頂葉皮質(zhì)被明顯激活，主要的激活區(qū)集中在屬于高級視覺聯(lián)合皮質(zhì)的雙側(cè)Brodmann 18區(qū)和右側(cè)Brodmann 19區(qū)，還有右側(cè)的Brodmann 7區(qū)(包括頂上小葉和楔前葉)，右側(cè)的Brodmann 37區(qū)(顳中回)。另外

16、，雙側(cè)大腦半球的額部也有明顯激活，以左側(cè)額中回最為強(qiáng)烈。另外還有對人類的行為起著決定的作用的海馬回前部(27區(qū))，右側(cè)扣帶回、左側(cè)島葉也有激活的表現(xiàn)。初級視皮質(zhì)Brodmann 17區(qū)并未見激活。 色覺實(shí)驗(yàn)部分 當(dāng)單一色鑒別試驗(yàn)，激活區(qū)域主要包括枕葉。 對較復(fù)雜的混合色鑒別時，激活了四個主要部位，枕葉初級視覺皮層(BA17／18)，枕葉楔回(BA19)/頂葉(BA40)／小腦腦干。 立體視覺和色覺皮層激活

17、區(qū)間相關(guān)性探討簡單色覺和立體視覺皮層激活區(qū)間沒有相關(guān)性；而將復(fù)雜色覺判斷部分的P值0.001時共同激活的皮層區(qū)域有枕葉、頂葉；P值調(diào)至0.005，兩者之間共同激活區(qū)域又增加了雙側(cè)額葉。 結(jié)論： 1.立體視覺不存在明確的特別中樞；而是一個多腦區(qū)共同作用的結(jié)果。 2.視差對立體視覺的形成沒有明確的影響。 3.立體視覺和色覺產(chǎn)生的原理不同，但是發(fā)現(xiàn)立體視覺和復(fù)雜色覺任務(wù)之間有共同的激活腦區(qū)，說明兩者存在一定的關(guān)