大腦怎麼「看見」世界的——視覺系統知多少

人工智慧學家

來源：神經科技

「諸位的眼睛，可以觀賞你們喜愛的任何一幕戲。而我不知道，到底會有多少人在觀看一幕戲、一場電影或任何一個場面時，意識到讓你們可以享受到色彩、美景與動感的視覺是個奇蹟，並對此抱有感激之情呢？」 ——《假如給我三天光明》 [美國] 海倫?凱勒

如果說幾十億年前生命的誕生是地球上迄今為止最美的奇蹟，那麼生物體的神經系統堪稱這個奇蹟中最耀眼的巔峰之作。重量約為1.3千克，體積約為1200立方厘米，包含大約860億個神經元（即神經細胞，是神經系統的結構與功能單位）以及同樣數量的非神經元細胞（例如對神經元提供支撐和保護作用的膠質細胞，運輸氧氣和養料的血管組織等），人類大腦的複雜程度與奧妙之處被很多神經科學家認為並不亞於廣袤無垠充滿未知的浩瀚宇宙。

圖1 大鼠腦部（左）和人腦（右）的結構示意圖

圖2 大腦皮層左半球側面視角的主要腦區和結構

神經系統的功能，概括來說就是根據生物個體的需要以及外部環境的變化來控制或調節自身的行為以及內環境的穩態。這個過程抽象下來實際就是獲取信息、處理信息以及輸出信息。就像我們在使用計算機時，通過鍵盤滑鼠將信息輸入，在計算機進行相應的運算之後通過顯示器來輸出結果。我們生活在一個豐富多彩的世界裡，而即便是從最基本的生存層面來看，每一個生物個體都需要感知周圍環境並對外界的變化做出相應的反應。例如，野外生活的動物敏銳地發現獵物才能進行捕食，及時地察覺天敵才能躲避危險。

外界環境信息的獲取及處理主要由感覺系統來負責，包括視覺系統、聽覺系統、嗅覺系統、味覺系統和觸覺系統等。在生物體獲取的所有外界信息中，視覺信息佔有很大的比例，尤其是對於高等動物這一現象更為明顯。對於一個正常人，視覺信息佔全部感覺信息的70%以上。我們在生活中也很容易體會到視覺是多麼重要的一種感覺。

圖3 人體的主要感覺

視覺系統在結構上主要包括眼睛（主要指視網膜）、外側膝狀體（簡稱外膝體）以及視皮層（包括初級視皮層以及紋外皮層）等，在功能上主要負責視覺信息的獲取和處理進而形成視覺，同時也與其他腦區一同參與到一些和視覺成像無關的行為控制中。

圖4 視網膜神經節細胞投射的主要腦區和結構

視覺系統是目前為止研究得最為廣泛也最為深入的感覺系統之一。一方面是由於視覺的重要性，另一方面則是基於視覺系統本身的特點和研究優勢。上文中提到過神經系統的基本功能就是獲取、處理並輸出信息。因此對神經系統進行研究的關鍵點之一就是精確了解和控制它獲取的信息。而這在視覺系統的研究中是非常容易做到的：研究人員可根據不同的研究目的設計出各種靜態及運動圖形作為視覺刺激。這些由計算機在時間和空間上精確控制的視覺刺激使得研究人員在實驗過程中可以完全了解實驗動物視覺系統的輸入信息是什麼。

視覺信息的獲取過程主要發生在視網膜中，而對這些信息進一步的加工處理則發生在視網膜、外膝體、視皮層等。因此對視覺系統功能上的研究也主要集中在這些區域。電活動是神經系統最主要的信息載體，而視網膜中一部分細胞的任務就是將光信號轉變為電信號（即光電轉化）。這些電信號經過視網膜其他細胞的加工後向腦內的外膝體傳遞，之後傳遞給視皮層進行更進一步的信息處理與整合，進而形成視覺。為了便於理解，這個過程可以類比於日常生活中的寫信寄信：在寫信時信息由寫信人的思想轉換成文字，而信紙則是載體，這就如同視網膜中的光電轉化過程；然後信件被投遞至郵箱中，這就如同視覺信息從視網膜傳遞到外膝體；最後在郵局根據信件的不同類型以及目的地進行歸類處理以便轉運至收信人所在地，這就如同視皮層的功能。

對於視覺系統的探索，長期以來大量的實驗主要集中在對貓、獼猴等實驗動物的視皮層以及外膝體的研究，尤其是對視皮層功能的了解。近些年來隨著轉基因技術在實驗小鼠上的成熟推廣，很多視覺研究領域的實驗室都開始用小鼠開展相關的課題研究並取得了一系列的成果。人們對視網膜的研究同樣起步很早。早期的研究材料大多是兔子、貓、蠑螈等實驗動物的視網膜，類似地近些年越來越多的實驗集中在對小鼠視網膜的研究上，也有關於獼猴和狨猴視網膜的研究報導。

視網膜——視覺第一站

我們之所以能夠看到外界的物體，是因為它們反射的光經過眼部的角膜、瞳孔、晶狀體、玻璃體等最後聚焦到視網膜上，在這裡發生了一次神奇的光電轉換，即將光信號轉換成電信號。因此，視網膜是接收視覺信息的第一站，對於高等動物來講視網膜也是唯一的視覺信息來源。

視網膜中的神經元，根據不同的形態和功能主要分為五大類：光感受器負責光電轉換，雙極神經元負責接收光感受器輸出的信號並傳遞給下游的視網膜神經節細胞，而信息從光感受器到雙極細胞以及從雙極細胞到神經節細胞的傳遞過程分別受到水平細胞和無長突細胞的調節，視網膜神經節細胞則是視覺信息在視網膜中的最後一站，其對信息進行加工整合後將電信號向下一級腦區外膝體的中繼細胞進行傳遞。神經元之間的信息傳遞主要通過化學突觸來完成。簡單來說，前一級神經元的電活動促使其分泌特定的化學物質（即神經遞質）並作用在下一級神經元上進而引起下一級神經元電活動的變化。有的神經遞質可以增強下一級神經元的電活動，有的神經遞質則會抑制下一級神經元的電活動，比如雙極神經元釋放的神經遞質可以增強神經節細胞的電活動，而無長突細胞釋放的遞質可以抑制神經節細胞的電活動。

近年來發現的一些不完全依賴於光感受器而是自身就具備感光功能可以進行光電轉換的神經節細胞越來越引起人們的注意和興趣。目前的研究表明這些感光神經節細胞可能並不參與視覺成像而是與生物個體的晝夜節律的調節相關。

圖5 視網膜結構及其神經元組成示意圖

上面這些只是最基本的情況，而視網膜中各種細胞之間的結構和功能上的連接實際上是極其複雜的，雖然這些連接遵循著一些基本的規律。首先，上面講到的五種類型的神經元可以進一步的被分成多個亞型，不同的物種之間在亞型的具體數目上有些差異，但總的趨勢是一致的。以小鼠的視網膜為例，目前的研究表明光感受器共有三個亞型，雙極細胞則有十多個亞型，無長突細胞和神經節細胞各自更是可以分為二十個亞型以上。其次，每個神經元可以和多個神經元、多亞型神經元、多類型神經元形成突觸連接，同時一些神經元具有釋放多種化學遞質的能力。另外，神經元之間除了化學突觸連接之外還存在電突觸等連接方式。這些情況綜合起來使得視網膜神經環路呈現難以想像的複雜程度。一些研究視皮層功能的科研人員通常會假設視網膜只負責信息採集而不進行加工處理。這一點當然是有一定道理的:尤其是對於越高級的生物，主要的視覺信息處理過程都集中在視皮層；同時適當地忽略次要因素也是科學研究的方法之一。但是顯然，作為這樣一個複雜的系統，很難想像視網膜實際的功能會只局限於簡單的像素採集。

通過對視網膜功能的深入研究也證明了這一點。即便是在視覺信息的第一站，在光感受器進行光電轉換將光信號轉變為電信號之後，接下來一系列的神經元對這些信息進行了或多或少的加工處理，最終由神經節細胞向其他腦區傳遞。雖然視網膜是這麼複雜的系統，但是也可以相對簡單地來理解。一種簡單的模型是說，光感受器將信息傳遞給十多個亞型的雙極細胞，可以理解為十多條並行的通路，這十多條通路在對視覺信息進行平行傳遞時由水平細胞和無長突細胞進行加工處理，最終將視覺信息的不同要素（比如明暗變化，顏色，運動速度與方向等）抽提出來傳遞給不同亞型的神經節細胞。在某種程度上，不同亞型的神經節細胞具有的功能特徵多樣性反映了視網膜環路功能的複雜性。也是因為這個原因，同時考慮到臨床意義，目前為止神經節細胞是視網膜中被研究得最多、了解得最深入的神經元。而即便如此，我們對它們的了解也還是很不全面，甚至多數還停留在根據形態和功能對細胞進行分類的階段。更不用說在形態和功能的一些最基本的方面才剛剛開始進行系統研究的雙極神經元，以及其他種類的神經元。為了理解視網膜對視覺信息的加工處理過程與機制，對所有這些神經元進行系統而精細的研究都是必須的過程。而很多科學問題的研究和解決依賴於相關技術的進步。例如近些年來轉基因小鼠在神經生物學領域的廣泛應用，對科學研究起到了極大的促進作用。在視網膜的研究中，結合分子生物學製作的各種不同品系的轉基因小鼠，使得實驗人員可以針對某一種或者某幾種細胞進行深入的功能研究，取得了很多的成果。

圖6 視網膜平行通道信息處理模型示意圖

外膝體——信息中轉站

外膝體的英文是「 lateral geniculate nucleus 」，其中的「 geniculate 」就是「形狀似膝」的意思。

外膝體類似於視網膜，其中的神經元也是規則地分層排列，不同類型的神經元分布在不同分層，接收不同亞型的視網膜神經節細胞的輸入，再將這些信息傳輸給初級視皮層。在視網膜、外膝體、視皮層以及其他很多腦區，細胞有序的分層排列是很普遍的結構特徵。

視網膜神經節細胞投射到外膝體各層是有規律可循的。外膝體每層都與對測視野相應的半個視網膜之間形成一定的視網膜投射圖關係，即視網膜中相鄰區域投射到外膝體時也是相鄰或重疊的。這一點的重要性在於可以將空間位置信息在視覺信息傳遞的過程中得以保留。

圖7 獼猴外側膝狀體在腦內位置以及切片結構示意圖；下圖為視網膜到外側膝狀體投射的空間位置拓撲關係

傳統的研究結果使人們傾向於認為，外膝體的中繼細胞主要接收一個或極少數的幾個視網膜神經節細胞的輸入，並把這些視網膜神經節細胞的輸入忠實地傳遞給下一級的視皮層神經元。因此外膝體被認為是視覺信息的中轉站，對視覺信息的加工並不複雜。這個結論對於某些物種的某些外膝體神經元或許是適用的，但可能並不是全部。最新的一些研究結果暗示，在小鼠、獼猴等動物的外膝體中，單個神經元是可能接收多個視網膜神經節細胞的輸入的。如果事實真的是這樣，我們可能就需要重新考慮外膝體在視覺信息傳遞中的作用了。它是如何整合多個視網膜神經節細胞的輸入的？它是僅僅負責分流傳遞視覺信息么？

如果再考慮到外膝體中除了這些中繼細胞外，還有大約25%的中間神經元，那麼外膝體在功能上的複雜性可能就更高了。這些中間神經元一方面接收視網膜神經節細胞的指令，另一方面同時接收視皮層的反饋，作用則是調節其他神經元的電活動。這裡就出現了另外一個科學家們在20世紀晚期才注意到的重要現象，視皮層接收外膝體中繼細胞的信息之後，會反過來就外膝體進行負反饋的調節。就像一個系統，有興奮就需要有抑制，有正反饋就需要有負反饋，這樣才有可能使系統保持相對的穩定而不至於能量無限的增益直至衰竭崩潰。所以，像前文提到過的中間神經元可以抑制其他神經元的電活動、高級皮層可以對低級腦區進行負反饋調節，這些都是使得神經系統可以正常工作的重要功能。

視網膜應用多條平行通路進行信息的傳遞和處理，同樣的，視覺信息在腦內的處理過程也有類似的平行模式，即不同性質的視覺信息成分經不同的神經環路通道預處理，最終由不同性質的皮層細胞來分別進行分析處理與整合。目前的證據表明，中樞視覺信息的處理既是由低級向高級逐步升級的過程，又遵循著平行處理的原則。而外膝體作為視覺信息的中轉站，在平行信息處理通道中起到了關鍵的作用，將不同細胞種類的平行通道、左右眼信息通道、空間頻率通道、顏色信息處理通道、空間方位信息通道、運動方位信息通道等分別傳送到專門處理這些信息的皮層神經元。

視皮層——中央處理器

在神經系統這部「巔峰之作」中，大腦皮層的形成可稱為「畫龍點睛之筆」。進化過程中哺乳動物才開始出現的皮層結構，在學習記憶、語言思考以及知覺意識等高級功能方面發揮著至關重要的作用，且越是高等的生物，其皮層的結構和功能則越是發達。

圖8 外側膝狀體至初級視皮層各層的投射關係、初級視皮層內部的投射關係及初級視皮層向外側膝狀體、上丘及其他皮層區域的投射關係

圖9 視覺通路的平行處理模型。主要分為背側通路和腹側通路

20世紀50年代末 David Hubel (1926--2013)和 Torsten Wiesel (1924--)首次開展了對視皮層細胞的研究，可以說他們的探索開創了視皮層結構和功能研究的新紀元。一方面，他們大量的基礎工作為視覺神經生物學的後續發展奠定了基礎，描述了視覺信息在皮層水平的處理機制的模型；另一方面，他們從發育的角度對皮層功能的可塑性等方面也進行了觀察和闡述。因此，他們共同獲得了1981年的諾貝爾生理學或醫學獎（還有另外一位科學家 Roger Sperry 同時獲得了當年的諾貝爾生理學或醫學獎）。

Hubel 和 Wiesel 根據對視覺刺激的反應特徵，在視皮層發現了多種神經元，分別叫做簡單細胞、複雜細胞以及超複雜細胞。他們後續的研究以及後來大量科研工作者的實驗對這些不同細胞的功能進行了深入的探索。他們的另外一項重要發現則是在視皮層中證實了之前由 Vernon Mountcastle (1918--2015)根據其在軀體感覺皮層的研究提出的皮層功能柱的結構。他們的發現可以簡單描述為許多具有相同特性的皮層細胞，在視皮層內按照一定的規則在空間上排列起來，這種按功能排列的皮層結構，即皮層的功能構築，沿著皮層的不同層次呈現柱狀分布，例如方向柱、方位柱、眼優勢柱、空間頻率柱以及顏色柱等。這一結構的形成對於皮層內感覺信息的處理具有重要的影響。

圖10 初級視皮層功能住模型示意圖。X軸代表眼優勢功能柱（即柱內細胞接收左眼或右眼輸入），Y軸代表方位功能柱（即柱內細胞偏好相應顏色代表的朝向）

上面這些僅僅是對視覺系統的非常基本的簡單介紹，但從中我們不難發現一些在結構和功能方面的共同原則。同樣地，除了那些對各個組織不同之處的繼續研究之外，很多有待解決的問題也是共通的並且並不局限於視覺系統，比如對神經元在結構功能等的分類與研究、神經環路的構成、神經環路中信息的處理等，再考慮到發育、疾病以及高級功能的相關問題，基本上就涵蓋了接下來可預見時期內的重要研究方向。

到這裡，關於視覺系統的介紹基本就結束了。那麼讓我們回到最原始的問題:我們到底是如何看到外面豐富多彩的世界的。上面的介紹可以讓我們大致了解其中的過程，但是對於故事的開頭和結尾卻並沒有涉及。視網膜進行光電轉換，那麼為什麼就獲得了外界的圖像信息了呢？其實，光最主要的特徵就是亮度和波長，亮度代表黑白，波長則決定了顏色。所以外界物體不同位置反射的光投射到視網膜上不同的細胞上時，每個細胞獲得的信息是相應的光強變化和波長，而從群體的角度來看視網膜上所有的光感受器所獲得的信息就構成了視野中的明暗和顏色。至於故事的結尾，視皮層對視覺信息進行加工處理與整合後如何形成視知覺，對於這個問題的認識目前為止還比較初步，暫時可能並沒有確切的答案。我們目前對於視覺系統、神經系統、生物系統的認識與曾經相比已經獲得巨大的飛躍，但是還遠不足以回答所有的問題，甚至於若要把我們已經了解的內容說是「冰山一角」也並不知道這樣講是否算作言過其實。但是，這也正是所有這一切的魅力所在，小至分子細胞，大至自然宇宙，好奇心通過科學的力量不斷地獲得滿足，而這個過程又為我們不斷地帶來愉悅。

「路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。」

來源：中科院之聲

作者：中國科學院上海生命科學研究院神經科學研究所研究人員

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