视觉皮层可塑性

视觉皮层可塑性（英文：Visual cortical plasticity）是指大脑视觉皮层（尤其是初级视皮层，V1）的功能、结构和连接因应视觉经验、学习、损伤或行为需求而发生适应性改变的能力。它是大脑可塑性在感觉系统中的典范，对正常视觉发育、技能学习、损伤后恢复以及理解经验依赖的神经环路重塑至关重要。

核心概念

视觉皮层可塑性不是一个单一现象，而是一个涵盖不同时间尺度和机制的多层次过程：

• 发育可塑性：发生在关键期（敏感期）内，主要由自发的神经活动和早期视觉经验驱动，用于精确“微调”视觉通路。

• 成人可塑性：传统上认为成年后视觉皮层可塑性大幅降低，但近数十年研究证实，在特定条件下（如强训练、知觉学习、感觉剥夺、脑损伤后），成人视觉皮层仍保留显著的可塑性。

• 稳态可塑性与赫布可塑性：分别负责维持神经环路的整体兴奋/抑制平衡，以及根据“神经元一起放电，则连接加强”的原则强化特定连接。

主要表现形式与机制

1. 发育可塑性与关键期

这是研究最深入的可塑性形式，经典模型是眼优势可塑性。

• 现象：在发育关键期内，若一只眼被剥夺视觉输入（如缝合眼睑），V1皮层中对该眼的反应会急剧减弱，而另一只眼的代表区会扩张。这导致弱视。

• 关键机制：

  • 竞争性机制：双眼输入竞争皮层神经元上的突触空间。优势眼的输入通过活跃的放电巩固其连接，而剥夺眼的输入则被削弱或淘汰。

  • 分子与细胞基础：

    • NMDA受体：介导长时程增强和长时程抑制。

    • 抑制性环路成熟：GABA能抑制性神经元的成熟是开启关键期的“开关”之一。药物（如苯二氮䓬类）增强抑制可提前开启关键期。

    • 细胞外基质与结构可塑性：围神经元网络等结构在关键期后趋于稳定，限制突触重塑。

    • 神经营养因子：如脑源性神经营养因子的释放对可塑性至关重要。

    • 表观遗传调控：组蛋白修饰和DNA甲基化参与调控可塑性相关基因的表达。

2. 成人可塑性

• 知觉学习：通过反复训练，成年人在特定视觉任务（如运动方向辨别、纹理识别）上的表现可显著提高，这通常伴随着V1或高级视皮层神经元感受野特性（如朝向/方向选择性、辨别精度）的特异性改善。

• 感觉剥夺诱导的重组：

  • 短期剥夺：即使是成年人，短期（数小时至数天）单眼遮盖也能引发V1眼优势柱的暂时性偏移，为研究快速可塑性提供了模型。

  • 长期损伤：如视网膜损伤（黄斑变性）或截肢后，对应的“盲区”皮层可能逐渐被来自相邻视野区域或身体其他感觉（如触觉）的输入所“接管”，发生跨模态重组。

• 注意与任务依赖调制：执行任务时，注意信号能自上而下地增强相关视觉刺激在皮层中的表征强度。

研究方法

1. 动物模型：单眼剥夺、斜视、感觉剥夺结合单细胞电生理记录、光学成像、双光子显微成像等，在细胞和网络水平观察可塑性变化。

2. 人类研究：

   • 心理物理学：测量训练前后视觉感知阈值的变化。

   • 功能磁共振成像（fMRI）：通过视网膜拓扑映射观察皮层代表区的改变。

   • 脑磁图/脑电图（MEG/EEG）：研究视觉诱发电位的变化。

   • 经颅磁刺激（TMS）：暂时性干扰特定皮层区域，测试其在视觉任务中的必要性变化。

3. 分子生物学：分析可塑性关键期相关基因（如NGF, BDNF, Arc）和蛋白的表达与调控。

临床意义与应用

1. 弱视的治疗：

   • 传统方法是在关键期内进行遮盖疗法。

   • 基于可塑性研究的新策略：通过感知训练、视频游戏、非侵入性脑刺激（如tDCS, TMS）或药物（如胆碱酯酶抑制剂、NMDA受体调节剂）试图重新开启或增强成人弱视患者的视觉可塑性。

2. 视力损伤与康复：

   • 对于视网膜疾病或视神经损伤患者，理解皮层重组机制有助于开发感觉替代设备（如将视觉信息转换为听觉或触觉信号）或视觉假体（人工视网膜），并训练大脑学会解读新的输入模式。

3. 脑损伤后恢复：卒中或其他脑损伤后，通过视觉训练促进邻近健康皮层区域代偿受损功能。

前沿与挑战

1. 重开成人关键期：如何安全、有效地克服成年大脑中的抑制性屏障（如PNNs、髓鞘相关抑制因子），重新诱导类似发育关键期的高水平可塑性，是治疗成人弱视和神经系统损伤的根本挑战。

2. 特异性与泛化：知觉学习获得的能力通常高度特异于训练任务和刺激参数，如何实现技能的泛化是重要课题。

3. 可塑性与稳定性平衡：大脑需要在学习新知识和稳定已有记忆之间取得平衡。过度可塑性可能导致功能不稳定。

4. 系统间交互：视觉经验如何影响其他感觉系统（如听觉、触觉）的皮层处理，反之亦然。

参考文献

1. Hubel, D. H., & Wiesel, T. N. (1970). The period of susceptibility to the physiological effects of unilateral eye closure in kittens. The Journal of Physiology, 206(2), 419–436. （奠定关键期和眼优势可塑性研究基础的里程碑论文）

2. Hensch, T. K. (2005). Critical period plasticity in local cortical circuits. Nature Reviews Neuroscience, 6(11), 877–888. （深入综述关键期可塑性的分子与细胞机制）

3. Gilbert, C. D., & Li, W. (2012). Adult visual cortical plasticity. Neuron, 75(2), 250–264. （全面综述成人视觉皮层可塑性的形式与机制）

4. Sawtell, N. B., & Frenkel, M. Y. (2015). Neocortical plasticity: an overview. In: The Rewiring Brain: A Computational Approach to Structural Plasticity. Academic Press. （从计算和结构角度概述新皮层可塑性）

5. Levi, D. M., & Li, R. W. (2009). Improving the performance of the amblyopic visual system. Philosophical Transactions of the Royal Society B, 364(1515), 399–407. （综述基于可塑性原理的弱视治疗新方法）

6. Bavelier, D., et al. (2010). Removing brakes on adult brain plasticity: from molecular to behavioral interventions. Journal of Neuroscience, 30(45), 14964–14971. （讨论了如何通过行为、药物和刺激干预来解除对成人可塑性的抑制）