自适应光学矫正结合知觉学习提高视觉功能

论文摘要

视觉神经科学中的一个基本理论是“视皮层的发育具有关键期”,在关键期关闭之前视皮层较容易被改变,而关键期关闭之后则较难被改变。目前,很多知觉学习上的证据表明,即使是成年的视皮层也存在一定的可塑性。然而,对正常成人而言,这种在知觉学习过程中体现出的可塑性虽然存在,其程度却非常小。这极大的限制了知觉学习在提高成人视功能中应用。先前的研究大多认为这可能是由于成人视觉神经系统可塑性较低导致的。但是否可能有其他因素限制了正常成人在知觉学习过程中可塑性的发挥?目前还不清楚。另一方面,使用天文学上的自适应光学矫正技术,视光学领域的研究者们通过矫正人眼高阶像差部分提高了成人视功能。但对正常成人而言,这种视功能上的提高很微弱,远达不到理论期望值；且无法脱离自适应光学矫正仪器而存在,因此也无法应用于实际。在此基础上,本文结合了知觉学习和人眼自适应光学上的先进进展,深入研究了人眼光学系统成像质量的优劣对知觉学习效果的影响,对这些问题进行了有意义的探讨。具体来说,我们比较了在矫正人眼高阶像差情况下(较理想的人眼光学系统)对比度检测任务的知觉学习和不矫正人眼高阶像差情况下(普通的人眼光学系统)同样任务的知觉学习中,被试对比敏感度和视力提高程度的差异。实验中,21名正常成年人被随机分成两组进行训练。其中第一组13人,在矫正高阶像差情况下进行知觉学习训练；第二组8人,在不矫正高阶像差情况下进行训练。两组被试都使用高空间频率端的正弦光栅训练了10天,每天训练1个小时左右。训练结束后,第一组被试在训练频率的对比敏感度提高极为显著(P<0.00001),平均提高了5.39dB(对应提高幅度为86.1%),学习曲线的斜率为0.41log units per session,在训练7.35个sessions后达到平台；第二组被试在训练频率的对比敏感度提高也达到了显著性(P=0.03),平均提高了3.42dB(对应提高幅度为48.2%),学习曲线的斜率为0.35log units per session,在训练4.12个sessions后达到平台。在训练前后我们还测试了两组被试的对比敏感度函数(Contrast Sensitivity Function, CSF),即不同空间频率下的对比敏感度与空间频率的关系。总体来看,两组被试的CSF在训练后都有显著性提高(训练前后对比,第一组F(1,12)=75.43,P<0.00001；第二组F(1,7)=5.46,P=0.05),但第一组的CSF提高得更多(两组的CSF提高有显著差异F(1,19)=8.12,P=0.01)。不同被试不同空间频率下对比敏感度提高幅度的平均值,第一组为3.11dB,第二组为1.3ldB。对训练后CSF有显著提高的被试而言(第一组所有的13名被试以及第二组的4名被试),两组被试在训练频率处提高的值差异不显著(P>0.5),但在带宽特性(训练频率的提高往非训练频率上的传递特性)上有很大差别：第一组的学习效果有两种,一种特异于训练频率附近(带宽为1.11octaves),另一种则普遍存在于所有测试频率(提高幅度为最大提高幅度的一半)；第二组的学习效果则只有一种特异于训练频率附近的提高(带宽为1.42octaves)。另一个有意思的发现是,第一组被试的视力在训练后有了显著的提高(P<0.000001),第二组则没有(P=0.199)。第一组所有被试的视力都有了提高,平均提高了2.32dB(对应提高幅度为31%),显著高于第二组(P=0.0008)。我们在5个月之后找回了4名第一组的被试,发现他们视力的提高还依然保持。通过分析训练前后两组被试光学调制传递函数和神经调制传递函数的变化,我们证实,训练导致的对比敏感度的提高来自视觉神经系统而不是人眼光学系统的变化。第一组被试这种更好的学习效果,也有可能来自其更久的高阶像差矫正环境的经历本身。为了排除这一点,我们设计了第三组被试的训练(Group3,6人)。第三组和第一组同样是在高阶像差矫正下进行训练,不同的是我们选用了低空间频率端的“最优频率”,即矫正高阶像差时的CSF曲线上的最高点对应的空间频率,作为训练频率。结果发现,第三组的提高很少,远比第一组要小。这说明,虽然高阶像差矫正可以提高知觉学习的效果,但使用低空间频率端训练还不足以达到更多的训练效果,我们还必须选用高空间频率端进行训练。为了揭示第一组被试在训练后成绩提高的内在机制,我们检查了第一组的4名被试在训练前后矫正高阶像差时不同噪音水平下对比度阈值的变化情况。通过分析,我们发现,学习的提高来自视觉神经系统信息提取效率的提高,而不是内部噪音的降低,这与前人在正常人的知觉学习研究中的结果类似。我们的结果表明,发育关键期之后的正常成年视觉神经系统仍具有相当程度的可塑性,但这些可塑性的发挥受限于训练时人眼的光学系统成像质量。只有当高阶像差被矫正掉时,才能发挥出其实际的可塑性水平。我们的发现可以用于探索新的治疗方法来给那些因发育早期异常视觉经验引起视皮层异常而导致成年后视力低下的病人提高视力。同时,本文的发现,还为结合人眼光学系统和视觉神经系统的研究进展来达到“超视力”提供了可能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论（Ⅰ）知觉学习研究进展
• 1.1 知觉学习简介
• 1.1.1 知觉学习的定义
• 1.1.2 知觉学习的研究历史
• 1.2 知觉学习的特点
• 1.2.1 特异性与传递性
• 1.2.2 保持性
• 1.3 知觉学习的生物学基础
• 1.4 影响知觉学习的可能因素
• 1.4.1 可塑性
• 1.4.2 训练时长
• 1.4.3 睡眠
• 1.4.4 任务难度
• 1.4.5 注意
• 1.4.6 其他可能因素
• 1.5 知觉学习的应用
• 1.5.1 知觉学习提高弱视视功能
• 1.5.2 电子游戏训练提高视觉注意容量
• 1.6 小结
• 第二章 绪论（Ⅱ）自适应光学及其在人眼视光学中的应用
• 2.1 自适应光学技术简介
• 2.1.1 自适应光学的历史
• 2.1.2 波前探测技术
• 2.1.3 像差矫正技术
• 2.2 使用自适应光学技术研究人眼像差
• 2.2.1 人眼像差的研究历史
• 2.2.2 自适应光学系统下的人眼像差描述
• 2.2.3 人眼高阶像差的性质
• 2.3 使用自适应光学技术实现高精度的活体视网膜成像
• 2.4 使用自适应光学技术提高视觉功能
• 2.4.1 实验室内的尝试
• 2.4.2 医疗上的尝试
• 2.5 小结
• 第三章 像差矫正对知觉学习影响的系列研究
• 3.1 引言
• 3.1.1 视觉神经系统是否发育完善?
• 3.1.2 知觉学习的限制因素?
• 3.1.3 如何达到超视力?
• 3.1.4 验证假设的方法
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 受试者
• 3.2.2 实验设备
• 3.2.3 实验刺激
• 3.2.4 实验设计
• 3.2.5 实验程序
• 3.2.6 数据分析方法
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 训练频率成绩的提高
• 3.3.2 CSF曲线的提高
• 3.3.3 视力的提高
• 3.4 讨论
• 3.4.1 实验操作因素
• 3.4.2 被试个体差异
• 3.4.3 光学系统因素
• 3.4.4 高阶像差矫正的经历
• 3.4.5 提高的机制
• 3.5 总结与展望
• 3.5.1 工作总结
• 3.5.2 工作展望
• 第四章 论文工作期间完成的其他工作
• 4.1 对线段感知的研究
• 4.2 对错觉轮廓感知的研究
• 4.3 对双眼整合机制的系列研究
• 4.3.1 弱视双眼相位整合
• 4.3.2 正常成人双眼相位和对比度整合
• 4.3.3 弱视双眼相位和对比度整合
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 个人简历
• 学习经历
• 在读期间获奖情况
• 攻读博士期间已（待）发表的论文
• 已发（接受）的文章
• 准备中的论文
• 已发表的会议报告或摘要