视知觉学习的刺激类型、训练方式及作用机制研究进展

马加尧，吴建峰，2，王力涵，2

1山东中医药大学（国际）眼科与视光医学院，济南 250014；2山东中医药大学附属眼科医院山东省眼病防治研究院山东省中西医结合眼病防治重点实验室山东省视觉智能工程技术研究中心山东省儿童青少年健康与近视防控研究院山东省眼视光与青少年视力低下防控临床医学研究中心

视觉信息是人类获取外部世界信息的最主要途径，视网膜可将收集到的视觉信息从光信号转变为电信号，逐层传递至视觉皮层的各个脑区，进行深加工处理，最终形成意识中的画面。人类通过知觉学习使感官系统更好地为自身服务，以此适应外界环境的变化。视知觉学习是指通过不断进行特定的视觉训练任务，提高视觉系统对外界视觉信息感知能力的方法［1］。近年来，基于刺激类型和训练方式的不同，不同形式的视知觉学习不断涌现，已被用来改善不同类型眼部疾病的视觉表现，包括弱视、近视、老花、低视力及眼部手术后的康复治疗等。视知觉学习的作用机制相对复杂，目前尚不明确，但心理物理学及神经生物学领域研究的发展为揭示视知觉学习的作用机制提供了实验依据。本文就视知觉学习的刺激类型、训练方式和作用机制综述如下。

1 视知觉学习的刺激类型

视知觉学习多采用视频和游戏等方式，将患者视觉注意力和感官刺激等关键因素相结合，有助于提高患者的依从性，但这些视频和游戏的刺激不会根据患者的表现而做出改变，且在改善患者视功能方面上的效果有待进一步研究［2］。目前，字母视标、随机点立体图和Gabor斑块等类型的刺激已被发现可有效改善患者视功能，其中Gabor斑块在视知觉学习中应用最为广泛［3］。

1.1 字母视标字母视标可根据患者的需求调整大小、对比度、方向和亮度等相关参数，从而制定更适合患者的个体化刺激方案。弱视患者的患眼会出现中心视力拥挤，表现为无法辨别相同大小而并列一行的视标。CHUNG等［4］分别给予弱视患者不同亮度的字母识别任务和不同对比度的字母识别任务，发现训练后患者对不同亮度和不同对比度字母视标的敏感性均有提高。HUSSAIN等［5］给予弱视患者高对比度的字母识别任务，结果显示训练结束后患者患眼的中心凹视觉拥挤减少，视力提升。ZHANG等［6］给予弱视患者字母识别的视觉任务，观察训练前后视力的变化并记录治疗时间，发现与传统治疗比较，接受字母视标刺激训练的屈光不正性弱视和斜视性弱患者视力恢复更好且治疗时间更短，而屈光参差性弱视和其它类型的弱视视力变化不明显，推测其原因为不同类型的弱视的双眼状态不同，导致治疗效果出现差异。

1.2 随机点立体图随机点立体图是由一系列随机点组成的立体知觉刺激，在临床研究中通常通过与视频游戏结合的形式被用来改善患者的立体视觉。MARTÍN等［7］研究发现，立体视觉缺陷患者在接受随机点立体图训练后的视力保持良好，立体视觉显著提升且依从性提高。PORTELA等［8］选取32例有立体视觉缺陷的弱视患者进行干预，受试者随机分为训练组和对照组，两组均接受随机点立体图训练，其中训练组的刺激会随受试者的反应逐渐增加难度，直至所能达到的最佳立体视觉，对照组刺激限定为840～750 s/ms；60次训练后，训练组立体视觉较治疗前有改善，而对照组立体视觉未发现改善。这提示随机点立体图有助于增强立体视觉视觉缺陷患者的立体视觉锐度，同时，训练刺激的参数应根据患者的表现动态调整，以达到更好的治疗效果。1.3 Gabor斑块Gabor斑块是具有高斯包络的正弦光栅，通过改变Gabor斑块的空间频率、对比度、信噪比等参数来进行训练可以增强视觉皮层对空间频率和对比度的敏感性。近视和弱视患者会出现视力、对比敏感度下降和方向辨别能力降低等视觉缺陷，因此Gabor斑块常被应用于这类患者的视知觉学习。随着患者适应性增强，可适时地改变上述参数以提高训练难度，增强训练效果。JIA等［9］选取19例成人屈光参差性弱视患者接受8 d单眼GABOR辨别任务，结果显示训练后患者弱视眼的对比敏感度不仅在受训的空间频率中显著提高，在未受训的空间频率中也有所改善，同时弱视眼的视力和立体视觉也获得提高。有研究发现，受试者在高、低空间频率下训练，训练效果存在差异［10］。YAN等［11］给予23例近视受试者各自截止空间频率下的单眼GABOR视觉任务，训练结束后发现患者训练眼在全空间频率下的对比敏感度均有提高，同时未训练眼的全空间频率下的对比敏感度也得到改善。WU等［12］给予受试者中高空间频率的GABOR视觉任务，发现受试者在训练结束后视力和对比敏感度提升，并且在高空间频率下患者视力对比敏感度的改善更大。XI等［13］给予受试者5周/度空间频率下的单眼GABOR视觉任务，发现训练后受试者受训眼和未受训眼的视力均有提升，且训练眼视力改善幅度大于未受训眼。HUANG等［14］给予视力正常或矫正到正常的成年人较高空间频率的Gabor斑块训练，患有单眼屈光参差性弱视的成年人较低空间频率的Gabor斑块训练，发现弱视患者双眼视力较视力正常者显著提高，且弱视训练眼的改善幅度大于未受训眼。这些研究提示，不同人群在不同空间频率下的Gabor斑块训练效果存在差异，因此应根据人群特点灵活制定刺激方案，从而达到更好的训练效果。目前，仍然需要更多的临床试验来明确各人群中更为有效的视觉刺激类型及刺激参数。

2 视知觉学习的训练方式

2.1 基于视知觉学习的单眼训练单眼训练是指在遮挡优势眼的情况下进行视觉任务，目的是刺激非优势眼。在视觉学习的相关研究中，常用Gabor斑块作为视觉刺激应用于单眼视觉训练。BAROLLO等［15］对弱视患者进行了不同对比度的Gabor斑块区分训练，结果发现在低空间频率下，该训练能够降低弱视眼对视觉刺激的抑制作用。CHEN等［16］给予患者截止空间频率下的单眼训练，发现患者在双眼相位结合任务和双眼全局一致性任务的表现提高，双眼视力均得到了改善，且在未受训练的空间频率下的视觉对比敏感度提高，提示单眼训练可以改善患者的双眼视功能。GU等［17］结合稳态视觉诱发电位给予屈光参差性弱视患者单眼Gabor辨别任务，发现弱视眼的单眼Gabor知觉学习能够减少弱视眼和对侧眼之间的眼间差异，增加屈光参差性弱视患者双眼稳态视觉诱发电位振幅，提示单眼Gabor知觉学习可以改善弱视视觉系统的双目视觉加工。由于知觉训练的单调性和重复性，临床上常将单眼知觉训练与视频游戏相结合，开发出不同类型的视觉训练方案。DADEYA等［18］选取4～7岁单眼弱视伴斜视及屈光参差的儿童40例，在接受6周的光学矫正后，患者分别接受传统单眼遮盖和单眼遮盖+视频游戏进行治疗，在治疗结束后的第3、6、9、12周评估患者视力，发现相较于传统单眼遮盖，单眼遮盖加视频游戏训练更能够提升弱视患儿的远、近视力，且患儿的治疗依从性更好、视力改善保持时间更长。SINGH等［19］在评价单眼视频游戏辅助治疗弱视的疗效时发现，结合视频游戏的单眼遮盖训练比传统单眼遮盖更有助于弱视患儿视力的恢复，但视频游戏不能够恢复患儿的视觉对比敏感度。由上可见，单眼Gabor知觉学习和单眼视频游戏均能够改善患者的视力，但只有在截止空间频率下的单眼Gabor知觉学习才会引起对比敏感度的改善，推测视力的改善和对比敏感度的改善涉及到不同层级视觉皮层的可塑性。

2.2 基于视知觉学习的双眼训练弱视、近视和斜视等会引起患者双眼视觉的异常，双眼训练可通过同时给双眼呈现不同刺激从而减少视觉皮层对视力较差眼的抑制作用。尽管单眼知觉学习的未训练眼也会出现视功能的改善，但双眼分视训练理论上能够在更短的时间内获得更大的视功能改善。BIRCH等［20］对48例4～10岁弱视患儿进行了视知觉学习训练，患儿被随机分为单眼遮盖治疗组和双眼训练组，连续治疗2周后，双眼训练组中有21例视力提高，而单眼遮盖组中12例视力提高、11例没有改善、1例视力下降。KELLY等［21］将28例弱视患者随机分为单眼遮盖组和双眼游戏组接受治疗，旨在比较和评价双眼分视视频游戏治疗和单眼遮盖治疗的疗效，在治疗2周后，双眼游戏组的裸眼视力较单眼遮盖组有更大改善。但也有研究显示，尽管知觉学习能改善患者的视功能，但是其改善疗效并不如传统单眼遮盖疗法。HOLMES等［22］对比了5～12岁弱视患儿分别接受单眼遮盖治疗和双眼分视视频治疗16个疗程后的疗效，发现双眼分视视频治疗组视力提高1.05行，遮盖组视力提高1.35行，传统遮盖治疗的视力提高效果更好。因此，相较于传统单眼遮盖治疗，双眼视频游戏训练的治疗效果仍需要更多的实验来验证。

3 视知觉学习的作用机制

目前，心理物理学和神经生物学均对知觉学习的机制进行了探索和研究。视知觉学习具体的神经机制较为复杂，迄今尚未清楚；而心理物理学的研究集中于探索知觉学习的理论模型。现已提出四种知觉学习框架理论，包括初级视皮层可塑性理论、重加权理论、反向层级理论和双重可塑性理论。初级视皮层对刺激的物理属性具有选择性，这种选择性被称为神经元的调谐特性，而知觉学习能够改变这种特性，使得初级视皮层对刺激的神经编码更为精确。YAN等［23］研究显示，知觉学习可以改变初级视皮层的神经编码，提高受试者的任务表现。LI等［24］发现，知觉学习通过重新调整刺激信息在视觉处理中的权重来提高对刺激信息的利用效率。反向层级理论认为，视觉信号是从高级皮层通过反馈影响到初级皮层，是一种自上而下的表达方式。但也有观点认为，反向层级理论取决于知觉学习的任务难度，当任务难度低，学习首先发生在高级皮层；当任务难度大时，随着训练的深入，编码刺激物理属性的初级视皮层影响高级皮层。WATANABE等［25］提出了双重可塑性理论，认为知觉学习可能引发了视觉皮层对刺激属性的可塑性和对任务类型的可塑性，这两种可塑性变化可能涉及了处理视觉信息的不同皮层水平和不同学习阶段。

神经生物学研究着眼于探索知觉学习发生的神经位点。知觉学习具有特异性，即其效果特异于训练的视野位置、空间频率、运动方向等刺激属性及任务，这提示知觉学习可能发生在视觉信息加工的早期阶段。MUKAI等［26］为探究初级视觉皮层V1区是否发生刺激特异性的相关变化在猴脑内植入微电极，以测量其进行单条形刺激辨别训练时初级视觉皮层V1区的激活状态。该研究发现，在相应神经元感受野内，初级视觉皮层V1区神经元响应可分为早期（0～80 ms）和晚期（80～200 ms），这两个时期的神经响应均会随着刺激对比度的增加而增加；在特定方向的训练中，初级视觉皮层V1区的神经响应与辨别准确率的提高正相关，说明在初级视觉皮层V1区发生了特异于刺激方向的激活。AHMADI等［27］研究了视知觉训练后C1、P1、N1和P3这4个事件相关电位成分的变化，发现C1在顶叶区域的电极振幅显著降低，与行为表现的改善呈正相关；P1波幅未发生显著变化；N1振幅在训练之后降低；P3波幅显著增加。C1的降低提示受试者接受视知觉学习引发上述相关电位的变化可能是基于早期视觉皮层区域的可塑性，而N1和P3幅值的变化可能是自上而下的注意调控和认知加工相互作用的结果。这提示视知觉学习的发生过程不仅涉及初级视皮层，也可能有高级皮层的参与。YANG等［28］通过训练猕猴进行朝向辨别任务发现，与未训练猕猴感受野区域神经元的激活程度比较，接受训练猕猴的V4区中与训练位置重合的神经元反应更为强烈，编码朝向的神经元调谐曲线带宽变窄，振幅也随训练而增加，训练结束后对刺激方向的辨别能力随之提高。SIGMAN等［29］利用功能性磁共振成像来跟踪对比度辨别任务训练过程中的大脑激活，研究发现，受试者在进行视觉任务的初期，其处在高级视皮层的额叶—顶叶网络同时有很强烈的激活，提示在视知觉学习初始阶段，负责注意有关的脑区开始被激活；而在视知觉学习后，大脑中的低级视皮层活动增强，额叶—顶叶网络活动明显减弱，这提示在视知觉学习过程中，低级视皮层和高级视皮层之间存在复杂的相互关系，导致不同脑区均发生了相应变化。尽管如此，知觉学习是单独发生在高级视皮层还是初级视皮层，又或是知觉学习在高、低视皮层均发生，但受到“自上而下”表达方式的控制，仍需要大量的研究来验证。

综上所述，在视知觉学习中应用字母视标、随机点立体图、Gabor斑块等刺激类型及单眼、双眼等训练方式可以改善近视、弱视等眼部疾病患者的视觉功能，其作用机制可能与初级视皮层可塑性、大脑神经元激活有关。但由于现有的研究样本量较小且训练方式有较大差异，视知觉学习的治疗效果和适应人群仍需进一步讨论。我们期待在日后可以对不同人群、不同类型的视知觉学习进行大规模随机对照实验，以进一步评估视知觉学习的有效性，揭示视知觉学习不同的作用机制。