周博士带您探秘大脑之【视觉的秘密花园】

【视觉】

眼睛分析光线，然后大脑再创造出一个三维的世界。而这一切都开始于视网膜，一个躲藏于眼球后面的透明薄膜。在这里，光线被转换成电信号并传导至大脑。

视网膜上覆盖有密密麻麻的光学感受器，它们是由一些特殊的神经细胞所构成——我们称之为视锥和视杆，这些可是由人脑内远古的感光细胞进化而来的。之所以要称它们为视锥和视杆，很简单，因为它们长的就像棒槌。不过，它们可不傻。每个眼球上大概含有1.2亿-1.25亿个视杆，在昏暗的环境中视杆是主角。而视锥的含量则少了很多（每个眼球含6百万-7百万个视锥），在明亮的环境下视锥则变成了主角。这种光线的摄取和转换，并不是“你方唱罢我登场”这般简单。

视网膜上存在三种类型视锥，各自负责一种特殊可见光谱的探测：红、绿、蓝。几乎无限的色调和色彩渐变都可以被解构、分解为这三种颜色。而红绿蓝这三种颜色也同时是计算机屏幕创造五彩斑斓图像的原色。与“视锥”相比，“视杆”兄弟就非常孤单，它只有一种类型，这也就解释了“为什么我们在昏暗环境下分辨颜色的能力减弱了？”

视锥细胞内有一个颜色识别器，我们称之为“光视蛋白”。每一个光视蛋白都是由一种感光化学物质构成——我们叫它“视黄醇”，它是由维生素A衍生而来。这些视黄醇舒舒服服的坐在光视蛋白的蛋白外壳上。在三种原色的识别器（红、绿、蓝）中，视蛋白略有不同，这样可确保每种识别器只能吸收、识别某一特定波长的光线。当光线敲击到视黄醇，后者随后改变其分子形态，从而导致包封的视蛋白变换形状。这是一种多米诺骨牌似的生物效应，最终导致视神经被激活。

光信号从视神经传至丘脑，最终到达枕叶。枕叶位于大脑的最后端，就是在这里，重建了我们所看到的三维世界。能首先“触摸”外部世界的是——视网膜。它有一个网膜投射图，细胞在其中紧紧地排列在一起。这不仅仅是一幅图，细胞的功能各自被分封，有的负责捕捉物体的移动，有的负责探测物体的深度，有的负责观察物体的形态，还有的则摄取颜色。

从眼睛摄取的信号需要进行一些非常聪明的处理加工，这样才能让大脑弄懂哪些是真正想看到的，哪些只是“打酱油的”？打个比方，一个狩猎的人停下车来观察一群狮子。他的眼睛先捕捉那些从狮子和周围草丛反射过来的光，然后视网膜被激发，形成了二维的图像模式，再传导至初级视觉皮层。在颞叶的帮助下，大脑开始构建三维图像，从而区分、辨认这个狩猎场景中的不同细节。视觉信号随时间而发生改变，画面里任何一个细节的移动都能被探测出，不论是速度还是方向。这些被处理的数据也是以同样的速度进行工作，而我们自己却浑然不知。

通过对患有视觉失认症的病人进行研究，逐步收集了一些线索，来搞明白大脑是如何处理视觉景象的。我们发现问题发生在大脑而非眼睛。有一个很经典的例子：丈夫把妻子错认成“帽子”。神经病学家Oliver Sacks在他的同名专著中是这样描述这个病例的：“P博士是一个非常优秀的钢琴家和音乐老师，但同时也是一个病人。他无法识别自己眼睛所看到的物体。有一次，P博士试图将妻子放在自己头上，因为他把妻子错认为是帽子。”

P博士仅仅是其中之一。还有的视觉失认症病人无法正确的感知物体的深度、他人的言语或面容。此外，这种失认症还能影响其他感觉，比如无法辨识气味或声音。

【视觉修复】

视力障碍或是失明，通常都是视觉传导通路损伤所致——角膜或晶状体雾化导致视物清晰度下降；角膜的退化；视觉皮层（位于大脑的后部）的外伤或中风等等。但是，随着时代的发展，生物学、工程学和技术学的进步为那些正在失明或已经失明的病人打开了越来越多的窗口。特别是干细胞研究，它为越来越多的疾病提供了一个可持续发展的希望，当然也包括视觉障碍。干细胞可以向任何一种细胞进行分化，自然也可以向科学家所期望的方向分化。让我们看看干细胞有什么超能壮举。

本是晶莹剔透的角膜在遭受损伤或疾病后，就会变得模糊、不透明。这时，我们可以通过手术的方法去除角膜表面受损的细胞，然后再移植一层新鲜的角膜细胞。由于这层新鲜的角膜细胞是来自于供体眼（也就是别人的眼睛），所以即使有效，也要面临着一些风险，比如排斥反应，比如细胞会随时间而逐渐退化。

而角膜干细胞移植就能规避这两个风险。这些干细胞可以自然而然地成为角膜的一部分。随着年龄的增加，这些干细胞还能持续不断地提供新鲜的角膜细胞以替代老化的。为了避免排斥反应，这些干细胞通常都是取自患者本人的另一个健康眼或是近亲亲属。但是，有时这两个选择都不存在，于是科学家们正在试图开发其他的可利用资源。一旦得到干细胞，就首先在实验室里将其孵化成一薄层细胞（单层排列），然后孵育成更为坚固的多层细胞。在培养基质的支持下，这些细胞逐渐呈结构性的生长。最后，将这些组织移植入患者的眼睛中。

智能视觉修复——什么意思？简单的比喻，科学家像是一个玻璃清洁工，他们可以让更多的光线进入到视觉的主舞台——视网膜。再打个比方，黄斑变性导致了视网膜损伤，为了修复视觉，科学家们就必须要绕过这些受损伤的视网膜，这可是一个非常大的技术挑战。视网膜上的细胞是一个介质，介于光线和神经细胞之间。而神经细胞负责将视觉信号传导至大脑内。传导途径就是视神经。让我们再回头看看干细胞给我们的承诺，一个难以置信的承诺。日本科学家成功地把小鼠的干细胞孵育成视网膜细胞，可这还不是亮点。真正的成功之处在于他们将干细胞孵育成了一个真正的结构，一个能发育成视网膜的真正结构。

干细胞移植用于人类视觉修复的前景虽然光明，但仍有很长的路要走。而在当前，进入人们视野的是“视网膜植入物”。这是一种神经假体，被称为视网膜外植入体，由三个元件组成，它们协同工作以修复一种类型的视觉。这三个元件包括一个照相机（捕捉光线），一个视频处理器（翻译摄入的视频信号，并将其转换成电信号），最后就是视网膜植入体本身。

使用者佩戴着一个独立的外部相机，通常是镶嵌在一副眼镜上，实时的捕捉周围的环境。这种形式的视觉信号对于人来说，毫无意义。所以，需要将这些信号分流入视频处理器。在这里，视频信号被重新解读成电信号。就如同人类正常的视觉处理，光线被转换成电信号，然后再传导至视觉皮层。视频信号被解读成电信号的过程，现在已经可以无线传输至接收器。而这个接收器位于眼睛内。这个接收器完成了视觉旅程的最后一段——连接到视网膜植入体。这种视网膜植入体是由一系列微小电极构成，并直接埋置于视网膜内，与视神经细胞直接接触。植入体电极将信号传递至视觉皮层，但是佩戴者无法以正常方式体验视觉。相反，他们只能看到明暗的变化。佩戴者只能慢慢学习如何去解读并赋予意义。

德国蒂宾根大学的团队尝试开发一种更小、更精细的视网膜植入体。这种新型设备埋置于视网膜下，拥有1500个光学敏感器，能够直接捕捉进入眼睛内的光线，并将其转换成电信号，直接沿视神经传导。因此，这个新的装置完全不需要任何外部硬件。初步试验的结果是令人振奋的，佩戴这种新型设备的人可迅速地获得视物能力，可以看到形状，描述物体，比如字母。