大小細胞視覺通路在早期開角型青光眼和雙眼競爭中作用的功能磁共振成像及視覺心理物理學(xué)研究.pdf

1、第一部分大小細胞視覺通路在早期開角型青光眼中損害的功能磁共振研究
　　[目的]運用功能磁共振成像技術(shù)分別測定正常人群及早期開角型青光眼人群大小細胞視覺通路功能，探討早期開角型青光眼視路損害特征。
　　[方法]依據(jù)改良青光眼分級系統(tǒng)(Modified Glaucoma Stage System，GSS)，將Octopus視野檢查結(jié)果中至少有一眼平均缺損(Mean Defect，MD)小于4.4的早期開角型青光眼患者及年齡、性別

2、、屈光度匹配的正常對照納入本部分研究。使用MATLAB軟件合并Psychophysics Toolbox擴展包制作并呈現(xiàn)視覺刺激，采用模塊化設(shè)計(Block-design)方法在早期視野損害眼別及正常匹配眼別中呈現(xiàn)視覺刺激的同時進行功能磁共振掃描。利用心理等亮度紅/綠色、高空間頻率（切向12個周期，徑向6.5個周期）、低時間頻率（0.5赫茲）相位交替閃爍棋盤格刺激用于激活小細胞通路，簡稱小細胞刺激或小細胞條件;利用對比度為50％、無色、

3、低空間頻率（切向6個周期，徑向3個周期）、高時間頻率（10赫茲）相位交替閃爍棋盤格刺激用于激活大細胞通路，簡稱大細胞刺激或大細胞條件。皮層下視覺通路區(qū)如外側(cè)膝狀體(LGN)、上丘(SC)及高級視覺皮層如中顳葉區(qū)(MT)、枕葉—腹側(cè)—顳葉(OVT)核團作為大、小細胞視覺通路功能研究的感興趣區(qū)。其中外側(cè)膝狀體感興趣區(qū)由半側(cè)視野相位交替閃爍棋盤格結(jié)合解剖邊界確定，MT區(qū)由運動/靜止的同心環(huán)狀刺激定位。腦功能圖像使用BrainvoyagerQX

4、，SPM，AFNI分析。利用統(tǒng)計軟件SPSS16.0計算外側(cè)膝狀體激活體積的均值及標準誤;利用獨立樣本t檢驗方法分析外側(cè)膝狀體體積及體素比例的組間差異;利用ANOVA方法計算激活信號的組間差異及交互作用;利用Pearson法分析激活信號與視野損害嚴重程度之間的相關(guān)性。
　　[結(jié)果]十八名早期開角型青光眼（十名原發(fā)性開角型青光眼，八名正常眼壓性青光眼）及十八名正常匹配對照入組本研究。正常對照組、原發(fā)性開角型青光眼組、正常眼壓性青光眼

5、組間的年齡、性別、屈光度均無統(tǒng)計學(xué)差異(p＞0.05)，原發(fā)性開角型青光眼組和正常眼壓性青光眼組測試眼的視野MD值分別為1.923±0.335（平均值±標準誤）和2.525±0.460（平均值±標準誤），兩組間無統(tǒng)計學(xué)差異（t=1.083，p=0.2862）。根據(jù)半側(cè)視野刺激及解剖邊界確定的正常對照組的外側(cè)膝狀體（樣本量=36）感興趣區(qū)體積為199.7±11.36 mm3（平均值±標準誤），開角型青光眼的的外側(cè)膝狀體（樣本量=36）感興

6、趣區(qū)體積為147±7.80mm3（平均值±標準誤），其中原發(fā)性開角型青光眼組外側(cè)膝狀體（樣本量=20）感興趣區(qū)體積為140.8±9.76 mm3（平均值±標準誤），正常眼壓性青光眼組外側(cè)膝狀體（樣本量=16）感興趣區(qū)體積為156.0±12.66 mm3（平均值±標準誤）。獨立樣本t檢驗顯示正常對照組和青光眼組的外側(cè)膝狀體感興趣區(qū)體積間有統(tǒng)計學(xué)差異(t=3.820，p＜0.01)，兩疾病組間無統(tǒng)計學(xué)差異(t=0.9672，p=0.3403

7、)。利用廣義線性模型(Gerenal Linear Model，GLM)分別提取外側(cè)膝狀體感興趣區(qū)體素對應(yīng)大細胞刺激和小細胞刺激的Beta值用以反映該體素在兩個條件下的激活強度。當體素在大細胞刺激條件下的Beta值大于小細胞刺激條件下的Beta值時定義該體素為大細胞功能體素，當體素在大細胞刺激條件下的Beta值小于小細胞刺激條件下的Beta值時定義該體素為小細胞功能體素。在正常對照組外側(cè)膝狀體感興趣區(qū)中，大、小細胞功能體素的比例（大細胞

8、體素占整體的38.35％±4.36％，均值±標準誤）及相對位置（大細胞功能體素位于整體的腹側(cè)、內(nèi)側(cè)）與生理解剖相符合。開角型青光眼組外側(cè)膝狀體的大、小細胞功能體素的相對位置與正常組相似，但大細胞功能體素所占比例略下降（大細胞體素占整體的30.74％±5.19％，均值±標準誤），但兩組間的大細胞功能體素比例無統(tǒng)計學(xué)差異(t=1.116，p=0.2684)。根據(jù)正常人群中外側(cè)膝狀體大、小細胞功能體素的相對空間位置劃分所有組的大、小細胞功能區(qū)

9、。使用ANOVA比較各組外側(cè)膝狀體在大、小細胞刺激條件下的激活差異，發(fā)現(xiàn)青光眼組外側(cè)膝狀體對大、小細胞刺激的反應(yīng)均降低，其中在大細胞功能區(qū)中可見刺激條件與組別間有明顯交互作用(F=7.054，p=0.010)，表現(xiàn)為開角型青光眼組大細胞功能區(qū)對大細胞刺激的反應(yīng)降低更多，而小細胞功能區(qū)中無此種交互作用(F=0.994，p=0.322)，說明早期青光眼人群外側(cè)膝狀體對大細胞刺激的反應(yīng)比對小細胞刺激的反應(yīng)降低程度更大，而這種差異僅限于外側(cè)膝狀

10、體的大細胞層。正常眼壓性青光眼組的外側(cè)膝狀體結(jié)果與上述相似，即大細胞功能區(qū)中組別與刺激條件有明顯交互作用(F=10.733，p=0.002)而小細胞功能區(qū)中無此交互作用(F=2.231，p=0.142);雖然原發(fā)性開角型青光眼組大細胞功能區(qū)的交互作用無統(tǒng)計學(xué)意義(F=2.30，p=0.135)，但其對大、小細胞刺激反應(yīng)改變趨勢與整體相同。上丘的結(jié)果與外側(cè)膝狀體的大細胞功能區(qū)結(jié)果相似，即組別與刺激條件之間有明顯交互作用(F=7.550，p

11、＜0.01)，表現(xiàn)為對大細胞刺激反應(yīng)降低明顯。但是在高級視覺皮層MT和OVT核團，均未發(fā)現(xiàn)有交互作用(p＞0.05)。根據(jù)Octopus視野檢查提供的鼻、顳側(cè)視野的MD值，將每個青光眼被試的左右兩側(cè)外側(cè)膝狀體劃分為對應(yīng)視野損傷較大的外側(cè)膝狀體（即MD值較大的半側(cè)視野對應(yīng)的外側(cè)膝狀體）和對應(yīng)視野損傷較小的外側(cè)膝狀體（即MD值較小的半側(cè)視野對應(yīng)的外側(cè)膝狀體）。采用類似于上述正常組與病人組的分析方法，以對應(yīng)視野損傷較小的外側(cè)膝狀體的大、小細胞

12、功能體素空間分布定義大、小細胞功能區(qū)。大細胞功能區(qū)內(nèi)刺激條件與組別有較強的交互作用(F=28.581，p＜0.001)，表現(xiàn)為對應(yīng)視野損傷較大的外側(cè)膝狀體對大細胞刺激激活減弱而對小細胞刺激激活相對增強，而小細胞功能區(qū)無交互作用。Pearson分析顯示大、小細胞功能區(qū)在大細胞刺激條件下的激活差別與MD有較強的負相關(guān)性(r=-0.41797，p=0.011)，而大、小細胞功能區(qū)在小細胞刺激條件下的激活差別與MD無相關(guān)性（r=-0.09014

13、3，p=0.60109）。
　　[結(jié)論]本研究首次使用功能磁共振成像技術(shù)結(jié)合多特征的視覺刺激對大、小細胞視覺通路進行功能分離，包括皮層下核團（外側(cè)膝狀體、上丘）及高級視覺中樞（運動區(qū)、腹側(cè)核團），其中以外側(cè)膝狀體的大、小細胞功能分區(qū)最為清晰。通過對早期開角型青光眼的大、小細胞通路功能損傷進行評估，發(fā)現(xiàn)初級視覺處理階段（皮層下核團）的大細胞通路較小細胞通路功能損傷明顯，支持早期青光眼大細胞功能選擇性損傷假說，并且此種量化的大細胞功能

14、損傷程度與病情嚴重程度有一定相關(guān)性，提示功能磁共振成像技術(shù)可為今后青光眼診斷、隨訪提供非主觀性的視功能評估工具。
　　第二部分視覺心理物理學(xué)測試新方法在視野損害前青光眼患者中的應(yīng)用研究
　　[目的]自行設(shè)計針對大細胞通路功能的視覺心理物理學(xué)測試新方法，并應(yīng)用于標準視野損害前青光眼患者的視功能評估，探討其診斷效能。
　　[方法]根據(jù)Octopus視野測試入組臨床診斷為視野損害前的開角型青光眼患者（11眼，11例）及年齡、

15、性別、屈光度相匹配的正常被試（11眼，11例）。使用MATLAB軟件合并Psychophysics Toolbox擴展包制作并連接CRT屏幕呈現(xiàn)視覺刺激，刺激采用紅/綠心理等亮度方波豎條柵飽和小細胞通路功能，此紅/綠豎條柵上的光亮度為低空間頻率（0.5周期/度），不同時間頻率（3赫茲、8赫茲、15赫茲）的正弦波豎條柵并呈水平向左或向右運動，用于檢測大細胞通路功能。光亮度條柵的對比度采用Michelson Contrasts[（最大亮度-

16、最小亮度）/（最大亮度+最小亮度）]計算。刺激每次呈現(xiàn)1000毫秒后消失，被試判斷光亮度正弦波條柵運動方向，本試驗采用“三上一下”階梯法，即被試判斷正確三次，光亮度條柵對比度下降10％，若判斷錯誤一次，對比度提高10％，十次錯誤判斷一輪試驗結(jié)束，取最后六個對比度的平均值作為該次試驗的對比度閾值。采用此種方法測試每個被試的中心與兩個周邊位置（鼻側(cè)及顳側(cè)）的大細胞通路敏感性，刺激在中心呈2°視角，在周邊呈4°視角，正常對照組與青光眼組的眼別

17、及測試位置相匹配。光亮度條柵的起始對比度為25％，每個位置每個時間條件重復(fù)兩次取均值。利用統(tǒng)計軟件SPSS16.0進行分析計算。采用重復(fù)測量方差分析法（Repeated measures analyses of variance，RMANOVA）分別比較青光眼組和正常對照組在中心或周邊不同時間頻率條件下對比敏感度（對比度閾值的倒數(shù)）的差異。其中光亮度條柵運動時間頻率、周邊位置（鼻/顳側(cè)測試位置）作為組內(nèi)因素，組別（正常組/青光眼組）作為

18、組間因素，對比敏感度作為因變量。采用受試者操作特征曲線(Receiver operating characteristic curve，ROC)描述周邊位置中不同時間頻率條件下該測試模式對視野損害前青光眼的診斷效能。
　　[結(jié)果]正常組及青光眼組的對比敏感度在時間頻率緯度上均呈現(xiàn)“倒V”型曲線，在中間時間頻率（8赫茲）條件下敏感度最高，而在低時間頻率（3赫茲）、高時間頻率（15赫茲）條件下敏感度均下降，與以往生理學(xué)上大細胞通路的時

19、間頻率對比敏感度反應(yīng)曲線相吻合。中心測試位置中，正常組三個時間頻率條件下的對比敏感度分別為21.89±2.96（3赫茲）、29.57±2.90（8赫茲）、20.62±2.02（15赫茲）;青光眼組三個時間頻率條件下的對比敏感度分別為22.02±1.51(3赫茲)、29.85±2.52（8赫茲）、21.55±1.61（15赫茲）。RMANOVA分析顯示組別無統(tǒng)計學(xué)差異(F=0.026，p=0.874)，時間頻率有統(tǒng)計學(xué)差異(F=20.62

20、2，p＜0.001)，時間頻率與組別間無交互作用(F=0.041，p=0.960)。時間頻率采用Bonferroni多次矯正后顯示3赫茲條件和8赫茲條件間、8赫茲條件和15赫茲條件間有統(tǒng)計學(xué)差異(p＜0.001)。周邊測試位置中，正常組三個時間頻率條件下的對比敏感度分別為14.64±0.71（3赫茲）、24.20±1.45（8赫茲）、18.94±0.89(15赫茲);青光眼組三個時間頻率條件下的對比敏感度分別為14.35±0.89（3赫

21、茲）、19.66±1.48（8赫茲）、14.02±1.13（15赫茲）。RMANOVA分析顯示組別無統(tǒng)計學(xué)差異(F=2.665，p=0.118)，時間頻率有統(tǒng)計學(xué)差異(F=50.799，p＜0.001)，時間頻率與組別間有交互作用(F=5.653，p＜0.05)，時間頻率采用Bonferroni多次矯正后顯示三種時間頻率條件間均有統(tǒng)計學(xué)差異(p＜0.05)。周邊位置（鼻/顳側(cè)）無統(tǒng)計學(xué)差異(F=0.048，p=0.829)，與組別間亦無

22、交互作用(F=0.007，p=0.933)。分別在三種時間頻率條件下采用RMANOVA比較兩組間對比敏感度差別，周邊位置（鼻/顳側(cè)）均無統(tǒng)計學(xué)差異且與組別均無交互作用(p＞0.05)，組別僅在15赫茲時有統(tǒng)計學(xué)差異(F=6.112，p=0.023)，在3赫茲條件(F=0.036，p=0.851)和8赫茲條件(F=2.584，p=0.124)下無統(tǒng)計學(xué)差異。ROC曲線分析提示周邊測試位置中3、8、15赫茲刺激條件的曲線下面積分別為0.52

23、2、0.693、0.787，提示15赫茲測試條件的診斷效能最高。
　　[結(jié)論]本研究首次運用顏色信號飽和小細胞通路功能并同時呈現(xiàn)光亮度運動信息選擇性評估大細胞功能，在正常視覺中得到的時間頻率對比敏感度曲線與以往生理研究結(jié)果相一致，說明本研究中的新型視覺心理物理學(xué)測試方法具有較好的大細胞通路功能選擇性。利用此種評估方法可檢測出標準視野損害前開角型青光眼患者的功能異常，其中高時間頻率條件下具有較高的診斷效能，一方面再次證實針對大細胞通

24、路功能的測試可早于標準視野發(fā)現(xiàn)青光眼病變;另一方面，也為早期青光眼功能檢測新方法的研發(fā)提供了思路。
　　第三部分大小細胞通路在雙眼競爭中的參與機制研究
　　[目的]探索大、小細胞通路在正常視覺雙眼競爭過程中的參與機制，為弱視小細胞通路選擇性損傷的神經(jīng)機制提供新解釋。
　　[方法]雙眼分別呈現(xiàn)不同刺激，一眼呈現(xiàn)直徑為2°視角的等亮度紅/灰同心圓矩狀波格柵，另一眼呈現(xiàn)直徑為2°視角的等亮度綠/灰徑線放射狀矩狀波格柵，刺激外

25、周呈現(xiàn)方形框幫助被試雙眼融合。兩類格柵刺激的光亮度為正弦波條柵并呈水平或垂直方向運動。雙眼刺激的光亮度正弦波條柵運動方向始終保持相互垂直，條柵有三種時間頻率條件（1赫茲，8赫茲，15赫茲），三種空間頻率條件（0.5周期/度，1.0周期/度，2.0周期/度），對比度為10％或20％(0.5周期/度、15赫茲條件時)。刺激依次呈現(xiàn)在注視點上方、右側(cè)、下方、左側(cè)，刺激中心點距離注視十字中心2°視角，呈現(xiàn)2秒后消失，出現(xiàn)應(yīng)答界面。本試驗共有10

26、個條件。每個條件包含80個測試，分兩個時段進行。囑被試對觀察到的刺激種類（紅/灰同心圓矩狀波格柵，綠/灰徑線放射狀矩狀波格柵或前兩者混合格柵）及光亮度正弦波條柵運動方向進行判別。分析指標為被試觀察到的圖形刺激類型及雙眼光亮度正弦波條柵發(fā)生運動整合的測試數(shù)，其中“整合”是指被試反應(yīng)的條柵運動方向介于雙眼刺激本身運動方向之間。采用重復(fù)測量方差分析法（Repeated measures analyses of variance，RMANOVA

27、）對不同時間頻率、空間頻率條件下光亮度條柵運動整合的差異進行統(tǒng)計，發(fā)生運動整合的測試數(shù)量為因變量，時間頻率和空間頻率為組內(nèi)因素，析因分析(post-hoc analysis)采用Bonferroni多次比較矯正。RMANOVA用于比較0.5周期/度、15赫茲條件下不同對比度對被試觀察到光亮度條柵運動整合的影響。
　　[結(jié)果]八名正常視覺被試者（女性四名、男性四名）參與本研究。觀察到的圖形刺激類型中單一圖形刺激類型（紅/灰同心圓矩狀

28、波格柵或綠/灰徑線放射狀矩狀波格柵）所占比例為87.14％±1.90％（均值±標準誤），光亮度條柵運動方向發(fā)生整合所占比例為30.59％±2.38％（均值±標準誤）。其中各條件下運動整合比例分別為:21.58％±5.65％（0.5周期/度，1赫茲，10％對比度），43.77％±8.73％（0.5周期/度，8赫茲，10％對比度），53.03％±8.35％（0.5周期/度，15赫茲，10％對比度），19.30％±4.78％（1周期/度，1赫

29、茲，10％對比度），26.27％±5.78％（1周期/度，8赫茲，10％對比度），47.53％±7.96％（1周期/度，15赫茲，10％對比度），15.50％±5.51％（2周期/度，1赫茲，10％對比度），24.97％±6.30％（2周期/度，8赫茲，10％對比度），39.74％±7.76％（2周期/度，15赫茲，10％對比度），35.94％±8.56％（0.5周期/度，1赫茲，20％對比度）。在同一空間頻率條件下，光亮度正弦波條柵發(fā)

30、生整合的比例隨時間頻率的增加而增加;而在同一時間頻率條件下，整合比例隨空間頻率的增加而減少。RMANOVA示時間頻率(F=8.256，p=0.004)和空間頻率(F=4.437，p=0.032)均有統(tǒng)計學(xué)差異。Bonferroni矯正后示8赫茲條件和15赫茲條件間(p＜0.01)，0.5周期/度和2周期/度間(p＜0.01)，1周期/度和2周期/度間(p＜0.01)有統(tǒng)計學(xué)差異，1赫茲條件和15赫茲條件間有臨界差異(p=0.052)。雖

31、然兩組光亮度條柵運動方向整合數(shù)在對比度10％和20％條件間無統(tǒng)計學(xué)差異(F=2.415，p=0.164)，但在低對比敏感度條件下整合更多(10％:35.75±6.981;20％:28.75±6.850，單位:測試數(shù))。
　　[結(jié)論]雙眼間顏色差異引起較強的競爭效應(yīng)，光亮度運動信息根據(jù)其時間頻率、空間頻率、對比度參數(shù)的不同產(chǎn)生不同程度的整合。整合發(fā)生率與時間頻率成正相關(guān)，與空間頻率及對比度成負相關(guān)。這一現(xiàn)象證實雙眼競爭主要發(fā)生在小細

32、胞通路，大細胞通路介導(dǎo)的視覺信息特征在一定程度上可以“豁免”于競爭。單眼弱視與正常視覺中的雙眼競爭模式相似，以往研究發(fā)現(xiàn)單眼弱視患者弱視眼中兩類通路信號損傷程度不同，即小細胞通路功能損傷更為嚴重。基于本研究的結(jié)論，我們推斷單眼弱視患者弱視眼接受的大細胞通路信息在競爭過程中可以不被抑制而與健眼發(fā)生整合產(chǎn)生一定程度的知覺，小細胞通路信息則在競爭過程中被健眼信息抑制而不產(chǎn)生知覺，由此可以解釋弱視患者大、小細胞通路損傷差異的原因，并且為尋求更為