3.6　视觉电生理与感受野

从视网膜到视皮层的整个传导通路保持着解剖上的点对点的传导关系，因此视网膜上的各点和视皮层上的各点存在着一种拓扑方式的连续对应关系。这就是说，一个特定的皮层区的信息，是由一个限定的视网膜区输入的，只受这个限定的视网膜区的影响，而一个特定的视网膜区也与某一个神经细胞发生关系，这种能够引起神经细胞兴奋或抑制的视网膜区，就是该神经细胞的感受野（Receptive field）。

为了正确阐明人眼从视网膜至大脑视皮层的整个神经生理学系统的功能，必须清楚地了解眼睛在接受光刺激后是如何把它们转变成电信号的，然后又怎样逐级地向高级中枢传递，以及各级神经中枢又是如何对视觉信息进行加工的。这也正是视觉过程的生理机制，为了揭示这一机制，研究者提出和发展了视觉电生理研究的新方法。

视觉电生理指的是把微电极插入活体动物的视网膜或视神经，记录其中所发生的电信号，通过改变视网膜的照度，对记录的电信号及其变化进行分析的一种方法。

当然，这种方法对灵长类的视网膜使用较为困难，但对于蛙类、鲤鱼等低等动物已被广泛使用。在100多年前，Homgran首先在离体的蛙眼实验中发现在强光照射下有一正电位产生，从而开始了视觉器官的电生理研究。

当前对视觉系统的电生理研究主要是在视网膜细胞水平。一方面是从视网膜的各级细胞（如双极细胞、水平细胞和无足细胞等）做深入研究，以探求其对光刺激的电反应；另一方

面，也可利用电生理检查来诊断视觉通路的病变，目前已用于视觉临床检查。

3.6.1　视网膜各种细胞对光刺激的电反应

视觉信息都是以光线作为媒介而传播的，光信息通过角膜、房水、瞳孔、晶状体、玻璃体等光学系统，最后聚集到视网膜上。在视网膜阶段，视觉信息被接收转换成生物电信号，再通过视网膜的细胞间及神经连接逐级传递到视觉通路中去。根据信息传递的途径和细胞间突触连接，视网膜在纵向由视细胞（视锥和视杆）、双极细胞和神经节细胞等三层细胞串联而成，在横向则有水平细胞和无足细胞进行相互连接。

近年来，随着微电极技术的发展，已经具备对细胞的电位及其变化进行引导和分析的技术手段，据此人们对视网膜内各种细胞的电位活动进行了广泛的研究。一般认为，神经系统必须把从外界接收的信息转变成神经冲动或称动作电位，然后才有可能进行传递编码、处理和贮存等。Hagins认为绝大多数动物的视细胞或光感受细胞，都能借助递质的扩散以及光电流使原生质膜被动极化，把信息从一端传到另一端的突触部。而比灵长类视网膜中央凹内视锥细胞更长的细胞结构，则需要借助另外的传播机理，即动作电位。按照计算机技术的术语，若把梯级电位反应看成模拟量，而神经脉冲看成数字量，那么可以认为，在视网膜内不仅完成了光—电转换过程，而且也完成了模—数转换过程。从神经节细胞开始，则以脉冲密度的方式对视觉信息进行编码。

1.视细胞的电反应

由于视锥细胞和视杆细胞的轴突较一般神经元的短得多，因而有可能用这种梯级反应来传递信息，也就是通常所说的感受器电位，或更确切地说是晚期感受器电位。晚期感受器电位是一种由于光刺激所引起的超级化持续性的电位变化。Hagins等针对光刺激引起超级化的感受器电位的离子机理指出，在暗处，视细胞外段质膜上的钠离子通道是开放的，许多钠离子不断从细胞外流入光感受细胞的外段内，形成暗电流。当光子作用在视细胞的片层结构或小圆盘的视色素分子上时，视色素发生漂白，释放出一种递质，它扩散到视细胞的原生质膜上，使其钠离子通道关闭，因而出现超级化的电反应（图3‐10）。这种递质可能是钙离子。另有人认为，视细胞外段内的环化GMP可能是起细胞内信使作用的化学物质，它对视细胞外段原生质膜上的钠离子通道起控制作用。

图3‐10　视细胞的电反应

2.双极细胞的电反应

双极细胞对于光刺激也是产生梯级电反应，其感受野是同心圆形状，可分为中心部和周边部。用小光点刺激感受野的中心部与用环状光斑刺激感受野的周边部所引起的电位变化，其极性正好倒转。视网膜上存在两种类型的双极细胞，一种是当光刺激作用在它的中心部位时，出现超级化的电反应，称“超级化型”双极细胞（简称HPBC）也称“Off—中心型”双极细胞；还有一种是当光作用在其感受野中心部时，出现去极化的电反应，称“去极化型”双极细胞（简称DPBC）亦称“On—中心型”双极细胞（图3‐11）。双极细胞感受野中心部的大小，与该双极细胞树突所扩展的范围几乎一致，也就是说，刺激与该双极细胞直接发生突触联系的视细胞，则能使之产生超级化或去极化反应。而双极细胞感受野周边部的大小，则大大超过了该细胞树突所覆盖的范围，因此，用光刺激双极细胞感受野周边部的视细胞时，则要通过另外的中间神经元才能引起双极细胞的电反应，一般认为，这种中间神经元可能就是水平细胞。水平细胞对光感受细胞又有负反馈作用，因而感受野的中心部与周边部有相互颉颃即对抗抑制的作用，并认为这种相互颉颃是侧抑制的神经生理学基础。

图3‐11　双极细胞的感受野

3.水平细胞的电反应

水平细胞也是与视细胞相连的第二级神经元，它与视细胞和双极细胞相似，对于光刺激，也是产生梯级反应。水平细胞的电反应，被称之为S电位。S电位又可进一步分为两种，一种为L—电位，这是对任何波长的光刺激后，都出现超级化反应，另一种是C—电位，根据刺激光的不同既可出现超级化反应，也可出现去极化反应，S—电位与感受器电位不同，它具有广泛的空间叠加效应，即用大光斑作刺激比用相同能量的小光点刺激所引起S—电位大，然而对感受器电位而言，则只要刺激光的能量相同（在相同波长下）所引起的感受器电位的大小相同，与光斑的大小无关。

4.无足细胞的电反应(www.daowen.com)

根据光刺激而引起的电反应的方式不同，可把无足细胞大致分为两类。一类无足细胞在给光刺激或撤光刺激时，出现短暂的去极化反应，还有一类无足细胞，则可产生动作电位。无足细胞与双极细胞不同，它们的感受野不能分为中心部和周边部，而是都出现类似的反应，但它对刺激的强度变化以及光点的移动非常敏感，无足细胞可能对检测景物明暗的变化和物体的运动起一定的作用。

5.神经节细胞的电反应

神经节细胞是具有细长轴突即视神经纤维的神经元。如果它也是以梯级电反应来传达信息，则电位必然会随传导距离的延长而发生衰减，因此，神经节细胞都是产生动作电位，把信息传递到更高级的中枢。不仅不同动物的神经节细胞的电反应形式各不相同，即使同一视网膜内，神经节细胞的电反应形式亦不相同。神经节细胞的感受野，通常也是圆形对称型的，分为中心部和周边部，与双极细胞的感受野基本相同。图3‐12给出了神经节细胞的感受野形成示意图，这个图解也可用于解释双极细胞的感受野。

图3‐12　神经节细胞的感受野形成示意图

6.大脑皮层细胞的感受野

在视觉通路的最高端大脑视皮层，其神经细胞的感受野通常不再保持圆形对称形的结构特点。Hubel和Wiesel根据视皮层细胞的感受野特性，区分出简单型细胞、复杂型细胞、超复杂型细胞，他们因对大脑皮层的感受野、大脑功能等方面研究工作作出的突出贡献而获得1981年的诺贝尔医学奖。

简单型细胞的感受野也分为“On”区和“Off”区，两者的边界总是直线或平行线，因此对线条刺激的反应最好。这些细胞可能充当视觉信息的线条和边界检测器。复杂型和超复杂型细胞的感受野较为复杂，在此不作详述。

3.6.2　视觉通路的电生理

在临床上应用的电生理记录通常有三类，即眼电图（Electro‐oculogram，EOG），视网膜电图（Electro‐retinogram，ERG）和视觉诱发电位（Visual evoked potential，VEP）或视觉诱发反应（Visual evoked Reaction，VER）。

1.眼电图（EOG）

检查视网膜的静息电位，测量时在眼球内外眦角各放置一电极。由于视网膜在正常情况下感光上皮方向为正电位，色素上皮方向为负电位，此二者的电位差可达60mV。在视网膜色素变性、视网膜病变、脉络膜炎、脉络膜缺损、夜盲、维生素A缺乏、全色盲等情况下，当光照刺激时EOG的值上升程度较低或不上升；EOG还可反映视网膜最外层的病变；此外，EOG还能反映外层视网膜的轻度不正常。利用这些特征和规律，即可将EOG实际应用于临床检测。

2.视网膜电图（ERG）

视网膜受到光刺激后，从感光上皮到双极细胞和无足细胞等能产生一系列的电反应并传递至神经节细胞。视网膜不同的细胞能产生不同的电位，视网膜电图就是这种不同电位的复合电波。视网膜电图的检查方法是，保持眼球固定不动，一个称为活动电极的电极接收来自角膜的电位，此电极也称角膜电极，在面部接近眼球的部位放置一参考电极，接收来自眼球后方的电位。光刺激的照明光源一般采用普通白炽灯或充气闪光灯两类。ERG由一连串的波组成，开始为一负波a波，之后是一个较大的b波，最后记录到c波。

举例而言，ERG检查的临床应用主要有:采用不同颜色的光刺激时测得的ERG，可以粗略地估计视杆细胞和视锥细胞地功能；可以根据ERG的b波的下降或变形来诊断色素上皮病变、视细胞病变、外突触病变、双极细胞和无足细胞病变、脉络膜病变等；此外，ERG还有助于检查眼底发生病变之前的功能变化。

3.视觉诱发电位（VEP）或视觉诱发反应（VER）

当视力丧失的患者在检查EOG和ERG时结果都正常时，则病变可能发生在神经节细胞以上到大脑皮层的视觉通路中。在这种情况下，VER的检查可能是唯一有效的办法。VEP的记录电极采用与脑电图相同的头皮电极，作用电极放置在枕部上方5cm处，参考电极与接地电极离开2cm放在前额部。VER的电流及极微弱，通常需要放大1万倍以上。VER的刺激信号可以是闪光，称为闪光VER；也可以使用棋盘格或斜线结构图案作为刺激，称为结构VER，如图3‐13所示为VER的两种刺激图案示意图。

图3‐13　VER的两种刺激图案示意图

VER的临床意义在于，它是唯一可用以全面客观地检查神经节细胞以上的视觉通路功能的方法。根据结构VER和闪光VER的正常与否，可以判别视网膜是否有正常的感光能力，诊断视神经和视束是否正常，外侧膝状体及视放射是否病变，以及视皮层功能是否损伤等。但结构VER和闪光VER又略有不同，前者为中心视力功能的反映，代表黄斑区，检查时要求患者充分合作。闪光VER主要针对小孩测定视网膜至视皮层的传导功能，代表视觉通路的总体状况。