【CMT&CHTV 文獻精粹】

        導語：最新研究對比了人類視覺感知與靈長類動物視網膜神經節細胞的尖峰輸出之間的關係，揭示了人類視網膜在極低光照條件下的敏感性機製，對於理解人類視覺感知的物理極限具有重要意義。

        研究背景

        視覺係統是人類獲取外界信息的重要部分。在暗光環境下，人類視覺係統的敏感性的極限探索一直是研究的熱點。過往研究指出人類能夠在暗適應後檢測到少量光量子，但對於視覺通路中的神經機製理解有限。視覺通路中是否存在一個區分信號與噪聲的非線性神經閾值，以及視覺感知所需的光量子數量和吸收方式，尚未得到解答。”

        2024年5月，Nature Communications發表了一篇題為“Primate Retina Trades Single-photon Detection for High-fidelity Contrast Encoding”一文，旨在通過對比人類視覺感知與靈長類動物視網膜神經節細胞的尖峰輸出，探索視覺感知的神經基礎。

        研究設計

        研究通過精確控製的光照刺激和高級的神經記錄技術，研究了靈長類動物視網膜神經節細胞(RGCs)的反應。研究團隊特別關注了ON型和OFF型神經節細胞(ON RGCs和OFF RGCs)的尖峰輸出，這些細胞途徑與人類在暗光條件下的視覺感知密切相關。使用暗適應的靈長類動物視網膜樣本，通過短暫的光照刺激來記錄神經節細胞的尖峰活動，並利用理想觀察者分析來量化檢測和辨別性能。此外，研究還包括了研究參與者的心理物理學實驗，以評估人類視覺感知的性能。

        研究結果

        人類視覺感知依賴於視網膜ON途徑

        在極低光照條件下，人類的暗視覺感知主要依賴於視網膜的ON RGCs。通過對比人類視覺感知與靈長類動物視網膜神經節細胞的尖峰輸出，研究揭示了ON途徑而非OFF途徑在視覺感知中的決定性作用(圖1)，對於理解人類視覺係統在暗光環境下的工作原理具有重要意義。

        非線性信號處理與單光量子檢測

        盡管人類視覺係統在暗光條件下極為敏感，但視網膜的非線性信號處理機製限製了對單個光量子的感知能力。這種非線性機製通過在ON途徑中引入閾值處理，有效地消除了神經噪聲，提高了對光強度變化的辨別能力。具體來說，ON途徑的閾值非線性導致隻有當兩個或更多的光量子在約1000個視杆細胞的池中同時被吸收時，才能觸發可感知的視覺信號。

        人類視覺辨別性能接近物理極限

        在辨別任務中，研究參與者的表現顯著優於OFF RGCs，且接近ON RGCs的性能，這表明人類視覺係統在辨別微弱光強度差異方麵的能力接近物理極限。研究中，研究參與者在辨別任務中的平均性能接近理論極限，而檢測任務的性能則遠離這一極限。這一結果突顯了人類視覺係統在高對比度方麵的優化。

        視網膜後非線性機製的發現

        研究還發現，人類視覺感知的非線性特性可能涉及視網膜後的額外閾值處理。通過比較有無視網膜後非線性的模型，研究指出，人類視覺感知的閾值特性出現在更高的光強度上，這表明大腦中存在對ON途徑信號的進一步處理。這種視網膜後的非線性機製與在較高光照水平下丘腦神經元中的非線性信號處理相似。

        總結討論

        本研究提供了關於人類在最低光照水平下視覺機製的三個關鍵見解。首先，人類行為在絕對閾值上依賴於ON RGCs的視網膜輸出信號。其次，人類無法感知單個光量子，但能夠接近物理極限地辨別微弱的光強度差異。最後，視網膜電路中的閾值非線性機製將單光量子響應與噪聲分離。這些發現對於理解人類視覺係統的設計優化具有重要意義，並為視覺障礙患者的治療提供了新的視角。

        參考文獻

        KILPELÄINEN M, WESTÖ J, TIIHONEN J, et al. Primate retina trades single-photon detection for high-fidelity contrast encoding[J].Nat Commun, 2024, 15(1):4501. DOI:10.1038/s41467-024-48750-y.

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