睜眼閉眼間，大腦如何“無縫切換”？Nat Commun首探人類視覺中樞的秘密

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基本信息：

Title:Effects of eye closure on the spiking activity of human lateral geniculate neurons

發表時間：2025.11.24

Journal:Nat Commun

影響因子：15.7

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引言

閉上一只眼，你的世界并不會突然“暗掉一半”。無論是打游戲瞄準、用相機取景，還是做視功能檢查時醫生讓你先遮住一只眼，你的主觀體驗通常只是“視野有點窄”，而不是“畫面嚴重變差”。這件日常小事背后，其實隱藏著視覺系統非常精細的“增益調節”（gain control）機制：當一只眼的輸入突然消失，大腦如何在幾十毫秒到幾百毫秒的時間尺度內，重新平衡兩眼信息，又不讓你明顯感覺“卡頓”和“變糊”，一直是視覺神經科學的核心問題之一。

在整個視路中，丘腦外側膝狀體（lateral geniculate nucleus, LGN）是從視網膜到初級視覺皮層（V1）的關鍵“中轉站”。視網膜神經節細胞的軸突在這里與LGN中繼神經元（relay cells）突觸連接，然后再通過視輻射（optic radiation）投射到V1。動物研究早已表明：LGN并不是一個被動的“中繼站”，而是一個帶有復雜感受野（receptive field, RF）結構、層次組織和雙眼相互作用的主動處理節點。傳統上，靈長類的LGN被劃分為：

• 腹側兩層的 M（magnocellular）細胞：對低空間頻率（大塊結構）、高時間頻率（快速運動）、高對比度尤其敏感，顏色選擇性弱；

• 背側四層的 P（parvocellular）細胞：空間分辨率高、對紅–綠（red–green）顏色對抗特別敏感；

• 層間稀疏分布的 K（koniocellular）細胞：處理以藍–黃（blue–yellow）為主的S錐輸入。

然而，這些精細的單神經元特性幾乎全部來自于貓、猴等動物模型。在人類身上，我們以前能做的，要么是結構/功能MRI（例如用fMRI測LGN在不同視覺任務中的整體血氧信號），要么是病理和解剖學研究。

“人類單個LGN神經元到底長什么樣、怎么放電？”

這個看似基礎的問題，一直沒有直接答案——既因為LGN太深，常規電生理難以觸及，也因為在健康人身上進行深部單細胞記錄幾乎沒有倫理可行性。

另一方面，雙眼競爭與閉眼相關的調控機制也長期是個謎。心理物理和行為實驗早就發現，兩眼看到不同圖像時，知覺會發生“雙眼競爭”（binocular rivalry）；閉上一只眼，另一只眼的輸入會變得更“占優勢”。一些人類fMRI工作提示，LGN層面存在眼別特異性的抑制作用：一只眼的輸入可以抑制另一只眼在LGN中的代表。但這些信號是來自皮層反饋，還是LGN內部的中間神經元（interneurons），又或者完全是視網膜端的適應與噪聲變化？僅靠BOLD信號很難分辨。

這篇文章抓住了一個極其罕見的臨床機會：兩位接受丘腦LGN深部刺激（deep brain stimulation, DBS）治療頑固性枕葉癲癇（epilepsy）的患者，在術中清醒狀態下被植入電極。臨床團隊在正式放置DBS電極之前，使用高阻抗微電極沿預定軌跡緩慢推進，邊前進邊記錄單細胞放電，既是為了精準確認LGN位置，也是為這項基礎科學研究提供了前所未有的人類LGN單神經元數據。

作者借此機會，提出了幾個核心問題：

人類LGN神經元的感受野結構、顏色與時空頻率調諧，是否真的像猴子那樣？

人類LGN中，單神經元層面的眼別偏好（ocularity）與雙眼交互到底有多強？

自愿閉上一只眼，會如何改變LGN神經元的自發放電（spontaneous firing）和視覺反應？這些改變是否與細胞類型（例如可能的中間神經元 vs 中繼細胞）有關？

這些問題不僅涉及視覺系統的“底層架構”，也與臨床高度相關。比如：

在弱視（amblyopia）、視神經炎之后的功能重建、以及各種雙眼視覺異常中，LGN的眼別權重和可塑性可能起關鍵作用；

對癲癇患者進行特定丘腦核團刺激時，如果我們更了解LGN在正常視覺和閉眼狀態下的動態，就更有可能設計出既抑制癲癇放電、又盡量保留視覺功能的刺激方案。

總體來說，這項工作把人類LGN從“只能看粗糙BOLD”的黑箱，第一次以單細胞、亞毫秒的時間精度展現在我們面前，并用一個非常日常的操作——閉眼——直接觸發系統級的改變，讓我們得以窺見早期視覺通路的精細增益調整機制。

實驗設計與方法邏輯

研究整體沿著一個清晰的路徑展開：

首先，作者利用立體定向CT與MRI融合，精確規劃到達左側LGN的電極軌跡，在術中局麻清醒狀態下，通過兩根相距2 mm的高阻抗微電極沿預定通道以0.5 mm步進推進，記錄不同深度的尖波活動，并用 8 Hz 閃爍光源誘發視覺響應來確定自上而下的LGN邊界；

在患者1身上主要完成邊界定位和基本放電模式描述，觀察到所有單元在閃光下出現緊密成串的高頻放電。隨后在患者2身上，作者在LM屏幕上呈現多種視覺刺激：首先通過四個方向移動的亮條（drifting bar）掃描視野，利用條掃通過感受野時的放電變化，反推每個單元的RF位置與大小，并用經典的“差高斯（difference-of-Gaussians, DoG）”模型擬合，得到ON/OFF中心–周邊結構和響應時延；其次用不同空間頻率與時間頻率組合的正弦光柵（sine-wave grating），在8個方向上測量每個單元的空間頻率/時間頻率調諧曲線，區分類似M層和P層的單元；再通過黑白、高/低對比度、紅–綠、黃–藍棋盤格刺激，評估顏色對抗特性，尤其是紅–綠對抗；

在這些測量之后，作者通過屏幕文字提示病人依次閉合左眼或右眼，在閉眼和雙眼開放三種狀態下重復呈現高對比度棋盤格，并記錄每種狀態下的自發放電與誘發響應，利用眼別指數OCIX = (C–I)/(C+I) 定量評估單元對同側/對側眼的偏好，再用雙眼指數BINOIX = (B–M)/(B+M) 衡量雙眼刺激相對優勢眼單眼刺激的抑制或促進程度；

最后，作者根據細胞尖波從峰到谷的時間間隔（peak-to-trough）將細胞分為寬波形和窄波形群體，將閉眼引起的自發放電變化與波形類型關聯，提出窄波形單元可能對應局部中間神經元，從而構建出一個LGN內眼別增益控制的工作模型。

Fig. 1 | Recordings of single LGN neurons.

核心發現

人類LGN感受野結構、M/P分工與紅–綠對抗

高度“猴同源”

作者首先關心的，是人類LGN單元在靜態特性上是否像猴子那樣“分工明確”。

在患者2中，研究者通過移動亮條在視網膜坐標上掃描，記錄不同位置刺激引發的放電變化，得到每個單元對條位置的響應曲線。圖2c展示了一個典型單元（Unit ）的響應：當亮條穿過其RF中心時，放電迅速上升，離開后又快速下降，四個方向的掃描都表現出中心增強、周邊抑制的模式。作者用DoG模型（中心與周邊為兩個同心高斯，周邊權重為負）同時擬合四個方向的數據，擬合優度 r2 可達到0.9以上，模型恢復出的RF（圖2d）呈現標準的ON-center、OFF-surround結構，位于偏心約13.9°的右上象限，中心子區σ約0.57°，周邊更大。相比猴子在類似偏心位置記錄到的RF中心（0.06–0.15°），這里的RF偏大，作者推測與患者術中不可避免的小眼跳、顯示器分辨率和高空間頻率對比度損失等因素有關。

進一步通過正弦光柵，作者發現，不同單元在空間/時間頻率上的偏好明顯不同：圖2e–f所示的Unit ，對低空間頻率（大塊圖案）和高時間頻率（快速閃動）最敏感，表現為低通型空間頻率調諧和高頻時間響應，典型地符合M層神經元的特征；對比之下，圖2g–h的Unit ，接近P層神經元的響應風格。另外，所有細胞在最高測試空間頻率6 cyc/deg 下的響應都比較弱，作者認為部分來自手術室顯示器的對比度損失，而部分也與所記錄RF的偏心較大有關。

顏色方面，圖3b–c展示了兩個極具代表性的紅–綠對抗單元（Unit 與 ）。在紅–綠棋盤格的兩種相位下，一個單元在“紅在中心，綠在周圍”時強烈放電，在相位翻轉（綠在中心，紅在周圍）時則明顯被抑制；另一個單元則呈現相反模式。高對比度黑白棋盤格可以驅動二者，但黃–藍棋盤格幾乎不引發相位依賴性的響應。這種對紅–綠強烈對抗而對黃–藍較弱的模式，與靈長類LGN中P層豐富的紅–綠對抗細胞、而K層藍–黃細胞數量較少的情況高度一致。

這部分結果一方面驗證了人類LGN在感受野結構和M/P亞層功能上與猴子高度同源，為跨物種推理提供了堅實基礎；另一方面也說明，我們過去根據猴子構建的視路模型，在很大程度上可以推廣到人類，只是在人類真實環境下，需要考慮更大的RF、較低的有效空間頻率上限等現實因素。

Fig. 2 | Tuning properties of LGN neurons in Patient.

強視覺刺激觸發高頻爆發式放電

人類LGN也會“打激發包”

在患者1中，作者主要利用8 Hz閃爍光源（類似手電頻閃）快速掃描LGN通道，確認電極是否進入了真正的視覺響應區。圖1c展示了不同深度上的原始記錄，隨著電極穿越LGN，突然出現密集的尖波活動。更有意思的是，圖1g–i對單個LGN單元在閃爍光刺激下的響應進行了放大和頻譜分析：

時域上，每當閃光到達某一相位（例如亮相位），該單元就會發出短暫、密集的burst，峰值放電率可達 ~180 Hz；自相關和功率譜中，可見約150–230 Hz的強峰，說明這些爆發是由緊密間隔（4–6 ms）的尖波組成，而不是持續的γ振蕩。

值得注意的是，盡管以前在貓LGN記錄中也觀察到γ節律和burst放電，但人類數據一直缺位。本研究中，作者并沒有在術中清醒狀態下看到很強的自發γ振蕩，卻在強視覺驅動下捕捉到了典型的burst模式。結合以往動物研究，可以推測這些burst可能具有如下功能：

提高信噪比：在特定視覺事件（比如突然閃光）發生時，以高頻burst形式“打包”更多尖峰，幫助信號更可靠地穿過噪聲較大的視輻射和皮層輸入層。

編碼刺激顯著性：burst常被認為與“意外性”或“顯著性”相關，在保持背景自發率不變的前提下，用短時高頻升級編碼“這一下很重要”。

與非線性整合相關：LGN中的burst可能觸發皮層神經元的非線性整合機制，使得某些時間窗口內的刺激影響被放大。

對臨床來說，這種高頻burst在術中電生理監測中也具有識別價值：看到8 Hz閃爍光同步出現的高頻burst，很可能意味著電極已經準確落入LGN視覺層，為后續DBS電極精確定位提供了生理依據。

Fig. 3 | Red-Green opponent responses in human LGN.

人類LGN單元高度單眼驅動

但仍存在有限的雙眼抑制與促進

閉眼效應之前，作者先系統梳理了人類LGN的眼別偏好。利用高對比度黑白棋盤格分別呈現于左眼或右眼（通過患者依次閉合一只眼實現），作者計算了每個單元的眼別指數OCIX。OCIX 接近 +1 表示幾乎只被對側眼（contralateral eye）驅動，接近 –1 表示幾乎只被同側眼（ipsilateral eye）驅動。圖4c的散點圖清楚地顯示：絕大部分單元 |OCIX| > 0.5，也就是說，它們在功能上幾乎是“單眼通道”。

以Unit （圖4a）：它只對同側眼（ipsilateral, 左眼）呈現的棋盤格有清晰的相位依賴性放電，對另一只眼幾乎不響應，OCIX = –0.73，是典型的單眼單元。Unit （圖4b）則偏好對側眼。作者根據眼別偏好、空間/時間頻率特性和電極深度，結合靈長類LGN分層知識，對每個單元進行了“推測層歸屬”：例如Unit ，合理落在2層（M層之一）。

為了量化雙眼互動，作者構造了雙眼指數BINOIX：比較優勢眼單眼刺激的響應強度（M）與雙眼同時看高對比度棋盤格的響應（B）。BINOIX < 0 表示雙眼刺激反而比優勢眼單眼刺激弱，是雙眼抑制（binocular suppression）；相反則是雙眼促進（binocular facilitation）。結果顯示，大多數單元BINOIX接近0，僅有少數顯示明顯交互：

Unit %，表現出顯著雙眼抑制，是人類LGN單元層面清晰的雙眼抑制案例。

另有一個多單位記錄點（Unit ）表現出雙眼促進，但作者謹慎地指出，由于多單位可能混合了不同眼別偏好的細胞，因此解釋時要小心。

綜合來看，這一部分結果表明：

人類LGN總體上是高度單眼分層的結構，與靈長類動物研究高度一致；

雙眼交互存在，但相對稀少且以抑制為主，與猴子結果類似，也印證了人類fMRI中觀察到的眼別抑制信號很可能部分起源于LGN自身，而非完全由皮層反饋“制造”；

這種模式從一開始就為理解閉眼效應埋下伏筆：如果LGN層已有眼別抑制，閉合一只眼很可能不只是簡單“去掉半個輸入”，而是打亂了這套平衡。

Fig. 4 | LGN activity is modulated by eye closure.

閉眼重塑LGN自發放電：寬波形中繼細胞被抑制，窄波形疑似中間神經元被激活

文章最有趣、也是題目直接指向的發現來自對自愿閉眼的操控。作者特別關注閉眼時，LGN單元在沒有任何視覺刺激（或僅有灰背景）情況下的自發放電變化，并將這種變化與細胞波形寬度聯系起來。

先看一個典型的中繼候選細胞Unit （圖4d–e）。這個單元偏好同側眼（左眼），寬波形（peak-to-trough約289 μs）。當兩眼都睜開時，其自發放電維持在約58 Hz左右；當患者閉上偏好眼（左眼）時，自發率顯著下降到45 Hz；反之，閉上非偏好眼（右眼）時，自發率反而大幅增加到約100 Hz。也就是說，閉上偏好眼→自發下降；閉上非偏好眼→自發上升。在視覺刺激疊加時（高對比棋盤格），偏好眼刺激是在更高的自發“基線”上往上疊加，從而獲得比非偏好眼更強烈的放電幅度。

與之相比，Unit ：它們的尖波更窄（223 和 245 μs，圖4f–g），在皮層研究中通常與快速放電中間神經元（fast-spiking interneurons）相關。盡管LGN中波形–細胞類型的對應關系尚未系統建立，作者暫且將它們視為窄波形候選中間神經元。有趣的是，這兩例窄波形單元在閉上偏好眼時，自發放電顯著增加，而在偏好眼睜開時自發率較低。這與寬波形中繼細胞剛好相反。圖4h將所有單元的自發放電變化（偏好眼開 vs 關）按波形寬度排序繪制，可以清楚看到：峰–谷時間最短的兩個單元，在“偏好眼關閉”時自發放電變化最大，方向為“上升”。

圖4j中的示意圖更直觀地給出了作者的工作模型：在左側LGN的六層中，紅色代表由右眼驅動的層，藍色代表由左眼驅動的層；閉左眼時，驅動左眼的寬波形中繼神經元（紅/藍區域中的三角符號）整體自發率下降，而局部窄波形細胞（圓形）自發率上升，對這些中繼細胞施加更強的抑制，從而**“關小”來自閉合眼通路的增益**；相反，閉非偏好眼時，抑制釋放，偏好眼通路的中繼細胞得以在更高基線上放電。

這一結果非常耐人尋味：

它說明閉眼效應不只是“視網膜沒光了→LGN輸入減弱”這么簡單，因為閉非偏好眼時視網膜輸入本身幾乎沒變，卻同樣引起LGN自發活動顯著變化，暗示存在對側眼的抑制釋放。

窄波形單元在閉偏好眼時反而被激活，很符合“抑制性中間神經元被上調，負責壓低閉眼通路增益”的直覺，即在信息流已經大幅減少的通路內，再通過局部抑制進一步抑制噪聲，以維持整體系統穩定。

在主觀體驗上，我們閉上一只眼后視野雖然變窄，但世界并沒有“閃一下”或“亮度變一半”，這可能正是因為LGN及后續皮層通過這種眼別增益重構，把仍然開放的那只眼的信號放大，而把閉眼通路中的噪聲壓到最低，讓整體亮度與清晰度相對穩定。

當然，樣本量很小——真正表現出這一極端模式的只有兩例窄波形單元，作者也如實強調目前證據更多是“提出假說”，但它為理解閉眼與雙眼競爭在亞皮層層面的實現提供了一個極具吸引力的新視角。

歸納總結和點評

這篇工作利用極其珍貴的兩例枕葉癲癇患者LGN DBS植入機會，完成了多個層面的“首次”：

• 首次在清醒人類中系統地記錄到LGN單細胞的感受野、紅–綠對抗和M/P樣時空頻率調諧，確認了人類LGN在功能組織上與非人靈長類高度一致；

• 首次在術中人類LGN記錄中明確觀察到強視覺刺激誘發的高頻burst模式，補上了“人類LGN是否也打burst包”的關鍵一環；

在雙眼交互方面，證實了人類LGN單元以單眼驅動為主，少數存在雙眼抑制/促進，與貓、猴文獻相呼應，并為人類fMRI觀察到的眼別信號提供細胞層證據；

最重要的是，通過自愿閉眼范式，發現閉眼不僅改變中繼細胞的自發放電，還反向調節窄波形候選中間神經元的活性，提出LGN內部可能存在眼別增益控制回路，為理解日常閉眼、雙眼競爭以及多種臨床狀態下的眼別功能變化提供了新假說。

從方法和思路上看，這篇文章把臨床需求（DBS定位）與基礎研究問題無縫結合：臨床上本就需要通過閃光誘發反應確認LGN邊界，作者在此基礎上加上精心設計的視覺刺激和嚴格的尖波分類，就順勢獲得了極具價值的基礎數據。這種“順手做科學”的模式，在腦深部電極植入領域具有很強的示范意義。

當然，研究也有明顯局限：樣本僅兩例，單元數量不多，患者本身有長期癲癇史并使用多種抗癲癇藥物，其LGN功能是否完全代表健康人存在不確定性；所有記錄僅來自一側LGN，且任務時間受手術流程嚴格限制，無法開展更復雜的行為操控（如真正的雙眼競爭任務、注意力操控等）。因此，關于“窄波形＝中間神經元”的推斷仍然是間接的，需要未來結合更系統的波形–細胞類型對應研究來驗證。

AI一句話銳評

在僅有兩名患者、幾十個神經元的“極小樣本”里，這篇工作依然成功把人類LGN從黑箱拉到單細胞分辨率，給了我們一個極具說服力的畫面：閉上一只眼，大腦不是簡單關掉半個輸入，而是在LGN層面做了一次精細而偏心的增益重構。

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審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部