成人残留的视觉发育可视化

成人残留的视觉发育可视化

一.视觉后果的改变以往的研究表明，人类和哺乳动物出生后，视觉系统可以适应视觉环境，改变与生有神经联系和突变结构。这一改变发生的最敏感时期称为视觉发育可塑性关键期。不同种动物的视觉发育可塑性关键期的高峰和终止时间各不相同。大鼠的高峰期为出生后2～5天,终止时间是出生后40～45天;猫的高峰期为出生后24～36天,终止时间是出生后4个月;猴的高峰期为出生后4～6周,终止时间是出生后1岁;人类的高峰期为出生后至3～4岁,终止时间是出生后7～10岁。在可塑性关键期内,异常的视觉环境可造成视功能障碍,而去除异常视觉环境后,视细胞的发育仍可以恢复达到正常状态。例如眼睑缝合与反缝合造成的形觉剥夺对眼优势柱的影响等。依据这些研究成果,眼科采用遮盖法对儿童弱视进行治疗,使部分儿童弱视能够治愈。不过,随后的研究证实人类和哺乳动物接近成年时,视觉系统的可塑性基本终止了。当可塑性关键期终止后,在关键期内视觉环境对视觉通路和视功能发育的影响将不可逆转。因此,青少年和成年弱视患者的视功能则难以提高。然而,近年观察到成年人一眼受到毁损性破坏失明后,另一眼如为弱视眼,则可出现视功能逐渐改善的情况。Simmers报道一病人垂体瘤切除时左眼视神经切断,右眼(原为弱视眼)在左眼术后3～4月期间内视力显著提高。Levi(1997年)对6位成年单眼弱视行“游标视力”(Vernieracuity)分辨训练,经过4000～5000次训练后,分辨力平均改善46%,结果表明成年后视皮层神经元仍有可塑性。mallah(2000年)在465位患年龄相关性黄斑变性(AMD)病人中发现12位单眼AMD,另一眼为弱视的患者。在坚持随访的9位病人中,12月～30月后,视力(远、近)平均提高3行,最高达8行左右(LogMAR视标)。由此提出“成人残留(一定程度)的视觉可塑性”的假说。是“残留的视觉可塑性”引起神经元突起的代偿和再生,还是视觉可塑性在关键期后并非终止而仅是抑制?哺乳动物视觉发育早期的可塑性通过什么机制终止又通过什么机制重新触发?其细胞水平的机理和突触机制是什么?是否存在可塑性关键期的“开/关”因子?对上述问题的深入研究,不仅有助于揭开成人弱视眼视觉改善之谜,更能帮助我们寻求儿童弱视治疗和视功能重建的新途径。二视觉发育的扩展密度与视觉皮肤纹理的激活密度之间的关系1.视皮质/层神经元/nda-r-/层的突变及其功能Trachtenberg2000年首先采用脑光学成像技术研究出生后28～35天幼猫视皮层神经元突触可塑性,结果显示大多数视皮层神经元是双眼性的,单眼优势柱在脑光学成像上呈“岛状”排列,之间为双眼带。单眼剥夺(MD)24小时后幼猫单眼优势柱仍存在,但双眼带消失了。他进一步采用细胞外记录(unitrecording)发现,单眼剥夺后,视皮层Ⅱ/Ⅲ层和V-Ⅵ层神经元眼优势柱发生移动,即大多数神经接受非剥夺眼的输入,而Ⅳ层的眼优势柱未发生移动。采用脑片膜片钳研究发现,幼年动物视皮层脑片Ⅱ/Ⅲ和Ⅳ层均可诱发出标志神经元突触可塑性的长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)反应,但进入成年后,仅Ⅱ/Ⅲ层还可诱发出LTP。同时,幼年动物视皮层Ⅳ层诱导LTD时,需要GABA阻断剂,表明Ⅳ层存在较高水平的抑制性神经递质GABA受体。免疫组化的研究表明大鼠视皮层Ⅳ/Ⅲ和Ⅳ层的可塑性关键期不一致,Ⅳ层的可塑性在关键期后终止了,但Ⅱ/Ⅲ层仍可塑。发现兴奋性神经递质N-甲基-D-天门冬氨酸受体亚基1(简称NMDA-R1),其阳性神经元在弱视猫视皮层所占的百分密度比正常猫显著降低,且主要在视皮层第Ⅳ层,NMDA-R1的表达在斜视性弱视视皮层第Ⅳ层的减少始于斜视发生后1周。Catalono(1997年)亦发现关键期后NM-DA在猫Ⅳ层的表达迅速下降,但Ⅱ/Ⅲ的表达在成年仍丰富。因此,目前的研究表明,视皮层Ⅱ/Ⅲ层的突触可塑性大于Ⅳ层,即皮层-皮层通路神经元的突触可塑性大于丘脑-皮层通路。提示丘脑-皮层通路神经元突触可塑性的终止早于皮层-皮层联系。2.视觉发育塑性期内视皮质神经元的nmda-驱动高朋芬、阴正勤等(2002年)采用脑片膜片钳细胞内记录技术,记录了198个视皮层神经元的突触后电流(PSCs)。在有反应的76个细胞中有30个细胞诱发出了LTP。LTP最早诱发日龄为出生后4天,位于视皮层Ⅱ/Ⅲ层。发现NMDA的拮抗剂D,L-2-氨基-5-磷酸基戊酸(APV)能阻断大多数视皮层的LTP,表明大多数视皮层神经元的LTP是依赖于NMDA受体的。同时,睁眼前、后LTP的诱发率有显著差别,睁眼后组LTP诱发率显著高于睁眼前组。APV对睁眼前、后大鼠视皮层LTP的影响提示形觉刺激大大增强了视皮层突触可塑性。秦伟、阴正勤等(2002年)采用脑片膜片钳细胞内记录技术结合神经药理学的方法,对视觉发育可塑性关键期内视皮层神经元的NMDA受体突触后电流成分(NMDA-EPSC)进行分离。观察到大鼠睁眼后视皮层神经元NMDA介导的突触后电流时程较睁眼前明显缩短,同时,NMDA受体电流在谷胺酸受体电流中所占的比率随着发育有减少的趋势。NMDA受体电流成分在关键期早期占优势,而非NMDA受体电流成分随着发育增加,在关键期后期占优势。Philpot(2001年)采用膜片钳细胞内记录结合场电位的细胞外记录技术,研究视觉经验改变突触NMDA受体亚单位(NR1,NR2A/NR2B)的组成成份与可塑性关键期的联系,发现将大鼠行光觉剥夺2小时就可导致NM-DAR-EPSC静态特性的改变,进而影响突触传递的动态过程,如NMDA介导的突触后电流时程缩短、突触总和NMDA电流成份减少等。免疫组化研究发现NR1的变化与NR2A不相关,但NR2A的变化与NR2B成分的改变相关。在大鼠出生后22天NR2A/NR2B的免疫活性开始下降,生后45天达最低,然后恢复到出生后22天的水平。而NR1的免疫活性在出生后45天最高,随后降低,生后45天与90天差异无显著性。其结论是,在视觉发育可塑性关键期内和关键期后,NMDA各亚单位(NR1,NR2A,NR2B)的免疫活性并不一样。以上研究提示,在视觉早期发育过程中NMDAR-EPSC时程延长,表明突触存在可塑性和神经元感受野重构的能力。突触发育稳定后,NMDAR-EPSC时程缩短,也意味着可塑性关键期“终止”的开始。NMDA亚单位,主要是NR2A/NR2B的比值变化,是影响可塑性关键期长短的分子基础。然而,可塑性关键期的终止并不是简单地使NMDA亚单位从幼年时的蛋白合成水平转为成年时的蛋白合成水平,其与突触传递和可塑性的关系还须深入研究。三.神经营养因素对眼前柱的移动的影响1.视皮质灌注ngf对眼优势柱的影响关于视觉发育过程中NGF对眼优势柱移动的影响研究结果各异。以大鼠为对象的研究发现,脑室灌注NGF后,可阻断单眼剥夺后眼优势柱移动效应,且影响发育过程中眼优势柱的形成,并延长眼优势柱的可塑性关键期。作者认为内源性NGF对视觉发育和可塑性起重要作用。Gu(1994年)将NGF灌注进猫视皮层后观察到剥夺眼优势增加,即视皮层接受剥夺眼输入的神经元增多,但随后的类似研究即猫、雪貂视皮层灌注NGF后,并未观察到对眼优势柱的影响。Silver(2001年)做了一个很精细的实验,他将含有不同剂量、设定不同释放时间的NGF缓释小泵植入出生后14～18天幼猫视皮层,4周后采用脑光学成像、细胞外微电极记录和免疫组化的方法。从整体、功能和形态方面观察不同剂量、不同释放时间的NGF对猫眼优势柱形成关键期内和关键期后视皮层神经元的影响,发现视皮层灌注NGF不能干扰眼优势柱形成。脑光学成像显示,在单眼剥夺的幼猫,灌注NGF后仍发生了眼优势柱移动。同时,他观察了在出生后22天行NGF灌注,27天行单眼剥夺,29天行细胞外微电极记录,亦未发现NGF阻断单眼剥夺后眼优势柱移动的效应。然而,物种不同的影响机制尚不清楚。2.视觉发育与塑性的改变c-fos是一类急性早期基因(immediateearlygenetIEG),介导受刺激后突触传递快速和瞬时的反应,诱导AP1形成,API是FOS和JUN蛋白的复合体,IEGS被认为在发育过程中对神经元回路的形成产生主要影响,其在视觉发育与可塑性方面的作用也备受关注。KaczmarekL.(1999年)在猴的实验中发现c-fos参与了眼优势柱形成的全过程。在可塑性关键期内各层表达一致,成年后在Ⅳ层减少。Sato(2000年)采用大鼠双眼睑缝合(BS)与黑屋饲养(DR)模型,研究了c-fos表达视觉可塑性的关系。发现黑屋饲养大鼠的视皮层c-fos表达,不论在关键期内还是关键期后,都比双眼睑缝合和正常动物丰富,说明c-fos虽与视觉发育有关,但并不介导关键期“终止”的调节。形觉剥夺(双眼睑缝合)导致的视皮层可塑性降低部分与AP1的活性有关,只是形觉剥夺幼年组与成年组的表达无差异。3.视皮质神经元活动的加强有人认为外侧膝状体-视皮层的传入影响眼优势柱的分离与稳定,是基于营养因子的活动一依赖性竞争作用。认为BDNFmRNA水平能够作为一个“分子读数”,表示视皮层神经元的活动水平,并且BD-NF的局部活性在眼优势柱形成时期,起强化和维持突触功能的作用。HataY(2000年)观察了视皮层内灌注BDNF对单眼剥夺幼猫、正常幼猫和成年猫眼优势柱的影响,发现BDNF使外侧膝状体传人出现过度活动的效应,因而影响了剥夺幼猫与正常幼猫眼优势柱的形成,但成年猫的眼优势柱移动不受影响。表明BDNF参与了视皮层发育过程中眼优势柱的形成过程,但机理不明。四.视觉传导活动成年猫、猴视网膜部分损伤后,其对应投射的视皮层会产生一个“剥夺区”,此区域内的神经元失去视刺激传入并反应降低。数日后,这部分神经元改为对损伤区域边缘外的视刺激起反应,这类视网膜一视皮层拓朴投射关系定位重组的机制尚不清楚。研究发现:多种神经递质及营养因子参与这一过程。QU(2000年)发现成年猫视网膜中心10°损伤后,去甲肾上腺素、多巴胺和5-羟色胺等神经递质均在视皮层未损伤区升高而在损伤区下降,表明这类递质受视觉传入活动的调节,在视皮层神经元重组中起主要作用。Obatac(1999年)报道视网膜受损3天后,视皮层投射区BDNF、c-fos、NT3和NGF上调,认为其参与视皮层重组过程。同时,外侧膝状体无输入区c-fos表达减少,外纹状区域c-fos和zif268降低,表明成年动物视觉系统存在可塑性,可以重新调整拓朴投射关系。Kart(2000年)报道,将出生24小时的幼猫一侧大脑去视皮层(VC),同时一些幼猫加一眼摘除(VC+E)与成年后再去一侧视皮层和一眼摘除的(VC+E)猫相比,VC幼猫成年后,双眼视网膜神经节细胞均可见退行性变,认为此结果是由于双眼视网膜神经节细胞向视皮层投射竞争所至,而VC+E幼猫和成年猫都无这种改变,因为没有了双眼的竞争。这些病理模型中均发现外侧膝状体与外纹状皮层(PMLS)产生了联系,即形成了视网膜一外侧膝状体一外纹状皮层通路。五.幼猫和成年猫的视皮质突变株和发育期内未发现的基因表达视皮质神经元突触可塑性的研究深入到了分子水平,发现在视觉可塑性关键期,许多神经递质、营养因子与其第2信使瞬间的表达与重新分布和视觉经验密切相关,但其分子机制尚不清楚。Prasad(2002年)采用高密度cDNA测序仪,同步检测出生当天、出生后10天、出生后30天的黑屋饲养幼猫和成年猫视皮层18371个基因表达模式,比较出生后30天的幼猫和出生后30天黑屋