视力恢复患者大脑的解剖学变化

几十年来，神经科学家认为存在一个大脑可以学习理解视觉输入的“关键时期”，并且这个窗口在 6 或 7 岁左右关闭。

麻省理工学院教授 Pawan Sinha 最近的研究表明，情况比这更微妙。在对印度 7 岁以上接受先天性白内障切除手术的儿童进行的多项研究中，他发现年龄较大的儿童可以学习视觉任务，例如识别面孔、从背景中区分物体以及辨别动作。

在一项新的研究中，Sinha 和他的同事现在发现了这些患者在视力恢复后大脑中发生的解剖学变化。从大脑白质的结构和组织中看到的这些变化似乎是研究人员在这些患者身上观察到的某些视觉改善的基础。

这些发现进一步支持了这样一种观点，即至少对于某些视觉任务，大脑可塑性的窗口比以前认为的要延伸得更远。

麻省理工学院脑科学教授 Pawan Sinha 说：“鉴于我们所看到的大脑结构重塑的显着水平，它强化了我们一直试图用我们的行为结果表明的观点，即所有儿童都应该接受治疗。”和认知科学，也是该研究的作者之一。

白质可塑性

在美国等发达国家，患有白内障的婴儿会在出生后数周内接受治疗。然而，在印度等发展中国家，这些病例中有更高比例得不到治疗。

将近 20 年前，Sinha 发起了一项名为 Project Prakash 的倡议，其使命是为印度的盲人和视力受损儿童提供医疗服务。每年，该项目都会对数千名儿童进行筛查，其中许多人都获得了眼镜或更先进的干预措施，例如手术切除白内障。其中一些孩子在家人的允许下，也参与了视力恢复后大脑视觉系统如何反应的研究。

在这项新研究中，研究人员想探索他们是否能够检测到大脑中的任何解剖学变化，这些变化可能与他们之前在接受治疗的儿童中看到的行为变化相关。他们在接受先天性白内障手术后的几个时间点扫描了 19 名参与者，年龄从 7 岁到 17 岁不等。

为了分析大脑的解剖变化，研究人员使用了一种称为扩散张量成像的特殊类型的磁共振成像。这种类型的成像可以揭示白质组织的变化——连接大脑不同区域的神经纤维束。

跟踪水分子中氢核运动的扩散张量成像产生两个测量值：平均扩散率，一种水分子运动自由度的量度，以及分数各向异性，它揭示了水被迫沿一个方向运动的程度在另一个。

分数各向异性的增加表明水分子受到更多约束，因为白质中的神经纤维朝向特定方向。

“如果你看到分数各向异性增加和平均扩散率降低，那么你可以推断正在发生的事情是神经纤维的体积在增加，并且它们在排列方面变得更有条理，”Sinha 说。“当我们观察大脑的白质时，我们会准确地看到一些白质束中的这些变化。”

研究人员特别在白质通路中观察到这些变化，这些通路是视觉系统后期的一部分，据信这与面部感知等高级功能有关。这些改善在手术后的几个月内逐渐发生。

Gilad-Gutnick 说： “你会看到白质的解剖学变化，但在使用功能性神经影像学的单独研究中，你还会看到越来越多的专业化，作为视觉体验的函数，类似于典型发育中发生的情况。”

研究人员还测试了参与者在各种视觉任务中的表现，发现他们将面孔与其他物体区分开来的能力与与高阶视觉功能相关的白质通路的结构变化量相关。

相比之下，虽然接受治疗的儿童在视力方面有所改善——能够清楚地看到远处物体的细节——但他们的视力从未完全恢复，而且他们在早期视觉通路的白质组织方面仅表现出极小的变化。

Sinha 说：“可塑性是一种有时间限制的资源，过了某个窗口我们就不能指望有太大的改善，这似乎适用于像敏锐度这样的低级视觉功能。” “但是当我们谈论更高阶的视觉技能时，比如区分一张脸和一张非脸，我们确实看到了随着时间的推移行为的改善，而且我们还发现我们在行为上看到的改善与我们在解剖学上看到的变化。”

治疗的好处

研究人员还发现，与年龄较大的儿童相比，较早摘除白内障的儿童在面部感知能力方面表现出更大、更快的增长。然而，所有的孩子都至少在这项技能上有所进步，同时白质结构也发生了变化。

辛哈说，研究结果表明，年龄较大的儿童可以从这种手术中受益，并提供了应该为他们提供这种手术的进一步证据。

“如果大脑具有如此出色的能力来重新配置自身甚至改变其结构，那么我们真的应该利用这种可塑性并为儿童提供治疗，无论年龄大小，”他说。

Sinha 的实验室现在正在分析来自 Project Prakash 患者的额外影像数据。在一项研究中，研究人员正在调查患者在治疗后灰质厚度是否有任何变化，尤其是在大脑的感觉处理区域。研究人员还使用功能性 MRI 来尝试定位面部感知等视觉功能，看看它们是否与天生视力正常的人出现在大脑的相同部位。