暗光下的视觉解码：人类视网膜的非线性信号处理与感知极限

【CMT&CHTV 文献精粹】

导语：最新研究对比了人类视觉感知与灵长类动物视网膜神经节细胞的尖峰输出之间的关系，揭示了人类视网膜在极低光照条件下的敏感性机制，对于理解人类视觉感知的物理极限具有重要意义。

研究背景

视觉系统是人类获取外界信息的重要部分。在暗光环境下，人类视觉系统的敏感性的极限探索一直是研究的热点。过往研究指出人类能够在暗适应后检测到少量光量子，但对于视觉通路中的神经机制理解有限。视觉通路中是否存在一个区分信号与噪声的非线性神经阈值，以及视觉感知所需的光量子数量和吸收方式，尚未得到解答。”

2024年5月，Nature Communications发表了一篇题为“Primate Retina Trades Single-photon Detection for High-fidelity Contrast Encoding”一文，旨在通过对比人类视觉感知与灵长类动物视网膜神经节细胞的尖峰输出，探索视觉感知的神经基础。

研究设计

研究通过精确控制的光照刺激和高级的神经记录技术，研究了灵长类动物视网膜神经节细胞（RGCs）的反应。研究团队特别关注了ON型和OFF型神经节细胞（ON RGCs和OFF RGCs）的尖峰输出，这些细胞途径与人类在暗光条件下的视觉感知密切相关。使用暗适应的灵长类动物视网膜样本，通过短暂的光照刺激来记录神经节细胞的尖峰活动，并利用理想观察者分析来量化检测和辨别性能。此外，研究还包括了研究参与者的心理物理学实验，以评估人类视觉感知的性能。

研究结果

人类视觉感知依赖于视网膜ON途径

在极低光照条件下，人类的暗视觉感知主要依赖于视网膜的ON RGCs。通过对比人类视觉感知与灵长类动物视网膜神经节细胞的尖峰输出，研究揭示了ON途径而非OFF途径在视觉感知中的决定性作用（图1），对于理解人类视觉系统在暗光环境下的工作原理具有重要意义。

图1 视网膜OFF通路是线性的，而ON通路是非线性的。

非线性信号处理与单光量子检测

尽管人类视觉系统在暗光条件下极为敏感，但视网膜的非线性信号处理机制限制了对单个光量子的感知能力。这种非线性机制通过在ON途径中引入阈值处理，有效地消除了神经噪声，提高了对光强度变化的辨别能力。具体来说，ON途径的阈值非线性导致只有当两个或更多的光量子在约1000个视杆细胞的池中同时被吸收时，才能触发可感知的视觉信号。

人类视觉辨别性能接近物理极限

在辨别任务中，研究参与者的表现显著优于OFF RGCs，且接近ON RGCs的性能，这表明人类视觉系统在辨别微弱光强度差异方面的能力接近物理极限。研究中，研究参与者在辨别任务中的平均性能接近理论极限，而检测任务的性能则远离这一极限。这一结果突显了人类视觉系统在高对比度方面的优化。

视网膜后非线性机制的发现

研究还发现，人类视觉感知的非线性特性可能涉及视网膜后的额外阈值处理。通过比较有无视网膜后非线性的模型，研究指出，人类视觉感知的阈值特性出现在更高的光强度上，这表明大脑中存在对ON途径信号的进一步处理。这种视网膜后的非线性机制与在较高光照水平下丘脑神经元中的非线性信号处理相似。

总结讨论

本研究提供了关于人类在最低光照水平下视觉机制的三个关键见解。首先，人类行为在绝对阈值上依赖于ON RGCs的视网膜输出信号。其次，人类无法感知单个光量子，但能够接近物理极限地辨别微弱的光强度差异。最后，视网膜电路中的阈值非线性机制将单光量子响应与噪声分离。这些发现对于理解人类视觉系统的设计优化具有重要意义，并为视觉障碍患者的治疗提供了新的视角。

参考文献

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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编辑：且行

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排版：半夏