幼年異常的視覺經驗（如屈光參差或斜視）會導致弱視，嚴重損傷視銳度、顏色和立體視覺、眼動和注意等視覺功能，發病率在3%左右。由于技術上的限制，弱視在人類大腦中的神經機制尚不清楚，目前成人弱視缺乏針對性的有效治療方法。從神經科學的角度，弱視是一個很好的神經發育模型，能夠用來研究視覺經驗依賴的發育可塑性神經機制。目前的主流觀點認為弱視主要影響人類早期視覺皮層，而進化上保守的皮層下通路是否存在視覺經驗依賴的發育可塑性是有待回答的重要科學問題。通過3T和7T高分辨率功能磁共振（fMRI）對人腦皮層下視覺核團的精細功能區進行成像，生物物理所張朋課題組與復旦大學附屬眼耳鼻喉醫院的合作者研究了幼年異常視覺經驗對成人弱視皮層下視覺通路的影響。
3T/7T fMRI揭示弱視的外膝體-V1小細胞通路和皮層-上丘通路的損傷和代償機制 (Wen and Wang et al., 2021)
研究人員基于非人靈長類外膝體神經元的反應特性設計了選擇性激活大細胞（magnocellular,M）和小細胞（parvocellular,P）通路的M刺激和P刺激（如圖所示），呈現給單眼弱視患者的弱視眼（AE）、對側眼（FE）和健康對照的正常眼（NE）。結果表明當弱視眼呈現P刺激時，外膝體小細胞層的功能響應相較于對側眼和正常眼出現了較大程度的下降，而呈現M刺激時大細胞層的功能響應相對正常。相對于正常眼，上丘表層對弱視眼呈現P刺激的反應顯著下降，而對側眼在上丘深層則出現了顯著的反應增強。由于靈長類上丘不存在對顏色敏感的視網膜侏儒神經節細胞的直接輸入，這里發現的上丘對顏色P刺激的反應異常應來自皮層輸入。此外，腹側丘腦枕，早期和腹側視皮層對弱視眼呈現P刺激的反應也出現了選擇性下降。進一步的有向功能連接分析表明，弱視減弱了外膝體P細胞層到V1的前饋連接，并很好的預測了弱視的視力損傷；而上丘的功能異常則來自皮層上的輸入。
該研究揭示了成人弱視外膝體-V1小細胞通路和皮層-上丘通路的功能異常，挑戰了弱視主要影響視皮層的傳統觀點。外膝體小細胞通路主要編碼空間細節和顏色，其功能損傷為弱視的視銳度和顏色知覺損傷提供了直接證據。上丘通路主要負責眼動和注意控制，弱視眼反應下降和對側眼反應增強說明上丘在眼動和注意控制上更加依賴對側眼的視覺信息，并且上丘的注意功能異常可能進一步影響了外膝體-皮層通路的視覺加工。這些發現為弱視的治療提供了新的思路，例如針對外膝體小細胞通路的視銳度訓練和針對上丘通路的注意訓練相結合的新模式。總之，該研究揭示了幼年異常視覺經驗對人類皮層下視覺神經環路的影響，為開發針對弱視神經損傷位點的有效訓練方法提供了重要依據。
論文于2021年12月14日發表在《Cell Reports》。復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院的文雯副主任醫師和中科院生物物理所的博士生王躍為共同第一作者，中科院生物物理所張朋研究員、復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院趙晨教授和上海兒童醫學中心的劉紅教授為共同通訊作者。中科院生物物理所何生研究員、復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院孫興懷教授、溫州醫科大學附屬眼視光醫院周佳瑋教授為共同作者。
高分辨率fMRI能夠突破傳統fMRI局限在腦區水平的瓶頸，在全腦范圍內對人腦精細的介觀尺度功能單元進行成像，這種高特異性的成像手段能夠從本質上提升fMRI信號的可解釋性，彌補傳統fMRI特異性不高而神經科學方法有損傷且采樣范圍小的缺點。生物物理所張朋課題組在國際上較早將3T/7T高分辨率功能磁共振(fMRI)技術應用于認知神經科學和醫學研究。代表性成果包括人類外膝體和上丘功能分層(Qian et al., 2020； P. Zhang et al., 2015)，外膝體大細胞層的對比度學習機制(Yu et al., 2016)，早期青光眼外膝體大細胞層的功能損傷(Zhang et al., 2016)，成人弱視的皮層下通路功能異常(Wen and Wang et al., 2021)，基于皮質功能柱和分層成像研究了人類視覺注意和意識的神經機制( Liu and Guo et al., 2020； de Hollander et al., 2021； Shao et al., 2021； Ge et al., 2020； Zhang et al., in press)。
人腦視覺系統高分辨率fMRI圖譜