從感光到認知:視覺系統的演化與大腦可塑性的再發現

更新 發佈閱讀 8 分鐘

為何我們的大腦在成年後依然能「學會」看見?

副標題:回顧過去 50 年的神經科學里程碑,重新定義成人弱視訓練的可能性。

我們常以為「看見」是一個物理過程:光線進入眼睛,像相機一樣成像。但從演化生物學與神經科學的角度來看,視覺其實是一個計算過程

數億年前,寒武紀大爆發(Cambrian Explosion)時期,早期的生物僅擁有單純的「感光點」來區分晝夜。隨著演化推進,這些感光細胞逐漸凹陷成坑,形成了能分辨方向的眼窩,最終演化出水晶體與視網膜。

然而,硬體(眼睛)的升級並非故事的全貌。真正的奇蹟發生在「軟體」——大腦皮層(Visual Cortex)。人類將大腦後枕葉極大比例的資源用於處理視覺訊號,這意味著:我們是用眼睛感知,但用大腦「看見」。

這正是**弱視(Amblyopia)**的核心機制,也是其解決方案的所在:問題不在於眼球這個「鏡頭」,而在於大腦這個「處理器」被抑制了。

這篇文章將帶您回顧過去 50 年來,科學界如何從「視覺定型論」走向「終身神經可塑性」,並列出支撐現代視覺訓練(如 Gabor Patch 與 VR 雙眼療法)的關鍵論文。


第一階段:教條的確立與「關鍵期」的誤解 (1960s - 1980s)

在很長一段時間裡,醫學界認為成人弱視是「絕症」。這源於兩位諾貝爾獎得主的研究。

1960 年代,David Hubel 和 Torsten Wiesel 進行了著名的貓與猴子實驗。他們發現,如果在發育早期遮蓋一隻眼睛,大腦對應的視覺皮層細胞就會萎縮或被另一隻眼睛「搶佔」。

他們提出了**「關鍵期」(Critical Period)**的概念:大腦的可塑性在童年後會關閉。這個理論雖然偉大,但也導致了長達數十年的悲觀主義——超過 12 歲,視覺系統就被認為「硬化」了。

  • 關鍵論文: Hubel, D. H., & Wiesel, T. N. (1970). The period of susceptibility to the physiological effects of unilateral eye closure in kittens. The Journal of Physiology. Link

第二階段:知覺學習與 Gabor Patch 的崛起 (1990s - 2000s)

轉機出現在 90 年代。以色列科學家 Uri Polat 和 Dov Sagi,以及美國的 Dennis Levi 等人開始挑戰教條。他們發現,成人大腦雖然不再像兒童那樣瘋狂生長,但依然保留了**「知覺學習」(Perceptual Learning)**的能力。

他們使用了Gabor Patch(蓋伯光柵)——一種模擬大腦視覺皮層 V1 區接收訊號的模糊條紋圖案。研究發現,通過重複辨識這些圖案的對比度與方向,成人大腦可以透過「突觸強化」來提升視力。

這證明了:即使眼球輸入的訊號模糊,大腦可以透過訓練,學會更有效地解讀這些訊號。

  • 關鍵論文: Polat, U., & Sagi, D. (1994). Spatial interactions in human vision: From near to far via experience-dependent cascades. PNAS. Link
  • 關鍵論文: Levi, D. M., & Polat, U. (1996). Neural plasticity in adults with amblyopia. PNAS. Link

第三階段:雙眼競爭與解除抑制 (2010s - 至今)

這是與現代 VR 訓練最相關的階段。過去的遮眼治療(Patching)是基於「強迫使用弱眼」的邏輯。但在 2010 年前後,加拿大的 Robert Hess 團隊提出了一個革命性的觀點:

弱視不僅僅是單眼視力差,更是雙眼之間的「惡性競爭」。

大腦為了避免複視(Double Vision),主動抑制(Suppress)了弱眼的訊號。Hess 團隊設計了特殊的「俄羅斯方塊」遊戲,讓雙眼分別看到不同的部分,強迫大腦整合雙眼影像。這直接促成了現代 VR/AR 視覺訓練軟體的誕生。

研究顯示,先解除雙眼抑制(Anti-suppression),視力提升的效果往往比單純訓練單眼更好。

  • 關鍵論文: Hess, R. F., Mansouri, B., & Thompson, B. (2010). A new binocular approach to the treatment of Amblyopia in adults well beyond the critical period. PNAS. Link
  • 關鍵論文: Li, J., et al. (2013). Dichoptic training for amblyopia in adults: distinct functional outcomes. Ophthalmic and Physiological Optics. Link

結語:演化賦予的韌性

從演化的角度看,視覺系統之所以複雜,是為了適應多變的環境。大腦皮層保留「可塑性」並非演化的 bug,而是 feature(功能)。

對於正在進行弱視訓練的您來說,這些論文傳遞了一個明確的訊息:您的視覺皮層並沒有「壞掉」,它只是在早年的競爭中被「靜音」了。 透過 Gabor Patch 的精細刺激與雙眼融合訓練,您正在利用演化賦予大腦最珍貴的能力——改變自己的能力。


📚 延伸閱讀與參考文獻庫 (Selected Bibliography)

為了方便您深入研究,以下整理了該領域最具影響力的幾篇論文連結:

  1. [經典回顧] Hubel & Wiesel (1962): 奠定視覺神經生理學基礎。 Receptive fields, binocular interaction and functional architecture in the cat's visual cortex.
  2. [知覺學習] Polat et al. (2004): 關於由訓練引導的大腦皮層重組。 Improving vision in adult amblyopia by perceptual learning.
  3. [雙眼療法] Hess et al. (2014): 關於 iPad 雙眼治療的臨床效果。 Restoring stereopsis in adult amblyopia.
  4. [綜述文章] Levi, D. M. (2020): 弱視神經可塑性的完整回顧。 Amblyopia and the binocular brain.
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Joey Nan的筆記
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看見清晰的未來|一個成人弱視者的自我修復與大腦科學筆記 我是 Joey,一個在生活中不斷嘗試的實驗者。 這個筆記的起點,源於我對**「恢復視力」的一份初心。我嘗試透過 VR 裝置與科學訓練法,重新與我的大腦和雙眼對話。這不僅是一份復健紀錄,更是一次我對神經可塑性**的親身探索。
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