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基本信息：

Title:Effects of eye closure on the spiking activity of human lateral geniculate neurons

发表时间：2025.11.24

Journal:Nat Commun

影响因子：15.7

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引言

闭上一只眼，你的世界并不会突然“暗掉一半”。无论是打游戏瞄准、用相机取景，还是做视功能检查时医生让你先遮住一只眼，你的主观体验通常只是“视野有点窄”，而不是“画面严重变差”。这件日常小事背后，其实隐藏着视觉系统非常精细的“增益调节”（gain control）机制：当一只眼的输入突然消失，大脑如何在几十毫秒到几百毫秒的时间尺度内，重新平衡两眼信息，又不让你明显感觉“卡顿”和“变糊”，一直是视觉神经科学的核心问题之一。

在整个视路中，丘脑外侧膝状体（lateral geniculate nucleus, LGN）是从视网膜到初级视觉皮层（V1）的关键“中转站”。视网膜神经节细胞的轴突在这里与LGN中继神经元（relay cells）突触连接，然后再通过视辐射（optic radiation）投射到V1。动物研究早已表明：LGN并不是一个被动的“中继站”，而是一个带有复杂感受野（receptive field, RF）结构、层次组织和双眼相互作用的主动处理节点。传统上，灵长类的LGN被划分为：

• 腹侧两层的 M（magnocellular）细胞：对低空间频率（大块结构）、高时间频率（快速运动）、高对比度尤其敏感，颜色选择性弱；

• 背侧四层的 P（parvocellular）细胞：空间分辨率高、对红–绿（red–green）颜色对抗特别敏感；

• 层间稀疏分布的 K（koniocellular）细胞：处理以蓝–黄（blue–yellow）为主的S锥输入。

然而，这些精细的单神经元特性几乎全部来自于猫、猴等动物模型。在人类身上，我们以前能做的，要么是结构/功能MRI（例如用fMRI测LGN在不同视觉任务中的整体血氧信号），要么是病理和解剖学研究。

“人类单个LGN神经元到底长什么样、怎么放电？”

这个看似基础的问题，一直没有直接答案——既因为LGN太深，常规电生理难以触及，也因为在健康人身上进行深部单细胞记录几乎没有伦理可行性。

另一方面，双眼竞争与闭眼相关的调控机制也长期是个谜。心理物理和行为实验早就发现，两眼看到不同图像时，知觉会发生“双眼竞争”（binocular rivalry）；闭上一只眼，另一只眼的输入会变得更“占优势”。一些人类fMRI工作提示，LGN层面存在眼别特异性的抑制作用：一只眼的输入可以抑制另一只眼在LGN中的代表。但这些信号是来自皮层反馈，还是LGN内部的中间神经元（interneurons），又或者完全是视网膜端的适应与噪声变化？仅靠BOLD信号很难分辨。

这篇文章抓住了一个极其罕见的临床机会：两位接受丘脑LGN深部刺激（deep brain stimulation, DBS）治疗顽固性枕叶癫痫（epilepsy）的患者，在术中清醒状态下被植入电极。临床团队在正式放置DBS电极之前，使用高阻抗微电极沿预定轨迹缓慢推进，边前进边记录单细胞放电，既是为了精准确认LGN位置，也是为这项基础科学研究提供了前所未有的人类LGN单神经元数据。

作者借此机会，提出了几个核心问题：

人类LGN神经元的感受野结构、颜色与时空频率调谐，是否真的像猴子那样？

人类LGN中，单神经元层面的眼别偏好（ocularity）与双眼交互到底有多强？

自愿闭上一只眼，会如何改变LGN神经元的自发放电（spontaneous firing）和视觉反应？这些改变是否与细胞类型（例如可能的中间神经元 vs 中继细胞）有关？

这些问题不仅涉及视觉系统的“底层架构”，也与临床高度相关。比如：

在弱视（amblyopia）、视神经炎之后的功能重建、以及各种双眼视觉异常中，LGN的眼别权重和可塑性可能起关键作用；

对癫痫患者进行特定丘脑核团刺激时，如果我们更了解LGN在正常视觉和闭眼状态下的动态，就更有可能设计出既抑制癫痫放电、又尽量保留视觉功能的刺激方案。

总体来说，这项工作把人类LGN从“只能看粗糙BOLD”的黑箱，第一次以单细胞、亚毫秒的时间精度展现在我们面前，并用一个非常日常的操作——闭眼——直接触发系统级的改变，让我们得以窥见早期视觉通路的精细增益调整机制。

实验设计与方法逻辑

研究整体沿着一个清晰的路径展开：

首先，作者利用立体定向CT与MRI融合，精确规划到达左侧LGN的电极轨迹，在术中局麻清醒状态下，通过两根相距2 mm的高阻抗微电极沿预定通道以0.5 mm步进推进，记录不同深度的尖波活动，并用 8 Hz 闪烁光源诱发视觉响应来确定自上而下的LGN边界；

在患者1身上主要完成边界定位和基本放电模式描述，观察到所有单元在闪光下出现紧密成串的高频放电。随后在患者2身上，作者在LM屏幕上呈现多种视觉刺激：首先通过四个方向移动的亮条（drifting bar）扫描视野，利用条扫通过感受野时的放电变化，反推每个单元的RF位置与大小，并用经典的“差高斯（difference-of-Gaussians, DoG）”模型拟合，得到ON/OFF中心–周边结构和响应时延；其次用不同空间频率与时间频率组合的正弦光栅（sine-wave grating），在8个方向上测量每个单元的空间频率/时间频率调谐曲线，区分类似M层和P层的单元；再通过黑白、高/低对比度、红–绿、黄–蓝棋盘格刺激，评估颜色对抗特性，尤其是红–绿对抗；

在这些测量之后，作者通过屏幕文字提示病人依次闭合左眼或右眼，在闭眼和双眼开放三种状态下重复呈现高对比度棋盘格，并记录每种状态下的自发放电与诱发响应，利用眼别指数OCIX = (C–I)/(C+I) 定量评估单元对同侧/对侧眼的偏好，再用双眼指数BINOIX = (B–M)/(B+M) 衡量双眼刺激相对优势眼单眼刺激的抑制或促进程度；

最后，作者根据细胞尖波从峰到谷的时间间隔（peak-to-trough）将细胞分为宽波形和窄波形群体，将闭眼引起的自发放电变化与波形类型关联，提出窄波形单元可能对应局部中间神经元，从而构建出一个LGN内眼别增益控制的工作模型。

Fig. 1 | Recordings of single LGN neurons.

核心发现

人类LGN感受野结构、M/P分工与红–绿对抗

高度“猴同源”

作者首先关心的，是人类LGN单元在静态特性上是否像猴子那样“分工明确”。

在患者2中，研究者通过移动亮条在视网膜坐标上扫描，记录不同位置刺激引发的放电变化，得到每个单元对条位置的响应曲线。图2c展示了一个典型单元（Unit ）的响应：当亮条穿过其RF中心时，放电迅速上升，离开后又快速下降，四个方向的扫描都表现出中心增强、周边抑制的模式。作者用DoG模型（中心与周边为两个同心高斯，周边权重为负）同时拟合四个方向的数据，拟合优度 r² 可达到0.9以上，模型恢复出的RF（图2d）呈现标准的ON-center、OFF-surround结构，位于偏心约13.9°的右上象限，中心子区σ约0.57°，周边更大。相比猴子在类似偏心位置记录到的RF中心（0.06–0.15°），这里的RF偏大，作者推测与患者术中不可避免的小眼跳、显示器分辨率和高空间频率对比度损失等因素有关。

进一步通过正弦光栅，作者发现，不同单元在空间/时间频率上的偏好明显不同：图2e–f所示的Unit ，对低空间频率（大块图案）和高时间频率（快速闪动）最敏感，表现为低通型空间频率调谐和高频时间响应，典型地符合M层神经元的特征；对比之下，图2g–h的Unit ，接近P层神经元的响应风格。另外，所有细胞在最高测试空间频率6 cyc/deg 下的响应都比较弱，作者认为部分来自手术室显示器的对比度损失，而部分也与所记录RF的偏心较大有关。

颜色方面，图3b–c展示了两个极具代表性的红–绿对抗单元（Unit 与 ）。在红–绿棋盘格的两种相位下，一个单元在“红在中心，绿在周围”时强烈放电，在相位翻转（绿在中心，红在周围）时则明显被抑制；另一个单元则呈现相反模式。高对比度黑白棋盘格可以驱动二者，但黄–蓝棋盘格几乎不引发相位依赖性的响应。这种对红–绿强烈对抗而对黄–蓝较弱的模式，与灵长类LGN中P层丰富的红–绿对抗细胞、而K层蓝–黄细胞数量较少的情况高度一致。

这部分结果一方面验证了人类LGN在感受野结构和M/P亚层功能上与猴子高度同源，为跨物种推理提供了坚实基础；另一方面也说明，我们过去根据猴子构建的视路模型，在很大程度上可以推广到人类，只是在人类真实环境下，需要考虑更大的RF、较低的有效空间频率上限等现实因素。

Fig. 2 | Tuning properties of LGN neurons in Patient.

强视觉刺激触发高频爆发式放电

人类LGN也会“打激发包”

在患者1中，作者主要利用8 Hz闪烁光源（类似手电频闪）快速扫描LGN通道，确认电极是否进入了真正的视觉响应区。图1c展示了不同深度上的原始记录，随着电极穿越LGN，突然出现密集的尖波活动。更有意思的是，图1g–i对单个LGN单元在闪烁光刺激下的响应进行了放大和频谱分析：

时域上，每当闪光到达某一相位（例如亮相位），该单元就会发出短暂、密集的burst，峰值放电率可达 ~180 Hz；自相关和功率谱中，可见约150–230 Hz的强峰，说明这些爆发是由紧密间隔（4–6 ms）的尖波组成，而不是持续的γ振荡。

值得注意的是，尽管以前在猫LGN记录中也观察到γ节律和burst放电，但人类数据一直缺位。本研究中，作者并没有在术中清醒状态下看到很强的自发γ振荡，却在强视觉驱动下捕捉到了典型的burst模式。结合以往动物研究，可以推测这些burst可能具有如下功能：

提高信噪比：在特定视觉事件（比如突然闪光）发生时，以高频burst形式“打包”更多尖峰，帮助信号更可靠地穿过噪声较大的视辐射和皮层输入层。

编码刺激显著性：burst常被认为与“意外性”或“显著性”相关，在保持背景自发率不变的前提下，用短时高频升级编码“这一下很重要”。

与非线性整合相关：LGN中的burst可能触发皮层神经元的非线性整合机制，使得某些时间窗口内的刺激影响被放大。

对临床来说，这种高频burst在术中电生理监测中也具有识别价值：看到8 Hz闪烁光同步出现的高频burst，很可能意味着电极已经准确落入LGN视觉层，为后续DBS电极精确定位提供了生理依据。

Fig. 3 | Red-Green opponent responses in human LGN.

人类LGN单元高度单眼驱动

但仍存在有限的双眼抑制与促进

闭眼效应之前，作者先系统梳理了人类LGN的眼别偏好。利用高对比度黑白棋盘格分别呈现于左眼或右眼（通过患者依次闭合一只眼实现），作者计算了每个单元的眼别指数OCIX。OCIX 接近 +1 表示几乎只被对侧眼（contralateral eye）驱动，接近 –1 表示几乎只被同侧眼（ipsilateral eye）驱动。图4c的散点图清楚地显示：绝大部分单元 |OCIX| > 0.5，也就是说，它们在功能上几乎是“单眼通道”。

以Unit （图4a）：它只对同侧眼（ipsilateral, 左眼）呈现的棋盘格有清晰的相位依赖性放电，对另一只眼几乎不响应，OCIX = –0.73，是典型的单眼单元。Unit （图4b）则偏好对侧眼。作者根据眼别偏好、空间/时间频率特性和电极深度，结合灵长类LGN分层知识，对每个单元进行了“推测层归属”：例如Unit ，合理落在2层（M层之一）。

为了量化双眼互动，作者构造了双眼指数BINOIX：比较优势眼单眼刺激的响应强度（M）与双眼同时看高对比度棋盘格的响应（B）。BINOIX < 0 表示双眼刺激反而比优势眼单眼刺激弱，是双眼抑制（binocular suppression）；相反则是双眼促进（binocular facilitation）。结果显示，大多数单元BINOIX接近0，仅有少数显示明显交互：

Unit %，表现出显著双眼抑制，是人类LGN单元层面清晰的双眼抑制案例。

另有一个多单位记录点（Unit ）表现出双眼促进，但作者谨慎地指出，由于多单位可能混合了不同眼别偏好的细胞，因此解释时要小心。

综合来看，这一部分结果表明：

人类LGN总体上是高度单眼分层的结构，与灵长类动物研究高度一致；

双眼交互存在，但相对稀少且以抑制为主，与猴子结果类似，也印证了人类fMRI中观察到的眼别抑制信号很可能部分起源于LGN自身，而非完全由皮层反馈“制造”；

这种模式从一开始就为理解闭眼效应埋下伏笔：如果LGN层已有眼别抑制，闭合一只眼很可能不只是简单“去掉半个输入”，而是打乱了这套平衡。

Fig. 4 | LGN activity is modulated by eye closure.

闭眼重塑LGN自发放电：宽波形中继细胞被抑制，窄波形疑似中间神经元被激活

文章最有趣、也是题目直接指向的发现来自对自愿闭眼的操控。作者特别关注闭眼时，LGN单元在没有任何视觉刺激（或仅有灰背景）情况下的自发放电变化，并将这种变化与细胞波形宽度联系起来。

先看一个典型的中继候选细胞Unit （图4d–e）。这个单元偏好同侧眼（左眼），宽波形（peak-to-trough约289 µs）。当两眼都睁开时，其自发放电维持在约58 Hz左右；当患者闭上偏好眼（左眼）时，自发率显著下降到45 Hz；反之，闭上非偏好眼（右眼）时，自发率反而大幅增加到约100 Hz。也就是说，闭上偏好眼→自发下降；闭上非偏好眼→自发上升。在视觉刺激叠加时（高对比棋盘格），偏好眼刺激是在更高的自发“基线”上往上叠加，从而获得比非偏好眼更强烈的放电幅度。

与之相比，Unit ：它们的尖波更窄（223 和 245 µs，图4f–g），在皮层研究中通常与快速放电中间神经元（fast-spiking interneurons）相关。尽管LGN中波形–细胞类型的对应关系尚未系统建立，作者暂且将它们视为窄波形候选中间神经元。有趣的是，这两例窄波形单元在闭上偏好眼时，自发放电显著增加，而在偏好眼睁开时自发率较低。这与宽波形中继细胞刚好相反。图4h将所有单元的自发放电变化（偏好眼开 vs 关）按波形宽度排序绘制，可以清楚看到：峰–谷时间最短的两个单元，在“偏好眼关闭”时自发放电变化最大，方向为“上升”。

图4j中的示意图更直观地给出了作者的工作模型：在左侧LGN的六层中，红色代表由右眼驱动的层，蓝色代表由左眼驱动的层；闭左眼时，驱动左眼的宽波形中继神经元（红/蓝区域中的三角符号）整体自发率下降，而局部窄波形细胞（圆形）自发率上升，对这些中继细胞施加更强的抑制，从而**“关小”来自闭合眼通路的增益**；相反，闭非偏好眼时，抑制释放，偏好眼通路的中继细胞得以在更高基线上放电。

这一结果非常耐人寻味：

它说明闭眼效应不只是“视网膜没光了→LGN输入减弱”这么简单，因为闭非偏好眼时视网膜输入本身几乎没变，却同样引起LGN自发活动显著变化，暗示存在对侧眼的抑制释放。

窄波形单元在闭偏好眼时反而被激活，很符合“抑制性中间神经元被上调，负责压低闭眼通路增益”的直觉，即在信息流已经大幅减少的通路内，再通过局部抑制进一步抑制噪声，以维持整体系统稳定。

在主观体验上，我们闭上一只眼后视野虽然变窄，但世界并没有“闪一下”或“亮度变一半”，这可能正是因为LGN及后续皮层通过这种眼别增益重构，把仍然开放的那只眼的信号放大，而把闭眼通路中的噪声压到最低，让整体亮度与清晰度相对稳定。

当然，样本量很小——真正表现出这一极端模式的只有两例窄波形单元，作者也如实强调目前证据更多是“提出假说”，但它为理解闭眼与双眼竞争在亚皮层层面的实现提供了一个极具吸引力的新视角。

归纳总结和点评

这篇工作利用极其珍贵的两例枕叶癫痫患者LGN DBS植入机会，完成了多个层面的“首次”：

• 首次在清醒人类中系统地记录到LGN单细胞的感受野、红–绿对抗和M/P样时空频率调谐，确认了人类LGN在功能组织上与非人灵长类高度一致；

• 首次在术中人类LGN记录中明确观察到强视觉刺激诱发的高频burst模式，补上了“人类LGN是否也打burst包”的关键一环；

在双眼交互方面，证实了人类LGN单元以单眼驱动为主，少数存在双眼抑制/促进，与猫、猴文献相呼应，并为人类fMRI观察到的眼别信号提供细胞层证据；

最重要的是，通过自愿闭眼范式，发现闭眼不仅改变中继细胞的自发放电，还反向调节窄波形候选中间神经元的活性，提出LGN内部可能存在眼别增益控制回路，为理解日常闭眼、双眼竞争以及多种临床状态下的眼别功能变化提供了新假说。

从方法和思路上看，这篇文章把临床需求（DBS定位）与基础研究问题无缝结合：临床上本就需要通过闪光诱发反应确认LGN边界，作者在此基础上加上精心设计的视觉刺激和严格的尖波分类，就顺势获得了极具价值的基础数据。这种“顺手做科学”的模式，在脑深部电极植入领域具有很强的示范意义。

当然，研究也有明显局限：样本仅两例，单元数量不多，患者本身有长期癫痫史并使用多种抗癫痫药物，其LGN功能是否完全代表健康人存在不确定性；所有记录仅来自一侧LGN，且任务时间受手术流程严格限制，无法开展更复杂的行为操控（如真正的双眼竞争任务、注意力操控等）。因此，关于“窄波形＝中间神经元”的推断仍然是间接的，需要未来结合更系统的波形–细胞类型对应研究来验证。

AI一句话锐评

在仅有两名患者、几十个神经元的“极小样本”里，这篇工作依然成功把人类LGN从黑箱拉到单细胞分辨率，给了我们一个极具说服力的画面：闭上一只眼，大脑不是简单关掉半个输入，而是在LGN层面做了一次精细而偏心的增益重构。

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分享人：BQ

审核：PsyBrain 脑心前沿编辑部