第二节 视觉生理
一、可见光概念
电磁场及其能量以波的形式在空间传播称为电磁辐射。电磁辐射具有波的一般特性，包括反射、折射、衍射等。电磁辐射能是量子化的，电磁辐射能的量子称为光子。电磁辐射按其波长和频率的顺序形成电磁波谱，其光子能量构成能谱。
可见光是电磁辐射的一部分。当视网膜外段光感受器膜盘的色素吸收可见光(400～770nm)后，色素分子立体结构改变激发神经冲动，冲动经视通路传送到大脑，引起主观感觉。超过770nm或低于380nm的电磁波，或被角膜吸收，或者进入眼内而不被眼组织吸收。宇宙射线可以刺激宇航员的光感受器，产生闪电感。X射线可在暗适应的眼刺激视杆细胞。从紫外端100nm到红外端1000nm的激光产生的能量可以刺激视网膜。
二、视觉系统的基本功能
(一)视觉适应功能
视觉适应功能包括暗适应和明适应。暗适应是指眼睛从亮处进入暗处，开始时看不清物体，经过一段时间，视觉敏感度逐渐提高，才能辨别光亮。明适应是指眼睛暗适应后，进入亮处时，最初感到一片耀眼的光亮，不能看清物体，经过一段时间，视觉敏感度逐渐下降，才能恢复视觉。视觉适应使视网膜能在1010以上的巨大光强范围以内工作。
1.暗适应和明适应的时间进程
(1)慢适应(光化学适应过程)：在黑暗中用强光照射使视色素漂白，然后用弱闪光测定视觉阈值变化，得到暗适应曲线。暗适应初期视网膜敏感性升高100倍，其后敏感性随时间呈指数曲线改变，5～9min时达到平稳。在这个最初阶段，曲线与红色小光点直接刺激中心凹所得的视觉阈值变化曲线一致，所以归结为锥体的光敏色素再生。此后，视网膜敏感性逐渐增高103～105，敏感性时间曲线仍呈指数型，在30～40min时达到平稳。第二阶段与视杆细胞单色觉者的暗适应曲线11～12min以后部分一致，所以归结为视杆细胞视紫红质再生。完全暗适应后，视网膜敏感性比光漂白时增高10万倍。
暗适应后的眼睛暴露在明亮的光线下，视网膜敏感性明显下降。此时视黄醛异构化并与视蛋白分离。这一明适应过程约1min。
(2)快适应(神经适应过程)：近代视网膜电图的研究提示在视觉适应中，除光化学作用外，还存在非光化学的因素。将眼暴露在明亮的背景光下，使用不同强度的光刺激，测量视网膜电图，可以立即记录到增强的阈值(或称视网膜敏感性下降)。这种明适应状态下阈值的变化发生在0.1s以内，称为明适应的快适应或神经适应。亮光下瞳孔缩小也反映视觉适应的神经适应。此时背景光强度高于视网膜电图阈值6log，但尚未引起视色素漂白。随着时间的延长或背景光进一步增强，则可以测量到漂白的视色素。背景光弱时，测量不到视色素的变化，但视网膜敏感性恢复很快，可以在几秒钟内测量到ERG的b波，说明了神经作用的存在。暗光下瞳孔开大也可说明暗适应的神经作用。
2.暗视觉和明视觉的光谱敏感性
暗视系统和明视系统有不同的光谱敏感性。分别对两个系统使用不同波长的光刺激，可记录到不同的敏感度曲线。明视的(photopic)或视锥细胞的亮度函数曲线中，最大敏感性在555nm；暗视的(scotopic)或杆体的亮度函数曲线中，最大敏感性在505nm。两条曲线的最大值相差约3个对数单位(1000倍)。此曲线可以解释白天人眼对红光敏感，而夜晚对绿光敏感。不同波长的光，即使辐射量相同也不会产生相同的视觉。在弱光下视物时，有颜色的物体显得失去颜色，随着光照增强，物体显现出颜色。这种从无色视到有色视的变化反映了暗视觉到明视觉的改变。以上这种亮度函数的变化称作Purkinje移动。
(二)颜色视觉
1.色觉的形成
色觉是一种涉及物理、生物和心理机制的复杂课题。视锥细胞感受器外段的视色素吸收400～700nm范围内的电磁波，色觉则是对这一特定的物理刺激的反应。
杆体视色素、视紫红质不能分辨颜色。执行色觉功能的是三种类型的视锥细胞。视锥细胞色素都含有11-顺-视黄醛和不同的视蛋白，这些不同的视蛋白不断排列视黄醛的电子以改变其俘获不同波长的光子的能力。
红色吸收视锥细胞(R视锥细胞)含红敏色素(eryth-rolabe)，吸收长波的光子，最大敏感性在570nm。绿色吸收视锥细胞(G视锥细胞)含绿敏色素(chlorolabe)，吸收中波的光子，最大敏感性在540nm。蓝色吸收视锥细胞(B视锥细胞)含蓝敏色素(cyanolabe)，吸收短波的光子，最大敏感性在440nm。
分子遗传学技术已经证实人类的三原色感受由确切的视锥细胞光感受细胞决定。已知蓝敏色素基因位于第7对染色体上，红敏、绿敏色素基因位于X染色体上。有研究认为红-绿色盲是由于红、绿敏色素的基因编码发生变化所致，色弱或部分色盲可能与基因编码混杂或重复有关。
色觉感受野同亮度、图形等感受野一样，被认为是由中心的兴奋区和周边的抑制区组成的同心圆结构，只是感受野的兴奋区和抑制区具有波长依赖性，即产生一种颜色-拮抗单位。中心和周边各自为色拮抗。色觉感受野存在于视网膜、中脑、视皮层等视路的每一部分。例如，红(中心)、绿(周围)色感受野的信号来自红视锥细胞和绿视锥细胞，当红光刺激时，感受野的电活动增强，而绿光刺激时，电活动减弱。
各种色觉的产生与颜色的3个特性有关，这三个特性为色调、饱和度和亮度。
色调是指颜色的感受特性，取决于人眼和大脑所感受到的光的波长。例如，几种波长的光进入眼内，其中多数光的波长在540nm，这时人眼感受到的是绿色。光源的色调取决于该光源辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉。物体的色调取决于光源的光谱组成和物体表面所反射(或透射)的各波长辐射的比例对人眼所产生的感觉。例如，在日光下，一个物体反射480～560nm波段的辐射，人眼吸收这一段波长的辐射，该物体呈绿色。
国际照明委员会(CIE)于1931年规定了标准色度图。该色度图准确地表示了颜色视觉的基本规律以及颜色混合的一般规律。这个色度图也可以叫作混色图。
混合光的组成有2种规律。①每一种颜色都有一个相应的互补色，它们以适当的比例混合，便产生白色或灰色。全部可见光波长等量混合时，产生白色。②非互补色混合时，结果色位于两个起源色之间，其色调取决于两颜色的相对数量。例如，等量的红、绿色混合产生黄色，红多绿少则产生橘黄色。人眼和脑能够感受颜色，却不能判断组成该颜色的几种波长。将三原色按不同比例混合，能产生任何一种颜色。3种视锥细胞的敏感性曲线彼此重叠，重叠部分的颜色被认为相对刺激了不同的视锥细胞产生。当540nm波长光进入视网膜时，刺激了红-绿感受野，此时绿视锥细胞的电活动增强，颜色中枢感受到绿色。如果590nm光线进入视网膜，红视锥细胞的电活动多于绿视锥细胞，感受到的是黄色。蓝锥细胞的信息进入蓝-黄感受野，而黄色信息并不来自“黄视锥细胞”，而是来自红视锥细胞和绿视锥细胞。
饱和度是指彩色的纯度或浓厚度。当人眼看到的光线波长单一时(单色光)，这时的颜色是完全饱和的。当光谱色中掺入较多波长的光或白光时，眼睛仍感受到相当突出的色谱，但颜色较浅。如粉色就是不饱和的红色。
明亮度涉及进入眼内的光量，是人主观上对物体发光(或反射光)度的解释。如果在幻灯镜头前加一个滤过片，它的光强被减弱，明亮度下降。
2.色觉缺陷
色觉缺陷可分为先天性和后天获得性两大类，以先天性色觉缺陷为主。遗传性先天性色觉缺损往往由于视蛋白编码基因异常，并且几乎都是红-绿色觉缺陷，西方人报道累及8%的男性和0.5%的女性。人眼红-敏色素和绿-敏色素的视蛋白基因位于X染色体的长臂上，蓝-敏色素的视蛋白基因位于第7号染色体上。正常色觉者的3种光敏色素比例正常，称三色视者(trichromat)，如果仅有两种光敏色素正常，则被称为双色视者(dichromat)，仅存在一种光敏色素的为单色视者(monochromat)。后天获得性色觉缺陷多为蓝-黄色觉缺陷，男女性发病率相同。
异常三色视(anomalous trichromats)在色觉缺陷人中占多数。它们虽然也用三原色比配光谱的各种颜色，但同正常三色视比较，它们是以异常的数量进行比配。通常称异常三色视为色弱。红色弱(prota-nomal)需要用更多的红色进行颜色比配，绿色弱(deuteranomal)需要用更多的绿色，蓝色弱(tritanomal)则需要用更多的蓝色。
二色视者为一种锥体视色素缺失，它们只能用两种原色进行颜色比配。红敏色素缺失者为红色盲(protanope)，绿敏色素缺失者为绿色盲(deuternope)，蓝敏色素缺失者为蓝色盲(tritanope)。二色视者不并发视力丧失。
单色视又称全色盲，患者只能用三原色中的一种进行颜色比配。全色盲包括两型：视杆细胞单色视和视锥细胞单色视。两型患者均不能辨认颜色。视杆细胞单色视还合并有低视力、畏光、眼球震颤、黄斑色素异常和明视ERG异常，属于常染色体隐性遗传。视锥细胞单色视表现全色盲但不合并其他症状，视力正常。蓝色视锥细胞单色视为性连锁隐性遗传，其临床症状类似视杆细胞单色视。
绝大多数先天性色觉缺陷为性连锁隐性遗传，患者在红、棕、橄榄及金黄色之间相互混淆。区分不出淡粉、橘红、黄和绿色。这类患者为红-绿色觉缺陷。后天获得性色觉障碍绝大部分为蓝-黄色觉缺陷，近期内有色觉变化，常常有相应的眼部病变。
各种色觉障碍要通过色觉检测确定。色觉检测的手段较多，表1-1列举了各种色觉检测方法的作用方式、检测对象等。
表1-1 色觉检测方法(https://www.daowen.com)
三、视觉电生理
(一)视网膜电图
视网膜电图(electro retino graphy，ERG)是由短暂闪光刺激从角膜上记录到的视网膜的综合电位反应。
1877年，Dewar首次记录到人眼视网膜电图。以后逐渐发现在黑暗中容易记录到ERG，通过改进测试方法，记录到负相的a波，正相的b波，迟发的正相反应——c波和撤光效应，即d波。Granit将ERG分为三个导程，即PⅠ、PⅡ和PⅢ，分别代表ERG的c波、b波和a波，这一理论被普遍接受。
1.ERG检查的可变因素
刺激：光刺激可选择不同强度，不同刺激时限，不同颜色和频率。
电极：电极安放部位及电极种类影响眼电图的振幅。
记录仪：信号接收、放大器等影响反应的敏感性。
测试状态：瞳孔是否开大、眼球运动、受检者的配合都将影响记录结果。屈光状态中，高度近视使ERG振幅变小，高度远视者ERG振幅较大。
2.视网膜视锥、杆细胞对ERG的意义
ERG是研究视锥、杆细胞功能的一种方法，ERG视锥细胞反应和视杆细胞反应有明显的差异(表1-2)。
表1-2 ERG视锥、视杆细胞反应的差异
表1-2显示了视网膜视锥、视杆细胞的功能特点。视杆细胞主要探察弱光刺激，而视锥细胞接收中等和高强度的光刺激。视杆细胞色素——视紫红质是单一的蓝绿敏感色素，而视锥细胞包含蓝、绿、红三种色素。利用视锥细胞和视杆细胞的这些不同生理功能作为ERG区分视锥、杆细胞反应的条件，在暗环境中用弱的或蓝色刺激光可记录到视杆细胞反应；在亮环境中用强光、长波长光(如红光)或快闪烁光(一般用30次/s闪烁光)可以分离出视锥细胞体反应。
视锥细胞的最大密集区在中心凹部，从中心凹向周围15°(4.5mm)，密度逐渐下降，15°以外至周边部视锥细胞数极少但保持稳定。视杆细胞从中心凹(中央部1°～3°)周围向周边逐渐增多，到中心凹旁15°时密度最高，从15°再往周边，视杆细胞数量稍减但保持恒定。视网膜视锥细胞总量约800万。中心小凹部视锥细胞约有9000个，仅占视锥细胞总数的0.11%，当中心小凹病变时，ERG可完全正常。如果ERG的视锥细胞反应下降，病变影响部位往往超出5°范围。
3.ERG的成分
ERG各种成分的出现依赖于不同的刺激条件，在完全暗适应的条件下，给予一个极弱的刺激光，ERG仅出现一个b波。刺激光逐渐增强到2～3log单位时，出现a波。随着刺激光进一步增强，a波振幅逐渐增大。
振荡电位(oscillatory potentials，OPs)是用较高强度光刺激时得出的一组叠加在b波上的频率较快的低小波。ERG的c、d波和早期感受器电位均不能使用通常的临床ERG记录条件获得。c波是在b波之后缓慢升起的一个正向波，起源于视网膜色素上皮，通常是使用强光较长时间刺激暗适应的视网膜，并通过直流放大器得到。d波是关闭光刺激时，锥体系统产生的正相撤反应。使用比常规高约106倍的光刺激强度，可在a波之前引出早期感受器电位(early recepte potentials，ERP)，ERP的潜伏期极短，是光刺激视网膜后最早产生的电反应，反映视色素的漂白。
4.ERG成分的起源
了解ERG各种成分的起源，是为了理解它们在疾病状态下改变的临床意义。
临床检查中常根据不同的光刺激形式将ERG分为闪光ERG(Flash-ERG)和图形ERG(Pattern-ERG)。
闪光ERG由一个负相的a波和正相的b波以及叠加在b波上的OPs组成。大量的基础研究提示，a波表达了光感受器的超极化活动，b波产生于视网膜内层Muller细胞和双极细胞的共同电活动。视锥细胞体产生的a波振幅较视杆细胞大。关于OPs的起源，多数研究认为与视网膜内层无长突细胞发出的抑制性反馈回路有关。OPs各小波反映了不同化学突触的活动。
使用光栅、棋盘方格或其他图形刺激而引出后极部视网膜的综合电反应称作图形视网膜电图(图形ERG)。图形ERG的波形类似闪光ERG，正常时由3个波组成：第1个波较小、呈负相，发生在35ms，称为N35波，第2个波较大、呈正相，大约在50ms，称为P50波，其后是第3个波，呈负相，波谷在95ms，称为N95波。图形ERG起源于视网膜内层的神经节细胞。
(二)眼电图
眼电图(electro-oculogram，EOG)是判断视网膜色素上皮(RPE)功能最常用的临床电生理检查方法。
RPE的静息电位平均为1.75μV，是EOG产生的基础。这一静息电位依赖于RPE的代谢活动，但独立于视网膜的诱发电位或ERG。当光照不变时，这一电位的起伏很小。改变照明条件，将使这一电位的起伏增大。暗适应时，这一电位下降，8～12min时下降至最低点，称之为暗谷电位，继续再暗适应，则此电位又逐渐升高，当暗适应15min后给予照明，这一电位将明显增大。明适应8～10min上升至最大值，称之为光峰电位。EOG可以归结为在标准化的暗和亮条件下，视网膜色素上皮静息电位的改变。
EOG检查中有价值的信息是比较明适应状态和暗适应状态的振幅。记录这些振幅是通过令患者在一定范围内交替向左、右注视产生。常用的测量参数是光峰∶暗谷。多数实验室的测定值是大于2.0为正常，小于1.75为异常。
EOG和ERG有协同诊断的意义。ERG正常的患者EOG可以异常，如卵黄样黄斑营养不良症(vitelliferm macular dystrophy)，又称Best病。EOG完全正常不能表明视网膜没有疾患，因为EOG是大部视网膜的综合电反应。
(三)视诱发皮层电位
视诱发皮层电位(visual evoked cortical potential，VECP)又称视诱发电位(VEP)或视诱发反应(VER)，是指视网膜受闪光或图形刺激后，在枕叶视皮层诱发出的电活动。由于枕叶皮质对线条轮廓及其变化非常敏感，对闪光刺激相对不敏感，因而选用棋盘格刺激更符合枕叶皮层的生理特性。黄斑纤维终止于视皮层的后极部，因而VECP也是检测黄斑功能的一种方法。VECP不是一种特异性检查。从视网膜到视皮层任何部位神经纤维病变，都可产生异常的VEP。
广泛用于临床诊断的是瞬态图形VEP，它有两个负相波和两个正相波。振幅的大小及潜伏期长短受刺激条件影响。较小的棋盘格产生较大的振幅和较短的潜伏期。刺激的平均亮度和对比度增加时，产生较大的振幅和较短的潜伏期，因此记录时应选用合适的刺激条件。由于正常人VECP振幅变异较大，因此振幅难以作为诊断参数，而潜伏期的变异小，是比较可靠的诊断参数。
随着科学研究的深入和检测手段的进步，视觉电生理检查越来越多地用于眼底病、视神经或视路疾患的诊断和研究，提高了对一些疾病的认识，推动了视觉研究的进展。