灵长类动物通过自主眼睑闭合实现前庭-眼动通路的快速调控：一种节能的神经策略

《Communications Biology》：Rapid switching of vestibulo-motor pathways through voluntary eyelid closure in primates

本刊推荐：为探究当视觉稳定需求被主动消除时，大脑是否会动态调整前庭-眼动反射(VOR)，研究人员开展了关于自主眼睑闭合对VOR调控作用的研究。结果发现，在黑暗环境中，自主闭眼可导致VOR增益快速下降36%-90%，且该抑制效应与眼睑运动指令相关，在猕猴实验中得到验证。这表明VOR通路存在快速的上下文依赖性“开关”机制，是一种在视觉稳定不必要时减少能量消耗的神经策略。

　　

当我们转动头部时，眼睛会不由自主地向相反方向运动，以稳定视网膜上的图像，这一快速反应称为前庭-眼动反射(VOR)。作为人体中最快速的反射弧之一，VOR通过一个经典的三神经元弧结构实现其功能。然而，大脑如何根据行为目标动态调整这类反射一直是个谜。例如，在黑暗中或先天失明患者中，尽管视觉稳定的功能需求已不存在，VOR却依然存在，表现出显著的韧性。这是否意味着大脑会“不假思索”地维持所有反射？还是存在我们尚未发现的精细调控机制？

一个看似简单却长期存在争议的问题是：当我们主动闭上眼睛时，VOR会发生什么变化？直觉上，既然闭眼时不再需要视觉稳定，维持VOR似乎是一种能量浪费。然而，先前研究基于眼电图(EOG)等技术得出了相互矛盾的结论，主流观点甚至认为眼睑闭合对VOR没有抑制作用。这一解释与VOR在黑暗中的持久性相符，但却与感觉运动系统的能量优化原则相悖。

来自荷兰伊拉斯姆斯医学中心、美国约翰斯·霍普金斯大学等机构的研究团队在《Communications Biology》上发表的研究，通过精巧的实验设计给出了明确答案。研究人员使用巩膜搜索线圈这一精确测量技术，在完全黑暗的环境中记录了人类参与者在正弦旋转、伪随机连续旋转和不可预测的瞬态头脉冲等多种前庭刺激下，眼睛睁开与闭合时的VOR反应。

研究发现，自主眼睑闭合导致VOR增益出现大幅度的、快速的降低。在围绕三个主轴（偏航、俯仰和滚动）的正弦旋转中，VOR增益平均降低了36%至67%。当刺激变为不可预测的瞬态头动时，抑制效果更为显著，最高可达90%以上。更有趣的是，这种抑制与眼睑闭合动作本身精确同步——VOR增益在闭眼开始后急剧下降至接近零，并在眼睛保持闭合期间维持在大约0.3的较低水平，直到眼睛重新睁开后才迅速恢复至正常水平（约0.8）。

为排除搜索线圈与眼睑间可能存在机械干扰的替代解释，研究团队在猕猴模型中重复了实验，猕猴的眼圈是通过手术植入巩膜的，位置固定。实验结果与人类数据高度一致，自主闭眼同样引起了VOR的快速、显著抑制，证实了这是一种跨灵长类物种保守的神经机制，而非测量伪迹。

为了探究其神经机制，研究人员进行了一项关键实验：在施加瞬态头动前，用物理约束阻止参与者睁开眼，但要求他们尝试发出“睁眼”的运动指令。结果发现，即使眼睑实际未睁开，仅产生睁眼运动指令就足以使VOR增益从完全闭眼时的极低水平部分恢复（从约0.06升至约0.33），尽管未能达到眼睛自然睁开时的水平（约0.87）。这表明，眼睑运动指令本身就能上行调节前庭处理通路，而不仅仅是眼睑物理状态的感觉反馈在起作用。

主要技术方法

本研究主要结合了人类和猕猴（Macaca mulatta）实验。利用六自由度运动平台施加精确控制的全身旋转（正弦、伪随机、瞬态加速度）及头动脉冲，在完全黑暗环境中，通过巩膜搜索线圈技术高精度记录三维眼动。通过线性回归分析头速与眼速关系计算VOR增益。通过磁距离测量技术实时监测眼睑位置。在猕猴实验中，手术植入巩膜线圈确保稳定记录。数据分析采用移动窗口回归、方差分析(ANOVA)和配对t检验等统计方法。

眼睑闭合减弱所有运动方向的正弦运动中的VOR增益

为直接研究VOR在眼睑闭合期间是否表现出从有效代偿反应到衰减状态的上下文依赖性切换，研究人员记录了人类参与者对外部施加的头动所引发的眼动。实验在完全黑暗中进行，参与者舒适地坐在运动平台或固定椅上。在第一项实验中，他们检测了由低频（1赫兹）正弦头动（全身绕三个主轴滚动、俯仰和偏航）所引发的眼动反应。当参与者睁开眼睛时，观察到与代偿性VOR反应一致的眼动。相反，当参与者闭上眼睑时，眼动变得更具振荡性（即噪声更大），并且对施加的正弦偏航运动的VOR代偿被破坏，表现出小得多的增益。在群体水平上，组数据证实了VOR反应在所有施加运动方向上对眼睛睁开状态的依赖性。当参与者（n=9）睁开眼睛时，绕偏航、俯仰和滚动轴运动期间的VOR增益分别为0.74±0.03、0.79±0.05和0.49±0.04。然而，当参与者闭上眼睛时，沿偏航、俯仰和滚动轴的VOR增益显著下降至0.25±0.04、0.27±0.05和0.30±0.03（眼睑闭合的主效应：F_1,8=79.075, P<0.001）。这些结果揭示了人类在正弦全身旋转期间，所有轴向上的VOR增益在眼睑闭合时出现36%-67%的显著降低。

眼睑闭合减弱不可预测运动期间的VOR增益

接下来，研究人员使用连续伪随机和瞬态不可预测的全身偏航运动来研究眼睑闭合对VOR增益的影响。首先，他们记录了一组参与者（n=7）在连续伪随机（即正弦和）全身偏航旋转（最大速度30°/秒）期间的的眼动。在睁开眼睛条件下，VOR增益范围在0.8至0.95（0.83±0.05），表明存在稳健的代偿性眼动。然而，当参与者闭上眼睛时，VOR增益下降了约58%（0.35±0.07, t₆=6.21, P<0.001）。这些发现表明，眼睑闭合显著减少了由不可预测以及可预测的连续刺激所引发的VOR。

随后，研究探索了当施加的头动是意外的瞬态事件而非连续刺激时，是否会发生类似的VOR抑制。两组参与者接受了短暂（约100-125毫秒）的瞬态前庭刺激：全身加速度（n=10；最大速度35°/秒）或头体相对旋转（即头脉冲测试；n=5；最大速度约150°/秒）。在睁开眼睛时，观察到与头动方向相反的代偿性眼动，全身和头体相对旋转的VOR增益分别为0.87±0.04和0.88±0.04。然而，当在闭眼情况下施加等效的头动时，眼动从施加运动开始就严重偏离，显示出很少或没有代偿。总体而言，这些结果表明，在瞬态不可预测头动开始前闭上眼睛，能从运动起始就抑制VOR。

眼睑闭合在不同物种间快速减弱VOR

为了直接确定眼睑闭合影响VOR增益的时间进程，参与者（n=7）被要求在连续伪随机全身偏航旋转过程中自主闭上和睁开眼睛。数据显示，在眼睛睁开时（眼睑闭合前），参与者产生代偿全身运动的水平眼动。平均水平VOR增益（在闭眼前1-0.5秒期间平均）为0.79±0.02。在眼睑闭合期间，VOR增益最初降至0.13±0.05，但在2.5-3秒内稳定在0.34±0.08。当参与者随后睁开眼睛时，代偿性眼动恢复，在眼睑完全睁开后（即眼睑开始运动后0.5-1秒），VOR增益为0.85±0.02。群体数据证实了伴随眼睑闭合开始出现的VOR增益的快速调节。

为排除机械因素，研究在非人灵长类模型中重复了实验。如图4所示，猕猴的眼睑闭合导致了与人类参与者观察到的特征相似的眼动反应和VOR增益调节。VOR增益从睁眼时的约0.88迅速下降至闭眼后的约0.03，并在2.5-3秒后略微增加至约0.07。最后，当眼睛睁开后，VOR增益恢复到约0.84的预期水平。这些基于眼睑闭合的VOR增益变化与人类实验中所见高度相似，支持了人类VOR调节是由神经调节而非巩膜线圈引起的机械限制所驱动的解释。

眼睑闭合的运动信号驱动VOR抑制

最后，为确定VOR的调节是否依赖于产生睁眼或闭眼的运动指令，研究人员在参与者经历意外的瞬态全身偏航运动时，从外部施加了长时间的眼睑约束。在每次运动前约3-4秒，一个声音提示指示参与者尝试对抗物理约束睁开眼睛。平均组数据显示，与眼睛自然闭合时的记录相比，这些条件下出现了代偿性眼动的恢复。平均VOR增益从0.06±0.04显著增加至0.33±0.08（t₉=3.5, p=0.006）。这一结果表明，睁眼的运动指令主动参与了VOR，使其能够适当代偿持续的头动。

研究结论与意义

本研究确立了自主眼睑闭合会通过眼睑运动通路减弱VOR，从而在视觉稳定不必要时最大限度地降低能量消耗。这种快速的、上下文依赖性的VOR“开关”机制，揭示了感觉运动系统一种此前未被充分认识的节能策略。它与在凝视转移（gaze shift）过程中观察到的VOR抑制有相似之处，但可能涉及不同的神经通路——本研究提示眼睑闭合相关的VOR抑制可能是通过眼睑闭合通路与脑干扫视前运动通路（例如全暂停神经元）的相互作用介导的。该发现不仅深化了对基本感觉运动反射动态调控的理解，也对临床中VOR功能受损（如前庭功能障碍）的评估和干预提供了新的视角，提示在评估VOR时需要考虑眼睑状态这一重要因素。未来研究应致力于阐明所涉及的确切神经回路，并探索这些发现在VOR功能受损的临床背景下的应用价值。