最好的立体视觉清晰度很少出现在中央凹(fovea)处

《Vision Research》:The best stereoacuity is rarely at the fovea

【字体: 时间:2025年12月27日 来源:Vision Research 1.4

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  本研究发现,弱视及正常视力个体的最佳立体视力位置多位于黄斑区外,挑战传统认知。实验通过测量不同视场位置的立体视敏锐度,揭示了立体视功能的神经适应性机制。

  
?ngela Gomes Tomaz | Adrien Chopin | Noelia Gabriela Alcalde | Dennis M. Levi | Preeti Verghese
美国加州大学伯克利分校赫伯特·韦特海姆视光学与视觉科学学院

摘要

立体视觉能力,即通过双眼视差感知深度的能力,传统上被认为在人类视觉的中央凹处最强,并且会随着离中心距离的增加而减弱。先前的研究表明,当弱视患者具有立体视觉能力时,这种能力往往较为粗糙,与神经正常对照组的外周视网膜的立体视觉能力相当,这表明这种能力可能由非中央凹区域介导。在这里,我们测量了弱视患者以及没有视觉发育异常史的对照组的立体视觉能力与离中心距离的关系。我们使用随机点立体图和随离中心距离变化的靶标来测量立体视觉能力,测试了中央凹以及水平线和垂直线上2.5°、5°和10°的离中心距离。在87.5%(7/8)的弱视患者中,最佳立体视觉能力出现在非中央凹区域。令人惊讶的是,75%的对照组患者(15/20)也在非中央凹区域表现出最佳立体视觉能力,只有5名对照组患者在中央凹区域表现出优势。通过调整刺激参数以提高中央凹区域的性能,我们对那些最佳立体视觉能力位于非中央凹区域的对照组进行了重复测量,但只有一名患者的最佳视觉能力位置发生了变化。在实验确定的“最佳位置”测得的立体视觉能力与标准临床立体视觉测试结果高度吻合。这些发现挑战了中央凹在立体视觉中始终占主导地位的传统观点,表明即使在许多视力正常的人中,中央凹也不一定是最佳立体视觉敏感度的位置。这对理解弱视和正常视觉中的双眼视觉以及解释临床立体视觉测试具有重要意义。

引言

视觉科学早已表明,立体深度感知(立体视觉能力)在中央凹处最强,并且随着从该中心注视点向外偏心的距离增加而减弱(Blakemore, 1970; Fendick and Westheimer, 1983; McKee, 1983; Rawlings and Shipley, 1969; Wardle et al., 2012; Schor and Badcock, 1985; Siderov and Harwerth, 1995),许多其他视觉功能也是如此。例如,在低噪声水平下,中央凹与9度偏心距离之间的立体视觉阈值增加了3到8倍(Wardle et al., 2012)。然而,以往的研究存在局限性。一些实验(Schor and Badcock, 1985; McKee, 1983)使用的中央凹偏心距离范围非常有限,难以将结果推广到更大的偏心距离。其他实验(Wardle et al., 2012; Blakemore, 1970)使用的刺激物足够大,导致中央凹与周围偏心位置之间存在一定重叠。Rawlings and Shipley(1969)使用了较小的刺激物(1度),但没有考虑到视网膜上视觉处理的空间尺度变化,这使靠近中央凹的位置具有优势。
尽管如此,这种功能性的离中心距离梯度在神经生理学上也有体现;特别是神经元的感受野(RF)大小随着离中心距离的增加而增大,这主要是由于在视觉层次结构较高时感受野的合并现象(Freeman & Simoncelli, 2011)。中央凹的优势在处理较高空间频率的视觉信息时尤为明显,但在处理较低空间频率的视觉信息时,中央凹的优势就不那么明显了(Siderov & Harwerth, 1995)。
然而,关于中央凹在立体视觉中具有绝对优势的传统观点可能并不普遍适用,特别是在那些有视觉发育障碍的个体中,例如由于屈光不正(双眼屈光误差差异显著)、斜视(眼球错位)或两者兼有的弱视患者。大规模的弱视视觉功能研究表明,相当比例(>70%)的屈光不正弱视患者仍具有残余的立体视觉能力(Levi et al., 2011, 2015, McKee et al., 2003),而在斜视患者中这一比例要低得多(Birch & Wang, 2009),尤其是在婴儿斜视患者中(<40%)。然而,屈光不正和斜视引起的弱视患者的立体视觉能力通常低于100弧秒(Birch and Wang, 2009, Levi et al., 2011),而这一数值对应于没有视觉发育异常史的对照组中离中心距离为5°或更大的情况(Siderov and Harwerth, 1995, Wardle et al., 2012)。这表明在弱视中介导立体视觉的能力可能位于非中央凹区域。
在这里,我们假设在弱视中,中央凹的立体视觉能力可能比周边区域的立体视觉能力受到更严重的损害。这种差异性可能是因为中央凹较小的、密度更高的感受野更容易受到双眼模糊或轻微错位的不利影响(Verghese, 2023)。相比之下,周边视觉区域较大的感受野在这些不利双眼条件下可能为立体视觉处理提供更稳定的基础,因为它们处理的空间频率较粗,因此对屈光不正引起的模糊不太敏感;或者因为它们较大的感受野允许在双眼轻微错位的情况下部分重叠信息。
为了验证这一假设,我们测量了整个视野范围内的立体视觉能力。具体来说,我们在十三个不同位置测量了立体视觉阈值:中央凹(0°偏心距离)以及水平线和垂直线上2.5°、5°和10°的偏心距离。我们在中央凹使用了较小的刺激物,以避免与附近位置的重叠。为了考虑视网膜上视觉处理的空间尺度变化,我们根据Rovamo and Virsu(1979)的方法调整了所有刺激物的大小,使可见性相等,即每增加3°的偏心距离,刺激物大小增加1°。关键的是,我们不仅测量了具有正常视觉能力的对照组的立体视觉能力,还测量了被诊断为弱视的个体的立体视觉能力。我们预期对照组在中央凹处表现出最佳立体视觉能力,而弱视患者则可能在非中央凹位置表现出最佳立体视觉能力。

研究片段

参与者

共招募了29名观察者。最终样本包括8名单侧弱视的成年参与者(2名屈光不正性弱视、2名斜视性弱视和4名混合性弱视;4名男性,年龄范围:20-63岁;平均年龄=40±18岁;详见表1中的临床细节)和20名对照组(5名男性,年龄范围:18-82岁;平均年龄=33±16岁),他们的视觉能力正常或经过矫正后达到正常水平。其中一名对照组参与者因一只眼睛患有白内障而被排除在外。两名对照组参与者是作者之一。

弱视中的立体视觉能力

我们对弱视患者的整个视野范围内的立体视觉能力进行了心理物理学测量,并确定了每位患者的最佳立体视觉位置(图2)。
插值后的弱视患者立体视觉能力图(图3)显示,最佳立体视觉能力(最低视差阈值)通常出现在非中央凹位置(距离中央凹2.5°、5°或10°)。在中央凹处出现最佳立体视觉能力的情况较少(12.5%,1/8),在5°处为12.5%(1/8),在10°处也为12.5%

讨论

本研究的主要且有些令人惊讶的发现是,最佳立体视觉敏感度并不总是位于中央凹。这一现象不仅出现在弱视患者中(正如预期的那样),也出现在大量视觉正常的对照组中,这挑战了中央凹在精细视觉任务(如立体视觉能力)中始终占主导地位的传统观点。立体视觉能力图还提供了存在大范围立体盲区的证据,这一结果之前尚未被充分认识。

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时,作者使用了Google Gemini 2.5 PRO工具,根据项目中的笔记和READ ME文档创建了一个非常初步的初稿。使用该工具/服务后,作者审查并编辑了手稿的全部内容,并对出版物的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

?ngela Gomes Tomaz:撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、验证、软件、资源、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Adrien Chopin:撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Noelia Gabriela Alcalde:撰写 – 审稿

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

这项工作得到了NIH资助(项目编号:EY034370)。作者感谢Suzanne McKee的宝贵讨论,以及Aidan Gauper帮助设置镜式立体镜并收集初步的立体视觉测量数据。
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