S锥细胞增量与减量的近线性感知尺度及可变噪声机制研究

研究人员针对短波长(S)锥细胞增量(S+)和减量(S?)刺激的感知差异开展研究，通过最大似然差异缩放(MLDS)和双选迫选(2AFC)实验，发现S+和S?的感知尺度接近线性，但 pedestal discrimination阈值存在显著不对称性。提出噪声与刺激对比度平方根相关的模型，揭示了S锥ON/OFF通路的生理差异，为色觉通路机制提供新见解。

　　

人类视觉系统中，短波长敏感锥细胞(S cone)的独特生理特性一直是色觉研究的焦点。与中长波长锥细胞不同，S锥不仅数量稀少、分布特殊，其增量(S+)和减量(S?)信号还通过截然不同的神经通路处理——S ON和S OFF通路。既往研究表明，这两条通路在解剖结构、生理响应和信号处理上存在显著差异，但关于它们如何影响主观感知和行为表现，仍存在诸多未解之谜。更棘手的是，传统研究常混淆噪声来源与信号转换机制，难以区分感知非线性的真正成因。

为破解这一难题，研究人员设计了两项精妙的心理物理学实验。在第一项实验中，采用最大似然差异缩放(MLDS)方法量化了S+和S?刺激的感知尺度；第二项实验则通过双选迫选(2AFC)范式测量pedestal discrimination阈值。四项关键发现颠覆了传统认知：首先，S+和S?的感知尺度均呈现近线性特征，与先前在明度感知中观察到的显著非线性形成鲜明对比；其次，pedestal discrimination阈值显示S+条件下的阈值增长显著快于S?，揭示通路间存在功能不对称性；第三，创新性地提出噪声标准差与刺激对比度平方根成正比的模型，成功统一了感知尺度和辨别阈值的矛盾数据；最后，发现S ON通路可能比S OFF通路积累更多噪声，这为解释临床色觉异常提供了新视角。

关键技术方法包括：1) 最大似然差异缩放(MLDS)构建感知尺度曲线；2) 双选迫选(2AFC)结合三降一升阶梯法测量辨别阈值；3) 个体化S锥隔离刺激校准；4) 基于信号检测理论的变噪声预测模型。所有实验在85Hz刷新的CRT显示器上完成，通过14位色彩精度的Bits#系统控制。

【结果解析】
3.1 MLDS模型与可变噪声
通过改进的MLDS分析显示，四位观察者的S+感知尺度在高对比度时呈现轻微饱和，而S?尺度则表现出典型的三次函数特征。值得注意的是，与明度刺激相比，S锥的感知尺度更接近线性，暗示其神经编码机制存在本质差异。

3.2 Pedestal辨别预测模型
当 pedestal对比度增加时，所有观察者均表现出S+阈值增速显著高于S?的现象。变噪声模型（噪声σ= a√C + b）的预测曲线与实测数据高度吻合(R²

0.7)，而传统恒噪声模型完全失效，证实噪声特性是区分通路的决定性因素。

4.4 近线性尺度的模型启示
当感知尺度接近线性时，辨别阈值的变化主要反映噪声特性而非信号转换非线性。这一发现为解释既往研究中矛盾结果提供了理论框架——在S锥通路中，噪声的刺激依赖性(特别是S ON通路)可能是行为差异的主因。

【结论与展望】
本研究通过创新性地结合心理物理实验与计算建模，首次证实：1) S锥通路的感知非线性显著弱于明度系统；2) S+和S?的功能不对称主要源于噪声特性差异而非信号增益；3) 噪声的平方根依赖性暗示其可能起源于光子捕获级联反应。这些发现不仅完善了色觉编码理论，更为临床诊断S锥通路异常（如先天色盲或获得性色觉缺陷）提供了量化新指标。未来研究可结合fMRI和单细胞记录，进一步验证噪声来源的解剖定位。

该成果发表于《Vision Research》，其方法论创新之处在于将MLDS这一"无噪声"尺度测量工具与噪声敏感的辨别任务相结合，为破解感觉系统"信号-噪声"困境提供了范式转移。正如作者指出，这种研究思路可拓展至其他模态（如听觉频率辨别），有望成为系统神经科学的新分析框架。