瞳孔收缩引起人类视网膜和视觉系统的活动

《Psychophysiology》：Pupil Constriction Causes Activity in the Human Retina and Visual System

　　

瞳孔反应通过调节进入眼睛的光量来塑造视觉感知的最早阶段。这对视觉处理的影响仍知之甚少。在此，研究人员提出证据表明，瞳孔收缩会引起人类视网膜和视觉系统的活动，且独立于视觉刺激。健康人类参与者（N=119）观看短暂视觉刺激（光增量或减量），同时记录瞳孔大小、视网膜活动（视网膜电图，ERG）和脑活动（脑电图，EEG）。正如预期，视觉刺激触发了视网膜活动的初始爆发，随后是瞳孔收缩（瞳孔光反射，pupil light response）。重要的是，研究人员利用收缩潜伏期的逐试次变异性，揭示了一种先前未知的、与瞳孔收缩锁定而非视觉刺激锁定的视网膜反应。推测起来，与在小鼠中的类似发现一致，这种收缩锁定的视网膜活动是对伴随瞳孔收缩的视网膜光照暴露突然减少的反应（尽管尚未最终排除虹膜肌肉活动的贡献）。随后，在视觉皮层上出现了一个类似的收缩锁定反应。鉴于这些发现，一个重要悬而未决的问题是，视觉系统如何在瞳孔诱发的视网膜和皮层活动下维持亮度恒常性。

视觉感知始于光线进入眼睛，瞳孔大小调节进入眼内的光量，从而影响视网膜光照暴露和光学质量。传统上，瞳孔大小被视为一种调节因素，影响视觉系统对外部刺激的反应，但瞳孔变化本身是否会引起视觉系统活动尚不清楚。先前在小鼠研究中发现，瞳孔收缩可触发视网膜神经节细胞活动（Lapanja et al., 2025），但人类视网膜是否也存在类似效应尚未被直接记录。本文旨在验证人类瞳孔收缩是否独立于外部视觉刺激而诱发视网膜和视觉皮层活动，并探讨其机制。该研究发表在《Psychophysiology》。

研究人员基于9个独立数据集（共119名健康成人参与者，来自同一实验室，数据公开于OSF），在参与者观看短暂视觉刺激（光增量或减量）时，使用EyeLink 1000眼动仪（1000 Hz）记录右眼瞳孔直径，使用TMSI REFA 32放大器记录26个脑电图（EEG）电极及4个眼周电极（用于视网膜电图ERG）的数据。刺激呈现在27寸LCD显示器（120 Hz刷新率，分辨率1920×1080）。数据预处理包括插值、0.1–40 Hz带通滤波、RANSAC算法识别坏导、基线校正（刺激前100 ms）。关键分析技术为：利用逐试次的最大收缩速度时间点变异性，将信号锁定至该时间点，并与置换基线（2000次随机排列）进行对比，通过排列检验（Bonferroni校正）确认显著性。

**结果**
**2.1 关键结果：与瞳孔收缩锁定的ERG成分**
主要发现是一个先前未知的ERG成分，该成分与瞳孔收缩锁定（而非刺激锁定）。通过分析最大收缩速度时间点的逐试次变异，研究人员分离出该成分，其特征为收缩前出现小负向偏转，随后在最大收缩速度时间点附近出现较大正向偏转。该成分幅度较小，约为a波和b波的十分之一，推测是对瞳孔收缩导致视网膜光照暴露减少的反应，与小鼠视网膜结果一致。

**2.1.1 排列检验确认收缩锁定ERG成分**
将实际最大收缩速度时间点与试次内随机置换的时间点进行2000次排列，结果显示实际信号与置换基线存在显著差异（Bonferroni校正后p<0.05），证实了收缩锁定ERG成分的存在。

**2.1.2 更高最大收缩速度与更显著收缩锁定ERG成分相关**
将试次按最大收缩速度分为10个等分箱，发现收缩锁定ERG成分在高速收缩试次中更明显，这符合预期：更高收缩速度导致更急剧的视网膜光照暴露减少。

**2.1.3 收缩锁定ERG成分在不同数据集间一致**
尽管各数据集整体ERG波形差异较大，但所有数据集均在收缩后出现正向偏转，仅有三个数据集在收缩前出现负向偏转，表明该成分具有跨条件稳健性。

**2.1.4 收缩锁定ERG成分源自眼电极**
对五个完整EEG数据集进行逐电极排列检验，以z-score效应量可视化头皮分布，结果显示收缩后0–40 ms窗口内的效应源自眼电极，并通过容积传导扩散至邻近额叶电极，强烈提示该成分起源于视网膜。

**2.1.5 收缩锁定ERG成分后出现枕叶收缩锁定ERP成分**
对七个含枕叶电极数据集的平均枕叶信号（O1、O2、Oz）进行排列检验，发现最大收缩速度后约120 ms出现正向收缩锁定成分，该成分与ERG成分有定性差异，可能反映视觉皮层中独立的收缩锁定反应。

**2.1.6 控制分析**
支持信息中的控制分析排除了眨眼、眼动和肌电伪迹的贡献，并通过模拟数据验证了分析流程的可靠性。

**2.2 描述性ERG结果**
刺激锁定ERG信号显示典型a波（约25 ms负向）和b波（约60 ms正向），幅度对刺激强度敏感。两个“亮背景”数据集（呈现暗刺激）未诱发a波，但仍触发轻微瞳孔收缩及相应收缩锁定ERG成分。收缩锁定成分在刺激锁定分析中不可见，因其被收缩潜伏期的逐试次变异所掩盖。

**2.3 描述性瞳孔大小结果**
所有数据集中，刺激后约220–420 ms开始瞳孔收缩，强刺激数据集（如Original）收缩更快更强，平均最大收缩速度时间点为371 ms。

**讨论与结论**
本研究显示人类视网膜和视觉皮层对瞳孔收缩产生反应，最可能机制是视网膜响应瞳孔收缩所致的骤然光照暴露减少，该反应随后传播至视觉皮层，表现为约100 ms后枕叶的事件相关电位（ERP）。这一发现对亮度恒常性提出挑战：若视网膜对瞳孔变化所致光照变化发生反应，为何感知亮度不随之波动？结合先前研究，Sulutvedt等人（2021）发现药物散瞳使亮度感知高估，而Wardhani等人（2022）使用非药物操作（如认知负荷）未发现类似效应，提示视觉系统可能通过监测瞳孔大小来维持亮度恒常性，类似于眼动中伴随放电（corollary discharge）的机制。此外，瞳孔收缩诱发的神经反应也可能优化视觉感知，例如与瞳孔扩张相关的信号可增强视觉皮层信号噪声比。未来研究需明确瞳孔收缩与扩张如何诱发视网膜反应以优化视觉，以及这些反应是否受自上而下调控。控制分析排除了伪迹，但虹膜肌肉活动（非横纹肌）的微弱贡献尚不能完全排除。
总之，研究人员报告了人类视网膜和视觉皮层中一种先前未知的、与瞳孔收缩锁定的反应，该反应很可能反映视网膜对骤然光照暴露减少的响应，这一发现对瞳孔大小在视觉感知中的作用具有重要启示。