视觉的极限:在黑暗中看到阴影

为了测试阴影检测，研究人员把老鼠放在一个几乎没有光线的迷宫里。出口上有一个黑点，与周围的黑暗几乎没有区别。通过追踪老鼠在迷宫中移动的方式，并测量眼睛后部(视网膜)神经元的活动，研究小组发现，一组被称为OFF神经节细胞的视网膜细胞检测到了光线水平的微小下降。

“我们的目标是从分子一直到行为，”在阿尔托和赫尔辛基大学联合任职的Petri Ala-Laurila教授说。这项研究建立在他的团队早期工作的基础上，他的研究表明ON神经节细胞用于探测黑暗中非常微弱的光斑．“相反的任务是探测最暗的阴影，那里只有几个光子缺失。”阿拉-劳里拉说:“我们的假设是，这是最敏感的OFF细胞在星光下所做的，因为它们对阴影的反应会增加它们的发射速度。”

该团队还根据光受体和神经通路的物理特性计算了阴影检测的基本极限。在考虑了不可避免的损失(例如，并不是每个击中受体的光子都被吸收)后，他们发现老鼠的行为和视网膜活动非常接近完美的反应。“我们严格约束的模型强调，视觉引导行为和最敏感的OFF神经节细胞几乎都是完美的阴影探测器，”该研究的联合第一作者之一Johan Westö博士说。

为了检测这些差异，这项研究必须在几乎完全黑暗的环境中进行。该研究的另一位第一作者娜塔莉亚·马丁纽克(Nataliia Martyniuk)说，“视觉系统对最暗的阴影具有极高的灵敏度，这对我们在极低的光照水平下进行的实验提出了很高的技术要求。”在更高的光照水平下，更多的视网膜回路被激活，这将使分析变得非常具有挑战性。

“可以探测到异常昏暗的影子!”即使几千个杆状感受器中少了几个光子，也足以让动物探测到阴影，”Ala-Laurila说。“这可能与探测阴影的巨大进化需求有关，因为老鼠和其他动物已经进化到在极低的光线下躲避捕食者。”

这些发现表明，在视网膜中，理解入射光并将其转化为心理图像的过程是如何分布在执行不同计算任务的不同细胞类型中的。在眼睛内，来自数千个感受器的输入级联到ON和OFF神经节细胞，它们分别作为模块专门检测光和阴影。

Ala-Laurila说:“这将大量的计算推到视网膜上，并且在早期进行这种检测简化了大脑中下游过程的任务。”“我们可以在非常低的光照水平下在眼睛中证明这一原理。我猜想这也适用于更高的光照水平、其他感官和神经生物学的其他领域。”

负责向ON和OFF神经节细胞传递信息的视网膜回路在人类中几乎是相同的。Ala-Laurila解释说，在星光下测试视网膜细胞类型功能的能力也可能具有临床意义。许多视觉疾病都与视网膜中的特定细胞类型有关。通过在非常低的光照水平下进行测试，有可能更早、更精确地检测到这些疾病，因为在这样的光照水平下，每个光子都很重要。他说:“在我的有生之年，我希望看到用极低的光照作为工具来检测视觉疾病的革命性技术。”