人眼功能机理之问

The mechanism of human eye function

----请教杨雄里院士百科词条“视觉”

都世民(Du Shimin)

我己多次在百度网搜索人眼构造和功能机理，也阅读了几本新出版的有关书籍，经常搜索有关科技报道。基于此，想对人眼功能机理的阐述存在的问题进行一些讨论。逐步深入。近来在中国百科网搜索“视觉”词条时，发现杨雄里院士的词条较细緻，说理清楚，较全面，对存在的问题也能明确指出。想就有关问题请敖杨院士。

视觉

1.视觉功能

笔者从“视觉”词条中归结其功能有五个方面：光感、色感、动感、成像、视感。与此同时还包含扫描、定位、分辨、识别等重要功能。这些功能与以下特性参数有关：

2.主要参数

光感细胞

名称       个数          与视网膜位置         h/d             h/λ            d   L  

视杆细胞  1--1.3亿    镶嵌的形式分布  垂直视网膜  75/6=12.5  (75/555) × 10^6   2  120

视锥细胞  600-800万  镶嵌的形式分布  垂直视网膜  120/2=60   (120/555) × 10^6  6  75

细胞横向尺寸d( μm )   细胞长度L( μm )

除上述两类现细胞外，还有视色素。对视色素的看法存在分岐。

视细胞色感

视杆细胞 无色感。     视锥细胞 有色感。

视细胞分布

视网膜黄斑部位的中央凹区，几乎只有视锥细胞。

中央凹以外区域有视杆细胞，分布不均匀。

视细胞空间分辨能力

视锥细胞空间分辨能力很高    视杆细胞空间分辨能力低。

问题的提出

1）为什么重视视觉解读？

a）感光视觉是人体六感官的第一感官；

b）视觉是人体获取信息量最大的感官，日前有多种说法，有的说视觉信息占全部信息的   70％， 也有说是90％。说法不一，原因不详。。这个数值是怎么得出的？为什么差异如此之大。

C)人体感官从宏观维度到微观，唯有视觉感官可借助显微技术看见宏观到微观的链接。

d) 是多学科研究交汇处。

e) 是几千年来人类一直关注的老问题和新的研究前沿课题，涉及光学、微小光学、历代中医、人工视感、生物医学、生物化学、太赫兹物理等多方面。

图l人眼构造(此图源自“视觉”百科词条)

2)视觉信息包含哪些内容？

通过视觉，人和动物感知外界物体或符号的大小、形状、明暗、颜色、空间位置及动静，获得对机体生存具有重要意义的各种信息，按佛学《金刚经》所述的眼的五种功能获得的信息要多很多。在南怀谨先生的著作中对人眼信息有更详细的介绍。

3)多学科视角的不同解读

在百度网搜索人眼功能机理时，会发现说法多、不唯一，无共识，起点不同，结论不同。

a)人眼看成相机；

b)人眼看成光学测量设备(见词条“了解光学测量技术”；

c)以细胞为基本单元，以神经元和神经网络为连接方式，阐述视觉机理；

d)以分子为基本单元，以电磁波辐照产生连接键共振和分子的极性与波的偏振形成新的取向，导致旋转，这种波称作太赫兹波，己有十多年研究历程；

e)中医的经络与气，在人眼研究中有诸多中医论著；

f)微小光学的专家们对人眼玻璃体的研究看成“水晶体”，是变折射率透镜；

g)天线专家将人眼的眼球看成龙伯透镜天线。

h)人工智能学科对人眼和动物眼的理解有区别，选用人眼、龙虾眼等命名人工视感设备。

3)人眼的多层面链接缺失

a)光学将人眼看成光学测量设备；

b)微小光学把眼球看成变折射率透镜，将充满胶状的玻璃体“碎化”，进入微观层面；

c)太赫兹应用生物研究是将细能“碎化”为分子和原子，通过电磁波辐照引起的变化进行分析；

d)生物学是研究细胞和神经元映射网络，不涉及宏观研究，但结论与宏观有关，因为研究时是观测宏观的变化在微覌产生什么现象及其变化？由于人体的复杂性，这种观测不能区分多种因素影响，不能明确多层面连接。

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图2人眼水平切面(此图源自百度网)

4)生物共振是“伪科学”吗？

戳穿“生物共振波”治过敏的“伪科学”这么难？ 来源：新京报 ,2017-07-22 09:13:34 .“生物共振波”检测、治疗过敏的技术从德国引进国内，随后，全国多家医院甚至三甲医院都购买了此类设备。然而，从其母国——德国传来的消息却是，已经有多家学术期刊刊登过该技术不能检测过敏的文章。

“生物共振波”查过敏？不靠谱,来源：北京日报，2017年08月18日 04:00:07，文中指出：协和医院医学专家认为,“生物共振波”缺乏检测、治疗过敏的科学依据,类似的不正确、不规范。

关于太赫兹研究人体皮肤有科学根据，因皮肤容易穿透，体内太赫兹测量的反射装置可以用来决定皮肤信息，如湿度成分[1]或者厚度[2]。皮肤的外层叫做角质层，角质层下面叫做表皮。取决于皮肤所在位置，角质层的厚度从10μm 到200 μm变化。例如，在手腕处厚度为10μm到 20μm，然而在手掌处为100μm 到200μm，并且由于人的不同而有很大不同。剑桥 TeraView有限公司设计了一款手持式测量探头，可以很方便的（从产品结构上来讲）用来诊断病情。用其测量人体内部皮肤,来测试其能力。太赫兹成像具有穿透伤口绷带的潜力。在可行性研究中，当手掌被Tegaderm石膏覆盖时，仍然可以得到角质层和表皮之间的光学延迟。[3]

另外，利用太赫兹成像，诊断皮肤癌，又叫做基底细胞癌( BBC)。它可展示患病组织和健康组织的对比。[4]

5)人工视觉

机器人、头盔、人眼相机、龙虾眼x射线检测设备等都是人工视觉，与人眼和动物眼一样吗？用人眼命名相机好吗？会不会误导年青人？

对“枧觉”解读的疑问？

1.人眼是不是相机？是不是光学测量设备？是不是可见光检测器(类似太赫兹检测原理)？到底应该怎样描述人眼功能机理？从太赫兹研究中发现成像不一定是透镜形成的机理。人眼几种功能，用相机构造和机理来对比是说不通的。有不少疑点无法解释。

楊先生“视觉”词条中，是以相机来阐述人眼构造与机理。按此解读形成的物体影像是倒像，与我们感受相违背。

2.文[5]指出：在外段小盘上排列着对光敏感的色素分子，这种色素通称视色素，它在光照射下发生的一系列光化学变化是整个视觉过程的起始点。以相机论眼，视觉过程实际上是起始于宏观层面。

3.太赫兹是从生物分子和原子作为研究单元，用偶极矩、分子键、分子极性、光的波动性和粒子性及偏振概念阐述机理[3]。与楊先生解读是不同的。这两种方法论述怎么整合？有矛盾时谁是谁非？

4.视锥细胞怎样形成万种色感？首师大有的学者在《环球科学》上发文，想计算出色感，色感是由神经网络计算出来的吗？靠谱吗？去年《科学世界》以图文方式介绍人眼色感时，明确指出色感机理没有搞清楚。还指出有和差功能。接收视锥细胞信号的双极细胞，按其突触的特征可分为陷入型和扁平型两种，这两种细胞具有不同的功能特性。这两种双极细胞为什么不一样？因为色度学告诉我们要用三基色得到万种颜色，必须有和差功能，是否与此有关！应该体现在视锥细胞和水平细胞之后，在视神经节细胞之前完成这一物理概念。楊先生解释色感时，只涉及视锥细胞，与其它细胞似乎无关。这就令人不解。见图3。此图源自于杨先生的词条“视觉”。

(此图源自“视觉”百科词条)

5.文[5]指出：眼球的运动是由六块眼外肌来实现，这些肌肉要协调动作，方可保证眼球在各个方向上随意运动，使视线按需要改变。两眼的眼外肌的活动也必须协调，否则会造成视网膜双像（复视）或斜视。

请问视线与眼球运动是怎么形成关联的？相机无此功能。这必须借助微小光学研究成果：玻璃体是水晶体，这水晶体是变折射率透镜，在视网膜不动的情况下，眼球转动可以将视线与眼球相关联。眼球不能转动的人，视线不能按所需的方向改变。这也说明人眼不是相玑。见图4。此图源于百度网图片。

图4眼外肌(此图源自百度网)

6.色盲的一个重要原因是，因视网膜中缺少一种或两种视锥细胞色素。色盲可由色度学解释。

7.笔者从文[5]分析，视锥细胞分红、绿、蓝三色，对应三种波长，不同的光谱敏感性由其视蛋白的特异性所决定。由于视色素位于外段的小盘上，由视色素空间构型的变化所导致外段质膜的通透性变化,必须通过第2信使来实现。1985年，科学家们应用片膜钳位的新技术证明，这种第 2信使即环鸟苷酸(cGMP)。光感受机制的基本过程是：视色素分子被光漂白，激活三磷酸腺苷结合蛋白，进而又激活磷酸二酯酶，后者把cGMP水解为鸟苷酸，降低了cGMP的浓度。在暗处，正是cGMP使细胞膜离子通道保持开放，它的浓度降低会使这些通道的开启情况发生变化，导致光感受器的兴奋。在原理上，任一颜色都可由3种经选择的原色（红、绿、蓝）相混合而得以匹配。在视网膜中可能存在着 3种分别对红、绿、蓝光敏感的光感受器，它们的兴奋信号独立传递至大脑，然后综合产生各种色觉。

以上叙述基于电化学概念说明色感机理。与视细脆分三层毫无关系，似乎水平细胞、双极细胞、无长突细胞、网间细胞、神经节细胞都没有关系。这令人不解。视网膜的其他神经细胞虽反应类型不同（或是分级型电位，或是神经脉冲），但对颜色信号都是以颉颃方式作出反应。在神经节细胞，这种颉颃式反应的形式更加完整，其中许多细胞在空间反应上也是颉颃的。但文[5]引入颉颃概念，在神经节细胞找寻统一。这是一种假设。

笔者对上述电化学观测叙述，心生疑惑。其理由是：在视神经节细胞以前，细胞中的信息应是电磁信号，用离子通道概念，缺少磁场效应。另外，覌测时是点光源吗？是近场还是远场？光源到达视细胞处是线偏振还是圆偏振？叙述中未说明？视锥细胞是垂直于水平细胞，以镶嵌的形式分布在视网膜中。这表示视细胞感受的场极化与水平细胞感受的场极化是正交的。当线偏搌光照射时，只有一种细胞感受的信号最强，即生物学上的“超极化”。另一种细胞上是“去极化”。

8.眼球直径是22mm。它的运动靠6块眼外肌，这眼外肌是靠什么能量推动的？眼球外围视细胞没有此能力。线粒体产生能量怎样整合呢？怎样推动眼外肌拉伸和压缩呢？是否与血液有关呢？

9.人工培育胚胎可以得到人工类眼，据《环球科学》报道，这种人工类眼无功能。为什么无功能？是因为眼与“心”相通，没有心就不会有功能，或是因为没有血液运作？该如何解读？楊先生的视觉解读中血液与视觉是什么关系？

10.明暗环境视觉转换时间

两种细胞的外段都含有感光性化学物质。在视杆细胞中，这种化学物质叫做视紫质；而视锥细胞中的则叫做色素。光线进入眼睛后，会接触到感光性化学物质视紫质（也叫做视紫红质）。视紫质是暗视蛋白和11-顺式视黄醛的混合物，11-顺式视黄醛来源于维生素A。因此，缺乏维生素A就会导致视力问题。视紫质遇光会发生分解，因为光会导致视紫质中的11-顺式视黄醛发生物理变化，转化为全反式视黄醛。第一个反应只需一万亿分之几秒的时间。11-顺式视黄醛是角状分子，而全反式视黄醛是直线分子。因此，化学性质极不稳定。视紫质可分解为几种中间化合物，但最终（在不到一秒的时间里）会形成变视紫质II（活化视紫质）。这种化学物质能够产生电子脉冲，电子脉冲传输到大脑后，大脑将其解译为光线。这两种反应的时间差与人眼在明亮环境转入昏暗环境时，有转换时间，约十多分钟，这段时间怎么形成的？

总之，人眼的功能机理与感官信息及其处理的研究，是异常复杂的。最近报道的移植猪角膜的手术能恢复0.3的视力，这也是无血液移植，为什么有功能呢？希望杨先生能关注并整合“视觉”感官的研究，使这方面说法逐渐趋向统一。

参考文献

[1]B.E.Cole,R.M. Woodward,D Crawley,V. P Wallace,D D Arnone,M. Pepper, Terahertz imaging and spectroscopy of human skin,in vivo. SPIE Proc. 200I (4276) ,1 - 10  (2001 )

[2]  E PickweIl,B E． Cole,A.J Fitzgerald。M P Pepper,V Pace,In vivo study of human skin using pulsed terahertz radiation.Phys.Med.Biol. 49,1595 -1607 (2004)

[3]太赫兹光谱与成像／（芬）卡伊—埃里克。佩波宁(K -E。 Peiponen)，（英）J．阿克塞尔·蔡特勒(J．A． Zeitler)，（日）桑田五之神诚著；崔万照等译，一北京：国防工业出版社，2016.6。

[4]V P Wallace,A J. Fitzgerald,S. Shankar,N.N. Flanagan,It Pye,J. Cluff,D.D. Arnone,Terahertz pulsed im-aging of basal cell carcinoma ex vivo and m vivo. Br. J. Dermatol. 151,424 -432  <2004>

[5]楊雄里，中国百科词条“視觉”。