Introduction

Vizuální informace zprostředkované primární zrakovou kůrou (V1) jsou nezbytné pro vědomé vidění (1, 2). Při poškození V1 dochází k poruše zrakových polí naproti poškozené V1, což je stav známý jako kortikální slepota (3-5). Pacienti s kortikální slepotou však mají nevědomé zrakové funkce, tzv. slepý zrak (6, 7), pravděpodobně prostřednictvím zrakových informací získaných z horního koliculu (SC), který se zase promítá do amygdaly (8-10) a vyšší zrakové kůry (11-14). Čerstvá korová slepota se někdy spontánně obnovuje (15) a obnovu usnadňuje včasná rehabilitace (16, 17). Je možné, že přechodné poruchy korových oblastí v okolí infarktu se mohou spontánně obnovit, nebo nervová plasticita ve zbývajících korových oblastech může částečně kompenzovat narušené zrakové funkce (18-20). Jiný mechanismus zotavení spočívá v tom, že slepé vidění se přemění na vědomé vidění díky neuronální synchronizaci mezi skupinou neuronů zapojenou do slepého vidění a jinou skupinou neuronů zapojenou do vědomého vidění (21, 22). Pokud je tomu tak, může být zotavení ze slepoty možné i u pacienta se starým infarktem, pokud přetrvávají některé latentní nervové dráhy mezi neurony zapojenými do slepoty a neurony zapojenými do vědomého vidění.

Vyšetřovali jsme pacienta s kortikální slepotou způsobenou starým mozkovým infarktem. Opakovaná prezentace alarmujících zrakových podnětů, jako jsou rýsující se disky (23, 24), vyvolala behaviorální krátkodobé zlepšení (STI) detekce zrakových podnětů v postiženém pravém zorném poli. Po opakovaném behaviorálním navození STI bylo pozorováno behaviorální dlouhodobé zlepšení (LTI) detekce zrakových podnětů, které trvalo více než několik dní. Po navození behaviorální LTI došlo u pacienta k částečnému obnovení schopnosti číst písmena prezentovaná v postiženém pravém zorném poli. Přestože kortikální slepota v tomto případě byla způsobena starým mozkovým infarktem, poprvé jsme nečekaně pozorovali rychlý proces zotavení z kortikální slepoty jako behaviorální STI a LTI detekce zrakových podnětů.

Metody

Pacient

Vyšetřili jsme 87letého pacienta, který trpěl diabetem mellitem a před 5 lety u něj došlo k infarktu levého týlního laloku (obr. 1). Byl přijat do Všeobecné nemocnice a lékařského centra Kashiwazaki za účelem kontroly glykémie pomocí podkožní injekce inzulinu. Na základě Mini Mental State Examination mu byla rovněž diagnostikována mírná demence. Dokázal přečíst japonská písmena Hiragana s 24 body (přibližně 7 × 7 mm) zobrazenými ve vzdálenosti 600 mm od něj.

Ocenění zrakových funkcí

Vyšetřující stál přímo proti pacientovi ve vzdálenosti 600 mm. Tablet (Surface Pro 6, Microsoft) byl držen přímo vlevo nebo vpravo od vyšetřovatelova obličeje (obr. 2). Pacientovi byla prezentována různá videa vytvořená pomocí aplikace PowerPoint. Vizuální podněty se objevovaly po dobu 0,5 s v kruhovém rozsahu o průměru 188 mm (černý kruh na obrázku 2), jehož střed byl přibližně 200 mm (18,4° zorného úhlu) od fixačního bodu mezi oběma očima vyšetřujícího (červený bod na obrázku 2). Když vyšetřující usoudil, že se pacient dívá na fixační bod, kliknul na malou bezdrátovou myš (M-CC2BRSWH, Elecom, Osaka, Japonsko). Kliknutí spustilo animaci powerpointového souboru a po dobu 0,5 s se objevily různé vizuální podněty. Jakmile se objevily vizuální podněty, měl pacient hlasově oznámit, že byly prezentovány, nebo oznámit určitou vlastnost podnětů. Myš byla držena v poloze neviditelné pro pacienta a ovládání myši nevydávalo téměř žádný zvuk. Vyšetřující proto mohl usoudit, že pacient viděl vizuální podněty, pokud se hlasové hlášení objevilo bezprostředně po kliknutí myší. Při vyšetření kontrolního levého zorného pole byl zrakový podnět zobrazen v symetrické poloze.

Vizuální podněty

Pro testování byly použity následující vizuální podněty. Statické disky: pět černých disků bylo zobrazeno po dobu 0,5 s (doplňkové video 1); 400% looming/moving disk: černý disk o průměru 47 mm se složitými pohyby, zvětšující se na průměr 188 mm po dobu 0,5 s (doplňkové video 2); 400% looming disk: černý disk o průměru 47 mm bez pohybu, zvětšující se na průměr 188 mm po dobu 0,5 s (doplňkové video 3).5 s (doplňkové video 3); 150% looming disk: černý disk o průměru 125 mm bez pohybu, zvětšující se na průměr 188 mm po dobu 0,5 s (doplňkové video 4); pomalu se objevující disk: disk o průměru 188 mm měnící barvu z bílé na černou po dobu 0,5 s (doplňkové video 5).5 s (doplňkové video 5); náhle se objevující disk: černý disk o průměru 188 mm, který se náhle objevil a měnil barvu z černé na bílou po dobu 0,5 s (doplňkové video 6); pohyblivé mřížky: v kruhovém okně o průměru 188 mm byly zobrazeny svislé pruhy o šířce 20 mm s intervaly o šířce 40 mm, které se pohybovaly doprava nebo doleva o 40 mm po dobu 0,5 s.5 s (doplňkové video 7); náhodná písmena: náhodně bylo vybráno jedno ze 46 japonských písmen Hiragana a zobrazeno o velikosti 500 bodů po dobu 0,5 s (doplňkové video 8).

Statistické analýzy

Statistická významnost byla vyhodnocena pomocí Pearsonova χ2-testu s použitím Easy R, bezplatného softwarového nástroje pro statistickou analýzu (25). Korekce na vícenásobná srovnání nebyla provedena, protože původní hodnoty P (1,1 × 10-5 ~ 3,6 × 10-9) byly dostatečně malé.

Výsledky

Efektivní zrakové podněty pro postižení pravého zorného pole

Pro potvrzení rozsahu korové slepoty byly zobrazeny různé statické zrakové podněty (např. statické disky, doplňkové video 1). Pacient nedokázal zaznamenat prezentaci podnětů v postiženém pravém zorném poli, ačkoli stejné zrakové podněty prezentované v kontrolním levém zorném poli zaznamenal bez selhání. Dále jsme v postiženém pravém zorném poli prezentovali různé dynamické a alarmující podněty. Rýsující se podněty mohou být pro člověka alarmující, protože podněty naznačují přítomnost rychle se pohybujících objektů, které mohou narazit do obličeje. Zjistili jsme, že pacient někdy dokáže zaznamenat prezentaci 400 % rýsujícího se/pohybujícího se disku (doplňkové video 2). Uváděl, že se mu v oslabeném pravém zorném poli objevilo něco jako černý stín, jak bylo uvedeno dříve (26).

Kvantitativní hodnocení detekce podnětů

Zjistili jsme, že pacient si v některých pokusech začal všímat prezentace statických disků. Použili jsme 400% looming disk (doplňkové video 3) a 150% looming disk (doplňkové video 4) a počítali jsme počet pokusů s úspěšnou detekcí pro 10 pokusů. Jako kontrolní podnět byl použit pomalu se objevující disk (doplňkové video 5), protože tento podnět byl relativně nedetekovatelný. Tyto zrakové podněty byly prezentovány v postiženém pravém a kontrolním levém zorném poli 10krát, denně po dobu 3 dnů (obrázek 3A, doplňková tabulka 1). Výsledky za 3 dny ukázaly, že 400% rýsující se disk a 150% rýsující se disk byly významně lépe zaznamenány ve srovnání s pomalu se objevujícím diskem (P < 1,1 × 10-5 a P < 7,4 × 10-7). V kontrolním levém zorném poli byly tyto tři podněty zaznamenány ve všech 30 pokusech.

Behaviorální LTI detekce zrakových podnětů

Při testování pacienta se pomalu se objevující disk, kterého si původně téměř nevšiml, začal objevovat častěji. Proto byl pomalu se objevující disk prezentován v postiženém pravém zorném poli po dobu 10 pokusů, po nichž následovala kontrolní prezentace náhle se objevujícího disku (doplňkové video 6) pro dalších 10 kontrolních pokusů. Toto sezení se opakovalo 3krát (S1-S3) denně po dobu 3 po sobě jdoucích dnů (obrázek 3B, doplňková tabulka 1). Pravděpodobnost detekce pomalu se objevujícího disku byla ve druhém a třetím sezení zřetelně vyšší než v prvním sezení. Pravděpodobnost detekce v průběhu 3 dnů byla významně vyšší při druhém i třetím sezení než při prvním sezení (P < 1,1 × 10-6 a P < 2,0 × 10-7). Pravděpodobnost detekce náhle se objevivšího disku zůstala vysoká po celé 3 dny. Tyto výsledky naznačují, že pravděpodobnost detekce pomalu se objevujícího disku vykazovala behaviorální STI během několika minut mezi prvním a druhým sezením. Tato behaviorální STI do druhého dne většinou zmizela. Pravděpodobnost detekce pomalu se objevujícího disku v prvním sezení však vykazovala v průběhu 3 dnů mírný nárůst, což naznačuje, že behaviorální LTI pravděpodobnosti detekce může být za určitých okolností vyvolána. Pokud jde o kontrolní levé zorné pole, oba vizuální podněty byly zaznamenány bez selhání po celé 3 dny.

Behaviorální LTI detekce vizuálních podnětů

Tři dny po experimentu s behaviorální STI byl pomalu se objevující disk prezentován v oslabeném pravém zorném poli po dobu 10 pokusů, aby byl zahájen výzkum indukce behaviorální LTI. Neočekávaně byl podnět zaznamenán v 8 z 10 pokusů v prvním sezení a v 10 z 10 pokusů ve druhém a třetím sezení (obr. 3C, doplňková tabulka 1). V prvních sezeních během 4 po sobě jdoucích dnů byl pomalu se objevující disk zaznamenán ve 34 pokusech a nebyl zaznamenán v 6 pokusech. Tato pravděpodobnost detekce byla významně vyšší než u výsledků uvedených na obrázku 3A (detekována v 7 pokusech a nikoli ve 23 pokusech, P < 5,9 × 10-8). Tyto výsledky naznačují, že behaviorální LTI detekce zrakových podnětů byla vyvolána v postiženém pravém zorném poli pacienta.

Vizuální vnímání po behaviorální LTI

Ohodnotili jsme rozsah vizuálního vnímání po behaviorální LTI. V postiženém pravém zorném poli jsme prezentovali pohyblivé mřížky, které se náhodně přesouvaly doprava nebo doleva (doplňkové video 7). Pacient správně uvedl směr pohybu ve všech 50 pokusech (obr. 3D, doplňková tabulka 1). Stejný experiment jsme provedli v kontrolním levém zorném poli a pacient opět správně hlásil směr pohybu ve všech 50 pokusech.

Následující pokus jsme na 0,5 s prezentovali náhodně vybrané japonské písmeno Hiragana do postiženého pravého zorného pole (Doplňkové video 8) a požádali jsme pacienta, aby písmeno přečetl. Z 50 pokusů přečetl správně v 21 pokusech, nesprávně v 11 pokusech a selhání detekce bylo zaznamenáno v 18 pokusech (obrázek 3D, doplňková tabulka 1). Pokud jde o pokusy s úspěšnou detekcí, míra správných odpovědí (65,6 %) byla významně vyšší než u náhodné volby (2,2 %, P < 5,7 × 10-7). Když byla písmena prezentována v kontrolním levém zorném poli, správně četl ve 32 pokusech, nesprávně v 18 pokusech a nebyl pozorován žádný neúspěch detekce. Míra správných odpovědí (64,0 %) byla srovnatelná s hodnotou 65,6 % v postiženém pravém zorném poli. Stejný experiment byl zopakován následující den. Míra správných odpovědí (69,2 %) v postiženém pravém zorném poli byla významně vyšší než u náhodné volby (P < 3,6 × 10-9) a opět srovnatelná s hodnotou v kontrolním levém zorném poli (64,0 %). Tento pacient nemohl zaznamenat prezentaci statických zrakových podnětů (např, statické disky, doplňkové video 1) v postiženém pravém zorném poli před behaviorální STI a LTI detekce zrakových podnětů, a proto je velmi nepravděpodobné, že by mohl číst písmena prezentovaná v postiženém pravém zorném poli před behaviorální STI a LTI.

Diskuse

Znepokojivé vizuální podněty, jako jsou blížící se nebo náhle se objevující černé stíny, naznačují blížící se potenciální predátor, a proto jsou přednostně detekovány, aby vyvolaly únikové chování, a to i u primitivních zvířat s nevyvinutou zrakovou kůrou (27, 28). U primátů včetně člověka jsou rýsující se podněty také silně rozpoznávány (23, 24), pravděpodobně proto, že podněty naznačují přítomnost rychle se pohybujících objektů, které mohou narazit do obličeje. Tyto podněty by mohly být vnímány prostřednictvím zrakových informací zprostředkovaných SC a amygdalou (8-10, 27) nebo přímými talamickými aferenty do vyšších zrakových kortiků (29, 30), protože alarmující zrakové podněty nebo výrazné a dynamické zrakové podněty prezentované v postiženém pravém zorném poli pacient někdy zaznamenal, jak bylo uvedeno dříve (26). Tento případ je charakterizován sérií behaviorální indukce STI během několika minut, po níž následovala behaviorální LTI přetrvávající déle než několik dní, ve schopnosti detekce zrakových podnětů. Časový průběh funkčních změn naznačuje, že jsou vyvolány určitou nervovou plasticitou s podobným časovým průběhem, jako je synaptická krátkodobá potenciace (STP) a následná synaptická dlouhodobá potenciace (LTP) nervových obvodů (31, 32). Ačkoli mnoho studií prokázalo pozitivní účinky rehabilitace kortikální slepoty (3-5), trénink je nákladný a trvá dlouho. Navíc může být u některých pacientů neúčinný. Proto je zapotřebí jednoduchý a snadno proveditelný screeningový test, který by určil pravděpodobnost zotavení z kortikální slepoty. Náš behaviorální experiment STI, který lze dokončit během 10 minut, může sloužit jako klinický screeningový test pro předvídání zotavení z kortikální slepoty.

Pokus s vnímáním písmen zobrazený na obrázku 3D silně naznačuje, že funkční zotavení je omezeno pouze na schopnost detekce zrakových podnětů v poškozeném zorném poli. Po detekci byla analýza zrakových podnětů provedena se stejnou přesností, jako když byl podnět prezentován v kontrolním zorném poli. Tyto výsledky lze dobře vysvětlit předpokladem, že nervové okruhy mezi neurony zapojenými do slepého vidění a neurony zapojenými do vědomého vidění vykazují opakované synaptické STP následované synaptickou LTP. Synaptická STP a LTP jsou vyvolány při současné aktivaci presynaptických a postsynaptických neuronů (33, 34). Prezentace alarmujících vizuálních podnětů aktivuje nejen presynaptické neurony zapojené do slepého vidění, ale také postsynaptické neurony zapojené do vědomého vidění změnami úrovně vzrušení, které jsou rovněž vyvolány alarmujícími vizuálními podněty prostřednictvím SC a amygdaly (8-10, 27). Po vytvoření synaptické LTP se vizuální informace získané prostřednictvím SC stávají dostupnými pro neurony vědomého vidění a v důsledku toho může být slepý zrak rychle převeden na vědomé vidění.

Vizuální informace získané prostřednictvím V1 jsou zpracovávány dvěma různými cestami: dorzálním a ventrálním proudem (35). Dorzální proud analyzuje především pohyby a prostorové informace obsažené ve zrakových podnětech (dráha „kde“), zatímco ventrální proud je důležitý pro zpracování tvaru a textury zrakových podnětů (dráha „co“). Ventrální proud zasahuje do temporální kůry a obsahuje skupinu neuronů reagujících na specifickou kategorii zrakových objektů (36, 37). Zrakové informace zprostředkované prostřednictvím SC se promítají do vyšších zrakových kůr dorzálního proudu (11-14). Výborné vnímání směru pohybu mřížky v postiženém pravém zorném poli (obr. 3D) lze vysvětlit jako funkci této projekce. Je také známo, že SC se promítá do amygdaly, a zdá se, že tato dráha zpracovává afektivní informace o tvaru, jako jsou stíny dravců (11) nebo výrazy na tváři (9, 11). Vnímání japonských písmen Hiragana v oslabeném pravém zorném poli (obrázek 3D) však pravděpodobně nelze přičítat funkcím amygdaly. Nedávno byla u hlodavců zjištěna přítomnost dalších zrakových drah z SC do postrhinální kůry (38) a z postrhinální kůry do ektorhinální kůry a okolních oblastí (39). Jelikož se ektorhinální kůra nachází ventrálně od sluchové kůry, odpovídá pravděpodobně jedné z vyšších zrakových kůr ventrálního proudu u primátů (35). Přiměřené vnímání japonských písmen Hiragana v oslabeném pravém zorném poli (obrázek 3D) lze vysvětlit jako funkci lidských analogů těchto myších drah. Zbývající otázkou je, které entity nervových okruhů vykazují nervovou plasticitu zodpovědnou za změny chování. Je možné, že potencované synaptické obvody mohou být rozptýleny ve vyšších zrakových kůrách, které se podílejí na slepém i vědomém vidění. Předpokládá se, že u pacientů se slepotou jsou posíleny zrakové aferentní dráhy, které obcházejí V1 a přímo se zaměřují na vyšší zrakové kůry (40-43). Změny v těchto drahách závislé na aktivitě jsou také pravděpodobnými kandidáty na vysvětlení současných zjištění. Je však zřejmé, že současné výsledky zdaleka nestačí k objasnění základních mechanismů, a různé diskuse v této kazuistice by měly být ověřeny dalšími experimentálními studiemi na více případech kortikální slepoty.

Prohlášení o dostupnosti dat

Všechny soubory dat k této studii jsou obsaženy v článku/Přílohovém materiálu.

Etické prohlášení

Protokol této studie byl schválen místní etickou komisí Všeobecné nemocnice a lékařského centra v Kashiwazaki (2019-05-21). Tato studie byla provedena v souladu s doporučeními Místní etické komise a Helsinskou deklarací a s písemným informovaným souhlasem pacienta se zveřejněním této kazuistiky.

Příspěvky autorů

KS prováděl především experimenty. IW a MT pomáhaly s experimenty. TF a SH pomáhali s analýzou dat. KS hlavně napsal rukopis. Všichni autoři diskutovali o výsledcích a rukopis upravovali.

Financování

Tato práce byla podpořena grantem Grant-in-Aid for Scientific Research (č. 16H01892) pro KS.

Konflikt zájmů

Autoři prohlašují, že výzkum byl prováděn bez jakýchkoli komerčních nebo finančních vztahů, které by mohly být chápány jako potenciální konflikt zájmů.

Poděkování

Děkujeme pacientovi za účast v této studii.

Doplňkový materiál

Doplňkový materiál k tomuto článku naleznete online na adrese: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fneur.2020.00069/full#supplementary-material

.