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日食時視覺特別清晰?為什麼早晚的視覺差很多?科學家找到了答案

T客邦 標誌 T客邦 2017/10/24 TechNews科技新報

如果你親身感受過今年 8 月 21 日的全日食,可能會注意到這些事,雖然當時因為太陽光線被月亮遮蔽,四周彷彿進入黑夜,但眼前的事物在視覺上不像平時無光的夜晚所見那樣模糊。

俄亥俄州立大學的科學家對此提出解釋,原因和人類視網膜上一種稱為 GABA 受體的蛋白質有關。GABA 是 γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid)的簡稱,是一種常見的神經傳導物質,負責細胞之間的溝通連結。視網膜上某些特定細胞在晴天會有較多 GABA 受體表現,讓我們更清楚看見物體輪廓及細節;但到了夜晚,這些 GABA 受體不會表現。

這項研究已經發表於科學期刊《Current Biology》,作者美國俄亥俄州立大學醫學院神經科學教授 Stuart Mangel 表示,由於 GABA 在環境亮度不同時的表現差異是一漸變過程,當日食發生時,環境在短短幾分鐘內由明亮的白天變成漆黑的夜晚,但眼部細胞依舊有許多 GABA 受體表現,使人們在短時間仍有非常清晰的夜間視覺。

研究團以兔子為模式生物進行實驗,發現神經傳導物質(Neurotransmitters)多巴胺(dopamine)也會隨著環境亮度增加而提升,並在環境亮度下降時隨之下降,以此調控 GABA 受體的運作。

位於視網膜中心的視錐細胞(cone cell)是一種光受體細胞(photoreceptor cells),有 3 種感光色素,能辨別色彩,在光線充足的環境下辨認物體細節,產生清晰的影像,產生的神經訊號會由視錐雙極細胞(cone bipolar cell)接收。

視網膜內產生變化通常需數小時

研究團隊分析雙極細胞的電訊號,發現在兔子視網膜內位於視錐雙極細胞突觸的多巴胺受體會受光線影響活化,並提升 GABA 受體的表現以及活化。但在光線較少的環境下,多巴胺受體不會被活化,也連帶抑制了下游 GABA 受體的表現活化。

白天時,由於多巴胺含量較高,GABA 受體產生的訊號較強,人們對空間細節及物體輪廓的辨認能力便隨之提升;但在無光的夜晚時,多巴胺含量低,GABA 訊號也隨之降低,使我們的視覺辨認能力跟著降低。

身為俄亥俄州神經科學研究所成員的 Mangel 教授表示,科學家早已在幾十年前就了解,眼睛視網膜有一套機制,能讓我們在白天時辨認微小物體並看見清楚的輪廓,但這套機制在環境光線不足時就會關閉。但這之前科學家對這套系統的運作及調控機制並不清楚。

我們發現環境亮度的改變會促使視網膜一系列變化,包含 GABA 受體蛋白質的組裝拆解及移動。在環境光源充足時 GABA 受體表現組裝活化,並移動至神經突觸位置;光源不足時 GABA 受體則會拆解,並離開突觸位置,這個過程所需時間是以幾小時的漸變為基準,沒辦法短時間內造成改變,這也是為什麼日全食時人們仍能清楚看見物體,因為在短短幾分鐘內,GABA 受體還來不及拆解完成,仍有活性產生神經訊號。

一般來說,當我們在戶外時,環境背景的光源需要經過幾個小時的漸變才會從最亮轉為無光,到了這個階段,人類等動物在視覺上分辨微小細節的能力大幅降低。

Mangel 表示,動物的視覺表現會隨著環境光源變化,是因為我們需要在白天時獲取精細的空間資訊,所以在無光的夜晚只能大約辨認體積大的物體。這是演化所做出的權衡,讓我們在白天與夜晚都有足夠的適應能力。

Mangel 教授也在今年 8 月 21 日到田納西州觀看日食,在日全食時,雖然周遭環境像平常黃昏一樣昏暗,但同行的人都在幾分鐘的日食過程中,確實感受到和夜晚視覺非常不同的清晰視覺,黑暗中仍有如同白天的視覺能力。當下 Mangel 教授便了解他的研究內容或許就是造成這個現象的答案。

  • Dopamine Regulation of GABAA Receptors Contributes to Light/Dark Modulation of the ON-Cone Bipolar Cell Receptive Field Surround in the Retina
  • Superhuman ‘night’ vision during the total eclipse? Research offers a biological explanation
  • 本文授權轉載自:TechNews(科技新報)
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