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Les yeux/cerveaux humains peuvent-ils être entraînés à voir avec une vision monoculaire bidirectionnelle ?

Les yeux/cerveaux humains peuvent-ils être entraînés à voir avec une vision monoculaire bidirectionnelle ?


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La plupart des gens ont un œil dominant et, bien qu'il utilise la plupart du temps son œil non dominant en tandem avec l'œil dominant, le cerveau, expert dans l'élimination des informations redondantes, ignore les images reçues de l'œil non dominant. Cependant, avec une formation ou une pratique spéciale, la plupart des individus peuvent forcer le cerveau à passer temporairement à la réception d'images de leur œil non dominant, voire à recevoir des images des deux à la fois, ce qui donne une image floue ressemblant à un camélion.

Cependant, certains individus ont un œil non dominant si faible que non seulement le cerveau ignore les images qu'il envoie, mais l'œil lui-même ne bouge plus en tandem avec l'œil dominant. Ceci est connu sous le nom de strabisme ou œil paresseux.

Ma question est, si les yeux sont capables de ne pas bouger en tandem chez ces personnes, pourquoi ne pouvons-nous pas tous entraîner nos yeux à se déplacer indépendamment, et ne pourrions-nous pas également entraîner nos yeux à se concentrer sur deux images différentes (sur des côtés opposés ) immediatement?


Vision monoculaire

Comment fonctionne l'œil. L'œil fonctionne comme une caméra. Les rayons lumineux y pénètrent par l'iris réglable et sont focalisés par la lentille sur la rétine, une fine couche sensible à la lumière qui correspond au film de l'appareil photo. La rétine convertit les rayons lumineux en impulsions nerveuses, qui sont transmises au centre visuel. Là, le cerveau les interprète comme des images.

Comme l'objectif d'un appareil photo, l'objectif de l'œil inverse les images au fur et à mesure qu'il les focalise. Les images sur la rétine sont à l'envers et elles sont "basculées" dans le centre visuel. Dans une expérience psychologique, un certain nombre de volontaires portaient des lunettes qui renversaient tout. Après 8 jours, leurs centres visuels se sont adaptés à cette nouvelle situation, et lorsqu'ils ont enlevé leurs lunettes, le monde a regardé à l'envers jusqu'à ce que leurs centres cérébraux se soient réajustés.

La rétine est composée de millions de minuscules cellules nerveuses qui contiennent des produits chimiques spécialisés sensibles à la lumière. Il existe deux variétés de ces cellules nerveuses, les bâtonnets et les cônes. Entre eux, ils couvrent toute la gamme de l'adaptation de l'œil à la lumière. Les cônes sont sensibles à la lumière vive et les bâtonnets à la lumière tamisée. Au crépuscule, lorsque la lumière s'estompe, les cônes cessent de fonctionner et les tiges entrent en action. La cécité momentanée ressentie en passant de la lumière vive à la lumière faible, ou de la lumière faible à la lumière vive, est la pause nécessaire pour que l'autre ensemble de cellules nerveuses prenne le relais.

Les bâtonnets sont étendus vers les bords de la rétine, de sorte que la vision dans la pénombre est générale mais pas très nette ou claire. Les cônes sont regroupés de manière épaisse au centre de la rétine, dans la fovea centralis. Lorsque les yeux sont tournés et focalisés sur l'objet à voir, l'image est amenée à la zone centrale de la rétine. Par contre, dans une lumière très faible, un objet est vu plus clairement s'il n'est pas regardé directement, car alors son image tombe sur une zone où les bâtonnets sont plus épais.

Vision des couleurs . La vision des couleurs est fonction des cônes. La théorie la plus largement acceptée est qu'il existe trois types de cônes, chacun contenant des produits chimiques qui répondent à l'une des trois couleurs primaires (rouge, vert et violet). La lumière blanche stimule les trois ensembles de cônes. Toute autre couleur ne stimule qu'un ou deux ensembles. Le cerveau peut alors interpréter les impulsions de ces cônes comme différentes couleurs. La vision des couleurs de l'homme est incroyablement délicate qu'un expert qualifié peut distinguer parmi 300 000 teintes différentes.

Le déficit de la vision des couleurs (communément appelé &ldquocolor daltonisme&rdquo) est le résultat d'un trouble d'un ou plusieurs ensembles de cônes. La grande majorité des personnes présentant un certain degré de carence n'ont pas de cônes rouges ou verts et ne peuvent faire la distinction entre ces deux couleurs. Le déficit complet de la vision des couleurs (vision monochromatique), dans lequel aucun des ensembles de cônes de couleur ne fonctionne, est très rare. La plupart des déficiences de la vision des couleurs sont héritées, généralement par les enfants de sexe masculin par l'intermédiaire de leur mère d'un grand-père atteint de la maladie.

Vision stéréoscopique. La vision stéréoscopique, ou vision en profondeur, est causée par la façon dont les yeux sont placés. Chaque œil a un champ de vision légèrement différent. Les deux images se superposent, mais en raison de la distance entre les yeux, l'image de chaque œil contourne légèrement son côté de l'objet. A partir des différences entre les images et d'autres indicateurs tels que la position des muscles oculaires lorsque les yeux sont focalisés sur l'objet, le cerveau peut déterminer la distance de l'objet.

La vision stéréoscopique fonctionne mieux sur les objets proches. À mesure que la distance augmente, la différence entre les vues de l'œil gauche et de l'œil droit diminue et le cerveau doit dépendre d'autres facteurs pour déterminer la distance. Parmi ceux-ci figurent la taille relative de l'objet, sa couleur et sa clarté, et les lignes de perspective qui s'éloignent. Ces facteurs peuvent tromper l'œil par exemple, dans l'air clair des montagnes, des objets distants peuvent sembler très proches. En effet, leur netteté et leur couleur ne sont pas ternies par l'atmosphère autant qu'elles le seraient dans des environnements plus familiers.

Les soins aux patients. Les personnes handicapées visuelles qui visitent une clinique pour la première fois ou qui sont admises dans une chambre d'hôpital ont besoin d'être orientées vers leur environnement. Les patients ambulatoires peuvent être promenés pour les familiariser avec l'emplacement de la salle de bain et de toute autre installation qu'ils peuvent avoir besoin d'utiliser.

Les patients qui sont au lit après une intervention chirurgicale ou pour un repos thérapeutique doivent avoir des articles sur leur table de chevet disposés de la même manière tout le temps afin qu'ils puissent être trouvés facilement. Si un seul œil est affecté, les articles doivent être placés à portée de main du côté non affecté et les personnes communiquant avec le patient doivent également se tenir de ce côté. Si la vision périphérique est limitée, les objets et les personnes doivent être placés dans le champ de vision du patient.

Certains patients, en particulier les personnes âgées, peuvent présenter une sensibilité accrue à l'éblouissement. Le port de lunettes de soleil à l'extérieur, le réglage des stores pour dévier le soleil et l'utilisation d'un éclairage indirect peuvent aider à éviter l'inconfort. Cela ne signifie pas que le patient doit être dans une pièce sombre. Pour la plupart, un éclairage accru permet de voir plus facilement. C'est l'éblouissement qui altère leur vision.

Chaque fois qu'il est nécessaire de faire quelque chose pour la personne déficiente visuelle, expliquez au préalable ce qui sera fait. Cela aide à réduire la confusion et à établir la confiance dans le soignant. (Pour les soins aux patients, voir aussi cécité .)

Les patients malvoyants peuvent également bénéficier d'aides pour la basse vision telles que des lentilles convexes ou grossissantes qui sont tenues à la main ou montées sur un support ou fixées aux lunettes. Les lampes réglables, les textes de lecture en gros caractères, les supports de lecture, les guides d'écriture et le papier ligné, ainsi que les stylos feutres peuvent faciliter la lecture et l'écriture et améliorer la qualité de vie d'une personne ayant une vision limitée.

Les catégories de diagnostics infirmiers associés à une déficience visuelle comprennent l'anxiété, les modes d'adaptation inefficaces, la peur de la cécité totale, la gestion de l'entretien du domicile avec facultés affaiblies, le potentiel de blessure physique, la mobilité physique altérée, le déficit en soins personnels et l'isolement social auto-imposé.


Introduction

Il est bien établi qu'une période de privation monoculaire (DM) au début de la vie postnatale diminue la proportion de neurones du cortex visuel primaire qui répondent aux stimuli présentés à l'œil privé (Wiesel et Hubel, 1963, 1965 Hubel et Wiesel, 1970 Movshon et Dursteler, 1977 Blakemore et al., 1978). Les conséquences de la privation sont complètement réversibles si la période de DM est relativement brève (Malach et al., 1984), cependant, une DM prolongée à l'âge adulte a des effets plus dramatiques et durables sur la fonction corticale visuelle. Après plusieurs mois de DM chez le chat et le singe, la grande majorité des neurones corticaux visuels ne peuvent être excités que par des stimuli présentés à l'œil non privé (Wiesel et Hubel, 1965 Hubel et Wiesel, 1970 Hubel et al., 1977). Ce changement physiologique s'accompagne d'une altération profonde du comportement guidé visuellement, de sorte que les sujets sont décrits comme étant aveugles de l'œil privé (Wiesel et Hubel, 1965 Dews et Wiesel, 1970 Hubel et Wiesel, 1970 Mitchell, 1988). Bien qu'il ait été démontré que la fermeture ou le retrait de l'œil initialement ouvert améliore la récupération de la fonction de l'œil initialement privé, les améliorations physiologiques et comportementales décrites ont été modestes (Smith, 1981 Mitchell, 1988).

Des manifestations physiologiques et comportementales similaires de la DM sont également observées chez les espèces de rongeurs qui sont bien adaptées aux investigations mécanistes (Fagiolini et al., 1994 Gordon et Stryker, 1996 Guire et al., 1999 Prusky et al., 2000a,b Heynen et al. , 2003 Sawtell et al., 2003). Récemment, des enregistrements chroniques chez la souris ont montré qu'en plus de provoquer une dépression rapide des yeux privés, la DM entraîne également une potentialisation progressive des yeux ouverts (Sawtell et al., 2003 Frenkel et Bear, 2004). Il est à noter que les potentiels évoqués visuellement (PEV) à travers l'œil ouvert atteignent des valeurs supérieures à celles observées avant la privation. Il a été suggéré que cette augmentation de l'amplitude de la VEP reflète une amélioration de la transmission synaptique excitatrice dans le cortex visuel. Cependant, les PEV reflètent l'activité cumulée de nombreuses synapses et neurones du cortex visuel et sont sensibles aux changements de synchronisation ainsi qu'à la force des réponses. La question fondamentale reste donc de savoir si l'augmentation observée de l'amplitude de la VEP après MD est une indication d'une altération de la fonction visuelle. Le but de la présente étude était de déterminer la signification fonctionnelle de l'augmentation de la réactivité corticale à l'œil non privé après des périodes prolongées de DM chez les rongeurs. Parce qu'ils sont mieux adaptés que les souris pour les expériences comportementales, nous avons choisi d'utiliser des rats comme sujets.

Ici, nous montrons que la MD à long terme chez le rat s'accompagne d'une amélioration de la fonction visuelle dans l'œil non privé : l'acuité visuelle telle que mesurée par le comportement est plus grande dans l'œil non privé après la MD que celle qui est observée chez les animaux témoins normalement élevés (NR). Cette amélioration de la fonction visuelle est elle-même plastique. L'ouverture de l'œil privé chez l'adulte entraîne d'abord une diminution de l'acuité oculaire non privée, suivie d'une modeste récupération de l'acuité visuelle dans l'œil initialement privé. Ces changements sont inversés en fermant à nouveau l'œil et restaurés en l'ouvrant.

Des parties de ce travail ont été présentées précédemment sous forme abstraite (Sklar et al., 2001).


Comment étudie-t-on le système visuel binoculaire ?

Pour tester la vision binoculaire en laboratoire, des images légèrement différentes sont présentées séparément pour les yeux gauche et droit. Cette méthode d'affichage simule la séparation des deux yeux et permet à l'expérimentateur de contrôler la différence entre les images. Une telle séparation peut être réalisée en plaçant des filtres rouge et vert sur les deux yeux et en visualisant une image dessinée uniquement en rouge et vert. Sans lunettes, vous pouvez voir qu'il y a de légers décalages dans les cactus qui sont codés en rouge ou en vert (Figure 2a). Cependant, une fois que vous avez mis les lunettes, un œil ne verra que du rouge et l'autre œil ne verra que des parties vertes. Le cerveau les combinera et percevra le léger décalage comme une profondeur. C'est une approche qui était couramment utilisée dans les premiers films 3D.

(une) La vue de deux yeux peut être simulée en laboratoire à l'aide de lunettes rouge-vert. Ici, de petites différences dans les aspects rouges et verts de l'image apparaissent sous forme de profondeur binoculaire, ainsi que d'autres indices de profondeur, tels que la taille relative (image sous licence Creative Commons). En revanche, aucune profondeur codée dans des stéréogrammes à points aléatoires (RDS) ne peut être vue sans l'utilisation de la vision binoculaire. Par exemple, vu à travers des lunettes rouge-vert, le RDS en (b) contient la surface illustrée ci-dessous. Les stimuli RDS peuvent être montrés aux personnes dans un scanner cérébral IRM pour illustrer les zones du cerveau qui sont sensibles à la profondeur binoculaire, montrées dans (c), adapté de Ip et al., 2014.

Pour isoler la perception binoculaire de la profondeur, il est nécessaire de supprimer tout autre indice de profondeur qui peut être vu avec un seul œil, comme la taille relative des objets. Expérimentalement, cela est souvent accompli en utilisant un stimulus connu sous le nom de stéréogramme de points aléatoires (RDS). Lorsqu'ils sont visualisés sans lunettes rouge-vert, les éléments rouge et vert se ressemblent car toutes les informations monoculaires sur la profondeur sont supprimées. Cependant, lorsque l'image RDS est visualisée avec des lunettes, le cerveau combine ces différences et nous permet de percevoir une surface constituée de deux plans, un proche et un lointain par rapport à la fixation (Figure 2b).

Les RDS sont si efficaces pour isoler le signal de la profondeur binoculaire qu'ils peuvent être utilisés pour dépister rapidement les enfants pour les déficits de la vision binoculaire en leur demandant de choisir des objets uniquement visibles avec la perception de la profondeur binoculaire. En effet, au Royaume-Uni, environ 2% à 5% des enfants présentent des déficits de vision binoculaire lors du dépistage. De même, du point de vue de la recherche, l'utilisation du RDS permet d'étudier les régions du cerveau qui répondent à la profondeur, mais pas les points eux-mêmes. En effet, lorsque l'activité cérébrale est mesurée à l'aide de l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), de larges pans du cerveau visuel répondent à ces images définies par la disparité (Figure 2c).


Comment fonctionne la perception de la profondeur ? Avez-vous besoin de deux yeux pour percevoir la profondeur ?

Comment fonctionne la perception de la profondeur ? Avez-vous besoin de deux yeux pour percevoir la profondeur ?

La perception de la profondeur est notre capacité à évaluer les distances.

Cela peut être fait approximativement en fonction de la concentration de nos yeux, de la taille de quelque chose, de la distance qui nous sépare de nous en fonction de notre taille, etc. Tous ces éléments sont des signaux monoculaires et sont relativement peu fiables par rapport à parallaxe. Ils sont suffisants pour de nombreux animaux, mais les prédateurs ont particulièrement tendance à préférer quelque chose de plus précis car cela facilite la capture des proies.

C'est là qu'intervient la vision binoculaire. Alors que de nombreuses créatures ont deux yeux, il est beaucoup plus rare d'avoir deux yeux tournés vers l'avant. Cela permet aux deux yeux de regarder quelque chose. La différence d'angle que les deux yeux doivent faire face nous donne une méthode beaucoup plus fiable de perception de la profondeur.

Tenez votre main devant votre visage. N'ouvre qu'un œil. Passez ensuite à l'autre œil. Vous voyez en quoi ce que vous voyez est différent ?

Maintenant, éloignez la main de votre visage et faites de même. Maintenant, ce que vous voyez est différent, mais pas autant.

Votre cerveau sait comment fusionner les deux images légèrement différentes qu'il obtient de chaque œil en une seule image tridimensionnelle.

Sans deux yeux, vous n'obtenez qu'une seule image, donc votre vision est comme regarder une image plate. Vous pouvez toujours utiliser des files d'attente visuelles comme la perspective et les ombres, mais elles ne fonctionnent pas aussi bien que d'avoir deux yeux.

Chaque œil voit une image légèrement différente parce qu'il la regarde d'un point de vue légèrement différent. Votre cerveau ajuste l'angle dans lequel vos yeux sont tournés jusqu'à ce que les deux images se chevauchent correctement.

Si vos yeux sont beaucoup tournés vers l'intérieur, le cerveau sait « hé, c'est de près ». Si vos yeux ne sont que légèrement rentrés, votre cerveau sait « hé, c'est loin ».

Sans deux yeux pour pouvoir ajuster les angles de « convergence », vous perdez beaucoup de données nécessaires au calcul de la profondeur.

Votre cerveau utilise plusieurs indices pour interpréter/deviner la position des objets, comme vous pouvez le voir dans [cet article wikipedia](https://en.wikipedia.org/wiki/Depth_perception).

– la différence entre ce que chaque œil voit, la vision stéréoscopique.

– les petits objets sont interprétés comme lointains, grands comme proches.

– lorsque vous vous déplacez (latéralement), les objets se trouvent devant d'autres objets

Réponse rapide : normalement, oui, vous avez besoin de 2 yeux pour la perception de la profondeur.

Réponse longue avec un exemple de sujet : je n'ai qu'un œil (l'autre est aveugle depuis la naissance) et j'ai une perception de la profondeur presque normale.

Comme d'autres l'ont dit, votre cerveau prend normalement l'entrée visuelle de 2 yeux pour trianguler la distance en superposant les 2 images de vos yeux et en calculant les différences dans le résultat final qui est la profondeur. Cette méthode n'est pas possible pour les personnes comme moi qui n'ont qu'un seul œil fonctionnel.

Au lieu de cela, mon cerveau prend automatiquement des repères visuels comme les angles et ce qui se trouve devant quoi ou quoi se déplace derrière les choses pour juger de la distance et créer mes références spatiales. Pour certaines personnes, comme celles qui perdent la vue d'un œil plus tard dans la vie ou même certaines personnes à moitié aveugles de naissance, cette forme de perception de la profondeur ne se développe jamais. J'ai eu de la chance. Pour eux, le monde semble plat, comme une image.

J'ai du mal avec les petites choses et les choses volantes. Une balle lancée ou un insecte volant est difficile pour moi de juger de la distance. Cela pourrait être de l'autre côté de la pièce, mais je pense que c'est beaucoup plus près. Donc ma perception de la profondeur n'est pas aussi bonne que quelqu'un qui a 2 yeux parce que je n'ai pas ce 2ème angle visuel pour l'entrée. Mais la méthode que mon cerveau a adaptée est assez bonne pour se déplacer dans mon environnement.

d'une part : oui, il faut deux yeux. La différence de perspectives indique à vos yeux un ensemble absolu d'informations en termes de profondeur.

par contre : non, vous pouvez le faire d'un œil fermé. Voir l'éclairage, les ombres, les plans focaux et plus (tout en restant parfaitement immobile) peut toujours vous donner une grande quantité d'informations concernant la profondeur, la forme et la forme. En plus de cela, en déplaçant votre perspective d'avant en arrière ou de haut en bas, vous créez quelque chose appelé parallaxe, qui peut être utilisé pour déterminer la profondeur de la même manière que deux yeux le font normalement.

Il y a ces cellules appelées cellules magnocellulaires dans le corps géniculé latéral de votre thalamus, dans votre cerveau antérieur.

Le nerf optique transporte les informations des yeux vers le cortex visuel dans le lobe occipital.

Les cellules M, qui font partie de la voie magnocellulaire, gèrent les aspects mécaniques de votre vision, profondeur, mouvement, perception.

La perception de la profondeur est en fait deux choses. L'un est ce que vos yeux voient. L'autre est ce que votre cerveau devine en fonction de votre expérience précédente.

Désormais, vous pouvez avoir une "perception de la profondeur" avec un seul œil basé uniquement sur la taille des objets. Une voiture de près est bien plus grosse qu'une voiture à 100 mètres, non ? Cela fonctionne très bien jusqu'à ce que quelqu'un utilise un modèle réduit d'une voiture d'une manière délicate.

Il y a autre chose que la taille : les ombres, la taille relative, l'élévation. Tout cela ne fait que deviner votre cerveau où se trouve quelque chose malgré le fait que l'image ne contient pas de données de distance réelles.

Pour avoir une bonne perception de la profondeur, vous avez besoin de plusieurs images de différents points de vue. Votre cerveau compare les deux images et en déduit la distance à l'objet. Attention, ce n'est pas la même chose que ci-dessus. Votre cerveau ne devine pas où sont les choses, il voit en fait la distance. C'est pourquoi les graphismes 3D dans le jeu sur votre écran n'ont pas du tout l'air en 3D - vous pouvez clairement reconnaître que l'image est plate.

Plusieurs images peuvent être faites simplement en ayant deux yeux. C'est ce que nous faisons naturellement. Mais vous pouvez faire la même chose en utilisant un œil et en bougeant la tête. Certains animaux utilisent cette technique pour améliorer leur perception de la profondeur.

Vous pouvez faire une expérience sur vous-même si vous avez un jeu avec des modèles 3D, comme World of Warcraft. Regardez-le normalement et vous pouvez clairement voir qu'il ne s'agit que d'une image plate à la surface de votre écran. Couvrez un œil. Vous ne pouvez toujours voir qu'une image plate.

Maintenant la partie amusante. Commencez à déplacer la caméra avec un œil couvert. Vous aurez l'impression que l'image est réelle en 3D avec une certaine profondeur. C'est parce qu'avec un œil couvert, vous avez perdu votre véritable perception de la profondeur. Mais le jeu est conçu pour ressembler à un environnement 3D, de sorte que votre cerveau est trompé en l'absence d'une réelle perception de la profondeur.

Eh bien, si vous voulez un exemple complètement éloigné de la biologie et des préjugés humains. Actuellement, la façon la plus populaire d'enseigner la perception de la profondeur d'un réseau de neurones est soit la vision binoculaire (deux caméras), soit la vidéo à partir d'une seule caméra.

La formation est entièrement auto-supervisée, sans intervention humaine sur les images, les vidéos. Ce que vous faites, c'est demander au réseau de deviner la distance à chaque pixel et d'être cohérent. Vous pouvez envelopper l'image dans une perspective différente, lui montrer l'image suivante, ainsi que l'autre caméra, ce qui modifiera légèrement les distances à chaque pixel. S'il indique que quelque chose est à 10 m et que vous avancez d'un mètre, alors il devrait être à 9 mètres si vous voulez être cohérent. C'est ce à quoi vous entraînez le réseau, il s'avère que la seule solution qui fonctionnera est d'obtenir la profondeur correcte en premier lieu.

Les réseaux de neurones entraînés de cette manière peuvent en fait prédire de manière assez fiable les distances aux objets à partir d'une seule image en raison des biais qu'ils ont appris pendant l'entraînement. C'est ainsi que fonctionne la perception de la profondeur dans les réseaux de neurones artificiels. Je pense que la manière exacte dont les réseaux neuronaux de notre cerveau sont entraînés à faire la même chose est inconnue, mais j'imagine que c'est probablement quelque chose de très similaire.


Perception de la profondeur

La vision binoculaire est la capacité de percevoir le monde en trois dimensions. Cela ne signifie pas, cependant, que les petits enfants et les personnes qui ne développent jamais complètement la vision binoculaire sont incapables de posséder des informations tridimensionnelles. sur une scène basée sur une image 2D, car toutes les données dont le cerveau a besoin pour voir en profondeur ne nécessitent pas les deux yeux. Notre cerveau utilise d'autres données pour obtenir des informations sur les distances, comme la netteté de l'image : plus un objet est éloigné, moins il est visible, change de taille : les objets qui s'éloignent semblent devenir plus petits et ceux qui se rapprochent semblent devenir plus grand, vitesse de déplacement latéral : lorsque nous nous déplaçons, les objets plus proches de nous semblent se déplacer plus rapidement que ceux en arrière-plan. Si vous regardez par la fenêtre d'un train, par exemple, les arbres près de la voie passent très vite et ceux plus loin beaucoup plus lentement.


Les yeux/cerveaux humains peuvent-ils être entraînés à voir avec une vision monoculaire bidirectionnelle ? - La biologie

Je suis sur la banquette arrière du pont inférieur d'un bus numéro 37, à l'extérieur de la tour de l'horloge en briques rouges et en pierre de Portland de l'hôtel de ville de Lambeth à Brixton, au sud de Londres. Même si je sais exactement où je suis, je me sens perdu. Je ne sais plus s'il faut faire confiance à ce que mes yeux me disent.

Un scientifique de la vision de premier plan vient de me dire que je n'ai pas vraiment de perception de la profondeur.

En d'autres termes, je n'ai jamais vu en trois dimensions la façon dont la plupart des gens le font.

L'œil paresseux que j'ai depuis la petite enfance signifie que mon cerveau ignore en grande partie les signaux de mon œil droit, laissant mon monde plus plat que celui de la plupart des gens. Maintenant, je me demande à quoi ressemble la tour de l'horloge pour mes compagnons de voyage. Qu'est-ce que la femme des deux sièges devant peut voir dans le fils qu'elle a sur ses genoux que je ne peux pas voir dans le mien ? Quelles parties de ruisseaux de montagne, d'oiseaux marins et d'autres sites naturels me manquent-ils ? Et cela explique-t-il pourquoi mon taux de grève sur le terrain de football est si lamentable ?

J'avais rencontré Robert Hess de l'Université McGill, Montréal, Canada, lors d'un voyage à Londres pour en savoir plus sur ses recherches utilisant des jeux vidéo pour traiter l'œil paresseux. Des essais pilotes suggèrent que l'approche pourrait aider les adultes atteints de la maladie - une amélioration par rapport aux traitements établis, qui sont généralement considérés comme efficaces jusqu'à l'âge de sept ans environ. Plus remarquable encore, certains des participants aux recherches de Hess et connexes ont fourni des comptes rendus extraordinaires de ce que c'est que de commencer à voir en trois dimensions pour la première fois.

Le groupe de Hess est l'un des cinq au moins travaillant sur l'utilisation de jeux vidéo pour traiter les yeux paresseux. On espère que le travail pourrait bientôt offrir aux enfants concernés une forme de traitement moins onéreuse, ainsi qu'une réduction potentielle du risque de cécité ou de perte de vision sévère pour les adultes atteints de la maladie.

Mais plus que cela, les connaissances générées par cette recherche aident les scientifiques à comprendre que le cerveau humain est plus susceptible d'être recâblé plus tard dans la vie qu'on ne le croyait auparavant. La perspective alléchante est celle d'interventions qui permettraient d'inverser plus facilement les problèmes de cognition causés par des choses comme les accidents vasculaires cérébraux et les lésions cérébrales. Alors que le bus s'éloigne de l'arrêt, je commence à me demander si les jeux vidéo pourraient réparer mon œil paresseux et me donner mon premier avant-goût de la vraie vision 3D.

Le cerveau développe les circuits qui nous permettent de mettre les choses au point et de voir en 3D au cours des trois à cinq premières années de la vie. Cependant, si la vision d'un œil est bloquée ou affaiblie dans la petite enfance, comme cela se produit chez environ 3 % des personnes, le résultat peut être une amblyopie, plus communément appelée œil paresseux.

Des études ont montré que les personnes atteintes d'un œil paresseux peuvent être considérablement plus lentes et commettre plus d'erreurs lorsqu'elles tentent d'atteindre des objets, tout en courant un plus grand risque à long terme de devenir aveugle ou de subir une perte de vision importante. De plus, ce risque est plus de deux fois plus susceptible d'affecter leur bon œil, plutôt que leur œil paresseux, probablement parce que le bon œil est celui avec lequel ils dirigent.

Il y a deux causes principales de l'œil paresseux. Le strabisme, ou œil croisé, se produit lorsque les deux yeux ne regardent pas dans la même direction. L'anisométropie se produit lorsqu'un ou les deux yeux sont myopes, hypermétropes ou ont un astigmatisme (une cornée ou un cristallin inégalement courbés), et la différence entre les signaux visuels qu'ils produisent est grande. Dans le strabisme et l'anisométropie, le cerveau ne peut pas faire face à la différence entre les deux ensembles d'images et favorise donc l'un par rapport à l'autre.

Patcher le bon œil pour améliorer le plus faible est le traitement principal de l'œil paresseux depuis plus de 200 ans. Mais estimer le succès de cette approche est difficile car il varie en fonction de l'âge auquel le patch est effectué, de la rapidité avec laquelle il est essayé après le début et du fait que les enfants portent ou non correctement leurs patchs. Certaines estimations suggèrent qu'il n'est efficace que dans un quart et la moitié des cas.

"Le patch est difficile pour les enfants car cela les oblige à entrer dans un monde malvoyant", explique Hess. "Ils sont côtelés, cela n'a d'effet que dans environ la moitié des cas et même dans ces cas, les améliorations peuvent s'estomper après la fin du traitement."

Je ne connais que trop bien le faible taux de réussite et les autres inconvénients des correctifs. Un album de photos de famille appartenant à mes parents contient une coupure de journal local décolorée datant d'environ 1977. Il nous représente mon camarade de classe David et moi aux côtés du champion du monde de Formule 1 James Hunt dans un garage de la ville minière de Dinnington, dans le sud du Yorkshire. C'est – juste pour le dire – une image de contrastes. Hunt, avec ses cheveux blonds hirsutes et son allure de star de cinéma, est bronzé et souriant largement. David porte des lunettes NHS mal ajustées et j'ai un patch en tissu blanc sur mon œil gauche plus fort.

Pendant les quelques années où j'ai dû porter le patch, je détestais la version floue et mal définie du monde que mon œil plus faible offrait presque autant que je détestais les moqueries de mes camarades de classe. J'ai souvent retiré le patch lorsque mes parents et mes professeurs ne regardaient pas, et j'ai été très soulagé quand, à huit ans, les médecins ont mis fin à ma misère en déclarant le traitement un échec.

La vision n'est qu'une des nombreuses fonctions qui traversent ce qu'on appelle des périodes sensibles ou critiques, lorsque les circuits cérébraux associés sont exceptionnellement ouverts à être façonnés par des expériences sensorielles.

Les idées modernes sur l'œil paresseux et la plasticité visuelle (ou flexibilité) sont enracinées dans les recherches des neurophysiologistes David Hubel et Torsten Wiesel, qui en 1981 ont reçu un prix Nobel pour leur travail sur la découverte des bases de la façon dont notre cerveau traite l'information visuelle. Ils ont notamment montré comment priver un œil de la vision pouvait entraîner une déficience visuelle durable. Lorsque les jeunes chatons qui avaient une paupière fermée pendant plusieurs semaines depuis la naissance l'avaient rouverte, les cellules cérébrales ne répondaient qu'aux signaux de l'œil resté ouvert. Surtout, une vision normale s'est développée si l'œil couvert était découvert et l'œil ouvert était couvert lorsque les chatons étaient jeunes, mais pas si cela était fait plus tard dans la vie.

Alors que Hubel et Wiesel n'ont pas extrapolé ces résultats aux humains, d'autres l'ont fait. Aujourd'hui, nous ne traitons l'œil paresseux que jusqu'à l'âge de sept ans environ, car il a été largement admis qu'au-delà, le cerveau n'est pas assez plastique pour qu'il soit efficace.

"Beaucoup de gens ont mal interprété leur travail en disant qu'il n'y a de plasticité que jusqu'à un âge fixe", explique Dennis Levi, un scientifique de la vision de l'Université de Californie. "L'idée qu'après environ sept heures, vous êtes pratiquement au-dessus de la colline en termes de traitement est devenue la compréhension clinique."

Les graines d'une nouvelle façon de penser la plasticité cérébrale ont été semées il y a une vingtaine d'années. Au milieu des années 1990, Levi a découvert que certaines formes d'acuité visuelle, ou de clarté de vision, pouvaient être retrouvées chez les adultes ayant un œil paresseux s'ils répétaient des exercices visuels spécifiques pendant de longues périodes - une approche connue sous le nom d'apprentissage perceptif. « Nous avons eu des résultats encourageants, mais avec une tâche répétitive ennuyeuse qui devait être effectuée des milliers de fois pendant des heures et des heures, la question était donc de savoir comment la rendre plus conviviale ? »

La réponse est venue de l'un de ces moments fortuits qui jonchent l'histoire de la découverte scientifique. En 1999, Daphne Bavelier, neuroscientifique à l'Université de Rochester dans l'État de New York, a été stupéfaite par les scores élevés obtenus par un chercheur de son département et ses amis lors d'un test informatisé conçu pour étudier les effets de la surdité congénitale sur la vision attention. Finalement, elle a lié cela à leur penchant pour les jeux vidéo d'action Counter Strike et Équipe Forteresse Classique.

Bavelier a poursuivi en montrant que les joueurs de jeux vidéo réussissaient mieux que les non-joueurs sur une série de mesures cognitives, notamment le traitement rapide d'informations complexes, l'estimation du nombre d'objets, la commutation de l'attention entre les tâches et la concentration sur les choses importantes tout en ignorant les distractions. Elle a également montré que les non-joueurs à qui l'on avait demandé de passer du temps à jouer à un jeu d'action complexe à la première personne réussissaient mieux sur de telles mesures qu'un groupe qui jouait à un jeu abstrait plus simple. Sa découverte selon laquelle le jeu pouvait aider à améliorer la sensibilité au contraste – la capacité de détecter de petites différences de nuances – a suscité un intérêt particulier, car le consensus à l'époque était que cela ne pouvait pas être amélioré par la formation.

« Une partie de ce que nous faisions consistait à nous demander à quel point les périodes critiques dans le modèle de Hubel et Wiesel sont vraiment critiques », explique Bavelier. "Nous pensons qu'il peut y avoir des moyens de les rouvrir et d'amener le cerveau à se recâbler pour aider les adultes atteints d'amblyopie [œil paresseux]."

Au Royaume-Uni, un groupe avait déjà commencé à travailler sur un traitement basé sur les jeux vidéo. Des informaticiens et des chercheurs en vision de l'Université de Nottingham se sont associés en 2003 pour créer le système de traitement binoculaire interactif pour l'amblyopie (I-BiT). L'idée était d'entraîner le cerveau à prendre davantage en compte le contenu de jeu plus intéressant et actif ou l'action centrale des clips vidéo présentés à l'œil paresseux au détriment des éléments périphériques moins intéressants présentés à l'œil dominant.

Those who have tried modern virtual reality headsets may chuckle at the team’s description of an early prototype as “virtual reality”. It was a large wooden tea chest with a hole in the front through which patients could look at two separate screens within, one for each eye.

Back across the Atlantic, Levi was intrigued by Bavelier’s findings that a range of cognitive functions, including visual ones, could be sharpened through gaming. His own 2011 pilot found that adults with lazy eye who played the first-person shooter Medal of Honor for 40–80 hours with their good eyes patched significantly improved their sharpness of vision.

Despite some apparently promising early results, this monocular approach soon fell out of favour, in large part because of another accidental discovery.

In 2006, Hess discovered something that went against prevailing wisdom. When the signals going to the eyes were altered to take account of the lazy eye’s weakness, people with lazy eye pourrait combine information from both eyes. This suggested that the condition was caused by the brain’s suppression of signals from the weak eye. While trying to measure this suppression in participants who did multiple sessions in his lab, Hess found that suppression actually fell over time. “We’d set out to measure suppression and ended up treating it,” he says.

I’m in a curved grey corridor trying to pick up treasure while keeping an eye out for the bots that are out to get me. It’s five months since Hess revealed to me the flatness of my world. Having decided to find out whether this novel approach to fixing lazy eye could work for me, I headed to Levi’s office in the UC Berkeley School of Optometry, near San Francisco.

To play the game that he and Bavelier devised, I peer into a stereoscope, a metal frame containing mirrors that are bouncing two different images from a split-screen monitor into my two eyes separately. The brightness, contrast and alignment of the images have been adjusted to take into account my weak eye. In theory, this means that my brain can now fuse the inputs from both eyes and I should be able to shoot the hovering grey patches that are periodically presented only to my weak eye. In reality, I either fail to see them or just get vague confusing flashes of colour, so the patches keep turning into monsters and killing me. Despite the valiant efforts of a PhD student called Christina to make adjustments, I can’t get the hang of it and give up after about 30 minutes.

Of course the success of many therapies varies between patients. Eric Gillet, 52, tells me how three years ago he saw in 3D for the first time after just a few sessions using Levi’s system. A financial analyst at UC Berkeley, Gillet was walking through the towering redwood, pine and eucalyptus trees that provide the unique atmosphere of the campus, on his way to meet a friend for lunch. Glancing up at an oak tree, he realised something had changed. “Suddenly I could see the space between its branches and the sky. They were no longer flat and stuck together. It was just a few seconds, but it was very powerful.”

Gillet’s lazy eye was diagnosed late, at the age of six, in his native Belgium and he first learned of his lack of 3D vision about a decade ago during a standard eye test. In 2012 he jumped at the chance to become one of 38 adults with lazy eye taking part in a pilot study of Levi’s experimental therapeutic game. This time around, Levi ditched his previous monocular approach (trying to work the weak eye while the strong one was patched) in favour of a binocular system (which degrades images presented to the strong eye in an effort to persuade the brain to take more notice of the signals from the lazy eye).

Unlike me, Gillet was able to play the game and it was after, he says, five to ten sessions into the 40 hours of lab time that he had his 3D oak tree epiphany. Three years on, I ask him what the longer-term effects have been. He holds up his left hand and, smiling broadly, says: “I can see my hand in 3D. My 3D is weak but present most of the time.”

Despite Gillet’s enthusiasm, the trial results were something of a disappointment to Levi. The clarity of vision in the weak eyes of adults who played the game over 40 hours improved by the equivalent of just one line on an optician’s eye test chart – less than the line and a half achieved in his 2011 monocular trial.

Less than 100 yards from Gillet’s office, I meet Dillon Thomas. He’s learned to see in 3D thanks to testing an early version of a video game designed for the new generation of virtual reality headsets such as Oculus Rift. Thomas was walking Mordi, his border terrier–husky cross, in San Francisco’s Eureka Valley dog park one day last year when someone inadvertently threw a tennis ball towards his face. “Without thinking or having to look to track it, I knew exactly where it was and how fast it was going,” he says.

“I just moved my head to the side and watched it sail past. I swear to God time slowed down like in The Matrix. When you have depth perception, you don’t have to think about it. It just comes to you.”

As a child Thomas had several rounds of surgery to correct his crossed eyes, the last of which left him with double vision. More recently his effort to use vision therapy, which involves doing visually demanding exercises while using tools such as prisms and filters, did little to help. Then last spring he came across a report about a San Francisco-based developer called James Blaha who had created a game designed to treat lazy eye on the Oculus Rift virtual reality headset.

Last spring Thomas tried Blaha’s early prototype in an office in central San Francisco. “He dimmed the brightness to my left eye and brightened it to my right, and then suddenly what had been a flat image just popped,” Thomas says. “The cube was floating in front of me. He brought it close to my face and although I knew it was a computer graphic I was physically backing off because it felt so visceral. It blew my mind.”

Blaha lent him the kit to practise with for 20 minutes per day for several weeks. Thomas says he now has depth perception within a few feet, depending on how rested he is feeling. On occasion his 3D world has extended to “two or three blocks” and he describes recent visits to forests as “absolutely amazingly beautiful” experiences.

Three years ago, Blaha was working as a web developer and making video games as a hobby. Having had a lazy eye since childhood, he was inspired by a TEDx talk by neurobiologist and fellow strabismic Susan Barry, who, at the age of 48, gained 3D depth perception through vision therapy. Her 2009 book, Fixing My Gaze, includes vivid accounts of the new beauty she was now able to experience in forests and snowfalls.

Blaha had already done hundreds of hours of vision therapy and patching as a child, with little success. After reading about the work of Levi, Hess and others, he set about trying to achieve similar results to Barry, only through gaming rather than repetitive visual exercises. Following the release of the first developer version of the Oculus Rift in 2012, he thought that an immersive 3D environment would provide the most effective stimulus to reprogram the brains of people with lazy eye.

One day in November 2013, he realised he was on to something big while testing software he had written to generate a spinning cube. “I was making the signal brighter and brighter to my weak eye and at a certain threshold it popped into 3D,” he says. As the corner span towards him, he physically backed up. “I’d never experienced anything in 3D like that before.” Not long afterwards he began to have true depth perception for his keyboard and other things in real life too.

A few days later he posted a request for $2,000 on the crowdfunding website Indiegogo, promising to use it to create a therapeutic version of the 1970s brick-breaking game Breakout. Within weeks pledges exceeded $20,000. After completing the first version of the game, he moved from his home town of East Lansing, Michigan, to San Francisco to take up an offer of funding, mentoring, training and office space from tech venture capitalists SOSventures in return for equity in his company. Blaha persuaded his high-school friend Manish Gupta to leave his business analytics job at IBM to come and work alongside him.

They recruited 20 people to play the first version of their game for more than three hours in total over four to six weeks. The resulting data suggested that doing so was, over time, reducing the suppression of signals from the lazy eye. They produced a second game designed to maximise the therapeutic effects and by September 2014 had attracted $700,000 from investors. Some eye doctors had warned them that removing suppression could create a risk of double vision. With this in mind, Blaha’s system is being tested in eight US eye clinics and undergoing a trial involving 50 adults with moderate amblyopia at UC San Francisco.

“There’s a huge number of adults who have been told there’s nothing they can do, that could in fact have improved vision,” says Blaha. “I’d love to live in a world where kids no longer wear patches and instead play virtual reality video games for 30 minutes a day. That’s the world we want to make.”

“Except for pirates,” says Gupta, looking sideways at his business partner with a grin. “They should still get to wear patches.”

Perhaps, then, what my lazy eye needs is a dose of virtual reality. I go to meet Blaha at his new office in the bustling tech hub of San Francisco’s South of Market (SoMa) district, all exposed steel girders, primary colours and glass.

Blaha and Gupta, the Chief Technology Officer of their company Vivid Vision, are both 27. They sit behind their laptops on one side of a long wooden desk, while I strap on a virtual reality headset. After a series of tests to calibrate the system for my vision, I’m dropped into an all-encompassing new reality in which I must guide a spaceship through an asteroid field. My success in navigating my way through a series of rings presented only to my lazy eye while evading the giant rocks heading towards me means my brain is making use of both eyes. After some 15 to 20 minutes of gameplay, I feel a little unsteady and have a mild headache.

Two hours later, I’m perched on a window seat in a coffee shop pondering an uncomfortably heightened awareness of the blurry right-hand part of my vision, which I usually manage to ignore. It’s an unsettling and somewhat alarming sensation, especially as a few weeks earlier an eye specialist at Moorfields Eye Hospital, London, warned me against trying anything that claims to remove the suppression of my weak eye by my good eye. As I sip my latte, I’m wondering whether what I’m experiencing is a precursor to improved eyesight or a warning of double vision.

As the investment that Blaha’s venture has attracted shows, the commercial potential of these technologies has not gone unnoticed. Ubisoft, the multinational video game company responsible for major hits like Assassins Creed, announced in March that it had completed development of Dig Rush, a game designed to treat lazy eye that can be played on an Android or iOS tablet. Players wear 3D shutter glasses that present different images to each eye, and they can make progress in the game only if they use both eyes.

Dig Rush was made in conjunction with Amblyotech, a health games startup which acquired the rights to Hess’s technology. Following his surprise finding of a way to reduce suppression in 2006, his group were awarded a US patent for their approach in 2011. In a 2013 pilot involving 18 adults, Hess went on to find that those who played the classic puzzle game Tetris, wearing head-mounted goggles that presented different parts of the game to each eye, improved their weak eyes by about two lines on an optician’s test chart. They also experienced reduced suppression and improved stereo vision. Two clinical trials involving children and adults started last year.

The I-BiT group at Nottingham also showed promising early results. They introduced 3D shutter glasses, developed a new space-based shooter game called Nux and obtained a European patent in 2012. A trial involving 75 children aged four to eight produced “indifferent” results, says group leader Alexander Foss – but, undeterred, they are redesigning their system and hope to start two more trials early next year.

Another UK group is taking a different tack. Researchers at Moorfields Eye Hospital and the UCL Institute of Ophthalmology are using 3D shutter glasses to balance the visual signals the brain receives by blurring images presented to the stronger eye. Seven children with anisometropic lazy eye who did daily one-hour sessions for 60 days improved their clarity of vision by just over two-and-a-half lines on the optician’s chart. A clinical trial involving 100 children is planned.

The results of the small pilot studies carried out so far are promising, and enough research has been published to suggest these teams are on to something. However, some key questions remain unanswered. Crucially, there is no consensus on specifically how playing video games improves visual function.

Hess believes that his 2006 discovery shows that the key is getting rid of the suppression of the weak eye. Others believe it’s more complex than that. In his most recent video game study, Levi found that improvements in participants’ visual clarity were not correlated with either their level of suppression at the start of the study or their reduction in suppression by the end.

Steve Dakin, who developed the Moorfields–UCL system and is now at the University of Auckland, New Zealand, also says his group have seen improvements in visual clarity without reductions in suppression. Because video game study participants often have spectacle correction beforehand, he says, this may be the real cause of some of the reported improvements if their vision hasn’t fully stabilised by the time of the research.

And let’s face it – therapies based on video games are considerably more appealing than wearing a patch. “I’m not sure there’s all that much to choose between video games, watching films, and maybe even patching,” says Dakin. “It may be these new therapies work so well because children accept them.”

Which patients will benefit the most from these new therapies? The promising headline results of the early trials are averages that often hide wide variations in effects between individuals. In some cases, researchers have excluded people with more severe lazy eye. While no cases of double vision have so far been reported as a result of these experimental therapies, the misgivings that some eye specialists have expressed mean careful monitoring is required.

The ongoing larger trials should soon provide clues not only about how these therapies work but also more generally about why the brain is more open to being re-moulded by sensory experiences than previously thought, with potentially exciting implications for the treatment of other lost functions. “I think the fact that there is a residual amount of brain plasticity in the adult is going to mean we are going to be able to do something to help in a lot of acquired conditions that affect the brain, such as stroke and traumatic brain injury,” says Hess.

“Amblyopia has become something of a poster child for brain plasticity research,” says Dakin. "Understanding how this re-mapping works will give us insights into how basic visual processing works. “Of course, once you know where brain plasticity is happening, then you know where to target to induce it.”

When I set out on this story, I was intrigued. Could I really get 3D vision from playing video games? In short, no. It seems I have the wrong type of lazy eye. Tests at Moorfields revealed my “good” left eye to be mildly short-sighted (–2.25 diopters) and my lazy right eye to be moderately long-sighted (+5 diopters), making for a significant difference in the images going to my brain. On top of this I had a slight astigmatism, or unevenly curved right cornea, and a micro-squint, and I’d never had spectacle correction for my weaker eye. Put simply, I was a poor candidate for treatment. I reluctantly declined the ten game sessions that Dennis Levi offered me in his lab.

While I was initially unsettled to learn that most people see the world differently to me, it’s something I now view with interest more than worry. I’m pretty confident that I don’t have serious hand–eye or foot–eye coordination problems. It is true that my football shooting skills are pretty poor, but I do better in defence or midfield. I spent what many would regard as far too long juggling as a student, and as a result can juggle five balls (in basic cascade, half-shower and full-shower patterns, in case you were wondering).

In fact, the slight difference between the visual signals generated by each eye is just part of what gives us depth perception. Other cues include size comparisons, shading, assumptions about light sources and the way objects change over time. My brain may not be able to give me the 3D vision that others get, but it does compensate by using these sources of information more.

The heightened awareness of the blurry part of my vision I experienced after briefly using Blaha’s virtual reality system was thankfully gone the next day. The experience of being able to play the game gives me hope that one day I may be able to make progress with his technology or one like it, but I think I’ll wait to see the outcome of a few more trials first.

Although the brief attempts to mend my lazy eye have so far failed, the signs are that video game therapies may prove effective for others in the near future, and could even replace patching. If this happens, generations of young patients will never know how grateful they should be.

The I-BiT group received a Wellcome Trust Translation Award in 2010.

Nic Fleming is a freelance writer and editor, working for outlets including New Scientist, the Guardian, the Economist, Nature, BBC Future and Mosaic. This story first appeared on Mosaic and is republished here under a Creative Commons license.

Mosaic is published by the Wellcome Trust, a global charitable foundation dedicated to improving health, and dedicated to exploring the science of.


Cholinergic potentiation of visual perception and vision restoration in rodents and humans

Affiliations: [ a ] Laboratoire de Neurobiologie de la Cognition Visuelle, École d’optométrie, Université de Montréal, Montréal, Québec, Canada | [ b ] Centre de recherche en neuropsychologie et cognition (CERNEC), Montréal, Québec, Canada | [ c ] Département de Psychologie, Université de Montréal, Montréal, Québec, Canada

Correspondence: [*] Corresponding author: Elvire Vaucher, PhD, Laboratoire de Neurobiologie de la Cognition Visuelle, École d’optométrie, Université de Montréal, CP 6128, succ. Centre-ville, Montréal, Québec, H3C 3J7, Canada. Tel.: +1 5143437537 E-mail: [email protected] .

Abstract: Background:The cholinergic system is a potent neuromodulator system that plays a critical role in cortical plasticity, attention, and learning. Recently, it was found that boosting this system during perceptual learning robustly enhances sensory perception in rodents. In particular, pairing choline rgic activation with visual stimulation increases neuronal responses, cue detection ability, and long-term facilitation in the primary visual cortex. The mechanisms of cholinergic enhancement are closely linked to attentional processes, long-term potentiation, and modulation of the excitatory/inhibitory balance. Some studies currently examine this effect in humans. Objective:The present article reviews the research from our laboratory, examining whether potentiating the central cholinergic system could help visual perception and restoration. Methods:Electrophysiological or pharmacological enhancement of the cholinergic system are administered during a visual training. Electrophysiological responses and perceptual learning performance are investigated before and after the training in rats and humans. This approach’s ability to restore visual capacities following a visual deficit induced by a partial optic nerve crush is also investigated in rats. Results:The coupling of visual training to cholinergic stimulation improved visual discrimination and visual acuity in rats, and improved residual vision after a deficit. These changes were due to muscarinic and nicotinic transmissions and were associated with a functional improvement of evoked potentials. In humans, potentiation of cholinergic transmission with 5 mg of donepezil showed improved learning and ocular dominance plasticity, although this treatment was ineffective in augmenting the perceptual threshold and electroencephalography. Conclusions:Potential therapeutic outcomes ought to facilitate vision restoration using commercially available cholinergic agents combined with visual stimulation in order to prevent irreversible vision loss in patients. This approach has the potential to help a large population of visually impaired individuals.

Keywords: Acetylcholine, attention, cholinesterase inhibitor, cholinergic system, cortical plasticity, donepezil, perceptual learning, visual cortex


Résumé

A half-century of research on the consequences of monocular deprivation (MD) in animals has revealed a great deal about the pathophysiology of amblyopia. MD initiates synaptic changes in the visual cortex that reduce acuity and binocular vision by causing neurons to lose responsiveness to the deprived eye. However, much less is known about how deprivation-induced synaptic modifications can be reversed to restore normal visual function. One theoretically motivated hypothesis is that a period of inactivity can reduce the threshold for synaptic potentiation such that subsequent visual experience promotes synaptic strengthening and increased responsiveness in the visual cortex. Here we have reduced this idea to practice in two species. In young mice, we show that the otherwise stable loss of cortical responsiveness caused by MD is reversed when binocular visual experience follows temporary anesthetic inactivation of the retinas. In 3-mo-old kittens, we show that a severe impairment of visual acuity is also fully reversed by binocular experience following treatment and, further, that prolonged retinal inactivation alone can erase anatomical consequences of MD. We conclude that temporary retinal inactivation represents a highly efficacious means to promote recovery of function.

Amblyopia is a widespread form of human visual disability that arises from imbalanced visual experience in the two eyes during infancy or early childhood. The core pathophysiological process underlying amblyopia is ocular dominance plasticity in the primary visual cortex (V1). Ocular dominance plasticity, evolutionarily conserved in mammals with binocular vision, has become a classic paradigm for studying how brain development is influenced by experience and deprivation. A brief period of monocular deprivation (MD) during early postnatal life causes functional depression of synapses in V1 that serve the deprived eye (1 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ –7). Consequently, early-life MD severely and persistently degrades visual acuity through the deprived eye, which typically fails to recover spontaneously when binocular vision is restored (8 ⇓ –10). A critical step in developing targeted interventions for treating amblyopia is to identify strategies for reversing deprivation-driven synaptic modifications in V1.

The traditional approach to promote recovery following MD has been to occlude the strong eye to force vision through the weak amblyopic eye. This “reverse occlusion” approach has been validated in animals (11, 12) and represents the cornerstone of current treatment (patching therapy) of human amblyopia (13 ⇓ ⇓ –16). However, this treatment has well-known limitations that include poor compliance, potential loss of vision through the newly patched eye, failure to recover binocular vision, and a declining treatment efficacy with age (15, 17 ⇓ ⇓ ⇓ –21). Nevertheless, the success of reverse occlusion strategies demonstrates that severely weakened synaptic inputs in the brain can be rejuvenated under appropriate circumstances.

An insight into how reverse occlusion might promote recovery came from a study in cat V1, which showed that neurons lose responsiveness to the newly occluded eye days before gaining responses to the newly open (amblyopic) eye (22). It is now understood that the qualities of cortical synaptic plasticity depend on the recent history of cortical activity, a property called metaplasticity (23). After a period of attenuated cortical activity, the threshold for synaptic potentiation is reduced (24 ⇓ –26). Thus, the period of quiescence that immediately follows initiation of reverse occlusion lowers the threshold for synaptic potentiation, enabling subsequent visual experience to increase synaptic effectiveness when it would have otherwise been without effect (27). An intriguing possibility is that imposition of a period of binocular inactivity following early MD could be sufficient to promote visual recovery without forcing the eyes to compete.

In support of this concept, studies have shown that exposure of adult rats and kittens to a period of continuous darkness can prime the visual cortex for recovery from the effect of MD when vision is restored to the deprived eye (28 ⇓ –30). However, available data suggest that this priming effect requires ≥10 d of darkness, which cannot be interrupted, even briefly, by light exposure and cannot be substituted with binocular lid closure (31, 32). Further, work in kittens has shown that when initiated before 10 wk of age, exposure to total darkness itself can cause temporary visual impairment and even blindness before 7 wk of age (33). Thus, although these results show the potential of using insights gained from the study of synaptic plasticity to promote recovery of function (34), application of this approach to clinical practice presents many challenges.

In the current study, we set out to examine an alternative method involving temporary anesthetic inactivation of the retinas. For decades, researchers of visual system development have used tetrodotoxin (TTX) to investigate the consequences of blocking action potentials in retinal ganglion cells. A single dose, administered by microinjection into the vitreous humor, can locally block all impulse activity in the optic nerve for a day or two. Of significance, inactivation of one eye with TTX fails to trigger depression of deprived-eye responses in V1 that is observed after comparable periods of monocular deprivation by lid closure or image blurring (5, 7, 35 ⇓ –37). Thus, brief inactivation of both eyes with TTX could potentially augment recovery of function by lowering the plasticity threshold without the liability associated with other forms of deprivation. Furthermore, because the retinas are silent until the drug wears off, compliance is assured.

To test this hypothesis, we performed parallel studies in mice and kittens. Our interest in mice was driven by the utility of this species for mechanistic studies. Although the immediate effects of MD in mice have been well documented, less was known about the stability of these effects. Therefore, we first conducted a longitudinal electrophysiological study to track V1 responsiveness to stimulation of the two eyes in awake mice for several weeks following early-life MD. We found that 7 d of MD drove a profound reduction in visual cortical responsiveness to deprived eye vision that persisted through adulthood, validating this species as a model to study the pathophysiology of amblyopia. We then investigated the effect of bilateral retinal inactivation and observed a complete recovery from the effect of MD once binocular visual experience was restored. We also studied treatment effectiveness in the cat, which for decades has been the preferred species to study the effects of MD on visual system physiology, anatomy, and behavior. We found that bilateral retinal inactivation followed by a short period of binocular visual experience promoted fast recovery of the visual acuity of the deprived eye to normal levels. Further, we discovered that even in the absence of subsequent visual experience, prolonged TTX treatment led to recovery from the anatomical consequences of MD on the visual thalamus of kittens. Our experiments demonstrate, in two species, that temporary retinal inactivation is an effective strategy for promoting rapid recovery from MD-driven visual impairments.