研究：生物视网膜敏感度极高而且节能

新研究发现，哺乳动物的视网膜利用分层的方式，把视觉刺激分类为多达约40种分别感应。这套天然的系统不仅敏感度非常高，还非常节能，相机技术要达到这样的水平还有很长的路要走。

眼球及视网膜内各种感光细胞示意图。

美国杜克大学（Duke University）研究组介绍说，像小鼠、猴子等哺乳动物的视网膜，都有好几层的结构。每一层分别对例如亮度、暗度、动态等不同的视觉信息敏感。每一层都是像马赛克一样拼凑起来的结构，再由多层马赛克拼凑成一幅立体的视觉画面。研究人员估计哺乳动物的视网膜把视觉信息分为多达大约40个类别分别感应。

从研究人员展示的视网膜横截面剖析图看到，顶层是神经节细胞圆形的细胞核部分，每个神经节细胞长长的触角伸到下面，看似错综复杂地盘绕在一起，其实乱中有序，这些触角共同组成了上面提到的各种感应层。每个感应层擅长感应不同的视觉信号。

神经节细胞（ganglion cell）是视网膜内的一种重要神经细胞。它的“头部”是圆形的细胞核，“身体”就是长长的突触结构。这些突触像树枝一样还有很多分支。它们盘根错节地挤在一起，就像盆栽植物的根部长得过于茂盛的景象。这些突触共同组成多个“马赛克”结构的神经感应层。

在这个厚厚的马赛克感应层下面，还有另一层神经节细胞。这层神经节细胞的突触向上伸入神经感应层。研究人员认为，这层神经节细胞根据突触抵达的深度，输出开和关的信息。

“这些突触就像地址映射系统一样工作，根据达到的不同深度反馈不同的信息。”主要研究员之一杜克大学神经生物学助理教授菲尔德（Greg Field）说，“实际上，它们抵达较深的地方即返回‘关’的信号，抵达较浅的地方返回‘开’的信号。如此，视网膜有很多感应器共同探测周围立体的世界。”

菲尔德说，视网膜天然形成这样的结构，工作效率很高，而且很节能。研究人员发现其中一个原因是，在较多环境噪音的情况下，这些细胞自动会过滤掉噪音信息，有目的地选择重要的信息读取，这导致视网膜成像很节省能量。

研究人员举例说，例如在很暗的房间里，大部分环境信息都是无用的“噪音”信号，视网膜的神经节细胞会自动调整，只选择对较亮的物体进行感应。

这种天然的机制有着神奇的妙处。菲尔德说，如果你是一只小鼠，“周围环境中容易看见的东西一般不会威胁你的生命安全，往往是那些不易觉察的物体藏着危险的信号。视网膜具有这样的功能，根据环境自动调节对不同视觉信号的敏感度。”

研究人员把视网膜成像消耗的能量和智能手机的相机对比。

比如一个5兆像素、五分之一英寸的手机相机耗电1.92×10⁻¹⁰瓦。人眼视网膜成像，在明亮的环境下大约耗能1.27×10⁻¹¹瓦，只是手机相机的大约6%。在昏暗的环境下，人眼耗能增加到大约5.08×10⁻¹¹瓦，仍然远低于相机耗能，而且，人眼视网膜具有捕捉单光子光源的能力，目前任何手机的相机都办不到。

研究者表示，了解哺乳动物视网膜复杂的工作机制，对研发视网膜假体、设计出更先进的相机等都具有重要意义。

这份研究9月28日发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。