将开尔文‑沃伊特粘弹性模型应用于瞳孔震颤揭示自主神经系统活动的重要见解

微小瞳孔脉动为何重要

即便我们凝视静止的场景，瞳孔也会安静且有节律地缩小和放大。这个不安分的运动称为瞳孔震颤（hippus），长期以来被视为无害的背景噪声。在这项研究中，研究者表明这些微小的瞳孔尺寸摆动实际上携带着清晰的指纹，反映出我们的自主“战或休”系统的工作状态，并且可以用物理学借来的工具建模，以揭示神经活动和眼球的机械特性。

更近距离地观察瞳孔的静默舞动

瞳孔震颤是一种缓慢的自发节律，即使在恒定照明下，瞳孔也会每分钟收窄和放宽数次。它由虹膜中的两组肌肉驱动：一组收缩瞳孔，另一组扩张瞳孔，两者分别受自主神经系统不同分支的控制。过去的研究主要测量这些振荡的幅度和持续时间，但在很大程度上忽略了虹膜组织本身的弹性、类似弹簧的行为。本研究将两方面结合起来，不仅关注瞳孔如何运动，还考察产生该运动需要多少力。

用物理模型读取神经信号

为此，作者应用了经典的粘弹性模型，即开尔文‑沃伊特模型，它描述了像弹簧与流体阻尼器混合行为的材料。他们记录了16名青少年男性运动员在躺卧和站立两种体位下数百个瞳孔震颤周期，同时追踪心脏活动。随后使用计算机算法将每条瞳孔轨迹拟合到模型中，分离出收缩和扩张肌肉的贡献，并估算虹膜组织的僵硬度和“黏性”。只有与模型吻合良好的瞳孔震颤周期（约占所有记录的三分之一）被保留，以确保随机噪声不会扭曲推断出的神经脉冲。

个体化的瞳孔运动模式

在这些高质量记录中，每位参与者都表现出特征性的瞳孔震颤形状，并在多个周期中重复，形成个人的“签名”。这些周期聚类为三种主要持续时间类型——短、中等和长——但对于同一人而言，整体模式相当可重复。这表明瞳孔震颤反映了该人虹膜力学属性与其自主神经在静息状态下驱动眼肌方式的稳定组合。与此同时，神经脉冲的强度在周期间有所波动，提醒我们该系统是有生命并在适应的，而不是僵硬的机械装置。

体位与强光闪光如何改变结果

当受试者躺下时，模型显示副交感神经冲动较站立时更强——副交感负责休息与恢复。换言之，同一个人的瞳孔震颤签名随简单的体位变化可被可测量地改变，标志着自主基线平衡的变化。研究者还将瞳孔震颤与更常见的对短暂闪光的瞳孔反应（光运动反射）进行了比较。该反射大约需要瞳孔震颤八倍的能量，伴随更大且更程式化的瞳孔运动，并且在躺立之间变化不大。相比之下，瞳孔震颤似乎是一种低成本、微调的背景活动，而光反射则像一种强有力的保护性反应，用于保护视网膜免受强光刺激。

自主控制的不同窗口

有趣的是，来自瞳孔震颤的基于瞳孔的测量并未与标准心率变异性指标紧密对应，也与从光反射中提取的信号不一致。这表明这些工具捕捉的是自主神经系统的不同侧面，而非重复的信息。瞳孔震颤似乎揭示了该系统的基线状态以及其如何随情境调整，而光反射则展示了在强光胁迫下系统的紧急储备。通过把瞳孔视为不仅仅是一个简单的光阑而是一个小型的活体机械系统，这项工作为将微弱的眼动作为灵敏、非侵入性探测神经系统功能的手段打开了大门，适用于运动员和患者两类人群。

引用: Giovannangeli, C.J.P., Borrani, F., Broussouloux, O. et al. Application of the Kelvin-Voigt viscoelastic model to hippus reveals major insights into the autonomic nervous system activity. Sci Rep 16, 10673 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45875-6

关键词: 瞳孔动力学, 自主神经系统, 瞳孔震颤, 运动生理学, 心率变异性