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撰文 | 蔣海宇
責編 | 陳曉雪
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如果你和我一樣幸運，你可能也曾看到過一些極為純粹的美好事物。它們太美好，使得你的感官過載，來不及處理瞬時湧入的信息。你呆在原處，情不自禁地流淚。
Jim和哥哥都是綠色色盲患者，2016年，他們的媽媽用視頻記錄了他們通過色弱矯正眼鏡，第一次看到繽紛色彩時的反應：
視頻來源：jpapenhausen，YouTube
讓Jim看到新色彩的眼鏡，由玻璃學（glass science）科學家Don McPherson和數學家Andrew Schmeder一同發明。你也許會以為這副眼鏡是幾百年來光學研究積累的結果，但Don McPherson卻於今年八月，在美國全國公共廣播電臺（NPR）的《金錢星球》（Plant Money）節目上坦白：這完全是個意外。
20世紀90年代，McPherson正在嘗試解決一個和色盲毫不相干的問題。外科醫生做手術可能會用到雷射，而McPherson想為這些醫生製作一副雷射防護眼鏡。
「那些外科醫生恨死我的眼鏡了，因為眼鏡把他們的整個視野都變成了橘黃色，讓他們分不清骨頭和其他組織。」McPherson說。他製作的眼鏡鏡片是橘黃色的，所以透過鏡片的視野也成了橘黃色。
DonMcPherson，色盲眼鏡的最初發明者
作為外科手術眼鏡，McPherson的發明被嫌棄了。不過由於眼鏡造型帥氣，他和一些外科醫生朋友開始在戶外戴著它們作太陽眼鏡用。一天，陽光明媚，McPherson戴著眼鏡去和朋友Michael玩飛盤。Michael是一個色盲患者，從來沒有看見過橘黃色。你說巧不巧，Michael忘帶自己的太陽鏡了，便借McPherson的手術眼鏡使。
「天哪！我能看到橘黃色了！我從來沒看到過橘黃色！」Michael吃驚地說道。
柳暗花明又一村，McPherson從此便走向了色盲眼鏡研製的道路。他申請到了美國國立衛生研究院（NIH）的資金支持，也為自己找到了一個合作夥伴：數學家兼計算機科學家Andrew Schmeder。
來自加州大學伯克利分校的Schmeder也曾對知覺心理學（perceptual psychophysics）有所涉獵。他曾研究如何通過改變助聽器的參數來提升聽障人士的聽音體驗——比如聽音樂的體驗。這個研究經驗正好派上了用場：Schmeder通過建立模型模擬不同程度的色覺視力缺陷，以及透過鏡片的不同色彩，找到了最合適的濾鏡。
Andrew Schmeder
可是，色盲眼鏡究竟是如何工作的？什麼叫找到了最合適的濾鏡？這得先從眼睛的工作原理說起。
由於Jim無法分辨紅色和綠色，在他原來的世界裡，一切事物都呈橘黃色。
色盲患者並不罕見。根據美國國立眼科研究院，北歐族裔的人中8%的男性和0.5%的女性患有紅綠色盲（目前沒有權威的中國色盲人口統計），佔色盲總人口的大多數。藍黃色盲患者的數量次於紅綠色盲，只用極少的人會完全喪失色覺。
一個視覺正常的人能看見斑斕世界，歸功於視網膜上的三種視錐細胞（cone cells）。三種視錐細胞會在吸收光後發生化學變化，通過神經將信息傳給大腦，大腦再對收到的信息進行判斷。
三種視錐細胞分別對一定波長的光敏感：對長波敏感的細胞使得我們看到紅色，對中波敏感的細胞讓我們看到綠色，而對短波敏感的細胞則讓我們看到藍色。當然了，對長波敏感的細胞不是僅僅只對紅光產生反應：不同視錐細胞對光的反應範圍會有重合，讓我們擁有了紅黃藍以外的色覺（見下圖）。
三種視錐細胞對不同波長的感知交疊，讓我們看到紅橙黃綠藍靛紫。（圖片來源：Wikicommon）
哺乳動物中，擁有三種視錐細胞的人類其實是個特例：包括狗在內的很多哺乳動物，只有兩種視錐細胞，都是「色盲」。但在一些這些動物面前，人類也都是「色盲」。很多昆蟲，比如蝴蝶，有三種以上的視錐細胞；皮皮蝦（蝦蛄，mantis shrimp）有十二種視錐細胞，可以驕傲地俯視大多數生物。
皮皮蝦不光有五彩的外表，還有斑斕的內心——它們能感知人類無法感知的光（圖片來源：Wikipedia）
言歸正傳，導致人類色覺缺陷的原因有很多：雖然後天受傷可能導致眼睛、視覺神經、大腦損傷，進而使人失去色覺；多數情況下，色覺缺陷是一種遺傳疾病。當負責色覺的基因有缺陷，導致某些視錐細胞過於敏感，或者不夠敏感，甚至直接喪失功能，就會產生色覺缺陷。
我們常說的「色盲」其實是有誤導性的，科學家們更傾向於用「色覺缺陷（color vision deficiency）」這個詞。嚴格地講，「色盲」是色覺缺陷的一種，源於某種視錐細胞的完全喪失。
色覺缺陷有很多種，比如紅色色弱（protanomaly，又叫甲型色弱），即負責紅色光的視錐細胞並未喪失，但不夠敏感。這種情況下，紅色看起來就偏綠，且不那麼明亮。再比如紅色色盲（protanopia，又叫甲型色盲），即紅色視錐細胞喪失。這種情況下，紅色物件就成一坨黑了。色盲還有綠色色弱（deuteranomaly）、綠色色盲（Deuteranopia）、藍色色弱（Tritanomaly）、全色盲等等情況。
圖上為視覺正常的人的視野，圖左下為紅色色弱患者的視野，圖右下為綠色色弱患者的視野。
（圖片來源：Wikipedia）
當患者完全喪失了綠色視錐細胞，他們當然就看不到綠色了 —— 我們眼中的綠蘋果在他們眼中是黑色的。
但是，很多色覺缺陷都並非源於視錐細胞喪失，而是因為一些細胞過分敏感或不夠敏感，導致大腦錯誤判斷接受到的信息（見下圖）。舉個例子，當正常眼睛接收到520nm波長的光時，紅視錐細胞被55%激活，綠視錐細胞被90%激活。綠色色弱患者的紅色視錐細胞則會過分激活（75%），讓患者的大腦誤判信息，把綠蘋果看成琥珀色。紅色色弱患者的綠色視錐細胞則激活不夠（60%），把紅蘋果看成黃色或者橄欖色（參考上圖）。
色弱患者的視錐細胞會激活不足或過分激活，讓大腦難以判斷眼鏡看到的顏色（圖片來源：SITN 有修改）
基於色覺的原理，色盲眼鏡通過這樣的方式讓色弱患者從新看到色彩：過濾掉那些會使大腦產生誤判的光。就這麼簡單！把那些幹擾大腦判斷的光剔除，大腦就能正常分辨紅色和綠色了。當然，難點就在於要找到合適的濾鏡，只濾掉使大腦誤判的光，同時儘可能留下其他光。這是工作的難點所在，也是Schemer通過複雜計算機模型解決的問題。
色盲眼鏡原理示意（圖片來源：EnChroma）
了解眼鏡的工作原理後，我們也就知道，視頻中的眼鏡不能幫助所有色覺缺陷患者：眼鏡對喪失某種色錐細胞的人愛莫能助。嚴格地講，色盲眼鏡該叫作「色弱眼鏡」。同時，就像近視眼鏡不能治療，而只能矯正近視，McPherson 和Schmeder的眼鏡也只能矯正色覺缺陷。
目前還沒有治療色覺缺陷的方法，但據MIT Technology Review報導，華盛頓大學眼科博士Jay Neitz正試圖通過基因療法治療色覺缺陷，並於2009年在猴子身上演示了該想法的可能性。
得益於視頻中的眼鏡，Jim能夠第一次看到原先看不見的色彩。這種極簡單的發明以極具衝擊力的方式，向我們展示了科學和人類日常的緊密關聯。而科學發明背後的故事，又讓我們發現，雖然很多科學發明是依照科學理論，精巧設計後的結果，但另外一些，卻非有意為之，而可以被稱作「美好的意外」——比如帶來醫學革命的X光和盤尼西林，比如色盲眼鏡。
英語裡專門有個詞，用來指代這些美好的意外：serendipity。
參考資料
A Sense of Color, Psychology Today, https://www.psychologytoday.com/us/blog/sensorium/201706/sense-color
Facts About Color Blindness, National Eye Institute, https://nei.nih.gov/health/color_blindness/facts_about
From Kansas to Oz: How new glasses could change the way the colorblind see the world, SITN, http://sitn.hms.harvard.edu/flash/2015/from-kansas-to-oz-how-new-glasses-could-change-the-way-the-colorblind-see-the-world/
Inside the colourful world of animal vision, The Conversation, https://theconversation.com/inside-the-colourful-world-of-animal-vision-30878
How EnChroma’s Classes Correct Color-Blindness, MIT Technology Review, https://www.technologyreview.com/s/601782/how-enchromas-glasses-correct-color-blindness/
Episode 847: Inventing Accidents, Planet Money, https://www.npr.org/sections/money/2018/06/13/619713983/episode-847-inventing-accidents
製版編輯 | 皮皮魚
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