世界本來沒有顏色？科學家發現大腦中的「調色板」機制

2020-09-05 中國數字科技館

光的本質是電磁波，本身並沒有顏色。繽紛顏色是大腦的一種主觀創造，是視覺大腦通過對來自視網膜的光譜信息進行加工處理，並賦予不同光譜信息不同的標籤，才讓人類不僅能在自然界更好地生存，而且還感知到一個多彩絢麗的美麗世界。（中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心供圖）

大千世界，絢麗多彩。然而，英國科學家牛頓早在300多年前就意識到，光是無色的，並用稜鏡把陽光分離出七彩光波。我們之所以能看到色彩斑斕的世界，則要歸功於大腦裡的「調色板」。我國科學家近期的一項研究成果，讓我們了解了大腦具有的「藝術家」氣質。

中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心王偉研究員團隊與北京大學生命科學學院唐世明教授團隊合作，詳細描繪了等級化的不同視覺腦區的色調圖結構，揭示了認知層面上的顏色空間色調圓盤形成的神經機制。相關研究成果8月26日在線發表於《神經元》。

運動、形狀和顏色感知是視覺三大功能。人們對繽紛顏色的主觀審美感覺各自不同，顏色比其他任何感知覺更能說明感知覺是大腦神經活動的產物。「光波本身只是電磁波，並沒有顏色，我們感知到的色調實際上只是我們大腦對於光的波長信息所添加的一種主觀標籤。」王偉告訴《中國科學報》。

顏色空間有不同的類型，比如生理顏色空間和認知顏色空間。王偉解釋，「生理顏色空間，是根據顏色對視網膜上的光感受器——視錐細胞的激活程度來定義的，用來描述視覺神經元編碼外來光譜信息的神經信號反應，也就是大腦的光譜信息輸入；而認知顏色空間，是通過心理物理實驗等測量方式測量人們對顏色的主觀感受而建立的，描述的則是這些外源光譜信息在大腦中經過複雜的運算整合後直觀反映的人類對顏色的心理感知和認知，相當於大腦的光譜信息輸出。」

人類能識別出的數千種不同的色調，是大腦為不同波段的可見光信息設定的標籤。視網膜上作為光探測器的視錐細胞有三種，分別檢測短波、中波和長波段的可見光，因此我們感知到的顏色空間也是三維的。一維是亮度，它反映了對視錐信號處理的「加和」能力，色調和飽和度是另外兩個維度，由不同視錐信號之間的激活差異產生。

人類的顏色認知空間，是通過心理認知實驗測量出來的。基於紅、綠、藍三原色的顏色認知空間，其色調維度，被描述為「色調圓盤」。與研究較深入的運動和形狀視覺相比，顏色在等級化的不同視覺腦區是如何進行加工處理的，尤其是如何形成心理認知層面上的「色調圓盤」，迄今仍然是謎。

為探索這個複雜的腦科學問題，研究人員利用內源性信號光學成像、雙光子成像和電生理記錄等多種技術手段，對比研究了從初級（V1）到中高級（V2和V4）三個連續視皮層，對亮度完全相同的紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色刺激反應的神經活動。研究發現編碼不同光波波段的神經元在這三個連續腦區內聚集在分散的眾多小斑點區內，並在其中形成由相鄰色調拼接構成的「色調圖」。這些「色調圖」就好像許許多多大小不等的彩虹，散布在各個視覺大腦表面上。


研究結果顯示，隨著視皮層等級的提高，大腦色調功能圖譜逐漸發展並接近的心理認知色調圖。「我們在研究中，將視皮層的顏色反應和基於紅、綠、藍三原色和紅、綠、藍、黃四原色兩種認知顏色空間都進行了比對，發現無論使用哪一種認知顏色空間，都同樣表現出隨著視皮層等級的提高，大腦顏色反應越來越接近認知顏色空間。」

「從神經計算的角度分析，大腦似乎在逐步整合來自視網膜的相互拮抗的視錐神經信號的輸入，從而生成人類認知顏色空間。」王偉解釋，「視覺大腦作為一個整體，任何給定光的色調信息首先存在於V1中，但這種信息在V2和V4腦區經過進一步的整合和編碼處理後，初步形成人類各種主觀色調認知，並結合其他更高級腦區比如顳側視皮層IT腦區神經元的功能，大腦組成了一個複雜的神經計算網絡，編碼外界千變萬化的光線變化，最終大腦中產生了豐富多彩的顏色標籤。」

在王偉眼裡，新印象派的點筆畫，形象地映射了這項最新研究成果。「大腦就像一個畫家，運用新印象派的『點筆畫』技術，不在調色板上預先調色，而是將未混勻的染料直接點在油畫布上，再由視覺大腦中的調色板調出新的顏色，最終展現出新印象的『點彩派』風格。」

專家表示，此項研究的創新發現，不僅在於對這些色調圖結構的詳細描繪和研究，更是第一次定量檢測了三個不同等級的視覺皮層的色調圖（調色板）與我們主觀認知的色調空間位置的匹配程度，這種匹配程度，隨著視覺皮層等級的提高而顯著提升。

本文來自：中國科學報

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