Science：色彩的奥秘！新研究揭示大脑为何擅长识别彩色图像和黑白图像

尽管人类的视觉系统拥有复杂的色彩处理机制，但大脑在识别黑白图像中的物体时却毫无问题。在一项新的研究中，来自麻省理工学院的研究人员提供了一种可能的解释，说明大脑为何如此擅长识别彩色图像和彩色退化图像（color-degraded images）。通过实验数据和计算建模，他们发现有证据表明，这种能力根植于婴儿期的视觉发育过程。相关研究结果发表在2024年5月24日的Science期刊上，论文标题为“Impact of early visual experience on later usage of color cues”。

在生命早期，新生儿通常只能接收到非常有限的颜色信息，此时，大脑被迫学会根据物体的亮度或发光强度而不是颜色来分辨物体。在生命的后期，当视网膜和大脑皮层具备了更好的处理色彩的能力时，大脑也会将色彩信息纳入其中，但同时也会保持之前获得的识别图像的能力，而不会完全依赖色彩线索。这项发现与先前研究相呼应，证实了早期视觉与听觉的限制性输入对感官系统发展具有促进作用。

麻省理工学院大脑与认知科学教授Pawan Sinha说，“一个普遍的想法是，在我们的感知系统中，有一些重要的感官最初是受到限制的。我们实验室在听力方面所做的一些研究工作也表明，限制新生儿系统最初接触到的信息的丰富程度是很重要的。”

这些发现还有助于解释为什么先天失明但后天通过切除先天性白内障恢复视力的儿童在识别黑白物体时会遇到更多困难。这些儿童在视力恢复后立即接受了丰富的色彩输入，可能会形成对色彩的过度依赖，使他们对色彩信息的变化或去除的适应能力大大降低。

观察黑白物体

研究人员对早期色彩经验如何影响日后物体识别的探索，源于关注先天性白内障患儿复明后的情况。2005 年，Sinha启动了 “普拉卡什项目（Project Prakash）”，旨在印度发现并治疗可逆性视力丧失的儿童。

这些儿童中有许多人因双侧白内障致盲。印度是世界上盲童人数最多的国家，估计盲童人数在 20 万到 70 万之间。

“普拉卡什计划”不仅为这些儿童提供了视力康复的机会，还促成了对视觉发展深入科学研究的参与，孩子们成为了宝贵的案例，帮助科研人员洞悉视力恢复过程中大脑结构的适应性变化、亮度感知机制，以及其他视觉相关机能的诸多奥秘。

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adk9587

在这项新颖研究中，Sinha及其团队对儿童执行了一项基本的物体辨认试验，向他们同时展示彩色及黑白图像。研究揭示，对那些天生视力无碍的儿童而言，将图像转为灰阶并未削弱他们识别图像中物体的能力。相比之下，经由手术移除白内障的儿童在面对非彩色图像时，其表现显著下滑。

基于此现象，研究者推测，儿童早期视觉体验的特性对于培养他们在颜色变化条件下的适应力及无色状态下物体识别的技能至关重要。正常新生儿由于视网膜视锥细胞未完全发育，视力和色觉均较弱，但随年龄增长，视锥系统的发育使视力显著提升。鉴于视觉系统初期的不成熟导致色彩信息接收受限，婴儿大脑或被逼迫学会从色彩线索稀缺的图像中进行有效识别。

另外，他们假设，先天白内障儿童在白内障移除后可能过度依赖色彩信息来辨认物体，这一点在研究中通过证明视觉系统已成熟的儿童在术后立即具备良好色觉得到证实。

为了严谨检验这一理论，研究团队采用标准卷积神经网络AlexNet作为视觉计算模型，模拟人类视觉学习过程。他们以不同方式训练AlexNet识别物体，一部分训练程序初始仅提供灰阶图像，随后引入彩色图像，模拟婴儿视觉成熟过程中的色彩感知逐步增强；另一程序则全程使用彩色图像，接近“普拉卡什计划”儿童在白内障去除后直接接触到全彩世界的经历。

研究显示，受到发育启发的模型能精准识别各类图像中的物体，并能很好地适应其他颜色处理。而仅在彩色图像训练下的模型，在面对灰阶或色调调整的图像时，泛化能力欠佳。

麻省理工学院博士后Lukas Vogelsang说，“这种类似普拉卡什的模型在处理彩色图像时表现非常出色，但在处理其他图像时却非常糟糕。如果不是从最初的颜色退化训练开始，这些模型就无法泛化，这可能是因为它们过度依赖于特定的颜色线索。”

该模型的优秀泛化性能不仅仅是因为它在彩色和灰度图像上都接受过训练，图像呈现的顺序同样关键。实验中，先彩色后灰阶的训练模式在辨认黑白物体上亦不理想，说明“发育序列的安排及其顺序”同样重要。

有限感官输入的优势

通过分析这些模型的内部架构，研究人员发现，那些初时仅接受灰阶输入的模型逐渐擅长利用亮度特征来辨别物体。当这些模型后续接触到彩色输入时，它们并不会大幅调整既定策略，因为它们已掌握了一套有效的识别机制。相反，那些起始即在彩色图像上训练的模型，在后续加入灰阶图像后虽有所调整策略，但这种调整幅度不足以让它们达到先期经历灰阶输入模型的识别精度。

类似的现象也可能发生在人脑中，人脑在生命早期具有更强的可塑性，可以很容易地学会仅根据亮度来识别物体。在生命早期，色彩信息的匮乏实际上可能对发育中的大脑有益，因为它可以学会根据少量的信息识别物体。

麻省理工学院兼职助理研究员Sidney Diamond说，“在新生儿时期，视力正常的儿童在某种意义上被剥夺了色彩视觉。而这恰恰是一种优势。”

Sinha团队已观察到，早期感官输入的限制也会对视觉的其他方面以及听觉系统有益。2022 年，他们利用计算模型发现，早期只接触低频声音（类似于婴儿在子宫内听到的声音），能提高需要在较长时间内分析声音的听觉任务的表现，比如识别情绪。他们如今计划探索这种现象是否会延伸到发育的其他方面，如语言学习。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Marin Vogelsang et al. Impact of early visual experience on later usage of color cues. Science, 2024, doi:10.1126/science.adk9587.