發布時間:2022-07-13
花花世界,萬千色彩,我們人類看到的世界充滿了無數種顏色,那么,我們為什么可以看到顏色呢?
早在17世紀,牛頓就通過著名的三棱鏡實驗,發現一束白光可以通過三棱鏡分解成不同顏色的光,而不同的顏色實際上對應著不同的波長。也就是說,光在本質上是沒有顏色的,是我們大腦將不同波長的光轉化成了我們所感知到的顏色。
在我們眼睛的視網膜上,存在著三種視錐細胞,分別對長波、中波、短波敏感,它們可以將光信號轉化為電信號。這些電信號從視網膜依次經過外側膝狀體LGN、初級視皮層V1、次級視皮層V2 、視皮層第四區V4和下顳葉皮層IT的加工處理,最終形成顏色感知。那么顏色信息在此加工過程中發生了怎樣的變化呢?
要研究顏色,首先就要對顏色進行量化,顏色的量化需要顏色空間。RGB顏色空間是我們最熟悉的顏色空間,我們日常生活中使用的電視和顯示器,就是通過RGB顏色空間來定義顏色的。我們視網膜上分別對長波、中波、短波敏感的視錐細胞就與RGB顏色空間類似,那么我們的大腦是否也是用RGB顏色空間來定義顏色的呢?答案是否定的。我們的大腦是通過認知顏色空間來定義顏色的,比如HSL、HSV顏色空間等。所以我們的大腦對顏色信息的處理過程,就是將類似RGB顏色空間向認知顏色空間進行轉化的過程。
在我們視覺皮層中,編碼顏色的細胞是聚集分布的,形成顏色功能區。顏色細胞在初級視皮層V1中分布在斑點區內,在次級視皮層V2中分布于較窄的條帶區內,在視皮層第四區V4中分布于團塊區中。在這些顏色功能區中,不同顏色的反應是怎樣的,不同腦區之間又有什么差別呢?
最近的一項科研成果利用內源信號光學成像技術,對和人類具有相同預色視覺的獼猴進行觀察發現:V1對于紅色和藍色的反應要遠強于其他顏色;在V2中,這種反應優勢有所減弱;在V4中,各種顏色的反應則更加均勻。也就是說隨著皮層等級的升高,皮層對各種顏色的反應強度變得更加均勻,這也是為什么所有的顏色我們都可以同樣感知到。
那么在顏色功能區中,顏色細胞的空間分布是怎樣的呢?早在2003年,科學家就發現隨著顏色的逐漸變化,顏色在皮層上的激活位置也在逐漸移動,將各種顏色的激活位置標記出來就如同“彩虹”散布在大腦表面,這種排布形式被稱作“色相圖”。
科研人員最近通過對記錄到的上百個來自V1、V2、V4三個腦區的色相圖進行量化比較發現,隨著皮層等級的升高,色相圖中各種顏色反應區域的位置變得更加均勻,與我們主觀顏色感知的認知顏色空間的位置匹配程度隨之增高。
利用更加精密的、具有單細胞分辨率的雙光子鈣成像技術,研究人員發現:V2中編碼不同顏色的細胞,相比于V1,排布更加規則、細胞數量也更加均勻。
總結來說,隨著皮層等級的升高,從V1到V4,皮層對各種顏色的反應起來越均勻,與認知顏色空間的匹配程度逐步升高。當然,即使在V4腦區,色相圖也井不能達到與認知顏色空間完美匹配的程度,相信在更高等級的后顳葉皮層IT,會對顏色信息進行進一步的加工處理,最終形成我們的顏色感知。
以上研究成果于2020年作為封面文章發表于權威學術期刊《神經元》雜志,并被評為2020年度中國神經科學重大進展。
作者:中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心 劉曄