“大腦就像一個(gè)畫家”——我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)大腦內(nèi)部“調(diào)色板”
2020-09-04來源： 中國科學(xué)報(bào)
繽紛色彩是大腦的一種主觀創(chuàng)造。中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心供圖
大千世界，絢麗多彩。然而，英國科學(xué)家牛頓早在300多年前就意識到，光是無色的，但用棱鏡能把陽光分離出七彩光波。人們之所以能看到色彩斑斕的世界，則要?dú)w功于大腦里的“調(diào)色板”。我國科學(xué)家近期的一項(xiàng)研究成果，能幫助人們了解大腦具有的“藝術(shù)家”氣質(zhì)。
中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員王偉團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授唐世明團(tuán)隊(duì)合作，詳細(xì)描繪了等級化的不同視覺腦區(qū)的色調(diào)圖結(jié)構(gòu)，揭示了認(rèn)知層面上的顏色空間色調(diào)圓盤形成的神經(jīng)機(jī)制。相關(guān)研究成果8月26日在線發(fā)表于《神經(jīng)元》。
色彩源自哪里
運(yùn)動(dòng)、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(jīng)活動(dòng)的產(chǎn)物?！肮獠ū旧碇皇请姶挪?，并沒有顏色，我們感知到的色調(diào)實(shí)際上只是大腦對于光的波長信息所添加的一種主觀標(biāo)簽。”王偉告訴記者。
顏色空間有不同的類型，比如生理顏色空間和認(rèn)知顏色空間。王偉解釋，“生理顏色空間是根據(jù)顏色對視網(wǎng)膜上的光感受器——視錐細(xì)胞的激活程度來定義的，用來描述視覺神經(jīng)元編碼外來光譜信息的神經(jīng)信號反應(yīng)，也就是大腦的光譜信息輸入；而認(rèn)知顏色空間，是通過心理物理實(shí)驗(yàn)等方式測量人們對顏色的主觀感受而建立的，描述的是這些外源光譜信息在大腦中經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算整合后，直觀反映的人類對顏色的心理感知和認(rèn)知，相當(dāng)于大腦的光譜信息輸出?！?/p>
人類能識別出的數(shù)千種不同的色調(diào)，是大腦為不同波段的可見光信息設(shè)定的標(biāo)簽。視網(wǎng)膜上作為光探測器的視錐細(xì)胞有3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(diào)和飽和度是另外兩個(gè)維度，由不同視錐信號之間的激活差異產(chǎn)生?；诩t、綠、藍(lán)三原色的顏色認(rèn)知空間，其色調(diào)維度，被描述為“色調(diào)圓盤”。與研究較深入的運(yùn)動(dòng)和形狀視覺相比，顏色在等級化的不同視覺腦區(qū)是如何進(jìn)行加工處理的，尤其是如何形成心理認(rèn)知層面上的“色調(diào)圓盤”的，迄今仍然是謎。
視覺皮層擁有“調(diào)色板”
為探索這個(gè)復(fù)雜的腦科學(xué)問題，研究人員利用內(nèi)源性信號光學(xué)成像、雙光子成像和電生理記錄等多種技術(shù)手段，對比研究了從初級（V1）到中高級（V2和V4）3個(gè)連續(xù)視皮層，對亮度完全相同的紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫7種顏色刺激反應(yīng)的神經(jīng)活動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)編碼不同光波波段的神經(jīng)元在這3個(gè)連續(xù)腦區(qū)內(nèi)聚集在分散的眾多小斑點(diǎn)區(qū)內(nèi)，并在其中形成由相鄰色調(diào)拼接構(gòu)成的“色調(diào)圖”。這些“色調(diào)圖”就好像許許多多大小不等的彩虹，散布在各個(gè)視覺大腦表面上。
研究結(jié)果顯示，隨著視皮層等級的提高，大腦色調(diào)功能圖譜逐漸發(fā)展并接近心理認(rèn)知色調(diào)圖?！拔覀冊谘芯恐?，將視皮層的顏色反應(yīng)與基于紅、綠、藍(lán)三原色和紅、綠、藍(lán)、黃四原色兩種認(rèn)知顏色空間都進(jìn)行了比對，發(fā)現(xiàn)無論使用哪一種認(rèn)知顏色空間，都同樣表現(xiàn)出隨著視皮層等級的提高，大腦顏色反應(yīng)越來越接近認(rèn)知顏色空間?！?/p>
“從神經(jīng)計(jì)算的角度分析，大腦似乎在逐步整合來自視網(wǎng)膜的相互拮抗的視錐神經(jīng)信號的輸入，從而生成人類認(rèn)知顏色空間。”王偉解釋，“大腦作為一個(gè)整體，任何給定光的色調(diào)信息首先存在于V1中，但這種信息在V2和V4腦區(qū)經(jīng)過進(jìn)一步的整合和編碼處理后，初步形成人類各種主觀色調(diào)認(rèn)知，并結(jié)合其他更高級腦區(qū)比如顳側(cè)視皮層IT腦區(qū)神經(jīng)元的功能，大腦組成了一個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，編碼外界千變?nèi)f化的光線變化，最終大腦中產(chǎn)生了豐富多彩的顏色標(biāo)簽?！?/p>
大腦是“點(diǎn)彩派”
在王偉眼里，新印象派的點(diǎn)筆畫，形象地映射了這項(xiàng)最新研究成果?！按竽X就像一個(gè)畫家，運(yùn)用新印象派的點(diǎn)筆畫技術(shù)，不在調(diào)色板上預(yù)先調(diào)色，而是將未混勻的染料直接點(diǎn)在油畫布上，再由視覺大腦中的調(diào)色板調(diào)出新的顏色，最終展現(xiàn)出新印象的‘點(diǎn)彩派’風(fēng)格?！?/p>
專家表示，此項(xiàng)研究的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)，不僅是對這些色調(diào)圖結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描繪和研究，更在于第一次定量檢測了3個(gè)不同等級的視覺皮層的色調(diào)圖（調(diào)色板）與人們主觀認(rèn)知的色調(diào)空間位置的匹配程度。而且，這種匹配程度隨著視覺皮層等級的提高而顯著提升。（中國科學(xué)報(bào)見習(xí)記者何靜）
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