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  • 大脑中的调色板:脑智擘未来

    脑科学对各种脑功能的解析、脑疾病的诊断治疗、类脑智能和脑机接口的技术开发,都具有非常重要的意义,中科院之声与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心联合开设“脑智擘未来”专栏,为大家解读视觉、学习记忆、注意力、抉择、意识、语言、共情、合作等日常生活中常见行为和现象的研究方式和科学发现。

    花花世界,万千色彩,我们人类看到的世界充满了无数种颜色,那么,我们为什么可以看到颜色呢?

    早在17世纪,牛顿就通过著名的三棱镜实验,发现一束白光可以通过三棱镜分解成不同颜色的光,而不同的颜色实际上对应着不同的波长。也就是说,光在本质上是没有颜色的,是我们大脑将不同波长的光转化成了我们所感知到的颜色。

    在我们眼睛的视网膜上,存在着三种视锥细胞,分别对长波、中波、短波敏感,它们可以将光信号转化为电信号。这些电信号从视网膜依次经过外侧膝状体LGN、初级视皮层V1、次级视皮层V2 、视皮层第四区V4和下颞叶皮层IT的加工处理,最终形成颜色感知。那么颜色信息在此加工过程中发生了怎样的变化呢?

    要研究颜色,首先就要对颜色进行量化,颜色的量化需要颜色空间。RGB颜色空间是我们最熟悉的颜色空间,我们日常生活中使用的电视和显示器,就是通过RGB颜色空间来定义颜色的。我们视网膜上分别对长波、中波、短波敏感的视锥细胞就与RGB颜色空间类似,那么我们的大脑是否也是用RGB颜色空间来定义颜色的呢?答案是否定的。我们的大脑是通过认知颜色空间来定义颜色的,比如HSL、HSV颜色空间等。所以我们的大脑对颜色信息的处理过程,就是将类似RGB颜色空间向认知颜色空间进行转化的过程。

    在我们视觉皮层中,编码颜色的细胞是聚集分布的,形成颜色功能区。颜色细胞在初级视皮层V1中分布在斑点区内,在次级视皮层V2中分布于较窄的条带区内,在视皮层第四区V4中分布于团块区中。在这些颜色功能区中,不同颜色的反应是怎样的,不同脑区之间又有什么差别呢?

    最近的一项科研成果利用内源信号光学成像技术,对和人类具有相同预色视觉的猕猴进行观察发现:V1对于红色和蓝色的反应要远强于其他颜色;在V2中,这种反应优势有所减弱;在V4中,各种颜色的反应则更加均匀。也就是说随着皮层等级的升高,皮层对各种颜色的反应强度变得更加均匀,这也是为什么所有的颜色我们都可以同样感知到。

    那么在颜色功能区中,颜色细胞的空间分布是怎样的呢?早在2003年,科学家就发现随着颜色的逐渐变化,颜色在皮层上的激活位置也在逐渐移动,将各种颜色的激活位置标记出来就如同“彩虹”散布在大脑表面,这种排布形式被称作“色相图”。

    科研人员最近通过对记录到的上百个来自V1、V2、V4三个脑区的色相图进行量化比较发现,随着皮层等级的升高,色相图中各种颜色反应区域的位置变得更加均匀,与我们主观颜色感知的认知颜色空间的位置匹配程度随之增高。

    利用更加精密的、具有单细胞分辨率的双光子钙成像技术,研究人员发现:V2中编码不同颜色的细胞,相比于V1,排布更加规则、细胞数量也更加均匀。

    总结来说,随着皮层等级的升高,从V1到V4,皮层对各种颜色的反应起来越均匀,与认知颜色空间的匹配程度逐步升高。当然,即使在V4脑区,色相图也井不能达到与认知颜色空间完美匹配的程度,相信在更高等级的后颞叶皮层IT,会对颜色信息进行进一步的加工处理,最终形成我们的颜色感知。

    来源:中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心

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