發(fā)布時(shí)間：2020-08-26
---世界本無(wú)色，因你而絢麗
2020年8月26日，《Neuron》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《獼猴V1，V2和V4等級化的顏色處理機制》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室王偉研究組與北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院唐世明教授實(shí)驗室合作完成。該研究利用內源性信號光學(xué)成像、雙光子成像和電生理記錄等手段，詳細描繪了等級化的不同視覺(jué)腦區的色調圖結構，揭示了認知顏色空間形成的神經(jīng)機制。
人們對繽紛顏色的主觀(guān)審美感覺(jué)各自不同，顏色比其他任何感知覺(jué)更能說(shuō)明感知覺(jué)是大腦神經(jīng)活動(dòng)的產(chǎn)物。英國科學(xué)家牛頓早在18世紀就意識到，光波是電磁波，它并不具有顏色。我們能識別出的數千種不同的色調，是大腦為不同波段的可見(jiàn)光信息設定的標簽。視網(wǎng)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(cháng)波段的可見(jiàn)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(gè)維度，由不同視錐信號之間的激活差異產(chǎn)生。人類(lèi)的顏色認知空間，是通過(guò)心理認知實(shí)驗測量出來(lái)的，其中顏色空間的色調維度，被描述為“色調圓盤(pán)”；基于紅、綠、藍三原色理論，紅綠藍三種色調在色調圓盤(pán)上的距離是相等的。其他的認知顏色空間比如CIELab顏色空間，是基于紅、綠、黃、藍四原色理論來(lái)定義的。目前在靈長(cháng)類(lèi)視覺(jué)大腦腹側通路中，從初級視皮層（V1），途徑紋外皮層（V2和V4），到顳側皮層（IT）的各個(gè)視覺(jué)腦區，都發(fā)現了編碼色彩的神經(jīng)元。但是色彩在等級化的不同視覺(jué)腦區是如何進(jìn)行加工處理的，尤其是如何形成心理主觀(guān)層面上的顏色認知空間，根本不清楚。
為探索這個(gè)復雜的腦科學(xué)問(wèn)題，該工作利用內源性信號光學(xué)成像、雙光子成像和電生理記錄等多種技術(shù)手段，以非人靈長(cháng)類(lèi)獼猴為動(dòng)物模型，比較研究了從初級（V1）到中高級（V2和V4）三個(gè)連續視覺(jué)腦區，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(jīng)活動(dòng)。研究發(fā)現在這三個(gè)連續視覺(jué)腦區內都存在著(zhù)眾多大小不一離散分布的顏色反應斑點(diǎn)區，編碼不同光波波段的神經(jīng)元就聚集這些斑點(diǎn)區內，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(gè)視覺(jué)大腦表面上。在記錄到的V1神經(jīng)元活動(dòng)中，占主導地位的是分別位于可見(jiàn)光波段兩端的紅色和藍色刺激反應，但這種“末端光譜”神經(jīng)元反應優(yōu)勢在V2腦區逐漸消失，而在V4中幾乎不存在。從神經(jīng)計算的角度分析，大腦似乎在逐步整合來(lái)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(lèi)認知顏色空間。任何來(lái)自視網(wǎng)膜的給定光的色調信息首先存在于V1中，但這種信息在V2和V4腦區經(jīng)過(guò)神經(jīng)元的進(jìn)一步的信息整合和編碼處理后，初步形成人類(lèi)各種主觀(guān)色調認知。結合其他更高級腦區的功能，視覺(jué)大腦作為一個(gè)整體，產(chǎn)生了對各種各樣離散色調和亮度敏感的神經(jīng)元反應，并組成了一個(gè)復雜的神經(jīng)計算網(wǎng)絡(luò )，以編碼外界千變萬(wàn)化的光線(xiàn)變化，在大腦中產(chǎn)生了豐富多彩的顏色標簽。該研究的創(chuàng )新發(fā)現，不僅在于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(gè)不同等級的視覺(jué)皮層的色調圖（調色板）與我們主觀(guān)認知的色調空間位置的匹配程度，而這種匹配程度，隨著(zhù)視覺(jué)皮層等級的提高而顯著(zhù)提升。
劉曄博士和李明博士是本文的共同第一作者。倫敦大學(xué)學(xué)院的Stewart Shipp博士、曼徹斯特大學(xué)的Niall McLoughlin博士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的楊煜鵬博士在研究的不同階段做出了貢獻。本研究得到中國科學(xué)院、上海市、國家自然科學(xué)基金和教育部的資助。
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