科学|世界本来没有颜色？科学家发现大脑中的“调色板”机制
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光的本质是电磁波 ， 本身并没有颜色 。 缤纷颜色是大脑的一种主观创造 ， 是视觉大脑通过对来自视网膜的光谱信息进行加工处理 ， 并赋予不同光谱信息不同的标签 ， 才让人类不仅能在自然界更好地生存 ， 而且还感知到一个多彩绚丽的美丽世界 。 （中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心供图）
大千世界 ， 绚丽多彩 。 然而 ， 英国科学家牛顿早在300多年前就意识到 ， 光是无色的 ， 并用棱镜把阳光分离出七彩光波 。 我们之所以能看到色彩斑斓的世界 ， 则要归功于大脑里的“调色板” 。 我国科学家近期的一项研究成果 ， 让我们了解了大脑具有的“艺术家”气质 。
中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王伟研究员团队与北京大学生命科学学院唐世明教授团队合作 ， 详细描绘了等级化的不同视觉脑区的色调图结构 ， 揭示了认知层面上的颜色空间色调圆盘形成的神经机制 。 相关研究成果8月26日在线发表于《神经元》 。
运动、形状和颜色感知是视觉三大功能 。 人们对缤纷颜色的主观审美感觉各自不同 ， 颜色比其他任何感知觉更能说明感知觉是大脑神经活动的产物 。 “光波本身只是电磁波 ， 并没有颜色 ， 我们感知到的色调实际上只是我们大脑对于光的波长信息所添加的一种主观标签 。 ”王伟告诉《中国科学报》 。
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颜色空间有不同的类型 ， 比如生理颜色空间和认知颜色空间 。 王伟解释 ， “生理颜色空间 ， 是根据颜色对视网膜上的光感受器——视锥细胞的激活程度来定义的 ， 用来描述视觉神经元编码外来光谱信息的神经信号反应 ， 也就是大脑的光谱信息输入；而认知颜色空间 ， 是通过心理物理实验等测量方式测量人们对颜色的主观感受而建立的 ， 描述的则是这些外源光谱信息在大脑中经过复杂的运算整合后直观反映的人类对颜色的心理感知和认知 ， 相当于大脑的光谱信息输出 。 ”
人类能识别出的数千种不同的色调 ， 是大脑为不同波段的可见光信息设定的标签 。 视网膜上作为光探测器的视锥细胞有三种 ， 分别检测短波、中波和长波段的可见光 ， 因此我们感知到的颜色空间也是三维的 。 一维是亮度 ， 它反映了对视锥信号处理的“加和”能力 ， 色调和饱和度是另外两个维度 ， 由不同视锥信号之间的激活差异产生 。
人类的颜色认知空间 ， 是通过心理认知实验测量出来的 。 基于红、绿、蓝三原色的颜色认知空间 ， 其色调维度 ， 被描述为“色调圆盘” 。 与研究较深入的运动和形状视觉相比 ， 颜色在等级化的不同视觉脑区是如何进行加工处理的 ， 尤其是如何形成心理认知层面上的“色调圆盘” ， 迄今仍然是谜 。
为探索这个复杂的脑科学问题 ， 研究人员利用内源性信号光学成像、双光子成像和电生理记录等多种技术手段 ， 对比研究了从初级（V1）到中高级（V2和V4）三个连续视皮层 ， 对亮度完全相同的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色刺激反应的神经活动 。 研究发现编码不同光波波段的神经元在这三个连续脑区内聚集在分散的众多小斑点区内 ， 并在其中形成由相邻色调拼接构成的“色调图” 。 这些“色调图”就好像许许多多大小不等的彩虹 ， 散布在各个视觉大脑表面上 。
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研究结果显示 ， 随着视皮层等级的提高 ， 大脑色调功能图谱逐渐发展并接近的心理认知色调图 。 “我们在研究中 ， 将视皮层的颜色反应和基于红、绿、蓝三原色和红、绿、蓝、黄四原色两种认知颜色空间都进行了比对 ， 发现无论使用哪一种认知颜色空间 ， 都同样表现出随着视皮层等级的提高 ， 大脑颜色反应越来越接近认知颜色空间 。 ”
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