——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
語音播報(bào)
8月26日,《神經(jīng)元》雜志在線發(fā)表了題為《獼猴V1,V2和V4等級(jí)化的顏色處理機(jī)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)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王偉研究組與北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授唐世明實(shí)驗(yàn)室合作完成。該研究利用內(nèi)源性信號(hào)光學(xué)成像、雙光子成像和電生理記錄等手段,詳細(xì)描繪了等級(jí)化的不同視覺腦區(qū)的色調(diào)圖結(jié)構(gòu),揭示了認(rèn)知顏色空間形成的神經(jīng)機(jī)制。
人們對(duì)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。英國科學(xué)家牛頓早在18世紀(jì)就意識(shí)到,光波是電磁波,它并不具有顏色。人們能識(shí)別出數(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(cè)器的視錐細(xì)胞有三種,分別檢測(cè)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,反映了對(duì)視錐信號(hào)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(hào)之間的激活差異產(chǎn)生。人類的顏色認(rèn)知空間是通過心理認(rèn)知實(shí)驗(yàn)測(cè)量出來的,其中顏色空間的色調(diào)維度,被描述為“色調(diào)圓盤”;基于紅、綠、藍(lán)三原色理論,紅綠藍(lán)三種色調(diào)在色調(diào)圓盤上的距離是相等的。其他的認(rèn)知顏色空間比如CIELab顏色空間,是基于紅、綠、黃、藍(lán)四原色理論來定義的。目前在靈長類視覺大腦腹側(cè)通路中,從初級(jí)視皮層(V1)、途徑紋外皮層(V2和V4),到顳側(cè)皮層(IT)的各個(gè)視覺腦區(qū)都發(fā)現(xiàn)了編碼色彩的神經(jīng)元。但是色彩在等級(jí)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主觀層面上的顏色認(rèn)知空間并不清楚。
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(hào)光學(xué)成像、雙光子成像和電生理記錄等多種技術(shù)手段,以非人靈長類獼猴為動(dòng)物模型,比較研究了從初級(jí)(V1)到中高級(jí)(V2和V4)三個(gè)連續(xù)視覺腦區(qū)對(duì)亮度完全相同的紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色刺激反應(yīng)的神經(jīng)活動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn),在這三個(gè)連續(xù)視覺腦區(qū)內(nèi)都存在著眾多大小不一離散分布的顏色反應(yīng)斑點(diǎn)區(qū),編碼不同光波波段的神經(jīng)元就聚集這些斑點(diǎn)區(qū)內(nèi),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。在記錄到的V1神經(jīng)元活動(dòng)中,占主導(dǎo)地位的是分別位于可見光波段兩端的紅色和藍(lán)色刺激反應(yīng),但這種“末端光譜”神經(jīng)元反應(yīng)優(yōu)勢(shì)在V2腦區(qū)逐漸消失,而在V4中幾乎不存在。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(hào)的輸入,從而生成人類認(rèn)知顏色空間。任何來自視網(wǎng)膜的給定光的色調(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,初步形成人類各種主觀色調(diào)認(rèn)知。結(jié)合其他更高級(jí)腦區(qū)的功能,視覺大腦作為一個(gè)整體,產(chǎn)生了對(duì)各種各樣離散色調(diào)和亮度敏感的神經(jīng)元反應(yīng),并組成了一個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò),以編碼外界千變?nèi)f化的光線變化,在大腦中產(chǎn)生了豐富多彩的顏色標(biāo)簽。
該研究的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)不僅在于對(duì)這些色調(diào)圖結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描繪和研究,更是第一次定量檢測(cè)了三個(gè)不同等級(jí)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,而這種匹配程度隨著視覺皮層等級(jí)的提高而顯著提升。
腦智卓越中心博士劉曄和北京師范大學(xué)博士李明是本文的共同第一作者。倫敦大學(xué)學(xué)院博士Stewart Shipp、曼徹斯特大學(xué)博士Niall McLoughlin、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士楊煜鵬在研究不同階段做出了貢獻(xiàn)。該研究得到中科院、上海市、國家自然科學(xué)基金委和教育部的資助。
世界本無色,因你而絢麗
A:光的本質(zhì)是電磁波,本身并沒有顏色。視網(wǎng)膜上的視錐細(xì)胞可將光譜信息轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào),大腦再將這些信號(hào)加工處理最終創(chuàng)造出我們對(duì)顏色的主觀感知。B:研究利用多種技術(shù)手段,描繪并分析了V1、V2、V4三個(gè)連續(xù)視覺腦區(qū)中的色調(diào)圖。C:通過定量檢測(cè)三個(gè)不同等級(jí)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,研究發(fā)現(xiàn)這種匹配程度隨著視覺皮層等級(jí)的提高而顯著提升。
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