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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——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

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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腦智卓越中心揭示認(rèn)知顏色空間形成的神經(jīng)機(jī)制

2020-08-27 腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心

【字體：大中小】

語音播報(bào)

　　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。

　　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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