研究解释了为什么大脑即使没有颜色也能准确识别图像 | MIT 新闻

尽管人类视觉系统拥有处理色彩的复杂机制，但大脑在识别黑白图像中的物体时却毫无问题。麻省理工学院的一项新研究为大脑如何如此擅长识别彩色和色彩退化的图像提供了一种可能的解释。

研究人员利用实验数据和计算模型，发现证据表明这种能力的根源可能在于发育。在生命早期，当新生儿接收到的颜色信息非常有限时，大脑被迫学会根据物体的亮度或发出的光的强度而不是颜色来区分物体。在生命的后期，当视网膜和皮层能够更好地处理颜色时，大脑也会吸收颜色信息，但也会保持其先前获得的识别图像的能力，而无需过分依赖颜色线索。

该结果与之前的研究一致，表明最初退化的视觉和听觉输入实际上可能有益于感知系统的早期发育。

“这一普遍观点认为，我们的感知系统最初存在的局限性非常重要，这种观点超越了色觉和视敏度。我们实验室在听觉方面所做的一些工作也表明，限制新生儿系统最初接触的信息丰富程度非常重要，”麻省理工学院大脑与认知科学教授、这项研究的资深作者 Pawan Sinha 说道。

研究结果还有助于解释为什么天生失明、后来通过先天性白内障摘除术恢复视力的儿童，在辨别黑白物体时会困难得多。这些儿童在恢复视力后立即获得了丰富的色彩输入，他们可能会过度依赖色彩，这使得他们对色彩信息的变化或缺失的适应能力大大降低。

麻省理工学院博士后 Marin Vogelsang 和 Lukas Vogelsang 以及 Prakash 项目研究科学家 Priti Gupta 是这项研究的主要作者，该研究 今天出现 在 科学. 现任麻省理工学院研究员的退休神经病学家 Sidney Diamond 以及 Prakash 项目团队的其他成员也是该论文的作者。

黑白分明

研究人员对早期色彩体验如何影响日后物体识别的探索源于一项对先天性白内障患儿恢复视力的研究的简单观察。2005 年，Sinha 发起了 普拉卡什计划 （梵语中意为“光”），是印度为识别和治疗患有可逆性视力丧失的儿童而做出的一项努力。

许多儿童因严重的双侧白内障而失明。印度的这种疾病往往得不到治疗，该国是世界上盲童最多的国家，估计有 20 万至 70 万名盲童。

通过 Prakash 项目接受治疗的儿童还可以参与有关他们的视觉发育的研究，其中许多研究帮助科学家更多地了解视力恢复后大脑组织如何变化、大脑如何估计亮度以及其他与视觉有关的现象。

在这项研究中，辛哈和他的同事给孩子们做了一个简单的物体识别测试，同时展示了彩色和黑白图像。对于天生视力正常的儿童来说，将彩色图像转换为灰度图像对他们识别所描绘物体的能力没有任何影响。然而，当接受白内障摘除术的儿童看到黑白图像时，他们的表现显著下降。

这使得研究人员推测，儿童在生命早期接触的视觉输入的性质可能在塑造对颜色变化的适应力和识别黑白图像中呈现的物体的能力方面发挥着至关重要的作用。在视力正常的新生儿中，视网膜锥细胞在出生时发育不良，导致婴儿视力较差和色觉较差。在生命的最初几年里，随着锥体系统的发育，他们的视力会显著改善。

由于尚未成熟的视觉系统接收的色彩信息明显减少，研究人员推测，在此期间，婴儿大脑被迫熟练掌握色彩线索减少的图像识别能力。此外，他们提出，天生患有白内障并在之后进行摘除的儿童在识别物体时可能会过度依赖色彩线索，因为正如他们在论文中通过实验证明的那样，由于视网膜成熟，他们在术后一开始就具有良好的色彩视觉。

为了严格验证这一假设，研究人员使用标准卷积神经网络 AlexNet 作为视觉计算模型。他们训练网络识别物体，在训练过程中为其提供不同类型的输入。作为一项训练方案的一部分，他们最初只向模型展示灰度图像，然后引入彩色图像。这大致模拟了婴儿视力在生命最初几年成熟时色彩丰富的发展过程。

另一项训练方案仅包含彩色图像。这近似于 Prakash 计划儿童的经历，因为他们在白内障摘除后就能处理全彩色信息。

研究人员发现，受开发启发的模型可以准确识别两种图像中的物体，并且对其他颜色处理也具有弹性。然而，仅在彩色图像上训练的 Prakash-proxy 模型对灰度或色调处理图像没有表现出良好的泛化能力。

“实际情况是，这种类似 Prakash 的模型在处理彩色图像时表现非常好，但在处理其他图像时表现很差。如果不从最初的色彩降级训练开始，这些模型就无法推广，这可能是因为它们过度依赖特定的颜色线索，”Lukas Vogelsang 说道。

受发展启发的模型的稳健泛化不仅仅是因为它在彩色和灰度图像上都经过训练；这些图像的时间顺序有很大的不同。另一个物体识别模型首先在彩色图像上进行训练，然后在灰度图像上进行训练，在识别黑白物体方面表现不佳。

辛哈说：“重要的不仅是发展编排的步骤，还有它们的表演顺序。”

有限感官输入的优势

通过分析模型的内部组织，研究人员发现，那些以灰度输入开始的模型学会了依靠亮度来识别物体。一旦它们开始接受颜色输入，它们就不会改变太多方法，因为它们已经学会了一种行之有效的策略。从彩色图像开始的模型在引入灰度图像后确实改变了方法，但改变幅度不足以使它们像先接受灰度图像的模型一样准确。

类似的现象也可能发生在人类大脑中，因为人类大脑在生命早期具有更大的可塑性，可以很容易地学会仅根据亮度来识别物体。生命早期，颜色信息的匮乏实际上可能对大脑的发育有益，因为它学会根据稀疏信息来识别物体。

“从某种意义上说，视力正常的新生儿会丧失色觉。而这反而是一种优势，”戴蒙德说。

Sinha 实验室的研究人员发现，早期感官输入的局限性也会对视觉和听觉系统的其他方面有益。2022 年，他们使用计算模型表明，早期只接触低频声音（类似于婴儿在子宫中听到的声音）可以提高听觉任务的表现，这些任务需要长时间分析声音，例如识别情绪。他们现在计划探索这种现象是否延伸到发展的其他方面，例如语言习得。

这项研究由美国国立卫生研究院国家眼科研究所和情报高级研究计划活动资助。