最近的研究为大脑如何学习识别颜色和黑白图像提供了潜在的解释。该研究表明，在发育的早期阶段，当视网膜尚未能够处理颜色信息时，大脑适应于根据亮度区分物体。
尽管人类视觉系统具有处理颜色的先进机制，大脑仍然能够轻松识别黑白图像中的物体。麻省理工学院的一项新研究提出了大脑如何能够熟练识别彩色和失真彩色图像的可能解释。
根据实验数据和计算建模，研究人员发现证据表明，基于亮度而非颜色识别物体的能力可能在生命早期发展。在婴儿期，当婴儿的颜色信息有限时，大脑学习根据光的强度区分物体。随着视网膜和皮层的成熟并变得更擅长处理颜色，大脑吸收颜色信息，但仍然保持其先前获得的在不严重依赖颜色线索的情况下识别图像的能力。
这些发现与一种观点一致，即大脑识别物体的能力不仅仅依赖于颜色，还依赖于其他视觉线索。
研究表明，在早期发展阶段，视觉和听觉输入的退化实际上可以对感知系统产生积极影响。麻省理工学院的教授Pawan Sinha强调了新生系统所接触到信息丰富度的初始局限性的重要性，不仅在颜色视觉和视觉敏锐度的背景下，也在听觉的背景下。
研究结果还为那些出生时失明但在生命后期经过手术去除先天性白内障的儿童为何难以识别黑白物体提供了一个解释。这些儿童在恢复视力后立刻被引入丰富的颜色，可能会过于依赖颜色，使他们对变化或缺少颜色信息的适应性降低。
该研究的主要作者，麻省理工学院的博士后Marin Vogelsang和Lukas Vogelsang，以及项目Prakash的研究科学家Priti Gupta，今天在《科学》杂志上发表了他们的发现。退休的神经科学研究者Sidney Diamond也参与了这项研究。论文的作者包括一位目前在麻省理工学院担任研究附属的神经学家，以及项目Prakash团队的其他成员。研究人员对早期颜色暴露对后期物体识别的影响的兴趣源于他们在一项关于恢复视力的儿童研究中的观察。2005年，Sinha发起了项目Prakash，这是一个旨在识别和治疗视觉损伤可以逆转的儿童的项目。在印度，许多儿童因两侧白内障造成视觉障碍，而这些儿童的数量在20万到70万之间。项目Prakash为这些儿童提供治疗，并允许他们参与视觉发展的研究。这些研究有助于理解恢复视力后大脑组织的变化、大脑对亮度的感知以及其他与视觉相关的现象。在一项研究中，Sinha及其团队通过使用彩色和黑白刺激评估儿童识别物体的能力。
研究发现，对于正常视力的儿童来说，将彩色图像转换为灰度图像并不会影响他们识别物体的能力。然而，经过白内障手术的儿童在面对黑白图像时表现出显著的下降。
这使研究人员建议，儿童在早期生活中获得的视觉输入可能会影响他们适应颜色变化和识别黑白图像的能力。在正常视力的新生儿中，视网膜锥细胞在出生时尚未完全发育，导致他们以灰度的方式看世界。在生命的早期阶段，儿童可能具有较差的视觉敏锐度和颜色视觉，但随着锥体系统的发展，他们的视力会改善。未成熟的视觉系统接受有限的颜色信息，研究人员建议婴儿的大脑必须熟练地识别具有减少颜色线索的图像。他们还提出，出生时患有白内障、后来被移除的儿童在识别物体时可能过于依赖颜色线索。研究人员通过实验演示，随着视网膜的成熟，儿童在手术后可能过于依赖颜色线索。研究人员进行了实验，以研究颜色视觉对学习和发展的影响。他们使用标准卷积神经网络AlexNet来模拟视觉，并训练其识别物体。在训练过程中，网络接收不同类型的输入，包括灰度图像和彩色图像，以模拟婴儿视力中染色丰富的发展进程。另一种训练方案只涉及彩色图像。项目Prakash的儿童在去除白内障后具备处理完整的颜色信息的能力。研究人员发现，他们的模型能够有效识别彩色和灰度图像中的物体，并能够承受颜色操控。然而，仅在彩色图像上训练的Prakash代理模型在面对灰度或色调操控的图像时表现不佳。这表明模型对彩色图像非常精通，但在没有初步接触颜色退化图像时，对其他图像的表现不佳。Lukas Vogelsang解释道，许多模型在泛化上存在困难，可能是由于它们依赖特定的颜色线索。
这种受发展影响的模型在泛化成功并不仅仅是因为它结合了彩色和灰度图像的训练；这些图像的顺序也起着重要作用。另一种最初训练在彩色图像上的物体识别模型，随后再接受灰度图像的训练，在识别黑白对象时表现不佳。
“Sinha强调，‘重要的不仅是发展舞蹈步骤，还有这些步骤发生的顺序。’”
有限感官输入的好处
在检查模型的内部工作时，研究人员发现，最初使用灰度输入的模型学习依赖于亮度来识别物体。即使在开始接收彩色输入时，他们的方法也没有显著改变，因为他们已经掌握了有效的策略。最初采用彩色图像的模型在引入灰度图像时确实改变了其方法，但无法调整到与最初被赋予灰度图像的模型相匹配的准确性。
这在大脑中可能发生类似的现象，该大脑在生命的早期阶段具有适应有限感官输入的潜力。
人类大脑在生命的早期阶段更具适应性，能够轻松学会仅根据亮度识别物体。在生命早期阶段缺乏颜色信息实际上可能对发育中的大脑有利，因为它学习以有限的信息识别物体。Sidney Diamond说：“作为新生儿，正常视力的儿童在某种意义上缺乏颜色视觉。这被证明是一个优势。”Sinha实验室的研究人员还发现，早期感官输入的局限性对视觉和听觉系统的其他方面可能产生积极影响。在2022年，他们使用计算模型证明，早期接触有限的感官信息可能是有益的。研究发现，接触低频声音（类似于婴儿在子宫内听到的声音）可以提高在分析更长时间声音（例如识别情绪）等听觉任务上的表现。研究人员现在旨在调查这种效果是否也适用于其他发展方面，如语言习得。
该研究的资金由美国国立卫生研究院的国家眼科研究所和情报高级研究项目活动提供。
