大脑如何识别黑白图像？新研究揭示可能的解释

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1241次浏览发布时间：2024-05-29 09:51:01

　　尽管人类的视觉系统有复杂的处理颜色的机制，但大脑在识别黑白图像中的物体方面没有问题。麻省理工学院的一项新研究为大脑如何如此熟练地识别彩色和彩色退化图像提供了可能的解释。

　　通过实验数据和计算模型，研究人员发现了证据，表明这种能力的根源可能在于发展。在生命早期，当新生儿接收到非常有限的颜色信息时，大脑被迫学会根据物体的亮度或发出的光的强度来区分物体，而不是根据物体的颜色。随着年龄的增长，当视网膜和大脑皮层能够更好地处理颜色时，大脑也会吸收颜色信息，但也会保持之前获得的识别图像的能力，而不需要严重依赖颜色线索。

　　这一发现与之前的研究结果一致，即最初退化的视觉和听觉输入实际上对感知系统的早期发展有益。

　　“这个普遍的想法是，在我们的感知系统中，有一些重要的东西是关于最初的限制的，它超越了色觉和视觉敏锐度。我们实验室在听力方面所做的一些工作也表明，限制新生儿系统最初接触到的信息的丰富程度是很重要的，”麻省理工学院大脑和认知科学教授、该研究的资深作者Pawan Sinha说。

　　这一发现还有助于解释，为什么那些天生失明但后来通过摘除先天性白内障恢复视力的儿童，在识别黑白物体时要困难得多。那些一恢复视力就接受丰富颜色输入的孩子，可能会对颜色产生过度依赖，使他们对改变或删除颜色信息的适应能力大大降低。

　　麻省理工学院的博士后Marin Vogelsang和Lukas Vogelsang以及Prakash项目的研究科学家Priti Gupta是这项研究的主要作者，该研究发表在今天的《Science》杂志上。Sidney Diamond是一位退休的神经学家，现在是麻省理工学院的研究分支机构。

　　黑白分明

　　研究人员对早期色彩体验如何影响后来的物体识别的探索，源于一项对先天性白内障患儿的简单观察，这些患儿出生后视力恢复。2005年，Sinha在印度发起了“普拉卡什项目”(梵语为“光”)，旨在识别和治疗可逆性视力丧失的儿童。

　　这些儿童中有许多因双侧白内障而失明。在印度，这种情况经常得不到治疗。印度拥有世界上最多的盲童，估计有20万到70万。

　　接受普拉卡什项目治疗的儿童也可以参与他们视觉发展的研究，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的变化，大脑如何估计亮度，以及其他与视力有关的现象。

　　在这项研究中，Sinha和他的同事们给孩子们做了一个简单的物体识别测试，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完全没有影响。然而，当接受白内障摘除手术的儿童看到黑白图像时，他们的表现明显下降。

　　这让研究人员推测，儿童早期接触到的视觉输入的本质可能在塑造对颜色变化的适应能力和识别黑白图像中呈现的物体的能力方面起着至关重要的作用。在视力正常的新生儿中，视网膜锥细胞在出生时发育不完全，导致婴儿视力和色觉较差。在生命的最初几年里，随着视锥系统的发展，他们的视力显著改善。

　　由于不成熟的视觉系统接收到的颜色信息明显减少，研究人员假设，在这段时间里，婴儿的大脑被迫熟练地识别颜色线索减少的图像。此外，他们提出，出生时患有白内障，后来摘除白内障的儿童在识别物体时可能会过度依赖颜色线索，因为，正如他们在论文中实验证明的那样，成熟的视网膜，他们在开始术后旅程时具有良好的色觉。

　　为了严格验证这一假设，研究人员使用了一个标准的卷积神经网络AlexNet作为视觉的计算模型。他们训练神经网络识别物体，在训练过程中给它不同类型的输入。作为训练方案的一部分，他们最初只向模型展示灰度图像，然后引入彩色图像。这大致模仿了婴儿在生命最初几年视力成熟时色彩丰富的发展过程。

　　另一种训练方案只包括彩色图像。这与普拉卡什项目儿童的经历很接近，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，受发展启发的模型可以准确地识别任何一种图像中的物体，并且对其他颜色操作也有弹性。然而，仅在彩色图像上训练的prakash代理模型对灰度或色调处理的图像没有很好的泛化。

　　“实际情况是，这个类似普拉卡什的模型在彩色图像上非常好，但在其他任何方面都很差。如果不是从最初的颜色退化训练开始，这些模型就不会泛化，也许是因为它们过度依赖特定的颜色线索，”Lukas Vogelsang说。

　　发展启发模型的强大泛化不仅仅是因为它已经在彩色和灰度图像上进行了训练;这些图像的时间顺序有很大的不同。另一种物体识别模型首先在彩色图像上训练，然后是灰度图像，在识别黑白物体时表现不佳。

　　Sinha说:“重要的不仅是发展舞蹈的步骤，还有它们的顺序。”

　　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，那些从灰度输入开始的模型学会了依靠亮度来识别物体。一旦他们开始接受颜色输入，他们就不会改变他们的方法，因为他们已经学会了一种行之有效的策略。在引入灰度图像后，以彩色图像开始的模型确实改变了它们的方法，但不能像首先给出灰度图像的模型那样精确。

　　类似的现象也可能发生在人类的大脑中，大脑在生命早期具有更多的可塑性，可以很容易地学会仅根据物体的亮度来识别物体。在生命早期，颜色信息的缺乏实际上可能对发育中的大脑有益，因为它学会了基于稀疏的信息来识别物体。

　　“作为一个新生儿，正常视力的孩子在某种意义上被剥夺了色觉。事实证明这是一个优势，”Diamond说。

　　Sinha实验室的研究人员观察到，早期感觉输入的限制也有利于视觉和听觉系统的其他方面。2022年，他们使用计算模型表明，早期只接触低频声音，类似于婴儿在子宫里听到的声音，可以提高需要长时间分析声音的听觉任务的表现，比如识别情绪。他们现在计划探索这种现象是否会延伸到发展的其他方面，比如语言习得。

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