麻省理工學(xué)院的研究人員最近公布了一項(xiàng)突破性研究，揭示了大腦如何能夠出色地識(shí)別彩色圖像，甚至在圖像色彩退化時(shí)也能準(zhǔn)確辨識(shí)。這項(xiàng)研究的成果發(fā)表在2024年5月24日的《Science》雜志上，標(biāo)題為“早期視覺經(jīng)驗(yàn)對(duì)后期顏色線索使用的影響”。

 

研究人員通過一系列實(shí)驗(yàn)和計(jì)算建模，發(fā)現(xiàn)大腦的這種能力源于嬰兒時(shí)期的視覺發(fā)育。在生命早期，嬰兒的視覺系統(tǒng)尚未發(fā)育完全，因此只能接收到有限的顏色信息。這使得大腦必須學(xué)會(huì)根據(jù)物體的亮度和發(fā)光強(qiáng)度來分辨物體，而不是依賴顏色。隨著視網(wǎng)膜和大腦皮層的成熟，大腦能夠處理更豐富的色彩信息，但與此同時(shí)，它也保留了早期習(xí)得的物體識(shí)別能力，并不完全依賴于色彩線索。

 

麻省理工學(xué)院大腦與認(rèn)知科學(xué)教授Pawan Sinha表示：“我們的感知系統(tǒng)在早期是受到限制的，這種限制性的輸入對(duì)感官系統(tǒng)的發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。”這一發(fā)現(xiàn)與先前關(guān)于早期視覺和聽覺限制性輸入的研究相呼應(yīng)，進(jìn)一步證實(shí)了這一觀點(diǎn)。

 

此外，研究還解釋了為什么先天失明但通過手術(shù)恢復(fù)視力的兒童在識(shí)別黑白物體時(shí)會(huì)遇到困難。這些兒童在視力恢復(fù)后立即接觸到豐富的色彩信息，可能導(dǎo)致他們對(duì)色彩信息產(chǎn)生過度依賴，從而降低了對(duì)色彩變化或去除的適應(yīng)能力。

 

為了驗(yàn)證這一理論，研究人員利用標(biāo)準(zhǔn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AlexNet作為視覺計(jì)算模型，模擬了人類視覺的學(xué)習(xí)過程。他們發(fā)現(xiàn)，那些初始階段僅使用灰階圖像進(jìn)行訓(xùn)練的模型，在后續(xù)引入彩色圖像時(shí)能夠表現(xiàn)出色，并且能夠適應(yīng)不同的顏色處理。相比之下，全程使用彩色圖像進(jìn)行訓(xùn)練的模型在面對(duì)灰階或色調(diào)調(diào)整的圖像時(shí)表現(xiàn)較差。

 

麻省理工學(xué)院博士后Lukas Vogelsang解釋說：“這種類似普拉卡什的模型在處理彩色圖像時(shí)表現(xiàn)出色，但在處理其他圖像時(shí)則表現(xiàn)不佳。這可能是因?yàn)樗鼈冞^度依賴于特定的顏色線索，而沒有從早期的顏色退化訓(xùn)練中學(xué)會(huì)更廣泛的識(shí)別策略。”

 

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，圖像呈現(xiàn)的順序?qū)δＰ偷男阅芤灿兄匾绊?。先彩色后灰階的訓(xùn)練模式在識(shí)別黑白物體時(shí)效果不佳，這表明發(fā)育序列的安排和順序同樣關(guān)鍵。

 

通過分析這些模型的內(nèi)部架構(gòu)，研究人員發(fā)現(xiàn)那些初始僅接受灰階輸入的模型逐漸學(xué)會(huì)了利用亮度特征來辨別物體。當(dāng)它們后續(xù)接觸到彩色信息時(shí)，并不會(huì)大幅改變?cè)械淖R(shí)別策略，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)掌握了一套有效的識(shí)別機(jī)制。

 

這項(xiàng)研究不僅揭示了大腦如何適應(yīng)不同的視覺環(huán)境，還為未來的教育和康復(fù)提供了重要啟示。它表明，在嬰兒期提供有限的感官輸入可能有助于促進(jìn)感官系統(tǒng)的發(fā)展，并增強(qiáng)對(duì)后期環(huán)境變化的適應(yīng)能力。