2020年8月26日，Neuron期刊在線發(fā)表了題為《獼猴V1，V2和V4等級化的顏色處理機制》的研究論文，該研究由中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、神經(jīng)科學國家重點實驗室王偉研究組與北京大學生命科學學院唐世明教授實驗室合作完成。該研究利用內(nèi)源性信號光學成像、雙光子成像和電生理記錄等手段，詳細描繪了等級化的不同視覺腦區(qū)的色調(diào)圖結(jié)構(gòu)，揭示了認知顏色空間形成的神經(jīng)機制。 

　　人們對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)活動的產(chǎn)物。英國科學家牛頓早在18世紀就意識到，光波是電磁波，它并不具有顏色。我們能識別出的數(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)定的標簽。視網(wǎng)膜上作為光探測器的視錐細胞有三種，分別檢測短波、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，它反映了對視錐信號處理的“加和”能力，色調(diào)和飽和度是另外兩個維度，由不同視錐信號之間的激活差異產(chǎn)生。人類的顏色認知空間，是通過心理認知實驗測量出來的，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、藍三原色理論，紅綠藍三種色調(diào)在色調(diào)圓盤上的距離是相等的。其他的認知顏色空間比如CIELab顏色空間，是基于紅、綠、黃、藍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，從初級視皮層（V1），途徑紋外皮層（V2和V4），到顳側(cè)皮層（IT）的各個視覺腦區(qū)，都發(fā)現(xiàn)了編碼色彩的神經(jīng)元。但是色彩在等級化的不同視覺腦區(qū)是如何進行加工處理的，尤其是如何形成心理主觀層面上的顏色認知空間，根本不清楚。 

　　為探索這個復雜的腦科學問題，該工作利用內(nèi)源性信號光學成像、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物模型，比較研究了從初級（V1）到中高級（V2和V4）三個連續(xù)視覺腦區(qū)，對亮度完全相同的紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色刺激反應(yīng)的神經(jīng)活動。研究發(fā)現(xiàn)在這三個連續(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)斑點區(qū)，編碼不同光波波段的神經(jīng)元就聚集這些斑點區(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，散布在各個視覺大腦表面上。在記錄到的V1神經(jīng)元活動中，占主導地位的是分別位于可見光波段兩端的紅色和藍色刺激反應(yīng)，但這種“末端光譜”神經(jīng)元反應(yīng)優(yōu)勢在V2腦區(qū)逐漸消失，而在V4中幾乎不存在。從神經(jīng)計算的角度分析，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)信號的輸入，從而生成人類認知顏色空間。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)認知。結(jié)合其他更高級腦區(qū)的功能，視覺大腦作為一個整體，產(chǎn)生了對各種各樣離散色調(diào)和亮度敏感的神經(jīng)元反應(yīng)，并組成了一個復雜的神經(jīng)計算網(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簽。該研究的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)，不僅在于對這些色調(diào)圖結(jié)構(gòu)的詳細描繪和研究，更是第一次定量檢測了三個不同等級的視覺皮層的色調(diào)圖（調(diào)色板）與我們主觀認知的色調(diào)空間位置的匹配程度，而這種匹配程度，隨著視覺皮層等級的提高而顯著提升。  

　　劉曄博士和李明博士是本文的共同第一作者。倫敦大學學院的Stewart Shipp博士、曼徹斯特大學的Niall McLoughlin博士、中國科學技術(shù)大學的楊煜鵬博士在研究的不同階段做出了貢獻。本研究得到中國科學院、上海市、國家自然科學基金和教育部的資助。 

　　      A，光的本質(zhì)是電磁波，本身并沒有顏色。視網(wǎng)膜上的視錐細胞可將光譜信息轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號，大腦再將這些信號加工處理最終創(chuàng)造出我們對顏色的主觀感知。B，本研究利用多種技術(shù)手段，描繪并分析了V1、V2、V4三個連續(xù)視覺腦區(qū)中的色調(diào)圖。C，通過定量檢測三個不同等級的視覺皮層的色調(diào)圖（調(diào)色板）與我們主觀認知的色調(diào)空間位置的匹配程度，研究者發(fā)現(xiàn)這種匹配程度隨著視覺皮層等級的提高而顯著提升。