麻省理工学院的研究人员近日在《Science》期刊上发表了一项新研究，揭示了大脑为何能出色地识别彩色图像及彩色退化图像（color-degraded images）的潜在机制。通过深入的实验数据和计算建模，他们发现这种能力很可能根植于婴儿期的视觉发育过程。论文标题为“Impact of early visual experience on later usage of color cues”，发表于2024年5月24日。
研究发现，在生命早期，由于新生儿视网膜和大脑皮层的色彩处理能力有限，他们往往依赖于亮度或发光强度而非颜色来识别物体。然而，随着视网膜和大脑皮层的成熟，大脑开始整合色彩信息，但并不会完全放弃之前基于亮度识别的能力。这一发现与先前的研究相呼应，强调了早期视觉与听觉的限制性输入对感官系统发展的促进作用。
麻省理工学院大脑与认知科学教授Pawan Sinha指出：“我们的感知系统在早期阶段通常受到限制。我们的研究也表明，限制新生儿最初接触到的信息丰富程度是至关重要的。”Sinha的研究团队通过对早期色彩经验如何影响后期物体识别的研究，进一步探讨了先天性白内障患儿复明后的情况。
这些儿童在视力恢复后往往难以识别黑白物体，因为他们可能过度依赖色彩信息。为了验证这一假设，研究团队对正常儿童和复明后的白内障儿童进行了一系列物体识别测试，结果支持了这一观点。
为了更深入地了解这一过程，研究人员利用计算建模技术模拟了人类的视觉学习过程。他们使用标准卷积神经网络AlexNet，通过不同的训练方式模拟婴儿视觉成熟过程中色彩感知的逐步增强。结果显示，受到发育启发的模型在识别彩色和灰阶图像方面均表现出色，并具备良好的泛化能力。相比之下，仅使用彩色图像进行训练的模型在处理灰阶或色调调整图像时表现较差。
研究还发现，模型的训练顺序对其表现有重要影响。那些首先接触灰阶图像，随后引入彩色图像的模型在识别黑白物体时表现更佳。这表明“发育序列的安排及其顺序”在视觉发展中具有关键作用。
此外，通过分析模型的内部架构，研究人员发现那些最初仅接受灰阶输入的模型逐渐学会了利用亮度特征来辨别物体。当这些模型后续接触到彩色输入时，它们并不会大幅调整既定策略，因为它们已经掌握了一套有效的识别机制。
这一发现不仅为理解大脑如何识别彩色图像和退化图像提供了新的视角，也为先天性白内障患儿的视觉康复提供了新的思路。通过模拟婴儿期的视觉发育过程，研究人员可能能够开发出更有效的康复方法，帮助这些儿童更好地适应色彩丰富的世界。
