Меню

Мозг видит цвета которых нет



Цветовая палитра мозга

Почему мы видим цвета? Где в нашей голове рождается цвет? В этих вопросах решили разобраться ученые из Китая, опубликовавшие статью в журнале Neuron. Исследователи смогли выяснить, как и где именно происходит восприятие цвета в мозге и чем становится цвет на языке нейронов.

Credit: public domain

Откуда берется цвет? Все мы еще со школьной скамьи знаем, что цвет – это всего лишь отражение светового луча, имеющее определенную частоту волны, от некой поверхности. Отраженный свет попадает на сетчатку глаза, но не весь. Часть света отражается от поверхности, а другая часть – поглощается ей. Поглощенный свет и обуславливает оттенки, которые мы видим.

Простая школьная истина. Но неужели учителя думают, что этого объяснения достаточно? Кажется, что в нем есть большой пробел. Предположим, часть световых лучей отразилась от поверхности и попала на сетчатку. Но ведь, как писал еще в 18-ом веке Исаак Ньютон, видимый спектр электромагнитного излучения – тот самый свет, который мы можем наблюдать – не имеет окраски, он – прозрачный! Откуда же все-таки появляется цвет?

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Neuron, пытается раскрыть подробности нейронной организации цветового восприятия. Оказалось, что цвет во многом зависит от активности нейронов нашего мозга. Удивлены?

Путь света в мозге

Давайте попробуем разобраться в том, что происходит в мозге, когда мы видим цвета. Вроде бы ясно, что цвет зависит от длины электромагнитной волны, которая попадает к нам в глаза. Ученые сходятся во мнениях, что восприятие цвета начинается с колбочек сетчатки глаза. Таких колбочек всего три, и они ответственны за разные цвета (следовательно, за разные длины волн): зеленые (средневолновые), синие (коротковолновые), и красные (длинноволновые).

Три колбочки вместе формируют так называемое цветовое пространство. Работая друг с другом, колбочки посылают выходные сигналы в первичную зрительную кору (V1). Однако по пути они проходят ряд других зон мозга, в частности, латеральное коленчатое тело таламуса (LGN – lateral geniculate nucleus). В нейронах коленчатого тела сигналы от колбочек дополняются противоположным цветом, и теперь каждый сигнал может быть представлен в двух вариантах: для синего цвета – синим и желтым, для красного – красным и зеленым (и наоборот). Согласно теории Эвальда Херинга, получить всевозможное сочетание цветов можно именно из таких оппонентных цветов в LGN. Сигналы как бы сравниваются между собой, формируя некоторое соотношение, что и определяет получаемый цвет.

В обыденной жизни аналогом такого соотношения может быть получение коричневого цвета при смешивании зеленого и красного, или получение фиолетового из желтого и синего.

Наличие оппонентных цветов отчасти объясняет феномен пост-изображения. Если вы будете долго смотреть, например, на зеленый круг, то затем, закрыв глаза, вы увидите круг красного цвета на закрытом веке. Кажется, что нейроны, ответственные за зеленый цвет, просто устали и, отдыхая, дают возможность активно поработать нейронам оппонентного цвета.

После того, как в LGN произошло первичное различение цветов, сигнал идет дальше в первичную зрительную кору. В ней ученые смогли различить так называемые цветовые круги. Если присмотреться к фотографии ниже, то можно увидеть, что каждому цвету соответствуют нейроны, располагающиеся под определенным углом от центральной точки.

Credit:D. Fitzpatrick et al.

Однако поздние исследования показали, что подобная теория не может объяснить все. Это лишь первый этап в процессе восприятия цветов. Что же происходит дальше? До сих пор остается непонятным, где именно локализовано осознанное восприятие конкретного цвета.

Исследователи из Китая решили изучить цветовое восприятие не на уровне сетчатки и таламуса, а в глубинах коры головного мозга. Ученые из лаборатории докторов Ванга и Танга применили несколько методик, способных показать активность мозга живой макаки на разных уровнях с разным разрешением и на разных стадиях обработки визуального сигнала в коре: в зонах V1, V2 и V4.

Цветовое зонирование

Зона V1 — это первичная зрительная кора. В нее приходят зрительные сигналы после их обработки в латеральном коленчатом теле таламуса. Здесь происходит первичный анализ всей информации, которую мы видим. V1 разбирает картинку на множество составляющих: форму, пространственное расположение, цвет, освещенность и так далее. При этом интересно, что активность нейронов V1 повторяет видимое изображение, но переворачивает его, и выглядит примерно так:

Зона V2 – следующий обязательный этап обработки визуальной информации. В ней происходит реконструкция непрерывных контуров изображения, ряд элементов изображения приобретают свою значимость, выстраивается целостная карта визуального восприятия. Считается, что эта зона вовлечена в формирование зрительной памяти.

Зона V4 – это та область, которая ответственна за восприятие цветов. Если V4 не работает, то возникает церебральная ахроматопсия – расстройство, при котором человек не может различать и использовать цветовую информацию.

Как же узнать, где и как локализуется восприятие цвета? Исследователи использовали оптическую визуализацию внутренних сигналов мозга у бодрствующей макаки в зонах V1, V2 и V4, одновременно применив электрофизиологию высокого разрешения и двухфотонную визуализацию.

Оптическая визуализация внутренних сигналов (ISOI) это техника, предназначенная для картирования динамических процессов в одиночных клетках, слоях или даже в целом мозге. Для ее реализации ученые «прорубают» небольшие «окна» в черепе (или максимально уменьшают толщину кости), через которые затем освещают кору мозга светом от 500 до 650 нм. На это освещение реагирует гемоглобин в нейронах: обогащенный кислородом гемоглобин реагирует на более короткую длину волны, обедненный – на более длинную, что видно на камере.

Читайте также:  Цвет чехла для черного планшета

Двухфотонная визуализация – методика, основанная на возбуждении такого вещества как флуорофор, который излучает свет. Флюорофор впитывает 2-3 фотона длинноволновой электромагнитной волны (красные цвета). Если оба фотона впитываются одновременно, то будет происходить излучение света. Энергия фотонов при этом комбинируется, что позволяет инфракрасным фотонам с низкой энергией возбуждать стандартный флюорофор, который вводят в подопытное животное. Инфракрасный свет проходит глубоко в ткани. Из-за низкой энергии инфракрасный свет оказывается менее опасным, что позволяет использовать такую технологию для живых организмов без риска их повредить.

Данные технологии позволили ученым увидеть постепенное увеличение размеров и четкости хромотопических карт (то есть групп нейронов, которые активируются для конкретных цветов). Такие нейроны группируются в одинаковые каплевидные формы, активирующиеся при восприятии конкретных оттенков. При том ясно прослеживается закономерность: восприятие цветов на конце спектра (красный, фиолетовый) уменьшается от зоны V1 к зоне V4 (то есть активность нейронов меньше) и наоборот, цвета из центра спектра (желтый, зеленый) лучше воспроизводятся от зоны V2 к зоне V4. Видимо, на раннем этапе цветового восприятия наш мозг составляет цветовое пространство, на более поздних этапах другие зоны мозга активно пользуются этим пространством, дополняя его.

Видимое излучение изначально не имеет цвета. Колбочки сетчатки могут конвертировать спектральную информацию в нейронные сигналы, которые затем обрабатываются зрительной корой для того, чтобы в конечном итоге появилось восприятие цвета. Как обрабатываются цветовые сигналы на различных уровнях коры – пока неясно.

Тем не менее нейровизуализация смогла показать так называемую «карту оттенков» — организованные структуры, ответственные за различные оттенки. Иными словами, их можно представить как радугу различной формы, разбросанную по поверхности мозга. Используя несколько методов, ученые сформировали и проанализировали карту оттенков для трех последовательных зон зрительного восприятия – V1, V2 и V4.

Credit: Wei Wang et al / Neuron 2020

Кое-что интересное можно увидеть, если внимательно присмотреться к таким «картам оттенков». Во-первых, эти карты становятся больше по своему размеру от зоны V1 к зоне V4. Во-вторых, они по своей форме повторяют друг друга в каждой зоне. В-третьих, большая цветовая однородность и четкость появляется при приближении к зоне V4 – именно благодаря ей мы начинаем осознавать цвета. Двухфотонная нейровизуализация подтвердила, что нейроны в более высоких зонах мозга (например, V2) более специфичны к восприятию оттенков, чем в более низких (например, V1).

Хочется отметить, что это исследование позволяет сформировать подробное понимание нейропсихологии восприятия цвета, который задействует колбочки сетчатки, проходит через «карты оттенков» в разных зонах мозга и становится осознаваемым в высших структурах мозга. Хочется верить, что результаты данных исследований когда-нибудь расскажут нам, как бороться с различными заболеваниями, которые навсегда обесцвечивают мир человека (ахроматопсия).

Текст: Никита Отставнов

Hierarchical Representation for Chromatic Processing across Macaque V1, V2, and V4 by Ye Liu, Ming Li, Xian Zhang, Niall Mcloughlin, Shiming Tang, Wei Wang in Neuron. Published August 2020

Источник

Это фото черно-белое. И вот почему наш мозг видит цвет

Необычная оптическая иллюзия, стремительно распространяющаяся в Интернете, заставляет наш мозг видеть цветное изображение — но присмотревшись, можно заметить, что фотография на самом деле является черно-белой.

Метод, созданный художником по цифровым медиа и разработчиком программного обеспечения Ойвиндом Колосом в качестве визуального эксперимента, проявляет свой эффект в результате простого наложения сетки из разноцветных линий поверх оригинального черно-белого изображения.

«Перенасыщенная цветная сетка, наложенная на изображение в градациях серого, заставляет ячейки градаций серого восприниматься как имеющие цвет», — объясняет Колос на своей странице Patreon.

Но почему же наш мозг интерпретирует эту черно-белую картинку так, как будто она полноцветная?

По словам Барта Андерсона из Сиднейского университета, в эффекте, который мы наблюдаем в этой иллюзии, нет ничего особенно удивительного.

«Цветовая система — это то, что визуальные ученые называют «низкими частотами», то есть многие из воспринимаемых областей, кодирующих цвет, довольно велики, — сказал Андерсон ScienceAlert. — Таким образом, сетка «усредняется» с ахроматическим фоном, который затем связывается с этой частью изображения».

Другими словами, наш мозг сжимает визуальную информацию, когда мы смотрим на вещи, давая нам общее представление о том, что происходит — если мы не тратим время на тщательное изучение объектов.

Или, можно сказать, небольшое количество цвета имеет большое значение.

Источник

Узреть невидимое. Почему люди не видят ультрафиолет и как язык меняет восприятие цветов

Чтобы получать выгоду от окружающего мира и избегать его опасностей, надо хоть что-то об этом мире знать. Поэтому даже у примитивных сидячих животных, неподвижных и со всех сторон одинаковых, есть чувствительные клетки или целые органы. Они собирают данные об окружающей среде, и уже на основе этих данных животные совершают наиболее подходящие действия.

Организмы научились отличать свет от тьмы очень давно. Для многих животных, в том числе и людей, зрение — основной источник информации об окружающем мире. Как же устроен этот процесс?

Читайте также:  Щенки алабая черного цвета

В первом приближении глаз позвоночных и головоногих моллюсков (одни из самых продвинутых существ в «параллельной» с нами ветке эволюции) устроен как фотоаппарат. Есть линза (хрусталик), есть отверстие, через которое свет попадает на линзу (зрачок). Наконец, есть фотопластинка (или матрица у современных фотоаппаратов) — сетчатка. Чувствительные клетки (фоторецепторы) в ее составе активируются при падении света определенной длины волны. Для каждого типа клеток сетчатки диапазон оптимальных длин волн свой.

Есть две большие группы фоторецепторов — палочки и колбочки. Палочки активировать легко, для этого не нужна сильная освещенность. Но и четкость изображения они дают слабенькую. В этом легко убедиться, если пойти ночью в лес без фонарика: что-то видно, но лишь в общих чертах. А еще совершенно непонятно, какого цвета окружающие предметы. Для распознавания цветов и их оттенков нужны колбочки. Эти рецепторы активировать сложнее, и работают они только при хорошем освещении.

Разные типы колбочек отвечают за распознавание различных цветов, реагируя на свет в узком диапазоне длин волн. Поэтому иметь какой-то один тип колбочек бессмысленно: «палочные сумерки» просто приобретут тот или иной оттенок. Это непрактично и опасно: с таким зрением, например, невозможно будет отличить спелые плоды от неспелых, а незрелые фрукты могут быть ядовитыми. Так что зрячие животные обзавелись минимум двумя типами колбочек.

«У человека три типа колбочек и один тип палочек, — поясняет Павел Максимов, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории обработки сенсорной информации ИППИ РАН. — Даже если бы у нас был всего один тип колбочек и палочки, мы, возможно, могли бы различать цвета, но только при сумеречном освещении, при котором функционируют и палочки, и колбочки. Кроме самих рецепторов нужна соответствующая обработка сигнала. Например, если сигналы от рецепторов разных типов просто сложить, никакой информации о цвете не останется. Зрительная система должна уметь сравнивать сигналы от разных рецепторов, чтобы определить, что сигнал от коротковолновых («синих») колбочек сильнее или слабее, чем от длинноволновых («красных»)».

Колбочки и эволюция

Если животное ориентируется в основном на зрение, ему хорошо бы уметь различать множество разных оттенков, а для этого нужно больше двух типов колбочек.

Колбочный рекордсмен — рак-богомол. У этого своеобразного создания 12 типов колбочек. Оно видит ультрафиолет и определяет поляризацию света (неэквивалентность излучения по различным направлениям в плоскости, перпендикулярной лучу света). По всей видимости, такое многообразие зрительных ощущений помогает ракам размножаться: самцы могут передавать самкам и самцам-конкурентам сигналы, основанные на разной поляризации световых лучей.

Сколько оттенков различают эти ракообразные, не вполне понятно: что рак-богомол различает два световых пучка, только если длины их волн отличаются на 15 нанометров и более. Для сравнения: человек воспринимает два цвета как разные, если длины их волн различаются всего на 1-2 нанометра. Вероятно, дело в том, что нервная система человека куда искуснее «обрабатывает» зрительные сигналы.

У других представителей животного царства набор колбочек поскромнее, но многие из них тоже могут определять поляризацию света. Среди умеющих это делать — птицы, рептилии и многие насекомые: у них по четыре типа колбочек. А вот у млекопитающих, лягушек и тритонов эти рецепторы всего двух типов — остальные общий предок амфибий и зверей утратил. Тем не менее некоторые звери, например кошки и собаки, могут видеть ультрафиолет. Ревунам и обезьянам Старого Света, в том числе людям, удалось «восстановить» третий тип колбочек (на самом деле, заполучить новый) за счет дупликации (удвоения) генов зрительных пигментов. Кстати, столько же вариантов колбочек и у рыб, но у них нет коры головного мозга, поэтому обработка сигнала намного менее совершенна.

«Если рассматривать зрительную систему как черный ящик, то общим свойством у рыб и обезьян является так называемая поправка на освещение, — рассказывает Максимов. — Зрительная система воспринимает не цвета излучений, приходящих в глаз, а окраску наблюдаемых предметов. При изменении освещения меняются спектры отраженных от предметов излучений, но зрительная система вносит поправку на цвет источника освещения, и воспринимаемые цвета предметов остаются такими же. Это свойство зрительной системы называется константностью цветовосприятия». Именно благодаря этой особенности зрения возник «феномен платья»: фотография, которую разные люди видели в разных цветах в зависимости от того, какой базовый цвет мозг «вычитал» из фона.

Интересно, что некоторые опыты на птицах показали, что у птиц нет поправки на освещение. Получается, что они воспринимают не цвета предметов, а цвета отраженных от них излучений. «По-видимому, наличие в зрительной системе птиц четырех типов колбочек позволяет им пользоваться каким-то альтернативным механизмом константности цветовосприятия для узнавания предметов по их окраске», — говорит Максимов.

Несмотря на некоторые различия, нейрофизиология цветовосприятия у позвоночных в общих чертах одинакова. Это означает, что данные, которые были получены при изучении работы структур глаза и головного мозга, отвечающих за зрение у рыб, кошек, обезьян и прочих, можно с некоторыми поправками переносить на человека. Но некоторые аспекты цветовосприятия можно проконтролировать и изучить только на людях. Например, как на способность различать цвета влияет язык.

В каждом языке набор слов для обозначения цветов свой, и он во многом зависит от окружающих условий, в которых развивался тот или иной народ. Например, в языках эскимосов слов, обозначающих снег, гораздо больше, чем у жителей Сахары. В первой половине XX века лингвисты Эдуард Сепир и Бенджамин Ли Уорф выдвинули гипотезу, что северные народы различают больше оттенков белого, чем те, кто видит снег только изредка. Впрочем, некоторые опыты доказывают, что структура языка, если и влияет на восприятие человеком мира (а не наоборот), то лишь отчасти.

Читайте также:  Лепка цветов как бизнес

Например, одно из недавних российских исследований показывает, что люди из разных культур различают цвета одинаково успешно. Китайцы и русские (речь идет о горожанах) показывали схожие результаты, когда им на мониторе предъявляли десятки пар точек, выбранных из 25 различных цветов. Тем не менее на картинах и графике китайских художников оттенки более приглушенные и чаще встречаются черно-белые изображения. На полотнах русских творцов цвета намного сочнее.

Кстати, цветность картин — не единственное «зрительное» отличие китайской культуры от русской. Например, в китайском и японском отдельные слова для синего и зеленого появились не так давно: в этих языках до сих пор есть слова, обозначающие одновременно оба эти цвета. Тем не менее мозг представителей этих народностей реагирует на синий и зеленый по-разному.

Судя по всему, число слов, обозначающих различные «базовые» цвета, зависит не только от условий жизни носителей языка, но и от того, насколько развит этот конкретный язык. В простейших языках по-разному называются только черный и белый. При этом под белым имеют в виду также желтый и красный, а под черным — синий и зеленый, других слов для обозначения цветов нет. В большинстве известных языков следом за черным и белым появляется отдельное слово для красного (при этом красными считаются и желтые предметы). На третьей стадии в пяти из шести произвольно выбранных языков возникает специальное наименование зеленого, под которым в этот момент подразумевают и синий тоже. В ряде исключений зеленый не отделяется от черного и синего, зато начинают различаться ранее «сцепленные» желтый и красный. Наименование синего цвета появляется в этом ряду шестым. Посмотреть, какой язык на какой «цветовой» стадии развития находится, можно здесь.

Мужское и женское

Несмотря на то что тема равенства полов стала очень модной, по части восприятия цветов мужчины и женщины заметно различаются. Скажем, нарушения цветового зрения чаще бывают у мужчин. И дело здесь не только в том, что гены, мутации в которых вызывают потерю какого-нибудь типа колбочек, расположены на Х-хромосоме, которая у сильного пола одна.

Восприятие цветов, как и звуков, зависит от уровня тестостерона в организме. У самых женственных мужчин рецепторов к этому гормону в разы больше, чем у самых крепких женщин. И в частности, их очень много на нейронах головного мозга, особенно в затылочной доле коры — там, куда приходят зрительные сигналы. В итоге у мужчин образуется больше связей между нейронами зрительной коры и зрительных зон таламуса, откуда сигналы попадают в затылочные доли. Кроме того, по не до конца ясным причинам мужчины лучше отслеживают быстро сменяющие друг друга мелкие детали, а женщины хорошо различают оттенки близких цветов. Возможно, эти особенности развились у мужчин из-за того, что в древнем обществе они занимались охотой, а женщины собирали растения и грибы.

Исследование 2001 года показало, что среди женщин гораздо чаще встречаются индивидуумы с четырьмя (а не тремя) типами пигментов — молекул, лежащих в основе работы колбочек (в палочках пигменты тоже есть, но другие). Это одна из причин, почему женщина в среднем может назвать больше разных оттенков, чем мужчина. Наконец, колбочки мужчин настроены на свет чуть больших длин волн, чем зрительные рецепторы женщин: по-видимому, сильный пол при прочих равных видит мир более красным.

Этот раздел альтернативной медицины учит, что различные заболевания, вплоть до рака, можно лечить, давая больному смотреть на определенный цвет в зависимости от того, что болит. Вот только рекомендации к лечению во многих клиниках разные, общего стандарта нет. А это первый звоночек, что цветотерапия — метод непроверенный. Разумеется, цвета, которые человек видит регулярно, могут влиять на его эмоции и на восприятие мира. Но это верно и для любых других элементов обстановки. А изменение настроения — это еще не лечение, хотя вещь в большинстве случаев полезная.

Хотя зрительная система — одна из самых изученных сенсорных систем, оценить, насколько восприятие цветов изменилось в ходе эволюции и как оно отличается у животных разных видов и внутри видов, непросто. Приходится учитывать и число различных типов зрительных пигментов, и строение сетчатки и зрительных областей мозга, и пол, и даже родной язык — если мы говорим о людях. Словесные описания одного и того же предмета при одинаковом освещении от разных авторов могут заметно отличаться. А если тестировать цветовое зрение, не прибегая к словам (например, выделять «особый квадрат» из десятков одинаковых), выяснится, что два человека могут различать два цвета, но мы никогда не узнаем, что точно они видят при этом. Ну и конечно, нейронные сигналы, возникающие в мозге в ответ на какой-либо цвет, совершенно индивидуальны.

Источник