Несмотря на то, что зрительная система человека оснащена сложным механизмом обработки цвета, у мозга нет проблем с распознаванием объектов на черно-белых изображениях. Новое исследование Массачусетского технологического института предлагает возможное объяснение того, как мозг настолько умело распознает как цветные, так и искаженные по цвету изображения.
Используя экспериментальные данные и компьютерное моделирование, исследователи обнаружили доказательства того, что корни этой способности могут лежать в развитии. В раннем возрасте, когда новорожденные получают сильно ограниченную информацию о цвете, мозг вынужден учиться различать объекты на основе их яркости или интенсивности излучаемого ими света, а не их цвета. В более позднем возрасте, когда сетчатка и кора головного мозга лучше приспособлены для обработки цветов, мозг также учитывает информацию о цвете, но при этом сохраняет ранее приобретенную способность распознавать изображения, не полагаясь критически на цветовые сигналы.
Полученные результаты согласуются с предыдущими работами, показывающими, что изначально ухудшенная зрительная и слуховая информация может на самом деле быть полезна для раннего развития систем восприятия.
«Эта общая идея о том, что есть что-то важное в первоначальных ограничениях нашей системы восприятия, выходит за рамки цветового зрения и остроты зрения. Некоторые работы, проделанные нашей лабораторией в контексте прослушивания, также позволяют предположить, что есть что-то важное в ограничении объема информации, которой изначально подвергается неонатальная система», — говорит Паван Синха, профессор кафедры мозга и когнитивных наук в Университете. MIT и старший автор исследования.
Полученные данные также помогают объяснить, почему детям, которые рождаются слепыми, но зрение которых восстанавливается в более позднем возрасте благодаря удалению врожденной катаракты, гораздо труднее распознавать объекты, представленные в черно-белом цвете. У тех детей, которые получают насыщенную цветовую информацию, как только их зрение восстанавливается, может развиться чрезмерная зависимость от цвета, что делает их гораздо менее устойчивыми к изменениям или удалению цветовой информации.
Постдоки Массачусетского технологического института Марин Фогельсанг и Лукас Фогельсанг, а также научный сотрудник проекта Пракаш Прити Гупта являются ведущими авторами исследования, которое опубликовано сегодня в Наука. Сидни Даймонд, невролог на пенсии, который сейчас является исследовательским филиалом Массачусетского технологического института, и другие члены команды Project Prakash также являются авторами статьи.
Видеть в черно-белом цвете
Исследование исследователей того, как раннее восприятие цвета влияет на последующее распознавание объектов, возникло на основе простого наблюдения за детьми, у которых зрение восстановилось после рождения с врожденной катарактой. В 2005 году Синха запустила проект «Пракаш» (санскритское слово «свет») — попытку в Индии выявить и лечить детей с обратимыми формами потери зрения.
Многие из этих детей страдают слепотой из-за плотной двусторонней катаракты. Это заболевание часто остается без лечения в Индии, где проживает самая большая в мире популяция слепых детей, насчитывающая от 200 000 до 700 000 человек.
Дети, получающие лечение в рамках проекта «Пракаш», также могут участвовать в исследованиях своего зрительного развития, многие из которых помогли ученым узнать больше о том, как меняется организация мозга после восстановления зрения, как мозг оценивает яркость и другие явления, связанные со зрением.
В этом исследовании Синха и его коллеги предложили детям простой тест на распознавание объектов, предложив им как цветные, так и черно-белые изображения. У детей, родившихся с нормальным зрением, преобразование цветных изображений в оттенки серого совершенно не повлияло на их способность узнавать изображенный объект. Однако когда детям, перенесшим удаление катаракты, показывали черно-белые изображения, их успеваемость значительно падала.
Это привело исследователей к гипотезе о том, что характер визуальных воздействий, с которыми дети сталкиваются в раннем возрасте, может играть решающую роль в формировании устойчивости к изменениям цвета и способности идентифицировать объекты, представленные на черно-белых изображениях. У нормально зрячих новорожденных колбочки сетчатки при рождении развиты недостаточно, в результате чего у детей снижается острота зрения и цветовое зрение. В первые годы жизни их зрение заметно улучшается по мере развития системы колбочек.
Поскольку незрелая зрительная система получает значительно меньше информации о цвете, исследователи предположили, что за это время мозг ребенка вынужден научиться распознавать изображения с уменьшенными цветовыми сигналами. Кроме того, они предположили, что дети, родившиеся с катарактой и впоследствии удаленные, могут научиться слишком сильно полагаться на цветовые сигналы при идентификации объектов, потому что, как они экспериментально продемонстрировали в статье, со зрелой сетчаткой они начинают свое послеоперационное путешествие. с хорошим цветовым зрением.
Чтобы тщательно проверить эту гипотезу, исследователи использовали стандартную сверточную нейронную сеть AlexNet в качестве вычислительной модели зрения. Они обучили сеть распознавать объекты, передавая ей различные типы входных данных во время обучения. В рамках одного режима обучения они сначала показывали только модельные изображения в оттенках серого, а позже вводили цветные изображения. Это примерно имитирует развитие хроматического обогащения по мере взросления зрения младенцев в первые годы жизни.
Другой режим обучения включал только цветные изображения. Это примерно соответствует опыту детей проекта Пракаш, поскольку они могут обрабатывать полноцветную информацию сразу после удаления катаракты.
Исследователи обнаружили, что модель, вдохновленная развитием, могла точно распознавать объекты на изображениях любого типа, а также была устойчива к другим манипуляциям с цветом. Однако прокси-модель Пракаша, обученная только на цветных изображениях, не показала хорошего обобщения для изображений в оттенках серого или изображений с манипулированием оттенками.
«Происходит следующее: эта модель, подобная Пракашу, очень хороша с цветными изображениями, но очень плоха со всем остальным. Если эти модели не начинаются с первоначального обучения с ухудшением цвета, они просто не обобщают, возможно, из-за чрезмерной зависимости от конкретных цветовых сигналов», — говорит Лукас Фогельсанг.
Надежное обобщение модели, основанной на развитии, является не просто следствием ее обучения как на цветных, так и на полутоновых изображениях; временной порядок этих изображений имеет большое значение. Другая модель распознавания объектов, которая сначала обучалась на цветных изображениях, а затем на изображениях в оттенках серого, не так хорошо распознавала черно-белые объекты.
«Важны не только этапы развивающей хореографии, но и порядок, в котором они выполняются», — говорит Синха.
Преимущества ограниченного сенсорного ввода
Анализируя внутреннюю организацию моделей, исследователи обнаружили, что те, которые начинают с входных данных в оттенках серого, учатся полагаться на яркость для идентификации объектов. Как только они начинают получать информацию о цвете, они не сильно меняют свой подход, поскольку уже усвоили стратегию, которая хорошо работает. Модели, которые начинали с цветных изображений, действительно изменили свой подход после появления изображений в оттенках серого, но не смогли измениться настолько, чтобы сделать их такими же точными, как модели, которым сначала были предоставлены изображения в оттенках серого.
Подобное явление может произойти в человеческом мозге, который в раннем возрасте обладает большей пластичностью и может легко научиться распознавать объекты только на основе их яркости. В раннем возрасте недостаток цветовой информации может оказаться полезным для развивающегося мозга, поскольку он учится распознавать объекты на основе скудной информации.
«Новорожденный ребенок с нормальным зрением в определенном смысле лишен цветового зрения. И это оказывается преимуществом», — говорит Даймонд.
Исследователи из лаборатории Синхи заметили, что ограничения раннего сенсорного восприятия также могут принести пользу другим аспектам зрения, а также слуховой системе. В 2022 году они использовали вычислительные модели, чтобы показать, что раннее воздействие только низкочастотных звуков, подобных тем, которые дети слышат в утробе матери, улучшает производительность при выполнении слуховых задач, требующих анализа звуков в течение более длительного периода времени, таких как распознавание эмоций. Теперь они планируют изучить, распространяется ли это явление на другие аспекты развития, такие как овладение языком.
Исследование финансировалось Национальным глазным институтом НИЗ и Отделом перспективных исследовательских проектов в области разведки.