馬來西亞裔美國科學家吳義仁是光場相機的發明者。其本碩博均畢業於美國斯坦福大學，他在博士畢業論文中重點介紹了光場相機，後來這一論文獲得 2006 年美國計算機協會（ACM）博士論文獎。
博士畢業之後，吳義仁創辦 Lytro 公司並聚焦於光場相機的落地。據《Inside Apple》一書披露，蘋果公司聯合創始人喬布斯在生前最後幾個月，主動提出要和吳義仁會面 [1]。後來，吳義仁離開業界加入美國加州大學伯克利分校從事學術研究至今。
圖 | 吳義仁，圖片攝於 2012 年（來源：維基百科）
近日，吳義仁和團隊發現一種超出人類色覺範圍的新顏色，必須使用雷射照射視網膜才能看到它。目前，僅有五位受試者見過這種顏色。相關論文已於近日發在 Science Advances。
該團隊將這種顏色顯示原理命名為“Oz”，這一名字來源於《綠野仙蹤》的英文名 The Wonderful Wizard of Oz，書中描述了前往翡翠城的旅程，那裡的景色呈現出耀眼的綠色。
（來源：Science Advances）
基於本次成果，該團隊希望能夠製造出一種螢幕，這種螢幕能夠掃描人類的視網膜，透過向單個視錐細胞傳遞光線可以顯示更加高質量的影像和影片，從而呈現出清晰、無畫素化的視覺效果。同時，Oz 也能用來讓先天性色盲患者首次體驗到綠色和紅色等顏色，但這並不能發展成為一種真正的治療方法，因為 Oz 帶來的體驗是短暫的。
普通人眼能夠看到的顏色種類略低於 1000 萬種。而該團隊表示，他們首次突破了人類所熟悉的色譜，進入了一個全新的色彩世界。研究中，他們使用雷射裝置刺激了五名受試者的視網膜，讓他們成為首批看到超出人類視覺範圍的顏色的人。據這些受試者的描述，這是一種飽和度高到近乎不可思議的藍綠色。
參與本次研究的五名受試者，其中有三人是本次論文的共同作者，另外兩人是來自於美國華盛頓大學的研究同行。
吳義仁本人也是受試者之一。實驗中，他走進一個昏暗的實驗室並坐在一張桌子前，實驗室裡有雷射器、鏡子、可變形鏡、調製器和光探測器。在那裡，他必須用力咬住一根杆子，以便保持頭部和眼睛處於靜止狀態。當雷射照射到他的視網膜上時，他看到了一小塊光。在那塊光中他看見了《綠野仙蹤》中翡翠城的顏色。隨後，他和團隊將這種顏色命名為“olo”。
對於 olo 這種顏色，吳義仁將描述為“是一種有著前所未有飽和度的藍綠色”，這也是人腦在接收到眼睛從未傳遞過的訊號後所產生的一種感知。在電腦螢幕上，最接近 olo 的顏色是青色，即十六進位制程式碼 #00ffcc 所代表的顏色。
儘管目前大多數人無法親眼看見 olo 這一顏色，但我們可以透過電腦調色來“想象”這種顏色。你可以將電腦螢幕調整為青色，在保持色調本身不變的同時，逐漸地增加飽和度，直到達到螢幕所能顯示顏色的極限，這時繼續增加飽和度，就能達到人類能感知到的飽和度極限，這便是人類從幾乎完全發出青色光的雷射筆中所能看到的效果，而 olo 則比這更進一步。
為了驗證受試者所看到的 olo 是否真的超出人類標準視覺範圍的顏色，研究人員進行了顏色匹配實驗。
實驗中，他們將 olo 與青色雷射進行比較，並透過增加或減少白光來調整顏色飽和度。所有受試者都發現，如果向 olo 中加入白光使其去飽和，那麼新顏色就會與雷射相匹配，藉此證實 olo 確實超出了人類正常的色覺範圍。
透過逐個細胞的光傳遞，直接控制人眼感光細胞的活動
Oz 背後的原理是透過逐個細胞的光傳遞，來直接控制人眼感光細胞的活動。
原則上，透過這種方法可以顯示任意顏色的視覺影像。其前提條件在於：當眼球運動的時候，讓影像穿過視網膜，以便能夠精確再現每個感光細胞處的動態刺激水平。
（來源：Science Advances）
為了驗證上述原理，研究人員在一個 Oz 原型系統上開展真人實驗，以便能夠刺激數千個視網膜錐細胞。
理論來講，Oz 能夠顯示超出人類自然視覺已知有界色域的顏色。
在正常的色覺中，任何刺激 M 視錐細胞的光線，也必須刺激其相鄰的 L 視錐細胞或 S 視錐細胞，因為 M 視錐細胞的光譜響應函式位於 L 視錐細胞和 S 視錐細胞的光譜響應函式之間，並且與之完全重疊。
然而，Oz 刺激只能將光線對準 M 視錐細胞，並不能對準 L 或 S 視錐細胞，這會向大腦傳送一種在自然視覺中從未出現過的顏色訊號。
這也意味著，理論上 Oz 可以將自然人色域擴充套件到任何顏色座標。
（來源：Science Advances）
此前，能夠選擇性地激發 M 視錐細胞的技術，是一種一次僅將光瞄準一兩個視錐細胞的技術。
除了針對視錐細胞的方法外，其他的以選擇性方式激發 M 視錐細胞的方法，僅僅使用視覺預適應的方式，例如在顯示綠光之前使用紅光漂白 L 光敏色素。
由於這種感知必須依賴於短暫的適應狀態和餘像，因此難以進行精確測量。
另一種名為“靜默替代”的方法可以將啟用變化隔離到 M 視錐細胞，但是需要其他視錐細胞類別的基線啟用，並且無法顯示超出人類色域的顏色。
相比上述方法，此次提出的 Oz 原型能夠在足夠大的區域上顯示超出自然人類色域的顏色，從而可以進行顏色匹配，不僅持續時間更長，而且還能在任意彩色影像範圍內顯示。
據介紹，Oz 原型是一個基於錐形靶向方法的原理驗證原型，它建立在自適應光學掃描眼底鏡（AOSLO，adaptive optics scanning light ophthalmoscopy）之上。
研究中，該團隊使用自適應光學光學相干斷層掃描（AO-OCT，adaptive optics optical coherence tomography）技術，針對每位受試者的 103 個視網膜錐細胞進行 LMS 型別的光譜預分類。
然後，他們使用自適應光學掃描眼底鏡透過在紅外波段對視網膜進行成像，以近乎不可見的方式在細胞層面追蹤眼球運動，並在每秒向每個視錐細胞精準投射 105 個可見波長雷射微劑量，從而讓受試者產生 Oz 感知。
研究人員所使用的原型視場，是一個以 4° 為中心、0.9° 見方的區域，其位於受試者的注視目標附近。
實驗中，他們透過顏色匹配實驗繪製了 Oz 顏色的經驗色彩空間座標，並收集了關於色調和飽和度的定性判斷。
實驗證實：上述原型在 Oz 中成功呈現出了一系列色調，例如使用通常看起來為綠色的 543 奈米激發雷射，可以呈現出從橙色到黃色、綠色再到藍綠色的變化。
此外，顏色匹配實驗結果顯示：僅僅透過刺激 M 視錐細胞所呈現的出顏色，超出了人類自然色域的範圍。
受試者表示：在原型系統中，當與中性灰色背景相比時，olo 呈現出前所未有的飽和度的藍綠色。
受試者還發現必須透過新增白光來降低 olo 的飽和度，之後才能使其與最接近的、位於色域邊界的單色光實現顏色匹配，這證明 olo 確實處於色域之外。
在對照實驗中，如果“抖動”每束雷射微劑量的目標位置，使其錯誤地落在隨機相鄰的細胞上，那麼 Oz 顏色會如預期那樣與雷射的自然顏色“匹配”即開始出現“塌縮”。
此外，受試者能夠清晰地感知影像和影片中的 Oz 色調，例如感知到 olo 背景上的一條定向紅線或一個旋轉紅點。而在“抖動”條件下，則無法感知到這些。
（來源：Science Advances）
探索人類神經的可塑性
這裡有必要介紹一下色度三角形，它是一種用於表示顏色混合關係的幾何圖形，在色度學中具有重要作用。
事實上，整個色度三角形區域本身就是一個更大的色域。假設處於理想化條件之下，光能夠完美地定位到目標視錐細胞，那麼在 Oz 中透過對單個細胞的刺激就可以獲得這個色域。
然而，在實操中一小部分光線會錯過目標視錐細胞並刺激鄰近細胞，從而導致最終的啟用模式從預期的 Oz 顏色偏移至雷射的自然顏色。
其中關鍵因素包括：雷射微劑量在視網膜上的點擴散函式（PSF，point-spread function）與視錐細胞間距的關係、視錐細胞的空間聚光功能、眼球運動過程中微劑量定位的誤差、視網膜的 L:M:S 視錐細胞比例以及刺激波長。
當在 4° 偏心度去刺激視網膜時，衍射受限的點擴散函式將使 Oz 能夠處理 LMS 三角形中幾乎所有可能的色度，但在視錐細胞最小的中央凹處則無法實現。（注：LMS 三角形，是基於人眼視網膜中三種不同型別視錐細胞的響應特性構建而來。）
在實際操作中，光的總體洩漏不僅僅是由衍射造成的，還受到諸如自適應光學聚焦後殘餘像差以及眼動過程中計算延遲導致的微劑量靶向誤差等因素的影響。
儘管很難直接測量這些因素，但是研究人員所使用的模型與實驗顏色匹配資料的最佳擬合表明：在視錐細胞捕獲的光線中，三分之一被限制在目標細胞內，三分之二被相鄰的視錐細胞捕獲。
雖然存在意外的漏光問題，但是在 Oz 原型中，這種精確度仍能顯示超出自然人類色域的顏色。
該團隊發現在給定刺激波長之下，對於 L 視錐細胞、M 視錐細胞和 S 視錐細胞的相對反應來說，根據在該波長下響應的視錐細胞型別的數量，可以形成三角形、直線或單個點。
而透過在 0.9° 的方形視場內，以接近衍射極限的雷射進行光柵掃描，研究人員同時能夠針對視網膜進行成像和刺激。
透過使用幾乎不可見的紅外光對視網膜進行成像，可以即時地追蹤眼球運動，並能以動態方式向視野範圍內的每個視錐細胞發射精準定位的可見波長雷射脈衝。
其中，雷射微劑量會以每秒 105 次的頻率，被傳遞到 103 個視錐細胞群體中。
要想透過錐體靶向刺激實現預期的 LMS 啟用，就必須瞭解每個錐體的光譜型別。為此，課題組利用視網膜光學成像技術，在自適應光學相干斷層掃描系統中，根據受試者視網膜中視錐細胞的譜型對其進行分類。
期間，他們使用了一個包含 1000 個-2000 個視錐細胞的分類區域，這些視錐細胞位於中央凹偏心 4° 附近。
然後，研究人員向真人受試者進行 Oz 刺激，並進行均勻 Oz 顏色方塊的色彩匹配以及影像和影片的識別實驗。
所有 Oz 刺激均在 0.9° 的方視場內呈現，與注視點相鄰 4°，以便確保刺激區域落在視網膜的分類區域內。
作為對照條件，刺激物會被隨機重複，並且微劑量輸送會被故意削弱。
在對照試驗之中，每個微劑量都會隨機“抖動”，使其落在距離目標兩個錐體遠的位置。
然後，研究人員進行顏色匹配實驗，以便測量 Oz 顏色的色度座標。
他們測試了兩種不同的刺激波長：第一種的波長是 488 奈米，它可以啟用所有三種視錐細胞（L、M 和 S）；第二種的波長是 543 奈米，它接近 L 和 M 的峰值波長，且對 S 的啟用作用極小。
接著，課題組使用兩種不同的顏色匹配系統：一是紅綠藍投影儀，二是波長可調的近單色雷射，該雷射可與白色投影儀光線混合。與此同時，後者可以產生位於自然人類色域邊緣的顏色。
針對五名受試者該團隊累計進行了 222 次顏色匹配，並據此總結出四個主要發現：
首先，Oz 顏色在 488 奈米的刺激波長下會形成一個三角形，在 543 奈米的波長下形成一條顏色線，這與“逐細胞顏色理論”部分的理論一致。
其次，“抖動”會讓顏色向刺激波長“塌縮”。
第三，隨著 Oz 顏色與色彩匹配系統色域的距離增加，匹配 LMS 色度的方差也會增大。
第四，olo 確實超出了自然人類色域的範圍。
與需要至少三種基色的傳統同色異譜不同，研究人員證明空間同色異譜能夠從單一單色光中產生一系列顏色。
研究人員表示，Oz 代表了一種新型視覺科學和神經科學實驗平臺，該平臺致力於實現對大腦第一層神經元的完全控制，以及在每個時間點對每個感光細胞啟用的可程式設計性。
Oz 能夠克服持續的固視眼動和眼部光學像差帶來的挑戰，準確地將微劑量輸送到目標視錐細胞。基於這種新型可程式設計平臺，人們將能開展各種新實驗。
總的來說，透過這種方法可以靈活地探索人類神經的可塑性，例如嘗試在紅綠色盲者中誘發完整的三色視覺，或在人類三色視者中誘發四色視覺等。
參考資料：
1.https://baike.baidu.com/item/%E5%90%B4%E4%B9%89%E4%BB%81/2153601
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu1052
運營/排版：何晨龍