一種前所未有的顏色

導讀：

彩虹，可能要“升級”了。一種全新的高科技呈色方法，讓五位實驗參與者看到了人類標準視覺範圍之外的顏色。這項研究於4月18日發表在《科學進展》期刊上，其作為一種“概念驗證”，展示了該技術有望幫助神經科學家探索此前難以解答的視覺感知問題。未來，它甚至可能幫助色盲患者感受完整的顏色光譜，還能讓普通視力的人識別出數百、數千甚至數百萬種原本無法分辨的色調。

“這是一項技術上的壯舉。”華盛頓大學眼科系的神經科學家、教授傑伊·內茨（Jay Neitz，未參與這項研究）表示，“他們所做到的幾乎像科幻小說一樣，太驚人了——這項技術真是不可思議。”

這項新方法和原型裝置被稱為“Oz Vision System”（奧茲視覺系統），名字明顯是致敬《綠野仙蹤》這部電影【電影裡有一首經典歌曲叫做《彩虹彼端》（Over the Rainbow）】。而這種新顏色被命名為“olo”，其名字來源於它在理論色彩空間中的座標值：[0,1,0]。

神經現實 | 來源

SAIXIANSHENG

什麼是色彩空間？‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

色彩空間是用來描述和繪製人類可見色彩的標準方式，它基於“三色視理論”——即大多數人擁有三種視錐細胞。我們眼睛中的感光細胞分別對短波長、中波長和長波長的光敏感，對應藍色、綠色和紅色。正是透過這三種視錐細胞的組合，大多數人可以分辨大約一百萬種可見光中的不同顏色。

但即使在可見光範圍內，也存在一些顏色是三色視人類無法真正“看見”的。這是因為三種視錐細胞對光的響應曲線存在重疊，特別是中波長的M型細胞（對綠色敏感），其響應區域與長波（L型）和短波（S型）細胞都有交叉。在自然條件下，沒有哪種波長的光能只單獨啟用人類眼中的M型細胞。因此，每當你看到“綠色”時，其實總會摻雜一點別的顏色——比如來自L型細胞的黃色或S型細胞的藍色。

“Oz系統”打破了這一人類視覺的天然限制。它的研究協議允許科學家精準地刺激某一組特定的視錐細胞，比如單獨啟用M型細胞。這樣一來，被試便能看到一種極其純粹、強烈的綠色（或藍綠色，不同人描述略有差異），這種顏色以往被歸類為“虛構顏色”（imaginary color），因為在自然狀態下，人類眼睛無法感知它。

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歡迎來到“Oz”‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

Oz系統的第一步是為每位被試繪製一張極其詳細的視網膜“地圖”，對其中的每一個感光細胞進行分類。這份“個性化地圖”隨後被用來指導一個對眼睛安全的雷射器，發射極其精確的光束，做到一次只打在一個細胞上。為了實現這種精準度，電腦系統必須即時偵測並修正眼睛那種微小但不可避免的移動。單獨刺激一個視錐細胞並不會產生可感知的顏色，因此Oz更進一步，讓雷射以鋸齒形快速掃過預先選定的細胞區域，只有當雷射經過目標細胞時才會發光。在這項新研究中，目標細胞是被歸類為M型感光細胞的視錐細胞。

通常，人類感知顏色，是基於不同波長的光以一定比例和模式刺激我們的視錐細胞而產生的。但在Oz視覺系統中，由於可以精確刺激選定的細胞，哪怕只使用一種波長的光，也能讓人感受到無數種不同的顏色。

目前的Oz原型裝置包括感測器陣列、雷射光源、反射鏡和光子計數器，它集成了數十年積累下來的多項技術成果。“這是幾十年來所有這些技術發展的集大成者。”羅切斯特大學眼科助理教授、神經科學家莎拉·帕特森（Sara Patterson）評價說，她並未參與本項研究。“我覺得這真是太棒了。”

研究團隊用五位人類被試驗證了Oz系統的效果，並透過多種方式確認他們看到的確實是前所未有的新顏色。“這是一個控制得非常嚴謹的實驗。”帕特森補充說。他們在不同顏色的背景下呈現“olo”顏色，加入運動覆蓋圖層，並將其與一些位於人類正常色彩邊緣的顏色進行對比。在這類試驗中，研究人員要求被試使用旋鈕調整“olo”色塊，直到它看起來與真實顏色塊一致。所有情況下，被試都必須加入大量白光來‘稀釋’olo顏色，直到他們認為它和正常顏色方塊看起來一致為止。”

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綠色新紀元‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

那麼，“olo”顏色到底長什麼樣？

“olo 看起來像是一種藍綠色，是我見過最飽和的藍綠色或青綠色。”加州大學伯克利分校的計算機科學家、視覺計算專家吳義仁（Ren Ng）表示。他不僅是這項研究的合著者之一，也親自作為被試體驗了“olo”。“這種顏色很容易命名，也非常清晰可感知”，但它的飽和度遠高於自然界中的任何顏色。他把看到“olo”的體驗比作第一次看到綠色雷射筆的震撼感。“當時我可能會說，‘哇，這是我見過最綠的綠色’”，但現在，olo 更勝一籌。

在進行Oz視覺實驗前，研究人員漢娜·多伊爾（Hannah Doyle）會先對掃描雷射檢眼系統進行校準。照片來源：Ren Ng

為了看到“olo”，被試必須保持極度靜止，眼睛精準對位——研究中甚至使用了咬合支架來固定頭部。被試要盯著一個空間中的固定點，同時雷射在視野邊緣刺激一個方形區域。吳義仁表示，這種刺激讓“olo”以一個視覺斑塊的形式出現，面積大約是滿月在天空中視覺大小的兩倍。只要眨一下眼，系統就必須重新校正運動，因此“olo”每次只會出現幾秒，然後消失，再重新閃現。儘管這種體驗很短暫，Ren仍然激動地表示：“這太酷了，我簡直樂壞了！”

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彩虹般的可能性‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

吳義仁對於未來更是充滿期待。“olo”的出現證明，精確地啟用特定視錐細胞在技術上是可行的。既然這種方法已經被驗證有效，接下來還有許多可以拓展的方向。

目前，研究團隊正探索Oz系統是否能幫助色盲人士——也就是功能上只有兩種視錐細胞（稱為“功能性二色視”）的人——暫時擁有完整的人類色覺範圍。理論上，這可以透過“人為分類”一部分視錐細胞為他們所缺失的那一種型別，並用雷射選擇性地、不與其他細胞同步地刺激它們來實現。吳義仁解釋說，到目前為止，這項研究進展順利。

這並不是人類第一次嘗試“修復”色盲。在2009年一項里程碑式的研究中，傑伊·內茨（Jay Neitz）和其同事曾透過基因療法，在色盲猴子眼中引入第三種視錐細胞。結果令人鼓舞——猴子在測試中能夠區分它們原本看不出來的物體。

但猴子畢竟無法告訴我們它們的真實感受，因此科學家們也無法確定它們是否真正“看見”了原本無法識別的顏色。“我們其實並不知道它們到底看到了什麼。”內茨說。相比之下，如果使用Oz系統讓人類色盲者獲得第三種視錐細胞刺激，人們就可以明確地描述他們是否真的感受到新顏色。“這其實是我多年前的一個夢想，”他說，“現在看起來真的有希望實現了。”

在更遠的未來，吳義仁和同事希望更進一步。他們設想，有朝一日可以利用Oz系統模擬“四色視者”（tetrachromats）的視覺體驗——這種能力存在於某些動物（如鳥類、魚類）以及極少數人類個體身上，他們擁有四種視錐細胞，色彩辨別能力是普通人的100倍。然而，目前的技術還無法做到這一點。

雖然Oz系統的確是一項驚人的技術成就，但它也並非完美。西北大學的神經科學家、助理教授格雷戈裡·施瓦茨（Gregory Schwartz）指出，研究本身“非常精彩”，也“令人興奮”。但Oz系統仍存在一些侷限，研究作者們也在論文中誠實地列出了這些問題。

Oz雖然是迄今為止人類最精準的視錐細胞刺激系統，但其準確率並非100%。有相當一部分雷射光子沒有擊中目標細胞，而是“漏光”到了其他細胞——大約三分之二的光子被非目標細胞吸收。施瓦茨說：“他們在論文中對此非常誠實。”儘管有這些“漏光”，他仍然相信“olo”確實處在人類標準色彩空間之外，“但可能沒有他們原本設想的那麼遠”。

施瓦茨還指出，另一項主要限制，是Oz原型裝置的體積與可擴充套件性。我們距離將這種技術變成可穿戴的眼鏡或螢幕還很遙遠——這些裝置不僅需要能夠精準追蹤眼球運動，還得實現完整的Oz色彩體驗。而且，要為每位被試繪製詳細的視網膜地圖，本身就是一項非常耗費資源的工程（這也是本次實驗被試人數如此之少的原因之一）。儘管如此，“超級色彩”的虛擬現實，如今比以往任何時候都更接近現實。

在色彩感知研究這個領域中，科學家們常常在一些基本問題上反覆探討，使用的方法也大同小異，例如關於顏色視覺的神經通路，或視網膜與大腦在色彩感知中各自的作用。但帕特森指出，Oz系統打開了一扇通往全新領域的大門。

她提到，光是這五位被試都對“olo”顏色的描述如此一致，而且他們都能明顯將它與人類正常色彩範圍內的顏色區分開來，就已經引發了不少有趣的問題：我們的視覺感知系統到底有多“可塑”？過去，神經科學家們一直不確定，人類是否能理解一種從未見過的新顏色。而這項研究則進一步證明，在特定情境下，我們的大腦是有能力識別並理解這些陌生色彩的。

“有時候，當你把系統推向它平常執行範圍之外的極限，就像他們現在做的那樣，你就真的能學到全新的東西。”帕特森說，“我迫不及待想看到接下來的研究會是什麼。”——只是，很難想象未來將會有多“繽紛”了。