让先天色盲患者感受红色和绿色，科学家用激光“欺骗”视神经并创建全新颜色，拓展人类神经可塑性

【蜂耘网  激光光学】马来西亚裔美国科学家吴义仁是光场相机的发明者。其本硕博均毕业于美国斯坦福大学，他在博士毕业论文中重点介绍了光场相机，后来这一论文获得 2006 年美国计算机协会（ACM）博士论文奖。

 

博士毕业之后，吴义仁创办 Lytro 公司并聚焦于光场相机的落地。据《Inside Apple》一书披露，苹果公司联合创始人乔布斯在生前最后几个月，主动提出要和吴义仁会面 [1]。后来，吴义仁离开业界加入美国加州大学伯克利分校从事学术研究至今。

 

 

 

近日，吴义仁和团队发现一种超出人类色觉范围的新颜色，必须使用激光照射视网膜才能看到它。目前，仅有五位受试者见过这种颜色。相关论文已于近日发在 Science Advances。

 

该团队将这种颜色显示原理命名为“Oz”，这一名字来源于《绿野仙踪》的英文名 The Wonderful Wizard of Oz，书中描述了前往翡翠城的旅程，那里的景色呈现出耀眼的绿色。

 

 

基于本次成果，该团队希望能够制造出一种屏幕，这种屏幕能够扫描人类的视网膜，通过向单个视锥细胞传递光线可以显示更加高质量的图像和视频，从而呈现出清晰、无像素化的视觉效果。同时，Oz 也能用来让先天性色盲患者首次体验到绿色和红色等颜色，但这并不能发展成为一种真正的治疗方法，因为 Oz 带来的体验是短暂的。

 

普通人眼能够看到的颜色种类略低于 1000 万种。而该团队表示，他们首次突破了人类所熟悉的色谱，进入了一个全新的色彩世界。研究中，他们使用激光装置刺激了五名受试者的视网膜，让他们成为首批看到超出人类视觉范围的颜色的人。据这些受试者的描述，这是一种饱和度高到近乎不可思议的蓝绿色。

 

参与本次研究的五名受试者，其中有三人是本次论文的共同作者，另外两人是来自于美国华盛顿大学的研究同行。

 

吴义仁本人也是受试者之一。实验中，他走进一个昏暗的实验室并坐在一张桌子前，实验室里有激光器、镜子、可变形镜、调制器和光探测器。在那里，他必须用力咬住一根杆子，以便保持头部和眼睛处于静止状态。当激光照射到他的视网膜上时，他看到了一小块光。在那块光中他看见了《绿野仙踪》中翡翠城的颜色。随后，他和团队将这种颜色命名为“olo”。

 

对于 olo 这种颜色，吴义仁将描述为“是一种有着前所未有饱和度的蓝绿色”，这也是人脑在接收到眼睛从未传递过的信号后所产生的一种感知。在电脑屏幕上，最接近 olo 的颜色是青色，即十六进制代码 #00ffcc 所代表的颜色。

 

尽管目前大多数人无法亲眼看见 olo 这一颜色，但我们可以通过电脑调色来“想象”这种颜色。你可以将电脑屏幕调整为青色，在保持色调本身不变的同时，逐渐地增加饱和度，直到达到屏幕所能显示颜色的极限，这时继续增加饱和度，就能达到人类能感知到的饱和度极限，这便是人类从几乎完全发出青色光的激光笔中所能看到的效果，而 olo 则比这更进一步。

 

为了验证受试者所看到的 olo 是否真的超出人类标准视觉范围的颜色，研究人员进行了颜色匹配实验。

 

实验中，他们将 olo 与青色激光进行比较，并通过增加或减少白光来调整颜色饱和度。所有受试者都发现，如果向 olo 中加入白光使其去饱和，那么新颜色就会与激光相匹配，借此证实 olo 确实超出了人类正常的色觉范围。

 

01通过逐个细胞的光传递，直接控制人眼感光细胞的活动

 

Oz 背后的原理是通过逐个细胞的光传递，来直接控制人眼感光细胞的活动。

 

原则上，通过这种方法可以显示任意颜色的视觉图像。其前提条件在于：当眼球运动的时候，让图像穿过视网膜，以便能够精确再现每个感光细胞处的动态刺激水平。

 

 

为了验证上述原理，研究人员在一个 Oz 原型系统上开展真人实验，以便能够刺激数千个视网膜锥细胞。

 

理论来讲，Oz 能够显示超出人类自然视觉已知有界色域的颜色。

 

在正常的色觉中，任何刺激 M 视锥细胞的光线，也必须刺激其相邻的 L 视锥细胞或 S 视锥细胞，因为 M 视锥细胞的光谱响应函数位于 L 视锥细胞和 S 视锥细胞的光谱响应函数之间，并且与之完全重叠。

 

然而，Oz 刺激只能将光线对准 M 视锥细胞，并不能对准 L 或 S 视锥细胞，这会向大脑发送一种在自然视觉中从未出现过的颜色信号。

 

这也意味着，理论上 Oz 可以将自然人色域扩展到任何颜色坐标。

 

 

此前，能够选择性地激发 M 视锥细胞的技术，是一种一次仅将光瞄准一两个视锥细胞的技术。

 

除了针对视锥细胞的方法外，其他的以选择性方式激发 M 视锥细胞的方法，仅仅使用视觉预适应的方式，例如在显示绿光之前使用红光漂白 L 光敏色素。

 

由于这种感知必须依赖于短暂的适应状态和余像，因此难以进行精确测量。

 

另一种名为“静默替代”的方法可以将激活变化隔离到 M 视锥细胞，但是需要其他视锥细胞类别的基线激活，并且无法显示超出人类色域的颜色。

 

相比上述方法，此次提出的 Oz 原型能够在足够大的区域上显示超出自然人类色域的颜色，从而可以进行颜色匹配，不仅持续时间更长，而且还能在任意彩色图像范围内显示。

 

据介绍，Oz 原型是一个基于锥形靶向方法的原理验证原型，它建立在自适应光学扫描眼底镜（AOSLO，adaptive optics scanning light ophthalmoscopy）之上。

 

研究中，该团队使用自适应光学光学相干断层扫描（AO-OCT，adaptive optics optical coherence tomography）技术，针对每位受试者的 103 个视网膜锥细胞进行 LMS 类型的光谱预分类。

 

然后，他们使用自适应光学扫描眼底镜通过在红外波段对视网膜进行成像，以近乎不可见的方式在细胞层面追踪眼球运动，并在每秒向每个视锥细胞精准投射 105 个可见波长激光微剂量，从而让受试者产生 Oz 感知。

 

研究人员所使用的原型视场，是一个以 4° 为中心、0.9° 见方的区域，其位于受试者的注视目标附近。

 

实验中，他们通过颜色匹配实验绘制了 Oz 颜色的经验色彩空间坐标，并收集了关于色调和饱和度的定性判断。

 

实验证实：上述原型在 Oz 中成功呈现出了一系列色调，例如使用通常看起来为绿色的 543 纳米激发激光，可以呈现出从橙色到黄色、绿色再到蓝绿色的变化。

 

此外，颜色匹配实验结果显示：仅仅通过刺激 M 视锥细胞所呈现的出颜色，超出了人类自然色域的范围。

 

受试者表示：在原型系统中，当与中性灰色背景相比时，olo 呈现出前所未有的饱和度的蓝绿色。

 

受试者还发现必须通过添加白光来降低 olo 的饱和度，之后才能使其与最接近的、位于色域边界的单色光实现颜色匹配，这证明 olo 确实处于色域之外。

 

在对照实验中，如果“抖动”每束激光微剂量的目标位置，使其错误地落在随机相邻的细胞上，那么 Oz 颜色会如预期那样与激光的自然颜色“匹配”即开始出现“塌缩”。

 

此外，受试者能够清晰地感知图像和视频中的 Oz 色调，例如感知到 olo 背景上的一条定向红线或一个旋转红点。而在“抖动”条件下，则无法感知到这些。

 

 

02探索人类神经的可塑性

 

这里有必要介绍一下色度三角形，它是一种用于表示颜色混合关系的几何图形，在色度学中具有重要作用。

 

事实上，整个色度三角形区域本身就是一个更大的色域。假设处于理想化条件之下，光能够完美地定位到目标视锥细胞，那么在 Oz 中通过对单个细胞的刺激就可以获得这个色域。

 

然而，在实操中一小部分光线会错过目标视锥细胞并刺激邻近细胞，从而导致最终的激活模式从预期的 Oz 颜色偏移至激光的自然颜色。

 

其中关键因素包括：激光微剂量在视网膜上的点扩散函数（PSF，point-spread function）与视锥细胞间距的关系、视锥细胞的空间聚光功能、眼球运动过程中微剂量定位的误差、视网膜的 L：M：S 视锥细胞比例以及刺激波长。

 

当在 4° 偏心度去刺激视网膜时，衍射受限的点扩散函数将使 Oz 能够处理 LMS 三角形中几乎所有可能的色度，但在视锥细胞最小的中央凹处则无法实现。（注：LMS 三角形，是基于人眼视网膜中三种不同类型视锥细胞的响应特性构建而来。）

 

在实际操作中，光的总体泄漏不仅仅是由衍射造成的，还受到诸如自适应光学聚焦后残余像差以及眼动过程中计算延迟导致的微剂量靶向误差等因素的影响。

 

尽管很难直接测量这些因素，但是研究人员所使用的模型与实验颜色匹配数据的最佳拟合表明：在视锥细胞捕获的光线中，三分之一被限制在目标细胞内，三分之二被相邻的视锥细胞捕获。

 

虽然存在意外的漏光问题，但是在 Oz 原型中，这种精确度仍能显示超出自然人类色域的颜色。

 

该团队发现在给定刺激波长之下，对于 L 视锥细胞、M 视锥细胞和 S 视锥细胞的相对反应来说，根据在该波长下响应的视锥细胞类型的数量，可以形成三角形、直线或单个点。

 

而通过在 0.9° 的方形视场内，以接近衍射极限的激光进行光栅扫描，研究人员同时能够针对视网膜进行成像和刺激。

 

通过使用几乎不可见的红外光对视网膜进行成像，可以实时地追踪眼球运动，并能以动态方式向视野范围内的每个视锥细胞发射精准定位的可见波长激光脉冲。

 

其中，激光微剂量会以每秒 105 次的频率，被传递到 103 个视锥细胞群体中。

 

要想通过锥体靶向刺激实现预期的 LMS 激活，就必须了解每个锥体的光谱类型。为此，课题组利用视网膜光学成像技术，在自适应光学相干断层扫描系统中，根据受试者视网膜中视锥细胞的谱型对其进行分类。

 

期间，他们使用了一个包含 1000 个-2000 个视锥细胞的分类区域，这些视锥细胞位于中央凹偏心 4° 附近。

 

然后，研究人员向真人受试者进行 Oz 刺激，并进行均匀 Oz 颜色方块的色彩匹配以及图像和视频的识别实验。

 

所有 Oz 刺激均在 0.9° 的方视场内呈现，与注视点相邻 4°，以便确保刺激区域落在视网膜的分类区域内。

 

作为对照条件，刺激物会被随机重复，并且微剂量输送会被故意削弱。

 

在对照试验之中，每个微剂量都会随机“抖动”，使其落在距离目标两个锥体远的位置。

 

然后，研究人员进行颜色匹配实验，以便测量 Oz 颜色的色度坐标。

 

他们测试了两种不同的刺激波长：第一种的波长是 488 纳米，它可以激活所有三种视锥细胞（L、M 和 S）；第二种的波长是 543 纳米，它接近 L 和 M 的峰值波长，且对 S 的激活作用极小。

 

接着，课题组使用两种不同的颜色匹配系统：一是红绿蓝投影仪，二是波长可调的近单色激光，该激光可与白色投影仪光线混合。与此同时，后者可以产生位于自然人类色域边缘的颜色。

 

针对五名受试者该团队累计进行了 222 次颜色匹配，并据此总结出四个主要发现：

 

首先，Oz 颜色在 488 纳米的刺激波长下会形成一个三角形，在 543 纳米的波长下形成一条颜色线，这与“逐细胞颜色理论”部分的理论一致。

 

其次，“抖动”会让颜色向刺激波长“塌缩”。

 

第三，随着 Oz 颜色与色彩匹配系统色域的距离增加，匹配 LMS 色度的方差也会增大。

 

第四，olo 确实超出了自然人类色域的范围。

 

与需要至少三种基色的传统同色异谱不同，研究人员证明空间同色异谱能够从单一单色光中产生一系列颜色。

 

研究人员表示，Oz 代表了一种新型视觉科学和神经科学实验平台，该平台致力于实现对大脑第一层神经元的完全控制，以及在每个时间点对每个感光细胞激活的可编程性。

 

Oz 能够克服持续的固视眼动和眼部光学像差带来的挑战，准确地将微剂量输送到目标视锥细胞。基于这种新型可编程平台，人们将能开展各种新实验。

 

总的来说，通过这种方法可以灵活地探索人类神经的可塑性，例如尝试在红绿色盲者中诱发完整的三色视觉，或在人类三色视者中诱发四色视觉等。

 

参考资料：

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

 

 

（蜂耘激光光学网  责任编辑：行云）