Используя экспериментальные данные и компьютерное моделирование, исследователи из Массачусетского технологического университета (MIT) обнаружили доказательства того, что корни способности распознавать и черно-белые, и цветные изображения могут лежать в процессе развития человека. 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. Позднее, когда сетчатка и кора головного мозга уже лучше приспособлены к обработке цветов, человек приобретает способность узнавать оттенки, но при этом сохраняет ранее приобретенный навык не полагаться только 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, что в первоначальных ограничениях нашей системы восприятия есть что-то важное, выходит за рамки цветового зрения и его остроты. Некоторые работы, проделанные нашей лабораторией в контексте слуха, также позволяют предположить, что есть что-то важное в ограничении объема информации, которой подвергается неонатальная система", — говорит Паван Синха, профессор кафедры мозга и когнитивных наук в 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 черно-белые объекты. У них может развиться чрезмерная зависимость от цвета, что делает их гораздо менее устойчивыми к изменениям или удалению цветовой информации.

Видеть в черно-белом цвете

Исследование того, как раннее восприятие цвета влияет на последующее распознавание объектов, возникло на основе простого наблюдения за детьми, у которых зрение восстановилось после операции по удалению врожденной катаракты. В 2005 году Синха запустил в Индии проект Prakash (санскритское слово "свет"), чтобы выявлять и лечить детей с обратимыми формами потери зрения.

Многие из них слепы 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.

Получившие помощь в рамках проекта также могут принимать участие в исследованиях, 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 своей свежей работе Синха и его коллеги дали детям простой тест на распознавание объектов, предложив им как цветные, так и черно-белые изображения. У тех, кто родился с нормальным зрением, преобразование цветных картинок в черно-белые совершенно не повлияло на способность узнавать изображенный объект. Однако когда детям, перенесшим удаление катаракты, показывали черно-белые картинки, их  результаты значительно ухудшались. 

Это привело исследователей к гипотезе, 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 на черно-белых изображениях. У нормально зрячих новорожденных колбочки сетчатки развиты недостаточно, в результате чего острота зрения и цветовое восприятие у них снижены. 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, которую впоследствии удалили, сразу начинают видеть мир цветным и не имеют необходимости приспосабливаться к черно-белой реальности. 

Искусственный интеллект как модель младенца

Чтобы тщательно проверить эту гипотезу, исследователи использовали стандартную сверточную нейронную сеть AlexNet в качестве вычислительной модели зрения. Они обучили ее распознавать объекты, давая различные типы входных данных. В рамках одного режима обучения ученые сначала показывали только модельные изображения в оттенках серого, а позже вводили цветные. Это примерно имитирует развитие хроматического обогащения по мере созревания зрения младенцев в первые годы жизни.

Другой режим включал только цветные изображения. Это примерно соответствует опыту детей проекта Prakash, поскольку они могут обрабатывать полноцветную информацию сразу после удаления катаракты.

Исследователи обнаружили, что модель, которую развивали поэтапно, могла свободно распознавать объекты на изображениях любого типа, а также была устойчива к другим манипуляциям с цветом. Другая же, обученная только на цветных картинках, не смогла с достаточной точностью распознавать черно-белые. 

Анализируя внутреннюю организацию моделей, исследователи обнаружили, что те, которые начинают с входных данных в оттенках серого, учатся полагаться на яркость. Как только они получают 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.

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 младенчестве недостаток цветовой информации может оказаться полезным для развивающегося мозга, поскольку он учится определять объекты на основе скудной информации. 

Исследование опубликовано в Science.