低质量视觉输入如何塑造大脑视觉通路？MIT研究揭示婴儿视觉发展机制
婴儿时期的视觉体验，即使是不完美的，可能也在大脑视觉系统的发展中扮演着关键角色。麻省理工学院（MIT）的一项最新研究表明，早期接触到的低质量视觉输入，例如模糊或色彩有限的图像，可能对大脑特定视觉通路的形成具有重要影响。这项研究不仅为我们理解视觉发展提供了新的视角，也为早期干预和优化视觉体验提供了理论基础。
视觉系统的双通路机制
人类的视觉系统并非单一通路，而是由两条主要的并行通路构成。一条通路，即所谓的视网膜-外膝体-皮层通路（Parvocellular pathway），主要负责处理颜色和精细的空间细节，使我们能够识别物体的颜色、形状和纹理。另一条通路，视网膜-上丘-枕通路（Magnocellular pathway），则专注于空间定位和高时间频率的感知，帮助我们感知物体的运动和位置变化。这两条通路的分工合作，使我们能够全面地理解视觉世界。
这项MIT的研究提出了一种新的观点，即这两条通路的形成可能受到早期视觉体验的影响。新生儿通常具有较差的视觉敏锐度和色彩感知能力，这是因为他们的视网膜锥细胞在出生时并未完全发育。这意味着在生命的早期阶段，婴儿所看到的图像是模糊且色彩有限的。MIT的研究团队认为，这种模糊、低色彩的视觉输入可能导致一些脑细胞专门处理低空间频率和低色彩调谐，这与Magnocellular通路的功能相符。随着视觉能力的提高，细胞可能会逐渐适应更精细的细节和更丰富的色彩，从而形成Parvocellular通路。
计算模型的验证
为了验证这一假设，研究人员设计了一种巧妙的实验方法。他们训练了一系列计算视觉模型，使其接触与人类婴儿早期视觉体验相似的输入模式：早期为低质量图像，随后逐渐过渡到全彩色、更清晰的图像。结果显示，这些模型发展出了具有感受野的处理单元，这些感受野与人类视觉系统中Magnocellular和Parvocellular通路的划分具有一定的相似性。相比之下，仅接受高质量图像训练的视觉模型则未表现出如此明显的特征。
这一发现为Parvocellular和Magnocellular通路的区别提供了一种可能的解释机制。MIT脑与认知科学教授Pawan Sinha表示：“这项研究的结果可能为视觉通路中Parvo/Magno区分的出现提供了一种机械解释，这是哺乳动物大脑视觉通路的关键组织原则之一。”
项目Prakash的启示
低质量视觉输入可能对视觉发展有益的观点，源于对先天性失明儿童恢复视力后的研究。Sinha的实验室发起的Project Prakash项目，在印度筛选并治疗了数千名患有可逆性视力丧失（如白内障）的儿童。在恢复视力后，许多儿童自愿参与研究，Sinha和他的同事跟踪他们的视觉发展。
在其中一项研究中，研究人员发现，与彩色图像相比，当向摘除白内障的儿童展示黑白图像时，他们的物体识别能力显著下降。这一发现促使研究人员假设，早期典型发育过程中色彩输入的减少，可能使大脑能够学习识别即使在色彩贫乏或发生变化的图像中的物体。Sinha说：“从一开始就拒绝丰富的色彩访问似乎是一种强大的策略，可以建立对色彩变化的适应能力，并使系统更能抵抗图像中的色彩损失。”
进一步的实验证据
为了进一步验证这一假设，研究人员进行了一系列额外的实验。他们发现，当视觉计算模型最初接受灰度图像的训练，然后再接受彩色图像的训练时，它们识别物体的能力比仅接受彩色图像训练的模型更强。类似地，另一项研究发现，当模型首先接受模糊图像的训练，然后再接受清晰图像的训练时，其性能表现更佳。
为了在此基础上进一步研究，MIT团队希望探索在发育初期同时限制色彩和视觉敏锐度可能产生的后果。他们假设，这些限制可能有助于Magnocellular和Parvocellular通路的发展。
两种训练数据集
为了验证发育过程可能有助于Magno和Parvo细胞选择性的假设，研究人员使用两个不同的图像集对模型进行了训练。一个模型使用标准的数据集进行训练，这些数据集通常用于训练模型对物体进行分类。另一个数据集的设计目的是大致模拟人类视觉系统从出生时接收到的输入。这种“生物模仿”数据包括在训练的前半部分使用低分辨率的灰度图像，后半部分使用高分辨率的彩色图像。
在模型训练完成后，研究人员分析了模型的处理单元——网络中的节点，这些节点与大脑中处理视觉信息的细胞簇具有一定的相似性。他们发现，在生物模仿数据上训练的模型发展出了一个独特的单元子集，这些单元共同对低色彩和低空间频率的输入做出反应，这与Magnocellular通路相似。此外，这些生物模仿模型还表现出更多不同的Parvocellular样单元组，这些单元主要针对更高的空间频率或更丰富的色彩信号进行调整。从一开始就在全彩色、高分辨率图像上训练的模型并没有出现这种区别。
物体识别策略的揭示
研究人员还进行了额外的测试，以揭示不同训练模型用于物体识别任务的策略。其中一项测试要求模型对形状和纹理不匹配的物体图像进行分类——例如，一个具有猫的形状但具有大象纹理的动物。MIT团队发现，在生物模仿输入上训练的模型更有可能使用物体的形状来做出这些决定，就像人类通常所做的那样。此外，当研究人员系统地从模型中移除Magnocellular样单元时，模型很快失去了使用形状进行分类的趋势。
在另一组实验中，研究人员使用视频而不是图像对模型进行训练，这引入了一个时间维度。除了低空间分辨率和色彩敏感度外，Magnocellular通路还对高时间频率做出反应，使其能够快速检测物体位置的变化。当模型在生物模仿视频输入上进行训练时，对高时间频率最敏感的单元确实是在空间域中也表现出Magnocellular样特性的单元。
结论与展望
总的来说，研究结果支持了这样一种观点，即生命早期低质量的感官输入可能有助于大脑感官处理通路的组织。研究人员表示，这些发现并没有排除Magno和Parvo通路的天生规范，但提供了一个原则证明，即发育过程中的视觉体验也可能发挥作用。
Sinha说：“似乎正在出现的一个普遍主题是，我们所经历的发育过程经过非常精心的构建，以便为我们提供某些类型的感知能力，并且它也可能对大脑的组织产生影响。”
这项研究为我们理解视觉系统的发展和功能提供了新的视角，强调了早期视觉体验的重要性。未来的研究可以进一步探索不同类型的视觉刺激如何影响大脑的发育，以及如何利用这些知识来优化早期干预，改善视觉障碍儿童的视觉功能。
通过对视觉发展机制的深入研究，我们可以更好地理解大脑的可塑性，并为未来的神经科学研究和临床应用提供新的方向。这项研究不仅具有重要的学术价值，也为我们更好地理解人类自身的认知发展提供了宝贵的启示。
