低质量视觉输入如何塑造大脑视觉通路？MIT研究揭示早期视觉经验的关键作用
麻省理工学院（MIT）的研究人员于2025年7月3日发布了一项突破性研究，该研究表明，生命早期接收到的低质量视觉输入可能对大脑视觉系统关键通路的形成起到至关重要的作用。这项研究为我们理解视觉系统如何发展以及早期视觉经验如何塑造大脑结构提供了新的视角。
视觉通路：双通道并行处理
我们从视网膜接收到的视觉信息被大脑视觉系统分成两个主要的通路进行处理：
- 视网膜-膝状体-皮层通路（Parvocellular Pathway）： 主要负责处理颜色和精细的空间细节。
- 视网膜-上丘-枕叶通路（Magnocellular Pathway）： 主要负责空间定位和检测高时间频率。
这项MIT的研究为我们提供了一个解释，说明这两个通路是如何受到发育因素的影响。
新生儿视觉的局限性与大脑的适应
新生儿的视敏度和颜色视觉通常较差，这是因为他们的视网膜锥细胞在出生时还未完全发育。这意味着在生命的早期阶段，他们所看到的图像是模糊且色彩还原度低的。MIT的研究团队提出，这种模糊、色彩受限的视觉体验可能导致一些脑细胞专门处理低空间频率和低色彩调整，从而形成了所谓的视网膜-上丘-枕叶通路（Magnocellular Pathway）。随着视觉的逐渐改善，细胞可能会调整到更精细的细节和更丰富的色彩，这与视网膜-膝状体-皮层通路（Parvocellular Pathway）相一致。
计算机模型的验证
为了验证他们的假设，研究人员训练了视觉计算模型，使其接收类似于人类婴儿在生命早期所接收到的输入——早期为低质量图像，随后为全彩色、更清晰的图像。他们发现，这些模型发展出了具有感受野的处理单元，这些感受野表现出与人类视觉系统中视网膜-上丘-枕叶通路（Magnocellular Pathway）和视网膜-膝状体-皮层通路（Parvocellular Pathway）的划分相似的特征。而仅接受高质量图像训练的视觉模型则没有发展出如此独特的特征。
关键发现与意义
该研究的资深作者、MIT脑与认知科学教授Pawan Sinha表示：“这些发现可能为视网膜-膝状体-皮层通路（Parvocellular Pathway）/视网膜-上丘-枕叶通路（Magnocellular Pathway）的区别的出现提供了一种机制解释，这是哺乳动物大脑视觉通路的关键组织原则之一。”
这项研究由MIT博士后Marin Vogelsang和Lukas Vogelsang主导，并发表在期刊《通讯生物学》（Communications Biology）上。其他作者包括MIT研究员Sidney Diamond和奥斯纳布吕克大学神经信息学教授Gordon Pipa。
感觉输入的重要性
低质量视觉输入可能对发育有益的观点，源于对先天失明后恢复视力的儿童的研究。Sinha的实验室发起的“普拉卡什计划”（Project Prakash）在印度筛查和治疗了数千名儿童，在印度，白内障等可逆性视力丧失相对常见。在他们的视力恢复后，许多孩子自愿参与研究，Sinha和他的同事们在研究中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。这些发现使研究人员假设，早期典型发育中减少的色彩输入非但不是一种阻碍，反而使大脑能够学习识别即使在色彩匮乏或发生变化的图像中的物体。
Sinha说：“在初期拒绝丰富的色彩似乎是一种强大的策略，可以增强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。”
计算模型的进一步验证
在那项研究中，研究人员还发现，当视觉计算模型最初在灰度图像上进行训练，然后再在彩色图像上进行训练时，它们识别物体的能力比仅在彩色图像上训练的模型更强。同样，该实验室的另一项研究发现，当模型首先在模糊图像上进行训练，然后再在更清晰的图像上进行训练时，其性能更好。
为了在这些发现的基础上进一步研究，MIT团队希望探索在发育初期同时限制色彩和视敏度这两种特征可能产生的后果。他们假设，这些限制可能有助于视网膜-上丘-枕叶通路（Magnocellular Pathway）和视网膜-膝状体-皮层通路（Parvocellular Pathway）的发展。
视网膜-膝状体-皮层通路（Parvocellular Pathway）与视网膜-上丘-枕叶通路（Magnocellular Pathway）的特性
除了对色彩高度敏感外，视网膜-膝状体-皮层通路（Parvocellular Pathway）中的细胞还具有较小的感受野，这意味着它们接收来自更紧密的视网膜神经节细胞群的输入。这有助于它们处理精细的细节。视网膜-上丘-枕叶通路（Magnocellular Pathway）中的细胞则跨越更大的区域汇集信息，使它们能够处理更全局的空间信息。
为了验证发育进展可能有助于视网膜-上丘-枕叶通路（Magnocellular Pathway）和视网膜-膝状体-皮层通路（Parvocellular Pathway）细胞选择性的假设，研究人员在两组不同的图像上训练了模型。一个模型接收到一个标准的图像数据集，该数据集用于训练模型对物体进行分类。另一个数据集旨在大致模仿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为低分辨率、灰度图像，后半部分为高分辨率、彩色图像。
模型分析与结果
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有些相似。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，这些单元共同响应低色彩和低空间频率输入，类似于视网膜-上丘-枕叶通路（Magnocellular Pathway）。此外，这些生物模仿模型还表现出对较高空间频率或更丰富的色彩信号进行调整的更多异质性视网膜-膝状体-皮层通路（Parvocellular Pathway）样单元组。在从一开始就接受全彩色、高分辨率图像训练的模型中，并没有出现这种区别。
Lukas Vogelsang说：“这为这样一种观点提供了一些支持，即我们在生物系统中看到的‘相关性’可能是正常发育过程中同时可用的输入类型的结果。”
物体识别策略
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。在一个测试中，他们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。
该领域的几位研究人员都采用了这种技术来确定模型使用哪些图像属性来对物体进行分类：整体形状还是精细纹理。MIT团队发现，在生物模仿输入上训练的模型明显更倾向于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类似视网膜-上丘-枕叶通路（Magnocellular Pathway）的单元时，模型很快失去了使用形状进行分类的倾向。
视频训练与时间维度
在另一组实验中，研究人员训练模型处理视频而不是图像，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，视网膜-上丘-枕叶通路（Magnocellular Pathway）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类似视网膜-上丘-枕叶通路（Magnocellular Pathway）特性的单元。
研究人员表示，总的来说，这些结果支持了生命早期低质量的感觉输入可能有助于大脑感觉处理通路的组织的观点。这些发现并不排除视网膜-上丘-枕叶通路（Magnocellular Pathway）和视网膜-膝状体-皮层通路（Parvocellular Pathway）的先天规范，但为视觉体验在发育过程中也可能发挥作用提供了一个原则证明。
Sinha说：“似乎正在出现的一个普遍主题是，我们经历的发育进展经过非常精心的结构化，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。”
这项研究由美国国立卫生研究院、西蒙斯社交脑中心、日本学术振兴会和山田科学基金会资助。
