馬來西亞裔美國科學(xué)家吳義仁是光場相機(jī)的發(fā)明者。其本碩博均畢業(yè)于美國斯坦福大學(xué)，他在博士畢業(yè)論文中重點(diǎn)介紹了光場相機(jī)，后來這一論文獲得 2006 年美國計算機(jī)協(xié)會（ACM）博士論文獎。

博士畢業(yè)之后，吳義仁創(chuàng)辦 Lytro 公司并聚焦于光場相機(jī)的落地。據(jù)《Inside Apple》一書披露，蘋果公司聯(lián)合創(chuàng)始人喬布斯在生前最后幾個月，主動提出要和吳義仁會面 [1]。后來，吳義仁離開業(yè)界加入美國加州大學(xué)伯克利分校從事學(xué)術(shù)研究至今。

圖 | 吳義仁，圖片攝于 2012 年（來源：維基百科）

近日，吳義仁和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一種超出人類色覺范圍的新顏色，必須使用激光照射視網(wǎng)膜才能看到它。目前，僅有五位受試者見過這種顏色。相關(guān)論文已于近日發(fā)在Science Advances

該團(tuán)隊(duì)將這種顏色顯示原理命名為“Oz”，這一名字來源于《綠野仙蹤》的英文名 The Wonderful Wizard of Oz，書中描述了前往翡翠城的旅程，那里的景色呈現(xiàn)出耀眼的綠色。

（來源：Science Advances）

基于本次成果，該團(tuán)隊(duì)希望能夠制造出一種屏幕，這種屏幕能夠掃描人類的視網(wǎng)膜，通過向單個視錐細(xì)胞傳遞光線可以顯示更加高質(zhì)量的圖像和視頻，從而呈現(xiàn)出清晰、無像素化的視覺效果。同時，Oz 也能用來讓先天性色盲患者首次體驗(yàn)到綠色和紅色等顏色，但這并不能發(fā)展成為一種真正的治療方法，因?yàn)?Oz 帶來的體驗(yàn)是短暫的。

普通人眼能夠看到的顏色種類略低于 1000 萬種。而該團(tuán)隊(duì)表示，他們首次突破了人類所熟悉的色譜，進(jìn)入了一個全新的色彩世界。研究中，他們使用激光裝置刺激了五名受試者的視網(wǎng)膜，讓他們成為首批看到超出人類視覺范圍的顏色的人。據(jù)這些受試者的描述，這是一種飽和度高到近乎不可思議的藍(lán)綠色。

參與本次研究的五名受試者，其中有三人是本次論文的共同作者，另外兩人是來自于美國華盛頓大學(xué)的研究同行。

吳義仁本人也是受試者之一。實(shí)驗(yàn)中，他走進(jìn)一個昏暗的實(shí)驗(yàn)室并坐在一張桌子前，實(shí)驗(yàn)室里有激光器、鏡子、可變形鏡、調(diào)制器和光探測器。在那里，他必須用力咬住一根桿子，以便保持頭部和眼睛處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)激光照射到他的視網(wǎng)膜上時，他看到了一小塊光。在那塊光中他看見了《綠野仙蹤》中翡翠城的顏色。隨后，他和團(tuán)隊(duì)將這種顏色命名為“olo”。

對于 olo 這種顏色，吳義仁將描述為“是一種有著前所未有飽和度的藍(lán)綠色”，這也是人腦在接收到眼睛從未傳遞過的信號后所產(chǎn)生的一種感知。在電腦屏幕上，最接近 olo 的顏色是青色，即十六進(jìn)制代碼 #00ffcc 所代表的顏色。

盡管目前大多數(shù)人無法親眼看見 olo 這一顏色，但我們可以通過電腦調(diào)色來“想象”這種顏色。你可以將電腦屏幕調(diào)整為青色，在保持色調(diào)本身不變的同時，逐漸地增加飽和度，直到達(dá)到屏幕所能顯示顏色的極限，這時繼續(xù)增加飽和度，就能達(dá)到人類能感知到的飽和度極限，這便是人類從幾乎完全發(fā)出青色光的激光筆中所能看到的效果，而 olo 則比這更進(jìn)一步。

為了驗(yàn)證受試者所看到的 olo 是否真的超出人類標(biāo)準(zhǔn)視覺范圍的顏色，研究人員進(jìn)行了顏色匹配實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，他們將 olo 與青色激光進(jìn)行比較，并通過增加或減少白光來調(diào)整顏色飽和度。所有受試者都發(fā)現(xiàn)，如果向 olo 中加入白光使其去飽和，那么新顏色就會與激光相匹配，借此證實(shí) olo 確實(shí)超出了人類正常的色覺范圍。

通過逐個細(xì)胞的光傳遞，直接控制人眼感光細(xì)胞的活動

Oz 背后的原理是通過逐個細(xì)胞的光傳遞，來直接控制人眼感光細(xì)胞的活動。

原則上，通過這種方法可以顯示任意顏色的視覺圖像。其前提條件在于：當(dāng)眼球運(yùn)動的時候，讓圖像穿過視網(wǎng)膜，以便能夠精確再現(xiàn)每個感光細(xì)胞處的動態(tài)刺激水平。

（來源：Science Advances）

為了驗(yàn)證上述原理，研究人員在一個 Oz 原型系統(tǒng)上開展真人實(shí)驗(yàn)，以便能夠刺激數(shù)千個視網(wǎng)膜錐細(xì)胞。

理論來講，Oz 能夠顯示超出人類自然視覺已知有界色域的顏色。

在正常的色覺中，任何刺激 M 視錐細(xì)胞的光線，也必須刺激其相鄰的 L 視錐細(xì)胞或 S 視錐細(xì)胞，因?yàn)?M 視錐細(xì)胞的光譜響應(yīng)函數(shù)位于 L 視錐細(xì)胞和 S 視錐細(xì)胞的光譜響應(yīng)函數(shù)之間，并且與之完全重疊。

然而，Oz 刺激只能將光線對準(zhǔn) M 視錐細(xì)胞，并不能對準(zhǔn) L 或 S 視錐細(xì)胞，這會向大腦發(fā)送一種在自然視覺中從未出現(xiàn)過的顏色信號。

這也意味著，理論上 Oz 可以將自然人色域擴(kuò)展到任何顏色坐標(biāo)。

（來源：Science Advances）

此前，能夠選擇性地激發(fā) M 視錐細(xì)胞的技術(shù)，是一種一次僅將光瞄準(zhǔn)一兩個視錐細(xì)胞的技術(shù)。

除了針對視錐細(xì)胞的方法外，其他的以選擇性方式激發(fā) M 視錐細(xì)胞的方法，僅僅使用視覺預(yù)適應(yīng)的方式，例如在顯示綠光之前使用紅光漂白 L 光敏色素。

由于這種感知必須依賴于短暫的適應(yīng)狀態(tài)和余像，因此難以進(jìn)行精確測量。

另一種名為“靜默替代”的方法可以將激活變化隔離到 M 視錐細(xì)胞，但是需要其他視錐細(xì)胞類別的基線激活，并且無法顯示超出人類色域的顏色。

相比上述方法，此次提出的 Oz 原型能夠在足夠大的區(qū)域上顯示超出自然人類色域的顏色，從而可以進(jìn)行顏色匹配，不僅持續(xù)時間更長，而且還能在任意彩色圖像范圍內(nèi)顯示。

據(jù)介紹，Oz 原型是一個基于錐形靶向方法的原理驗(yàn)證原型，它建立在自適應(yīng)光學(xué)掃描眼底鏡（AOSLO，adaptive optics scanning light ophthalmoscopy）之上。

研究中，該團(tuán)隊(duì)使用自適應(yīng)光學(xué)光學(xué)相干斷層掃描（AO-OCT，adaptive optics optical coherence tomography）技術(shù)，針對每位受試者的 103 個視網(wǎng)膜錐細(xì)胞進(jìn)行 LMS 類型的光譜預(yù)分類。

然后，他們使用自適應(yīng)光學(xué)掃描眼底鏡通過在紅外波段對視網(wǎng)膜進(jìn)行成像，以近乎不可見的方式在細(xì)胞層面追蹤眼球運(yùn)動，并在每秒向每個視錐細(xì)胞精準(zhǔn)投射 105 個可見波長激光微劑量，從而讓受試者產(chǎn)生 Oz 感知。

研究人員所使用的原型視場，是一個以 4° 為中心、0.9° 見方的區(qū)域，其位于受試者的注視目標(biāo)附近。

實(shí)驗(yàn)中，他們通過顏色匹配實(shí)驗(yàn)繪制了 Oz 顏色的經(jīng)驗(yàn)色彩空間坐標(biāo)，并收集了關(guān)于色調(diào)和飽和度的定性判斷。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)：上述原型在 Oz 中成功呈現(xiàn)出了一系列色調(diào)，例如使用通常看起來為綠色的 543 納米激發(fā)激光，可以呈現(xiàn)出從橙色到黃色、綠色再到藍(lán)綠色的變化。

此外，顏色匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：僅僅通過刺激 M 視錐細(xì)胞所呈現(xiàn)的出顏色，超出了人類自然色域的范圍。

受試者表示：在原型系統(tǒng)中，當(dāng)與中性灰色背景相比時，olo 呈現(xiàn)出前所未有的飽和度的藍(lán)綠色。

受試者還發(fā)現(xiàn)必須通過添加白光來降低 olo 的飽和度，之后才能使其與最接近的、位于色域邊界的單色光實(shí)現(xiàn)顏色匹配，這證明 olo 確實(shí)處于色域之外。

在對照實(shí)驗(yàn)中，如果“抖動”每束激光微劑量的目標(biāo)位置，使其錯誤地落在隨機(jī)相鄰的細(xì)胞上，那么 Oz 顏色會如預(yù)期那樣與激光的自然顏色“匹配”即開始出現(xiàn)“塌縮”。

此外，受試者能夠清晰地感知圖像和視頻中的 Oz 色調(diào)，例如感知到 olo 背景上的一條定向紅線或一個旋轉(zhuǎn)紅點(diǎn)。而在“抖動”條件下，則無法感知到這些。

（來源：Science Advances）

探索人類神經(jīng)的可塑性

這里有必要介紹一下色度三角形，它是一種用于表示顏色混合關(guān)系的幾何圖形，在色度學(xué)中具有重要作用。

事實(shí)上，整個色度三角形區(qū)域本身就是一個更大的色域。假設(shè)處于理想化條件之下，光能夠完美地定位到目標(biāo)視錐細(xì)胞，那么在 Oz 中通過對單個細(xì)胞的刺激就可以獲得這個色域。

然而，在實(shí)操中一小部分光線會錯過目標(biāo)視錐細(xì)胞并刺激鄰近細(xì)胞，從而導(dǎo)致最終的激活模式從預(yù)期的 Oz 顏色偏移至激光的自然顏色。

其中關(guān)鍵因素包括：激光微劑量在視網(wǎng)膜上的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF，point-spread function）與視錐細(xì)胞間距的關(guān)系、視錐細(xì)胞的空間聚光功能、眼球運(yùn)動過程中微劑量定位的誤差、視網(wǎng)膜的 L:M:S 視錐細(xì)胞比例以及刺激波長。

當(dāng)在 4° 偏心度去刺激視網(wǎng)膜時，衍射受限的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)將使 Oz 能夠處理 LMS 三角形中幾乎所有可能的色度，但在視錐細(xì)胞最小的中央凹處則無法實(shí)現(xiàn)。（注：LMS 三角形，是基于人眼視網(wǎng)膜中三種不同類型視錐細(xì)胞的響應(yīng)特性構(gòu)建而來。）

在實(shí)際操作中，光的總體泄漏不僅僅是由衍射造成的，還受到諸如自適應(yīng)光學(xué)聚焦后殘余像差以及眼動過程中計算延遲導(dǎo)致的微劑量靶向誤差等因素的影響。

盡管很難直接測量這些因素，但是研究人員所使用的模型與實(shí)驗(yàn)顏色匹配數(shù)據(jù)的最佳擬合表明：在視錐細(xì)胞捕獲的光線中，三分之一被限制在目標(biāo)細(xì)胞內(nèi)，三分之二被相鄰的視錐細(xì)胞捕獲。

雖然存在意外的漏光問題，但是在 Oz 原型中，這種精確度仍能顯示超出自然人類色域的顏色。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在給定刺激波長之下，對于 L 視錐細(xì)胞、M 視錐細(xì)胞和 S 視錐細(xì)胞的相對反應(yīng)來說，根據(jù)在該波長下響應(yīng)的視錐細(xì)胞類型的數(shù)量，可以形成三角形、直線或單個點(diǎn)。

而通過在 0.9° 的方形視場內(nèi)，以接近衍射極限的激光進(jìn)行光柵掃描，研究人員同時能夠針對視網(wǎng)膜進(jìn)行成像和刺激。

通過使用幾乎不可見的紅外光對視網(wǎng)膜進(jìn)行成像，可以實(shí)時地追蹤眼球運(yùn)動，并能以動態(tài)方式向視野范圍內(nèi)的每個視錐細(xì)胞發(fā)射精準(zhǔn)定位的可見波長激光脈沖。

其中，激光微劑量會以每秒 105 次的頻率，被傳遞到 103 個視錐細(xì)胞群體中。

要想通過錐體靶向刺激實(shí)現(xiàn)預(yù)期的 LMS 激活，就必須了解每個錐體的光譜類型。為此，課題組利用視網(wǎng)膜光學(xué)成像技術(shù)，在自適應(yīng)光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)中，根據(jù)受試者視網(wǎng)膜中視錐細(xì)胞的譜型對其進(jìn)行分類。

期間，他們使用了一個包含 1000 個-2000 個視錐細(xì)胞的分類區(qū)域，這些視錐細(xì)胞位于中央凹偏心 4° 附近。

然后，研究人員向真人受試者進(jìn)行 Oz 刺激，并進(jìn)行均勻 Oz 顏色方塊的色彩匹配以及圖像和視頻的識別實(shí)驗(yàn)。

所有 Oz 刺激均在 0.9° 的方視場內(nèi)呈現(xiàn)，與注視點(diǎn)相鄰 4°，以便確保刺激區(qū)域落在視網(wǎng)膜的分類區(qū)域內(nèi)。

作為對照條件，刺激物會被隨機(jī)重復(fù)，并且微劑量輸送會被故意削弱。

在對照試驗(yàn)之中，每個微劑量都會隨機(jī)“抖動”，使其落在距離目標(biāo)兩個錐體遠(yuǎn)的位置。

然后，研究人員進(jìn)行顏色匹配實(shí)驗(yàn)，以便測量 Oz 顏色的色度坐標(biāo)。

他們測試了兩種不同的刺激波長：第一種的波長是 488 納米，它可以激活所有三種視錐細(xì)胞（L、M 和 S）；第二種的波長是 543 納米，它接近 L 和 M 的峰值波長，且對 S 的激活作用極小。

接著，課題組使用兩種不同的顏色匹配系統(tǒng)：一是紅綠藍(lán)投影儀，二是波長可調(diào)的近單色激光，該激光可與白色投影儀光線混合。與此同時，后者可以產(chǎn)生位于自然人類色域邊緣的顏色。

針對五名受試者該團(tuán)隊(duì)累計進(jìn)行了 222 次顏色匹配，并據(jù)此總結(jié)出四個主要發(fā)現(xiàn)：

首先，Oz 顏色在 488 納米的刺激波長下會形成一個三角形，在 543 納米的波長下形成一條顏色線，這與“逐細(xì)胞顏色理論”部分的理論一致。

其次，“抖動”會讓顏色向刺激波長“塌縮”。

第三，隨著 Oz 顏色與色彩匹配系統(tǒng)色域的距離增加，匹配 LMS 色度的方差也會增大。

第四，olo 確實(shí)超出了自然人類色域的范圍。

與需要至少三種基色的傳統(tǒng)同色異譜不同，研究人員證明空間同色異譜能夠從單一單色光中產(chǎn)生一系列顏色。

研究人員表示，Oz 代表了一種新型視覺科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，該平臺致力于實(shí)現(xiàn)對大腦第一層神經(jīng)元的完全控制，以及在每個時間點(diǎn)對每個感光細(xì)胞激活的可編程性。

Oz 能夠克服持續(xù)的固視眼動和眼部光學(xué)像差帶來的挑戰(zhàn)，準(zhǔn)確地將微劑量輸送到目標(biāo)視錐細(xì)胞?；谶@種新型可編程平臺，人們將能開展各種新實(shí)驗(yàn)。

總的來說，通過這種方法可以靈活地探索人類神經(jīng)的可塑性，例如嘗試在紅綠色盲者中誘發(fā)完整的三色視覺，或在人類三色視者中誘發(fā)四色視覺等。

參考資料：

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

運(yùn)營/排版：何晨龍