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色盲患者看到缤纷色彩,竟然源自一个意外
发布时间:2019-08-16
 


色盲患者看到缤纷色彩,竟然源自一个意外


pixabay.com


撰文 | 蒋海宇

责编 | 陈晓雪

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如果你和我一样幸运,你可能也曾看到过一些极为纯粹的美好事物。它们太美好,使得你的感官过载,来不及处理瞬时涌入的信息。你呆在原处,情不自禁地流泪。


飞盘运动场上的意外

让Jim看到新色彩的眼镜,由玻璃学(glass science)科学家Don McPherson和数学家Andrew Schmeder一同发明。你也许会以为这副眼镜是几百年来光学研究积累的结果,但Don McPherson却于今年八月,在美国全国公共广播电台(NPR)的《金钱星球》(Plant Money)节目上坦白:这完全是个意外。

20世纪90年代,McPherson正在尝试解决一个和色盲毫不相干的问题。外科医生做手术可能会用到激光,而McPherson想为这些医生制作一副激光防护眼镜。

“那些外科医生恨死我的眼镜了,因为眼镜把他们的整个视野都变成了橘黄色,让他们分不清骨头和其他组织。”McPherson说。他制作的眼镜镜片是橘黄色的,所以透过镜片的视野也成了橘黄色。


色盲患者看到缤纷色彩,竟然源自一个意外

DonMcPherson,色盲眼镜的最初发明者

作为外科手术眼镜,McPherson的发明被嫌弃了。不过由于眼镜造型帅气,他和一些外科医生朋友开始在户外戴着它们作太阳眼镜用。一天,阳光明媚,McPherson戴着眼镜去和朋友Michael玩飞盘。Michael是一个色盲患者,从来没有看见过橘黄色。你说巧不巧,Michael忘带自己的太阳镜了,便借McPherson的手术眼镜使。

“天哪!我能看到橘黄色了!我从来没看到过橘黄色!”Michael吃惊地说道。

柳暗花明又一村,McPherson从此便走向了色盲眼镜研制的道路。他申请到了美国国立卫生研究院(NIH)的资金支持,也为自己找到了一个合作伙伴:数学家兼计算机科学家Andrew Schmeder。

来自加州大学伯克利分校的Schmeder也曾对知觉心理学(perceptual psychophysics)有所涉猎。他曾研究如何通过改变助听器的参数来提升听障人士的听音体验——比如听音乐的体验。这个研究经验正好派上了用场:Schmeder通过建立模型模拟不同程度的色觉视力缺陷,以及透过镜片的不同色彩,找到了最合适的滤镜。


色盲患者看到缤纷色彩,竟然源自一个意外

Andrew Schmeder

可是,色盲眼镜究竟是如何工作的?什么叫找到了最合适的滤镜?这得先从眼睛的工作原理说起。

视锥细胞:色彩探索者


由于Jim无法分辨红色和绿色,在他原来的世界里,一切事物都呈橘黄色。

色盲患者并不罕见。根据美国国立眼科研究院,北欧族裔的人中8%的男性和0.5%的女性患有红绿色盲(目前没有权威的中国色盲人口统计),占色盲总人口的大多数。蓝黄色盲患者的数量次于红绿色盲,只用极少的人会完全丧失色觉。

一个视觉正常的人能看见斑斓世界,归功于视网膜上的三种视锥细胞(cone cells)。三种视锥细胞会在吸收光后发生化学变化,通过神经将信息传给大脑,大脑再对收到的信息进行判断。

三种视锥细胞分别对一定波长的光敏感:对长波敏感的细胞使得我们看到红色,对中波敏感的细胞让我们看到绿色,而对短波敏感的细胞则让我们看到蓝色。当然了,对长波敏感的细胞不是仅仅只对红光产生反应:不同视锥细胞对光的反应范围会有重合,让我们拥有了红黄蓝以外的色觉(见下图)。


色盲患者看到缤纷色彩,竟然源自一个意外


三种视锥细胞对不同波长的感知交叠,让我们看到红橙黄绿蓝靛紫。(图片来源:Wikicommon)

哺乳动物中,拥有三种视锥细胞的人类其实是个特例:包括狗在内的很多哺乳动物,只有两种视锥细胞,都是“色盲”。但在一些这些动物面前,人类也都是“色盲”。很多昆虫,比如蝴蝶,有三种以上的视锥细胞;皮皮虾(蝦蛄,mantis shrimp)有十二种视锥细胞,可以骄傲地俯视大多数生物。


色盲患者看到缤纷色彩,竟然源自一个意外

皮皮虾不光有五彩的外表,还有斑斓的内心——它们能感知人类无法感知的光(图片来源:Wikipedia)

言归正传,导致人类色觉缺陷的原因有很多:虽然后天受伤可能导致眼睛、视觉神经、大脑损伤,进而使人失去色觉;多数情况下,色觉缺陷是一种遗传疾病。当负责色觉的基因有缺陷,导致某些视锥细胞过于敏感,或者不够敏感,甚至直接丧失功能,就会产生色觉缺陷。

我们常说的“色盲”其实是有误导性的,科学家们更倾向于用“色觉缺陷(color vision deficiency)”这个词。严格地讲,“色盲”是色觉缺陷的一种,源于某种视锥细胞的完全丧失。

色觉缺陷有很多种,比如红色色弱(protanomaly,又叫甲型色弱),即负责红色光的视锥细胞并未丧失,但不够敏感。这种情况下,红色看起来就偏绿,且不那么明亮。再比如红色色盲(protanopia,又叫甲型色盲),即红色视锥细胞丧失。这种情况下,红色物件就成一坨黑了。色盲还有绿色色弱(deuteranomaly)、绿色色盲(Deuteranopia)、蓝色色弱(Tritanomaly)、全色盲等等情况。


色盲患者看到缤纷色彩,竟然源自一个意外


图上为视觉正常的人的视野,图左下为红色色弱患者的视野,图右下为绿色色弱患者的视野。

(图片来源:Wikipedia)

有失才有得:眼镜的原理

当患者完全丧失了绿色视锥细胞,他们当然就看不到绿色了 —— 我们眼中的绿苹果在他们眼中是黑色的。

但是,很多色觉缺陷都并非源于视锥细胞丧失,而是因为一些细胞过分敏感或不够敏感,导致大脑错误判断接受到的信息(见下图)。举个例子,当正常眼睛接收到520nm波长的光时,红视锥细胞被55%激活,绿视锥细胞被90%激活。绿色色弱患者的红色视锥细胞则会过分激活(75%),让患者的大脑误判信息,把绿苹果看成琥珀色。红色色弱患者的绿色视锥细胞则激活不够(60%),把红苹果看成黄色或者橄榄色(参考上图)。


色盲患者看到缤纷色彩,竟然源自一个意外


色弱患者的视锥细胞会激活不足或过分激活,让大脑难以判断眼镜看到的颜色(图片来源:SITN 有修改)

基于色觉的原理,色盲眼镜通过这样的方式让色弱患者从新看到色彩:过滤掉那些会使大脑产生误判的光。就这么简单!把那些干扰大脑判断的光剔除,大脑就能正常分辨红色和绿色了。当然,难点就在于要找到合适的滤镜,只滤掉使大脑误判的光,同时尽可能留下其他光。这是工作的难点所在,也是Schemer通过复杂计算机模型解决的问题。


色盲患者看到缤纷色彩,竟然源自一个意外


色盲眼镜原理示意(图片来源:EnChroma)

了解眼镜的工作原理后,我们也就知道,视频中的眼镜不能帮助所有色觉缺陷患者:眼镜对丧失某种色锥细胞的人爱莫能助。严格地讲,色盲眼镜该叫作“色弱眼镜”。同时,就像近视眼镜不能治疗,而只能矫正近视,McPherson 和Schmeder的眼镜也只能矫正色觉缺陷。

目前还没有治疗色觉缺陷的方法,但据MIT Technology Review报道,华盛顿大学眼科博士Jay Neitz正试图通过基因疗法治疗色觉缺陷,并于2009年在猴子身上演示了该想法的可能性。

得益于视频中的眼镜,Jim能够第一次看到原先看不见的色彩。这种极简单的发明以极具冲击力的方式,向我们展示了科学和人类日常的紧密关联。而科学发明背后的故事,又让我们发现,虽然很多科学发明是依照科学理论,精巧设计后的结果,但另外一些,却非有意为之,而可以被称作“美好的意外”——比如带来医学革命的X光和盘尼西林,比如色盲眼镜。

英语里专门有个词,用来指代这些美好的意外:serendipity。


参考资料

A Sense of Color, Psychology Today,https://www.psychologytoday.com/us/blog/sensorium/201706/sense-color

Facts About Color Blindness, National Eye Institute,https://nei.nih.gov/health/color_blindness/facts_about

From Kansas to Oz: How new glasses could change the way the colorblind see the world, SITN,http://sitn.hms.harvard.edu/flash/2015/from-kansas-to-oz-how-new-glasses-could-change-the-way-the-colorblind-see-the-world/

Inside the colourful world of animal vision, The Conversation,https://theconversation.com/inside-the-colourful-world-of-animal-vision-30878

How EnChroma’s Classes Correct Color-Blindness, MIT Technology Review,https://www.technologyreview.com/s/601782/how-enchromas-glasses-correct-color-blindness/

Episode 847: Inventing Accidents, Planet Money,https://www.npr.org/sections/money/2018/06/13/619713983/episode-847-inventing-accidents