Nonostante la capacità del sistema visivo umano di elaborare una vasta gamma di colori, il cervello riesce a riconoscere oggetti anche in immagini in bianco e nero. Un nuovo studio del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha approfondito i meccanismi che permettono questa abilità. Utilizzando tecniche avanzate di neuroimaging e modelli computazionali, i ricercatori hanno scoperto come il cervello possa adattarsi all’assenza di informazioni cromatiche, sfruttando altre caratteristiche visive come la forma, il contrasto e la struttura
Il ruolo del sistema visivo umano e i colori
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Le cellule fotorecettrici nella retina, note come coni, sono sensibili a diverse lunghezze d’onda della luce, permettendoci di percepire i colori. Ci sono tre tipi principali di coni, ciascuno sensibile a un diverso spettro di lunghezze d’onda: corte, medie e lunghe, corrispondenti ai colori blu, verde e rosso. Questi coni lavorano insieme per fornire una percezione completa del colore. Tuttavia, secondo i ricercatori del MIT, il cervello umano è dotato di una straordinaria capacità di adattarsi alle immagini cui mancano informazioni cromatiche. Tale adattamento è possibile grazie alla natura altamente flessibile e plastica delle reti neurali del cervello. Esse possono difatti imparare a identificare oggetti basandosi su indizi diversi dal colore, come la forma, il contrasto e la struttura. Ma andiamo per ordine.
L’Apprendimento nei neonati
Nelle prime fasi della vita, i neonati ricevono informazioni cromatiche limitate. Il cervello deve quindi distinguere gli oggetti in base alla luminosità, ovvero l’intensità della luce che emettono, piuttosto che alle loro nuance. Questo avviene perché i coni retinici non sono completamente sviluppati. Di conseguenza, la visione a colori è molto ridotta.
Durante i primi mesi di vita, la retina e la corteccia visiva maturano e il cervello è in grado di processare le tonalità. Tuttavia, quest’ultimo mantiene l’abilità acquisita in precedenza di riconoscere oggetti senza una dipendenza critica dalle indicazioni cromatiche. Questo periodo di adattamento è fondamentale per lo sviluppo delle capacità visive. Permette infatti al cervello di utilizzare varie strategie per l’identificazione degli oggetti.
L’Influenza dello sviluppo visivo nei bambini non vedenti dalla nascita
I risultati dello studio aiutano anche a spiegare perché i bambini non vedenti dalla nascita, ma con la vista ripristinata in seguito attraverso la rimozione delle cataratte congenite, abbiano maggiore difficoltà nell’identificare gli oggetti in bianco e nero. Questi bambini, che ricevono un ricco input di colore non appena la loro vista viene ripristinata, potrebbero sviluppare una eccessiva dipendenza dal colore. Cosa che li rende meno resilienti ai cambiamenti o alla rimozione delle informazioni cromatiche. Ma come è nata l’idea di questo studio?
Vedere in bianco e nero
L’esplorazione dei ricercatori su come l’esperienza precoce con il colore influenzi il successivo riconoscimento degli oggetti è nata da una semplice osservazione emersa da uno studio sui bambini che aveva riacquisito la vista dopo l’intervento di cataratta congenita. Nel 2005, Pawan Sinha ha lanciato il Progetto Prakash (la parola sanscrita per “luce”), nel tentativo di identificare e trattare bambini indiani con forme reversibili di perdita della vista.
Il Progetto Prakash
Il Progetto Prakash ha trattato numerosi bambini affetti da cecità a causa di cataratte bilaterali dense. Questa condizione spesso non viene trattata in India, che ha la più grande popolazione di bambini ciechi al mondo, stimata tra 200mila e 700mila. I bambini che ricevono trattamento attraverso il Progetto possono anche partecipare a studi sullo sviluppo visivo, molti dei quali hanno aiutato gli scienziati a comprendere meglio come cambia l’organizzazione del cervello dopo il ripristino della vista, come il cervello stimi la luminosità e altri fenomeni legati alla visione.
Test di riconoscimento degli oggetti
In questo studio, Sinha e i suoi colleghi hanno sottoposto i bambini a un semplice test di riconoscimento degli oggetti, presentando loro immagini a colori e in bianco e nero. Per i bambini nati con vista normale, la conversione delle immagini a colori in scala di grigi non ha avuto alcun effetto sulla loro capacità di riconoscere l’oggetto raffigurato. Tuttavia, quando i bambini che hanno subito l’asportazione delle cataratte sono stati presentati con immagini in bianco e nero, le loro prestazioni sono notevolmente diminuite.
Ipotesi dei ricercatori
Ciò ha portato i ricercatori a ipotizzare che la natura degli input visivi cui i bambini sono esposti precocemente nella vita possa svolgere un ruolo importante nel plasmare la resilienza ai cambiamenti di colore e la capacità di identificare gli oggetti presentati in immagini in bianco e nero.
Per testare rigorosamente tale ipotesi, i ricercatori hanno utilizzato una rete neurale convoluzionale standard, AlexNet, come modello computazionale di visione. Hanno addestrato la rete a riconoscere gli oggetti, fornendole diversi tipi di input durante l’addestramento.
Approccio di addestramento
Un regime di addestramento prevedeva l’uso iniziale di immagini in scala di grigi, introducendo poi immagini a colori in seguito. Un altro regime di addestramento comprendeva solo immagini a colori. Simulava cioè l’esperienza dei bambini del Progetto Prakash, che possono elaborare informazioni a colori complete non appena le loro cataratte vengono rimosse.
Risultati del modello
I ricercatori hanno scoperto che il modello ispirato allo sviluppo poteva riconoscere accuratamente gli oggetti in entrambi i tipi di immagine ed era anche resistente ad altre manipolazioni del colore. Tuttavia, il modello proxy Prakash addestrato solo su immagini a colori non mostrava una buona generalizzazione a immagini in scala di grigi o manipolate per quanto riguarda la tonalità.
I vantaggi dell’input sensoriale limitato
Analizzando l’organizzazione interna dei modelli, i ricercatori hanno scoperto che quelli che iniziano con input in scala di grigi imparano a fare affidamento sulla luminanza per identificare gli oggetti. Una volta che iniziano a ricevere input a colori, non cambiano molto il loro approccio.
Come mai? Perché hanno già imparato una strategia che funziona bene. I modelli che hanno iniziato con immagini a colori hanno cambiato il loro approccio una volta introdotte le immagini in scala di grigi. Tuttavia, non hanno potuto cambiare abbastanza da renderli accurati quanto i modelli cui erano state date prima le immagini in scala di grigi.
Colori: implicazioni dello studio
Questi risultati hanno implicazioni significative per il trattamento di bambini con problemi visivi e per comprendere meglio il funzionamento del nostro cervello. Inoltre, le scoperte potrebbero estendersi ad altri aspetti dello sviluppo sensoriale, così da migliorare la ricerca e il trattamento in campo neurologico e cognitivo.
Fonte
Science