MIT团队AI模拟婴儿视觉，早期视力差有助大脑视觉系统发育

在阅读的过程中，我们的眼睛需要不断扫描行文、识别字形、调整焦点，而这些“视觉任务”最终都要传送到大脑进行解码和理解。

视觉信息进入大脑后，主要通过两条通路进行加工：大细胞通路负责空间、运动、注意力导向，帮助我们看得准；小细胞通路负责颜色、形状、细节，帮助我们看清楚。

新生儿出生时，视网膜视锥细胞尚未发育完善，通常视力模糊且色觉不佳。这意味着在生命早期，他们看到的是模糊、色彩失真的图像。

近日，来自麻省理工学院（MIT）的团队提出，这种低质量的视觉输入可能导致部分脑细胞专门处理低空间频率和弱色彩信号，即所谓的“大细胞系统”；随着视力发育完善，细胞会逐渐适应更精细的细节和更丰富的色彩，对应另一条被称为“小细胞系统”的通路。

为验证该假说，研究人员用类似婴儿视觉发育阶段的图像序列训练计算机视觉模型，早期输入低质量图像，后期输入全彩高清图像。他们发现这些模型发展出的处理单元，其感受野特性与人类视觉系统大小细胞通路的划分存在相似性。而仅用高质量图像训练的视觉模型则未形成这种分化特征。

“这些发现可能为大脑视觉通路的关键组织原则——小细胞/大细胞系统的分化机制提供了理论解释”。MIT 脑与认知科学教授、研究资深作者 Pawan Sinha 指出。该研究由博士后 Marin Vogelsang 和 Lukas Vogelsang 共同领衔，成果发表于Communications Biology期刊。

感官输入

关于低质量视觉输入可能有利于发育的观点，源于对先天性失明后恢复视力儿童的研究。

Sinha 实验室发起的“普拉卡什计划”（Project Prakash）在印度筛查并治疗了数千名儿童。其中，白内障等可逆性视力障碍尤为常见。这些儿童恢复视力后，许多人自愿参与研究，帮助团队追踪其视觉发育进程。

在其中一项研究中，研究人员发现，接受白内障手术的儿童在识别黑白图像时的物体识别能力显著低于彩色图像。这一发现促使研究者提出假说：典型发育早期受限的色彩输入非但不是障碍，反而能帮助大脑学会识别色彩贫乏或失真的图像中的物体。

“初期剥夺丰富的色彩输入，似乎是一种有效策略，能增强系统对色彩变化的适应力，使其在图像色彩缺失时更具鲁棒性”。Sinha 解释道。

该研究还发现，若计算机视觉模型先在灰度图像上训练，再接触彩色图像，其物体识别能力比全程使用彩色图像训练的模型更强。实验室另一项研究同样表明，先接受模糊图像训练、再接触清晰图像的模型表现更优。

基于这些发现，MIT 团队进一步探索了发育初期同时限制色彩和视敏度可能产生的后果。他们推测，这些限制可能促进大细胞通路与小细胞通路的形成。

小细胞通路的神经元不仅对色彩高度敏感，还具有较小的感受野，即接收来自更密集的视网膜神经节细胞群输入，这有助于处理精细细节。而大细胞通路的神经元整合更大范围的视觉信息，使其擅长处理整体空间信息。

为验证“发育进程可能影响大小细胞选择性”的假说，研究人员用两组不同图像训练模型：一组采用标准物体分类数据集，另一组用“仿生”数据集模拟人类出生后的视觉输入，前半段训练使用低分辨率灰度图像，后半段切换为高清彩色图像。

训练完成后，团队分析了模型的处理单元（网络中与大脑视觉信息处理细胞群类似的节点）。结果发现，仿生数据训练的模型分化出专门响应低色彩和低空间频率输入的单元群，类似大细胞通路；同时形成更多样化的小细胞样单元群，主要针对高空间频率或丰富色彩信号。而全程使用高清彩色图像训练的模型未出现这种分化。

“这为生物学系统中观察到的关联性可能源于正常发育过程中同步输入的特定类型提供了证据。”

物体识别

研究人员通过额外实验揭示了不同训练策略下模型的物体识别机制。在一项测试中，他们要求模型对形状与纹理不匹配的物体图像进行分类，例如外形为猫但纹理似大象的动物。

该领域常用此类方法判断模型依赖何种图像特征（整体形状或细粒度纹理）进行分类。MIT 团队发现，接受仿生输入训练的模型明显更倾向于依据物体形状判断，这与人类行为一致。当研究人员系统性移除模型中类似大细胞的单元后，模型立即丧失了基于形状分类的倾向性。

另一组实验中，团队改用视频训练模型，引入时间维度。大细胞通路除对低空间分辨率和弱色彩敏感外，还能响应高时间频率，从而快速检测物体位置变化。当模型接受仿生视频训练时，对高时间频率最敏感的单元确实也表现出空间域的大细胞特性。

研究者指出，这些结果共同支持“生命早期的低质量感官输入可能塑造大脑感觉处理通路组织”的观点。该发现虽未否定大小细胞通路的先天特异性，但证明了发育过程中的视觉经验同样可能发挥作用。

“我们逐渐认识到，人类经历的发育进程经过精密设计，既赋予特定感知能力，也可能深刻影响大脑的组织结构。”Sinha 总结道。

此项研究获得美国国立卫生研究院、西蒙斯社会脑科学中心、日本学术振兴会和山田科学基金会资助。

1.https://news.mit.edu/2025/study-babies-poor-vision-may-help-organize-visual-brain-pathways-0703