色盲患者看到繽紛色彩，竟然源自一個(gè)意外
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撰文 | 蔣海宇
責(zé)編 | 陳曉雪
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如果你和我一樣幸運(yùn)，你可能也曾看到過(guò)一些極為純粹的美好事物。它們太美好，使得你的感官過(guò)載，來(lái)不及處理瞬時(shí)涌入的信息。你呆在原處，情不自禁地流淚。
Jim和哥哥都是綠色色盲患者，2016年，他們的媽媽用視頻記錄了他們通過(guò)色弱矯正眼鏡，第一次看到繽紛色彩時(shí)的反應(yīng)：
視頻來(lái)源：jpapenhausen，YouTube
飛盤(pán)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上的意外
讓Jim看到新色彩的眼鏡，由玻璃學(xué)（glass science）科學(xué)家Don McPherson和數(shù)學(xué)家Andrew Schmeder一同發(fā)明。你也許會(huì)以為這副眼鏡是幾百年來(lái)光學(xué)研究積累的結(jié)果，但Don McPherson卻于今年八月，在美國(guó)全國(guó)公共廣播電臺(tái)（NPR）的《金錢(qián)星球》（Plant Money）節(jié)目上坦白：這完全是個(gè)意外。
20世紀(jì)90年代，McPherson正在嘗試解決一個(gè)和色盲毫不相干的問(wèn)題。外科醫(yī)生做手術(shù)可能會(huì)用到激光，而McPherson想為這些醫(yī)生制作一副激光防護(hù)眼鏡。
“那些外科醫(yī)生恨死我的眼鏡了，因?yàn)檠坨R把他們的整個(gè)視野都變成了橘黃色，讓他們分不清骨頭和其他組織?！盡cPherson說(shuō)。他制作的眼鏡鏡片是橘黃色的，所以透過(guò)鏡片的視野也成了橘黃色。
DonMcPherson，色盲眼鏡的最初發(fā)明者
作為外科手術(shù)眼鏡，McPherson的發(fā)明被嫌棄了。不過(guò)由于眼鏡造型帥氣，他和一些外科醫(yī)生朋友開(kāi)始在戶(hù)外戴著它們作太陽(yáng)眼鏡用。一天，陽(yáng)光明媚，McPherson戴著眼鏡去和朋友Michael玩飛盤(pán)。Michael是一個(gè)色盲患者，從來(lái)沒(méi)有看見(jiàn)過(guò)橘黃色。你說(shuō)巧不巧，Michael忘帶自己的太陽(yáng)鏡了，便借McPherson的手術(shù)眼鏡使。
“天哪！我能看到橘黃色了！我從來(lái)沒(méi)看到過(guò)橘黃色！”Michael吃驚地說(shuō)道。
柳暗花明又一村，McPherson從此便走向了色盲眼鏡研制的道路。他申請(qǐng)到了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）的資金支持，也為自己找到了一個(gè)合作伙伴：數(shù)學(xué)家兼計(jì)算機(jī)科學(xué)家Andrew Schmeder。
來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校的Schmeder也曾對(duì)知覺(jué)心理學(xué)（perceptual psychophysics）有所涉獵。他曾研究如何通過(guò)改變助聽(tīng)器的參數(shù)來(lái)提升聽(tīng)障人士的聽(tīng)音體驗(yàn)——比如聽(tīng)音樂(lè)的體驗(yàn)。這個(gè)研究經(jīng)驗(yàn)正好派上了用場(chǎng)：Schmeder通過(guò)建立模型模擬不同程度的色覺(jué)視力缺陷，以及透過(guò)鏡片的不同色彩，找到了最合適的濾鏡。
Andrew Schmeder
可是，色盲眼鏡究竟是如何工作的？什么叫找到了最合適的濾鏡？這得先從眼睛的工作原理說(shuō)起。
視錐細(xì)胞：色彩探索者
由于Jim無(wú)法分辨紅色和綠色，在他原來(lái)的世界里，一切事物都呈橘黃色。
色盲患者并不罕見(jiàn)。根據(jù)美國(guó)國(guó)立眼科研究院，北歐族裔的人中8%的男性和0.5%的女性患有紅綠色盲（目前沒(méi)有權(quán)威的中國(guó)色盲人口統(tǒng)計(jì)），占色盲總?cè)丝诘拇蠖鄶?shù)。藍(lán)黃色盲患者的數(shù)量次于紅綠色盲，只用極少的人會(huì)完全喪失色覺(jué)。
一個(gè)視覺(jué)正常的人能看見(jiàn)斑斕世界，歸功于視網(wǎng)膜上的三種視錐細(xì)胞（cone cells）。三種視錐細(xì)胞會(huì)在吸收光后發(fā)生化學(xué)變化，通過(guò)神經(jīng)將信息傳給大腦，大腦再對(duì)收到的信息進(jìn)行判斷。
三種視錐細(xì)胞分別對(duì)一定波長(zhǎng)的光敏感：對(duì)長(zhǎng)波敏感的細(xì)胞使得我們看到紅色，對(duì)中波敏感的細(xì)胞讓我們看到綠色，而對(duì)短波敏感的細(xì)胞則讓我們看到藍(lán)色。當(dāng)然了，對(duì)長(zhǎng)波敏感的細(xì)胞不是僅僅只對(duì)紅光產(chǎn)生反應(yīng)：不同視錐細(xì)胞對(duì)光的反應(yīng)范圍會(huì)有重合，讓我們擁有了紅黃藍(lán)以外的色覺(jué)（見(jiàn)下圖）。
三種視錐細(xì)胞對(duì)不同波長(zhǎng)的感知交疊，讓我們看到紅橙黃綠藍(lán)靛紫。（圖片來(lái)源：Wikicommon）
哺乳動(dòng)物中，擁有三種視錐細(xì)胞的人類(lèi)其實(shí)是個(gè)特例：包括狗在內(nèi)的很多哺乳動(dòng)物，只有兩種視錐細(xì)胞，都是“色盲”。但在一些這些動(dòng)物面前，人類(lèi)也都是“色盲”。很多昆蟲(chóng)，比如蝴蝶，有三種以上的視錐細(xì)胞；皮皮蝦（蝦蛄，mantis shrimp）有十二種視錐細(xì)胞，可以驕傲地俯視大多數(shù)生物。
皮皮蝦不光有五彩的外表，還有斑斕的內(nèi)心——它們能感知人類(lèi)無(wú)法感知的光（圖片來(lái)源：Wikipedia）
言歸正傳，導(dǎo)致人類(lèi)色覺(jué)缺陷的原因有很多：雖然后天受傷可能導(dǎo)致眼睛、視覺(jué)神經(jīng)、大腦損傷，進(jìn)而使人失去色覺(jué)；多數(shù)情況下，色覺(jué)缺陷是一種遺傳疾病。當(dāng)負(fù)責(zé)色覺(jué)的基因有缺陷，導(dǎo)致某些視錐細(xì)胞過(guò)于敏感，或者不夠敏感，甚至直接喪失功能，就會(huì)產(chǎn)生色覺(jué)缺陷。
我們常說(shuō)的“色盲”其實(shí)是有誤導(dǎo)性的，科學(xué)家們更傾向于用“色覺(jué)缺陷（color vision deficiency）”這個(gè)詞。嚴(yán)格地講，“色盲”是色覺(jué)缺陷的一種，源于某種視錐細(xì)胞的完全喪失。
色覺(jué)缺陷有很多種，比如紅色色弱（protanomaly，又叫甲型色弱），即負(fù)責(zé)紅色光的視錐細(xì)胞并未喪失，但不夠敏感。這種情況下，紅色看起來(lái)就偏綠，且不那么明亮。再比如紅色色盲（protanopia，又叫甲型色盲），即紅色視錐細(xì)胞喪失。這種情況下，紅色物件就成一坨黑了。色盲還有綠色色弱（deuteranomaly）、綠色色盲（Deuteranopia）、藍(lán)色色弱（Tritanomaly）、全色盲等等情況。
圖上為視覺(jué)正常的人的視野，圖左下為紅色色弱患者的視野，圖右下為綠色色弱患者的視野。
（圖片來(lái)源：Wikipedia）
有失才有得：眼鏡的原理
當(dāng)患者完全喪失了綠色視錐細(xì)胞，他們當(dāng)然就看不到綠色了 —— 我們眼中的綠蘋(píng)果在他們眼中是黑色的。
但是，很多色覺(jué)缺陷都并非源于視錐細(xì)胞喪失，而是因?yàn)橐恍┘?xì)胞過(guò)分敏感或不夠敏感，導(dǎo)致大腦錯(cuò)誤判斷接受到的信息（見(jiàn)下圖）。舉個(gè)例子，當(dāng)正常眼睛接收到520nm波長(zhǎng)的光時(shí)，紅視錐細(xì)胞被55%激活，綠視錐細(xì)胞被90%激活。綠色色弱患者的紅色視錐細(xì)胞則會(huì)過(guò)分激活（75%），讓患者的大腦誤判信息，把綠蘋(píng)果看成琥珀色。紅色色弱患者的綠色視錐細(xì)胞則激活不夠（60%），把紅蘋(píng)果看成黃色或者橄欖色（參考上圖）。
色弱患者的視錐細(xì)胞會(huì)激活不足或過(guò)分激活，讓大腦難以判斷眼鏡看到的顏色（圖片來(lái)源：SITN 有修改）
基于色覺(jué)的原理，色盲眼鏡通過(guò)這樣的方式讓色弱患者從新看到色彩：過(guò)濾掉那些會(huì)使大腦產(chǎn)生誤判的光。就這么簡(jiǎn)單！把那些干擾大腦判斷的光剔除，大腦就能正常分辨紅色和綠色了。當(dāng)然，難點(diǎn)就在于要找到合適的濾鏡，只濾掉使大腦誤判的光，同時(shí)盡可能留下其他光。這是工作的難點(diǎn)所在，也是Schemer通過(guò)復(fù)雜計(jì)算機(jī)模型解決的問(wèn)題。
色盲眼鏡原理示意（圖片來(lái)源：EnChroma）
了解眼鏡的工作原理后，我們也就知道，視頻中的眼鏡不能幫助所有色覺(jué)缺陷患者：眼鏡對(duì)喪失某種色錐細(xì)胞的人愛(ài)莫能助。嚴(yán)格地講，色盲眼鏡該叫作“色弱眼鏡”。同時(shí)，就像近視眼鏡不能治療，而只能矯正近視，McPherson 和Schmeder的眼鏡也只能矯正色覺(jué)缺陷。
目前還沒(méi)有治療色覺(jué)缺陷的方法，但據(jù)MIT Technology Review報(bào)道，華盛頓大學(xué)眼科博士Jay Neitz正試圖通過(guò)基因療法治療色覺(jué)缺陷，并于2009年在猴子身上演示了該想法的可能性。
得益于視頻中的眼鏡，Jim能夠第一次看到原先看不見(jiàn)的色彩。這種極簡(jiǎn)單的發(fā)明以極具沖擊力的方式，向我們展示了科學(xué)和人類(lèi)日常的緊密關(guān)聯(lián)。而科學(xué)發(fā)明背后的故事，又讓我們發(fā)現(xiàn)，雖然很多科學(xué)發(fā)明是依照科學(xué)理論，精巧設(shè)計(jì)后的結(jié)果，但另外一些，卻非有意為之，而可以被稱(chēng)作“美好的意外”——比如帶來(lái)醫(yī)學(xué)革命的X光和盤(pán)尼西林，比如色盲眼鏡。
英語(yǔ)里專(zhuān)門(mén)有個(gè)詞，用來(lái)指代這些美好的意外：serendipity。 
參考資料
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
制版編輯 | 皮皮魚(yú)
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