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Immagini secondarie a colori

Overview

Fonte: Laboratorio di Jonathan Flombaum—Johns Hopkins University

La visione umana dei colori è impressionante. Le persone con una normale visione dei colori possono distinguere milioni di tonalità individuali. Più sorprendentemente, questa capacità si ottiene con hardware abbastanza semplice.

Parte del potere della visione dei colori umana deriva da un'intelligente ingegneria nel cervello umano. Lì, la percezione del colore si basa su ciò che è noto come un "sistema avversario". Ciò significa che la presenza di un tipo di stimolo è trattata come prova dell'assenza di un altro e viceversa; l'assenza di un tipo di stimolo è presa come prova della presenza dell'altro. In particolare, nel cervello umano ci sono cellule che si attivano sia quando ricevono segnali per suggerire che la luce blu è presente, sia quando non ricevono segnali che suggeriscono luce gialla. Allo stesso modo, ci sono cellule che si attivano in presenza di giallo o in assenza di blu. Il blu e il giallo sono quindi trattati come valori avversari in una dimensione e possono essere pensati come valori negativi rispetto a valori positivi su un asse di un piano cartesiano. Se uno stimolo è caratterizzato come avente un valore negativo su quell'asse, non può anche avere un valore positivo. Quindi, se è caratterizzato come giallo, non può anche essere caratterizzato come blu. Allo stesso modo, il verde e il rosso (o in realtà, il magenta), occupano un'altra dimensione avversaria. Ci sono cellule nel cervello umano che rispondono alla presenza di una o all'assenza dell'altra. Le figure 1 e 2 spiegano l'opponenza del colore in termini cartesiani.

Figure 1
Figura 1. Dimensioni del colore avversario. Il cervello umano elabora il colore usando un sistema di dimensioni avversarie. Questo è un piano bidimensionale con blu e giallo che occupano un asse, che può essere pensato semplicemente come positivo o negativo, e rosso e verde che occupano l'altro asse. La conseguenza del sistema è che il cervello elabora la presenza di alcuni colori come indicazione dell'assenza di altri, e viceversa. Tutti i colori percepibili occupano un punto nello spazio avversario.

Figure 2
Figura 2. Tutti i colori percepibili occupano un punto nello spazio avversario. Di seguito sono riportati esempi di colori con valori diversi da zero in ciascuna delle due dimensioni dello spazio avversario.

Un modo in cui l'opponenza del colore è stata scoperta - nel 1878 da Ewald Hering, anche prima che gli scienziati avessero accesso alle tecniche per l'imaging del cervello stesso - è attraverso un'illusione nota come immagine a colori. Le immagini successive sono ancora utilizzate oggi sia per dimostrare le proprietà avversarie della percezione del colore umano sia per studiarle.

Questo video dimostra come creare un'illusione di immagine a colori e un modo semplice per raccogliere risposte percettive soggettive da osservatori umani.

Procedure

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1. Stimoli

  1. Apri una diapositiva bianca vuota in un editor di diapositive (software come PowerPoint o Keynote saranno sufficienti).
  2. Usa lo strumento forma per creare due stelle di dimensioni uguali senza riempimento di colore, solo un sottile contorno nero. Centralili verticalmente sulla diapositiva e posizionane uno su ciascun lato (sinistra e destra).
  3. Posiziona un piccolo disco nero al centro della diapositiva tra le stelle. Questo è il punto di fissazione.
  4. Ora, fai una copia di questa diapositiva in bianco e nero. La seconda copia di esso sarà la seconda diapositiva nel tuo stimolo afterimage. Passare ora alla creazione della prima diapositiva selezionando la prima delle due diapositive identiche.
  5. Seleziona la stella a sinistra e riempila uniformemente con un blu brillante. Seleziona la stella a destra e riempila uniformemente con un giallo brillante.
  6. Lo stimolo è ora pronto. La prima diapositiva dovrebbe essere a colori e la seconda dovrebbe essere interamente in bianco e nero. Nella Figura 3 viene illustrato l'aspetto della prima diapositiva e nella Figura 4 la seconda.

Figure 3
Figura 3. Slide #1 di un'immagine secondaria a due diapositive a colori. La prima diapositiva di una coppia di immagini successive è a colori. Il disco scuro al centro è il punto di fissazione.

Figure 4
Figura 4. Slide #2 di un'immagine secondaria a due colori. La seconda diapositiva di una coppia di immagini secondarie è in bianco e nero. Ma gli osservatori percepiranno il colore illusorio all'interno dei riempimenti bianchi degli oggetti nell'inquadratura (le stelle in questo caso).

  1. Fai ulteriori stimoli per l'indagine seguendo la stessa procedura. Ad esempio, creane uno con una stella rossa su un lato e una stella verde sull'altro. Quindi, creane uno con una stella verde su un lato e una stella blu sull'altro. È possibile utilizzare anche altri colori.
  2. Ogni stimolo deve includere una diapositiva a colori seguita da una diapositiva identica in bianco e nero. Nella Figura 5 sono illustrati due esempi di coppie di diapositive aggiuntive per indurre immagini successive al colore.

Figure 5
Figura 5. Due ulteriori esempi di diapositive per indurre immagini secondarie a colori. La prima diapositiva di ogni coppia (riga superiore) è sempre a colori. La seconda diapositiva di ogni coppia (riga inferiore) è sempre in bianco e nero.

2. Generare l'illusione

  1. Per far sì che qualcuno sperimenti l'illusione dell'immagine secondaria del colore, siediti davanti al monitor del computer.
  2. Carica una delle diapositive a colori, ad esempio, quella con le stelle blu e gialle.
  3. Chiedi all'osservatore di fissarsi sul disco nero al centro dello schermo e di evitare di muovere gli occhi.
  4. Contare 10 s, quindi far avanzare le diapositive in avanti in modo che la diapositiva in bianco e nero sostituisca quella a colori.
  5. Istruire il partecipante a continuare a mantenere la propria fissazione. Dovrebbero vedere le stelle bianche come riempite con i colori avversari di quelli che le hanno riempite in precedenza. Quindi, la stella precedentemente blu apparirà gialla e quella precedentemente gialla sembrerà blu. La Figura 6 schematizza la relazione tra i colori nella prima diapositiva e i colori illusori che verranno percepiti.

Figure 6
Figura 6. Colori illusori percepiti in relazione ad una particolare slide-pair. In Slide #1, la stella sinistra è blu e la stella gialla è gialla. Slide #2 è in realtà in bianco e nero. Ma quando viene attivato dopo che un osservatore si è fissato su Slide #1, Slide #2 verrà percepito con colori illusori. In particolare, le stelle appariranno riempite dai colori avversari da quelli che le riempiono prima, quindi la stella sinistra sarà percepita come gialla e quella destra come blu.

  1. Una volta che l'osservatore muove gli occhi, l'illusione svanisce rapidamente.
  2. Nota, è facile farlo su se stessi e funziona.

3. Raccolta dei dati

  1. Come per molte illusioni visive, gli effetti sono fenomenologicamente salienti e vissuti da quasi tutte le persone. Quindi, i dati quantitativi servono principalmente ad affermare ciò che si sperimenta.
  2. Una tecnica semplice per la raccolta dei dati consiste nell'includere una X in un punto della regione bianca nella seconda diapositiva di una coppia e nel fornire una serie di opzioni di colore tra cui gli osservatori possono scegliere.
  3. Il compito è che l'osservatore selezioni l'opzione di colore che percepisce dove è posizionata la X. La Figura 7 mostra la sequenza di eventi in una prova dell'esperimento.

Figure 7
Figura 7. Sequenza di eventi in una singola prova di un esperimento di afterimage a colori. L'osservatore si fissa sul disco centrale in Slide #1. Dopo 10 s, lo sperimentatore avanza in avanti a Slide #2. Il compito del partecipante è quello di selezionare il colore tra le opzioni visualizzate che meglio corrisponde al colore che percepiscono nella posizione della "X".

  1. Per eseguire una versione completa dell'esperimento, utilizzare diverse coppie di diapositive. Durante ogni prova dell'esperimento, posizionare una X in una parte diversa di uno degli oggetti nella seconda diapositiva.
  2. Esegui 5-10 partecipanti in un esperimento con 10-20 prove. Calcola il colore scelto in funzione del colore che era presente nella posizione di una X nella diapositiva di una prova #1. In altre parole, mettere in relazione il colore percepito nella posizione di una X su uno sfondo bianco con il colore precedentemente in quella posizione. Il colore precedentemente in quella posizione è chiamato "colore induttore" e il colore percepito è chiamato "after-color".

La visione umana dei colori è impressionante e può aiutarci a vedere e distinguere tra oltre un milione di tonalità distinte. Gli psicologi usano un'illusione visiva chiamata afterimage del colore per studiare la nostra percezione del colore.

Ciò che una persona percepisce come la tonalità degli oggetti che incontra, come un'arancia, inizia con le informazioni sensoriali ricevute dagli occhi.

Quando questa luce entra negli occhi di un individuo, la cornea e la lente la focalizzano sulle cellule dei fotorecettori nella retina. In risposta, queste cellule generano segnali che vengono trasmessi alla corteccia visiva, dove vengono identificati i colori degli oggetti.

Lungo questo percorso, esistono singoli neuroni che rispondono in modo diverso a segnali di colore distinti.

Ad esempio, ci sono alcuni neuroni – chiamati cellule "green on, red off" – che vengono attivati solo dalla luce verde. Tuttavia, queste stesse cellule sono inibite dalla luce rossa.

Allo stesso modo, ci sono neuroni chiamati cellule "red on, green off" che rispondono al rosso, ma che sono inibiti dal verde. Pertanto, i componenti del cervello trattano questi colori come "avversari": la presenza di uno viene interpretata come l'altro assente.

Di conseguenza, il verde e il rosso possono essere pensati come occupanti valori opposti su un piano bidimensionale, rispettivamente negativo e positivo. In effetti, tutti i singoli colori specifici che vediamo sono coppie ordinate di punti in questo sistema di coordinate.

Questo video dimostra come indagare su tale opponenza, originariamente scoperta da Ewald Hering nel 1878, usando l'illusione dell'immagine secondaria del colore, in cui il cervello degli individui viene ingannato nel percepire un colore avversario in una posizione precedentemente riempita dalla sua tonalità antagonista.

Non solo spieghiamo come generare stimoli e raccogliere e interpretare i dati sulla percezione del colore, ma esploriamo anche come i ricercatori possono applicare questa illusione per studiare diversi aspetti della visione dei colori.

In questo esperimento, ai partecipanti viene chiesto di eseguire diverse prove in cui devono prima fissare forme colorate - durante quella che viene chiamata la fase induttore - e poi mentre guardano le stesse forme in bianco e nero, indicare quali tonalità vedono - denominata fase di afterimage.

Durante la prima fase di induttore, due della stessa forma, come una stella, vengono mostrati fianco a fianco sullo schermo di un computer per 10 s. Queste forme sono identiche per dimensioni e orientamento, ma sono piene di colori diversi, come il blu e il giallo, ognuno dei quali dovrebbe avere un avversario distinto, una clausola fondamentale per la seconda fase.

Per tutta la durata di ogni prova, i partecipanti sono istruiti a fissarsi su un cerchio centrato tra le forme, al fine di prevenire movimenti oculari che potrebbero interferire con l'illusione.

Nella fase di afterimage, il disco nero rimane sullo schermo, ma le immagini colorate su entrambi i lati di esso vengono sostituite da immagini delle stesse forme prive di colore: stelle bianche delineate in nero.

Ai partecipanti viene quindi chiesto quale tonalità vedono in una posizione casuale in una stella e il colore che riportano funge da variabile dipendente.

Il trucco qui è che durante la fase induttore, le cellule sensibili al colore sono attive, ad esempio, alcune si accetano pesantemente in risposta a uno stimolo blu. Tuttavia, il passaggio dalle stelle indutrici alle forme in bianco e nero provoca che queste cellule cessino improvvisamente di segnalare a causa dell'assenza di qualsiasi colore.

Tuttavia, il cervello dei partecipanti interpreta questo brusco arresto nel senso che i colori dell'avversario sono presenti: una mancanza di segnalazione da parte di cellule sensibili al blu precedentemente attive è presa come prova per il giallo.

Di conseguenza, i partecipanti riempiranno le forme in bianco e nero con i colori avversari di quelli mostrati durante la fase di induttore: dove si trovava una stella induttore blu, viene percepita una stella gialla afterimage e viceversa.

Questa è l'illusione dell'immagine post-colore, che svanisce rapidamente non appena i partecipanti muovono gli occhi.

A causa del modo in cui il cervello organizza i colori, ci si aspetta che i partecipanti vedano prevalentemente i post-colori che sono avversari dell'induttore: verde per rosso, per esempio.

Per preparare gli stimoli per l'esperimento, apri prima una diapositiva vuota in un programma di modifica delle diapositive. Utilizzate lo strumento forma per generare due stelle di dimensioni uguali, una sul lato destro e l'altra sulla sinistra, entrambe centrate verticalmente.

Quindi, crea un piccolo disco nero posizionato tra di loro per fungere da punto di fissaggio.

Per generare immagini per una fase induttore, delineare entrambe le forme in nero. Quindi, seleziona la stella a sinistra e riempila uniformemente con un blu brillante. Allo stesso modo, riempi quello giusto con un giallo brillante.

Ripeti questo processo, creando ulteriori diapositive induttori con stelle di diversi colori, come verde e rosso e un altro set in verde e blu.

Ora, copia una delle diapositive dell'induttore. In questa replica, mantieni entrambe le stelle delineate in nero, ma cambia i loro colori interni in bianco. Questa diapositiva completata verrà mostrata nella fase di afterimage di tutte le prove.

Infine, disponili in modo che ogni serie di stimoli sia composta da due diapositive: un set di induttori colorati seguito da un'immagine secondaria in bianco e nero per ogni prova.

Quando il partecipante arriva, indirizzalo al monitor di un computer e verifica che non sia daltonico. Procedi spiegando le istruzioni per l'attività che eseguiranno.

Sottolinea che durante una prova, il partecipante dovrebbe cercare di evitare di muovere gli occhi e rimanere concentrato sul disco nero che apparirà al centro dello schermo del computer.

Una volta che sei sicuro che il partecipante comprenda l'attività afterimage, fagli eseguire tra 10 e 20 prove. Per ognuno, accanto a inducer-color, registrare la tonalità selezionata come after-color.

Per analizzare i dati, conteggiare i risultati e costruire una tabella che descriva il postcolore selezionato più frequentemente per ogni colore induttore.

Si noti che i post-colori selezionati sono prevalentemente avversari delle tonalità induttori, indicando che il cervello dei partecipanti è stato ingannato, inducendoli a vedere tonalità che in realtà non c'erano : illusioni di immagini a colori.

Ora che sai come usare gli stimoli visivi per suscitare un'illusione di post-immagine a colori, diamo un'occhiata a come i ricercatori possono usare questa tecnica per comprendere meglio le basi anatomiche dietro la visione dei colori e le malattie che influenzano questa percezione.

Fino ad ora, ci siamo concentrati sulla visione normale. Tuttavia, le variazioni del test afterimage possono anche essere impiegate per comprendere meglio le malattie che influenzano la percezione del colore, come i tipi di daltonismo in cui entrambe le tonalità di una coppia avversaria appaiono uguali.

Ad esempio, i ricercatori possono confrontare per quanto tempo un individuo percepisce un'immagine post-colore con i tempi riportati dai normali partecipanti al controllo. Le illusioni che persistono per periodi di tempo anormali possono essere indicative di una malattia della visione dei colori.

I test afterimage possono quindi essere abbinati ad altre valutazioni della percezione del colore e tecniche di imaging per individuare se un difetto nella retina, nella corteccia visiva o nel percorso visivo, che trasmette segnali tra queste due aree, è responsabile.

Hai appena visto il video di JoVE sulle immagini a colori. Ormai, dovresti sapere come usare forme di diverse tonalità per indagare su questa illusione e raccogliere e interpretare i dati sui colori degli avversari. È importante sottolineare che dovresti anche avere una comprensione di come le immagini successive possono aiutare a identificare le regioni del cervello coinvolte nella percezione del colore e diagnosticare le malattie relative alla visione dei colori.

Grazie per l'attenzione!

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Results

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Per ciascuno dei colori induttori nell'esperimento, identificare il post-colore selezionato più frequentemente. Creare una tabella che visualizzi i risultati, come quella nella Figura 8.

Figure 8
Figura 8. Risultato rappresentativo. I post-colori più frequentemente selezionati in funzione dei colori induttori. I post-colori percepiti più frequentemente saranno i valori avversari dei rispettivi induttori.

I post-colori percepiti più frequentemente dovrebbero essere i valori avversari dei rispettivi colori induttori. Il motivo è che le cellule sensibili al colore nel cervello umano sono mappate spazialmente: rispondono a specifiche regioni dello spazio a seconda di dove il soggetto fissa i loro occhi. Normalmente, le persone muovono gli occhi intorno, facendo sì che diverse cellule condividano l'onere di rispondere alle regioni dello spazio esterno. Fissando il disco nelle immagini dell'induttore (slide #1 in ogni coppia), l'osservatore fa sì che gli stessi gruppi di cellule rispondano in modo sostenuto ai colori saturi presenti in una data regione di spazio esterno. Durante il periodo di fissazione, queste cellule rispondono pesantemente. Le cellule sensibili al blu producono grandi segnali blu, le cellule sensibili al giallo producono grandi segnali gialli e così via. Quando l'immagine in bianco e nero viene improvvisamente mostrata, e mentre l'osservatore si fissa ancora, queste cellule non sono più stimolate, non c'è colore nell'immagine. Ma, poiché stavano segnalando così fortemente un momento prima, il resto del cervello interpreta la loro improvvisa mancanza di attività come segnalazione della presenza di un colore avversario. L'improvvisa mancanza di segnalazione nelle cellule sensibili al blu viene interpretata come la presenza di giallo. L'improvvisa mancanza di segnalazione nelle cellule sensibili al giallo viene interpretata come la presenza di blu e così via. Il cervello interpreta l'assenza di attività nelle cellule di colore come indicante la presenza di colori avversari, quando in realtà la mancanza di attività in questo caso è causata dall'assenza di colore del tutto. Il cervello è efficacemente ingannato, facendo sì che le persone vedano colori dove non ce ne sono a causa del modo in cui organizza il colore in termini di dimensioni avversarie.

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L'opponenza al colore è tra le grandi dimostrazioni del metodo scientifico. I ricercatori nel 1800 sono stati in grado di dedurre la natura della rappresentazione del colore nel cervello umano senza alcuna capacità di osservare l'attività cerebrale. Oggi, infatti, le afterimages a colori sono diventate uno strumento utile per identificare le regioni cerebrali coinvolte nell'elaborazione del colore. Nelle scimmie, gli scienziati hanno registrato neuroni che si attivano come se il colore fosse presente, quando non lo è, dopo aver mostrato alle scimmie sequenze di diapositive che producono immagini successive negli osservatori umani. 1,2 Allo stesso modo, con la fMRI, gli scienziati hanno trovato regioni della corteccia visiva che rispondono selettivamente alla presenza di un colore e che rispondono anche quando quel colore è percepito come un'illusione, indotta da una coppia di diapositive afterimage.

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References

  1. Zeki, S. Colour coding in the cerebral cortex: the reaction of cells in monkey visual cortex to wavelengths and colours. Neuroscience, 9(4), 741-765 (1983).
  2. Conway, B. R., & Tsao, D. Y. Color architecture in alert macaque cortex revealed by FMRI. Cerebral Cortex, 16(11), 1604-1613 (2006).

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