色盲患者看到缤纷色彩，竟然源自一个意外
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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。
Jim和哥哥都是绿色色盲患者，2016年，他们的妈妈用视频记录了他们通过色弱矫正眼镜，第一次看到缤纷色彩时的反应：
视频来源：jpapenhausen，YouTube
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。
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。
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）。
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。
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。
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
制版编辑 | 皮皮鱼
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