Секрет нашего цветового зрения оказался в том, что мозг просто ищет самый легкий способ описать мир вокруг

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, нейробиолог Бруно Ольшаузен и его коллега Александр Белстен, предложили новое объяснение тому, почему люди во всех культурах выделяют четыре основных цвета — красный, желтый, зеленый и синий. Опираясь на данные о цветах природных ландшафтов, полученные со спутников, они показали, что мозг использует эти четыре оттенка как самый экономный способ кодировать окружающий мир. Работа опубликована в журнале Journal of the Optical Society of America A.

С давних пор и биологи, и лингвисты замечали удивительную закономерность: люди склонны воспринимать цвета не как бесконечную радугу, а как смесь всего четырех «чистых» тонов. Красный для нас никогда не кажется смесью оранжевого и фиолетового, зато оранжевый мы легко представляем как сочетание желтого и красного. Более того, мы видим некоторые пары как противоположности — красный противостоит зеленому, а синий — желтому, и нам почти невозможно вообразить «красновато-зеленый» или «синевато-желтый» оттенок.

Эту загадку пытались разгадать с XIX века. Тогда физиолог Эвальд Геринг предложил теорию о четырех основных цветах (он называл их «урфарбен»), а его современник Герман фон Гельмгольц доказывал, что в основе цветового зрения лежат всего три типа рецепторов в глазу — колбочек, чувствительных к разным длинам волн света. Обе теории казались верными по-своему, но никак не стыковались: три колбочки не объясняли, почему мы видим именно четыре чистых цвета, а теория Геринга не имела физиологического обоснования.

Позднее лингвисты Пол Кей и Брент Берлин подтвердили, что десятки языков мира, включая бесписьменные, классифицируют цвета именно по этим четырем опорным точкам. То есть речь идет не о культурной случайности, а о чем-то глубоко врожденном. Однако нейробиологи долго не могли найти в мозге сеть нейронов, которая бы соответствовала такой схеме.

Авторы новой работы решили подойти к вопросу с другой стороны. Они задались вопросом: а как устроен цветовой мир, в котором мы живем? Ведь до появления искусственных красителей и ярких пигментов природа предлагала довольно сдержанную палитру. Используя калиброванные спутниковые снимки Земли, ученые смоделировали, какие сигналы поступают от природных сцен в колбочки человеческого глаза.

И тут важно сделать одно уточнение. Мы привыкли думать, что небо ярко-голубое, а листва сочно-зеленая. Но с точки зрения физических измерений света это не совсем так. Солнечный свет, рассеянный атмосферой, дает довольно «размытый» спектральный состав, где синих волн чуть больше, но сам сигнал бледный и смешанный с другими длинами волн. То же самое касается растений: их зеленый цвет тоже ненасыщенный, желтовато-зеленый. Яркими и чистыми по спектру в природе оказываются только редкие красные оттенки — кора деревьев, глина, камни. А то, что мы видим небо как ярко-голубое, это работа мозга, который усиливает контраст между небом и землей, чтобы нам было легче ориентироваться в пространстве.

Именно эту особенность и зафиксировали спутниковые данные. Оказалось, что распределение цветов в естественной среде крайне неравномерно. Большая часть пикселей это серые, бледно-голубые или желтовато-зеленые тона, а насыщенные синие и желтые встречаются крайне редко. Красные же пятна хоть и редки, но заметно более концентрированы по спектру.

Затем исследователи применили идею так называемого разреженного кодирования. Это принцип, по которому мозг старается использовать как можно меньше активных нейронов для описания любого сигнала, так же как мы в речи стараемся обходиться небольшим набором слов, чтобы описать множество ситуаций. Оказалось, что если пытаться закодировать все природные цвета с помощью трех каналов (например, красный, желто-зеленый и сине-зеленый), то получается неэффективно.

А вот четыре канала, как раз те самые красный, желтый, зеленый и синий, позволяют представить любой оттенок как простую комбинацию двух из них, и при этом автоматически возникают пары противоположностей: красный против зеленого, синий против желтого. Именно так мозг может описать цвет максимально кратко, без лишней нейронной активности.

Это открытие примиряет старые споры. Гельмгольц был прав насчет трех типов колбочек на входе, это физиология сетчатки. А Геринг был прав насчет четырех «чистых» цветов на выходе — это уже психологический принцип, который мозг выбирает для удобства, потому что он лучше всего подходит для нашего природного окружения. Другими словами, наше восприятие устроено так не случайно, а потому, что именно такой способ описания мира требует меньше всего усилий от нервной системы. И даже то, что небо кажется нам ярко-голубым, хотя физически его спектр довольно бледный, как раз пример того, как мозг «достраивает» картинку, используя свои четыре опорных цвета для максимальной четкости.

Ученые подчеркивают, что эта теория впервые дает стройное объяснение феномену, который столетиями ставил исследователей в тупик. Она показывает, что даже наши субъективные ощущения имеют под собой эволюционный смысл, связанный с устройством естественной среды. И хотя современные дизайнеры пользуются цветовыми кругами, основанными на тех же четырех тонах, теперь становится понятно, что эта система родилась не из удобства рисования, а из глубинных механизмов работы мозга, который ищет самые простые способы описывать реальность.

В итоге ученые показали, что загадка четырех основных цветов решается через анализ статистики природных ландшафтов и принцип экономии нейронных ресурсов. Мозг выбирает красный, желтый, зеленый и синий как наиболее экономный набор для кодирования всех встречающихся в природе оттенков, при этом пары противоположностей возникают автоматически. Даже те цвета, которые нам кажутся яркими, например, голубизна неба, физически довольно бледны, но мозг «усиливает» их, опираясь на свою внутреннюю четырехцветную схему. Это объяснение объединяет старые теории зрения и дает ясный ответ на вопрос, почему наше цветовосприятие устроено именно так, а не иначе.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях