[論文賞] フォーゲルザング 麻凛/Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Marin Vogelsang, Dr. rer. nat.

[分野:神経科学・行動科学・情報科学・統計学]

論文リンク

https://doi.org/10.1126/science.adk9587

論文タイトル

Impact of early visual experience on later usage of color cues

掲載雑誌名

Science

論文内容

人間の視覚による認識は色の変化に対して非常に頑健である。例えば白黒写真においても、私たちは物体を容易に認識することができる。本研究では、この頑健性がいかにして生じるのか、その起源を初期の視覚発達に求める仮説を提案し検証した。実験的な証拠は、先天的盲目で児童期に手術を受け視力を獲得した稀な集団の研究から得られたものである。この集団では手術から長期間経過した後も、色の手がかりを取り除いた場合に物体認識の成績が著しく低下したのである。一方で、対照群ではそのような低下は見られなかった。この差異は初期発達の違いで説明することができる。後天的に視覚を獲得した子どもは、既に成熟した網膜をもって視覚経験を開始するため、最初から機能的な色覚を備えているが、これが却って色情報への過度の依存を誘発すると考えられる。対照的に、典型的に発達する乳児は著しく未熟な色覚系で視覚を開始するため、これを免れる。深層ニューラルネットワーク（DNN）を用いたシミュレーションでは、この結びつきが強く裏づけられた。白黒画像で訓練を開始したネットワークは、最初からカラー画像で訓練したモデルと比較して、一般化能力と頑健性が高いという結果が得られた。これらの知見は、人間の視覚発達が特定の順序で進む適応的な理由を明らかにし、より良いDNNの訓練方法や、視力回復手術後の新たなリハビリテーション介入の可能性を示唆するものである。

受賞者のコメント

この度は名誉あるUJA論文賞を賜り、大変光栄に存じます。審査員の皆様、運営に携わってくださった皆様に心より御礼申し上げます。本論文は、MITのPawan Sinha教授をはじめ、Project Prakashのスタッフと共著者の皆様、そしてインドで治療を受け研究に参加してくださった子どもたち及びご家族の皆様など、本当にたくさんの方々の協力があって初めて成り立ったものです。科学的な成果は、Project Prakashという大きな取り組みの一側面に過ぎず、治療の機会が限られた先天盲の子どもたちに現地医療チームが視力を届ける、その取り組みに研究者の一人として関わらせていただけたことをありがたく感じています。

審査員コメント

矢部 貴大先生

初期の視覚経験が、その後の色覚情報の利用にどのような影響を与えるかを、人を対象とした実証実験とニューラルネットワークによる分析の両面から検討した論文である。先天性失明から手術によって視力を回復した遅延開眼者と、社会経済的背景を一致させた対照群を比較した実証実験では、遅延開眼者はグレースケール画像よりも色付き画像で有意に高い認識成績を示した一方、対照群では両条件に差が見られなかった。この結果は、遅延開眼者が色の手がかりにより強く依存している可能性を示唆しており、初期視覚発達段階での入力制約が、その後の表象の頑健性に影響するという解釈が提示されている点が特に印象的だった。さらに、人の実験結果をニューラルネットワークモデルでも検証している構成がユニークで、実証データと計算モデルの両方から仮説を検討するアプローチとして興味深いと感じた。都市研究における実データ分析とエージェントベースシミュレーションを組み合わせた検証にも通じる点があり、その意味でも示唆が多い研究だと思う。

畑 匡侑先生

本研究は、発達初期の色覚未熟性が輝度依存的表現を形成し、それが色不変性の基盤となる

という仮説を初めて実証的・計算論的に提示した研究であり、独創性・学術性のみならず臨床的意義や計算論的検証を高水準で満たしており、「分野横断的価値」「研究分野への高い貢献度」の双方において極めて優れている。

長谷川 祐人先生

本論文は、人間の色覚の発達と色情報処理の堅牢性に関する新たな知見を提示した研究です。先天的に盲目であった子どもが視力を獲得した後の視覚認知実験において、色情報を除去すると認識性能が大きく低下する一方、同年代の通常視力の子どもでは色の有無に関わらず認識性能が維持されることが示されています。これらの結果は、視覚システムの発達初期に典型的な色情報処理機構が形成されない場合、後年において色情報への過度な依存が生じ、視覚認識の柔軟性が損なわれる可能性を示唆しています。さらに、深層ニューラルネットワークを用いたシミュレーションにおいても同様の傾向が再現されており、人間の色覚発達における経験依存性と適応的機能獲得の計算原理に対する重要な示唆を与えています。本研究は基礎的な視覚認知科学のみならず、人間の視覚発達モデルや機械視覚システムへの応用可能性を持つ重要な成果だと思います。

加藤 明彦先生

This publication addresses an important clinical question with creativity and rigor. The authors investigated how object recognition differs between late-sighted and normal-sighted individuals, particularly regarding the contribution of color information. The late-sighted participants (8-26 years-old) had experienced treatable congenital blindness due to dense bilateral cataracts within six months of birth, and later underwent cataract extraction with intraocular lens implantation. This study revealed that late-sighted individuals rely heavily on color cues for object recognition compared to normal-sighted individuals, despite showing no differences in basic color detection ability.

To explore the mechanism, the authors employed convolutional neural networks (CNNs), a widely used architecture for image recognition, and examined how color information influenced object recognition by manipulating the temporal order of monochromatic and chromatic images during the CNN training. Four training regimens were tested, grayscale followed by color (G2C), color followed by grayscale (C2G), all color (C2C) and all grayscale (G2G). G2C approximates normal visual development, while C2C reflects late-sighted experience.

CNNs trained with G2C achieved similar recognition performance for both color and grayscale images, whereas the C2C-trained CNNs showed impaired recognition of grayscale images compared to color ones, mirroring the experiences in the late-sighted participants. Interestingly, C2G exhibited the opposite pattern with poorer recognition of color images. G2G exhibited comparable performance to G2C overall but showed reduced performance for food and fruit images, where color cues may be crucial for recognition.

CNN comprises multiple hidden layers, which are reminiscent of primary to higher-order visual cortex architecture. The authors depicted the individual receptive fields of the trained CNN instances, and found that G2C models developed more achromatic receptive fields than C2C or C2G models, paralleling differences in visual processing strategies. This study provides novel insights into the development of object recognition in human and demonstrates striking similarity in artificial neural networks. These findings may inform rehabilitation strategies for late-sighted patients, such as initial exposure to grayscale images followed by color to optimize visual adaptation.

山下 哲先生

本論文は、稀有な臨床機会を活用した優れた実験デザイン、明確な仮説検証、行動実験・計算モデルといった複数の手法による検証を備えており、Science誌での掲載に相応しい高い水準を示しています。先天性盲児という特殊な被験者集団を対象としながらも、視覚発達の普遍的な原理を明らかにした点が特に評価されます。神経科学、心理学、機械学習など複数の分野の研究者に価値をもたらす内容となっており、科学的好奇心を喚起する優れた研究です。

１）研究者を目指したきっかけ

正直なところ、「これがきっかけだった」と言える瞬間は思い出せません。最近実家を整理していたところ、高校1年生のときに受けた職業適性検査の結果が出てきたのですが、希望職業欄に「研究職」と書いていました。その頃から研究という仕事に惹かれていたようです。

２）現在の専門分野に進んだ理由

現在のAIは、私たちの暮らしのあらゆる場面で使われるようになりましたが、学習した内容と少し違うパターンに出会うと途端に対応できなくなる、という弱点があります。一方で人間は、ほんの少しの例を見ただけで、それを応用して新しい場面に適用する力を持っています。「なぜ人間はこれほど柔軟な認識ができるのか」「人間の発達の仕組みを模倣すれば、より賢いAIを作れるのではないか」この問いの面白さに、私は今も惹かれ続けています。

加えて、Project Prakashでは現地の医療チームが、経済的に恵まれない先天盲の子どもたちへの視力回復手術を行っています。科学的な知見を得るだけでなく、研究を通じて社会にも貢献できるこの取り組みに関われることを、とても嬉しく思っています。

３）この研究の将来性

本研究には、大きく3つの波及的な意義があると考えています。

　第一に、私たちの知覚がなぜ特定の順序を追って発達していくのか、その意味を科学的に説明する手がかりになります。一見「未熟」に見える赤ちゃんの視覚も、実はその後の頑健な物体認識を育むために必要な段階なのかもしれません。

　第二に、視力回復手術を受けた方々が直面する認識の困難を理解し、新しいリハビリテーションの方法を考えるヒントになります。幼少期の視覚経験が通常とは異なる場合に生じる「知覚のつまずき」を説明する枠組みとして、今後の臨床応用が期待されます。

　第三に、より優れたディープニューラルネットワークの訓練方法につながります。本研究は色情報をめぐる事例ですが、視覚の解像度や聴覚の周波数帯域においても、「初期は情報を制限し、徐々に豊かにする」という発達の順序がAIの汎化能力を高めることを、私たちは一連の研究で示してきました。「人間の発達に学ぶAI」という、領域を越えて通用する設計思想を提案するものです。

留学や研究生活にまつわるエピソード

学部卒業後、修士でスイス、博士でドイツ、そして現在はアメリカと、10年近くにわたり海外で研究をしてきました。生まれ育った環境を離れて生活をするのは言語や文化の壁だけでなく、さまざまな困難を伴いますが、そうした経験の積み重ねが、私なりの研究者としてのあり方を少しずつ形づくってくれたように思います。

修士課程で出会った夫とは、研究仲間としても人生のパートナーとしても、いつも一緒に歩んできました。今回の論文も、もともと夫が関わっていた研究を、シミュレーションやコーディングがより得意だった私が引き継ぐ形で進めたものです。研究の話題が日常の会話に溶け込む生活は、時々疲れることもありますが、同じ問いに向き合える相手が側にいるのは何にも代えがたい贅沢だと感じています。

留学を考えている方には、機会がある時にとりあえず行ってみるくらいの柔軟さをおすすめしたいです。研究も人生も、思いがけない出会いが道を作っていくものだと、振り返って実感しています。