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你的眼睛为什么会欺骗你?

日期:2019-03-01 【 来源 : 新民周刊 】 阅读数:0
阅读提示:此次研究成果的意义就在于“探索真实和错觉之间的关系以及错觉在大脑中产生的脑机制,为人们深入解读大脑奥秘提供了一个重要窗口”。
作者|陈 冰

  眼见为实,这是我们观察世界和事实判断的重要标准。然而,“看见”并非如此简单,这个过程实际上蕴含了极其复杂的神经网络以及海量的神经运算过程,在这个过程中大脑真的会“欺骗”我们。

  来看看图1,Pinna旋转视觉错觉图,这些圈圈真的在旋转吗?

  再来看看图2,旋转蛇错觉,眼睛随意在图片上扫视,可以看到每个单独的圆环都在转。

  图3,A图中,A、B两块区域的颜色看起来有很大的亮度差异,但是将两块区域连通起来之后,会发现两块区域的亮度是一致的(B图)。

  我的眼睛为什么会欺骗我?

  一直以来,视觉错觉令人着迷的特殊性和丰富性激发了科学家们强烈的好奇心和持之以恒研究热情。每年在佛罗里达召开的视觉科学年会(VSS, Visual Science Society)上,都会评出当年最出色的十大视觉错觉。许多视觉科学研究者、神经科学爱好者、平面设计艺术家蜂拥而至,热闹非凡。

  眼下,这个从未被破解过的秘密,竟然被上海的一群科学家揭开一角。该研究由中科院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室和中科院灵长类神经生物学重点实验室视知觉脑机制研究组完成。

  中科院神经科学研究所王伟、顾勇团队首次揭示了视觉错觉背后的脑神经机制——复杂光流运动视觉错觉在灵长类背侧视觉通路中两个重要运动信息处理脑区(MT和MSTd脑区)中的神经信息整合编码机制。

  2月19日凌晨2点,《神经科学杂志》以《随着光流:真实光流运动向错觉光流运动转换的脑神经机制》为题,在线发表了这一发现。


玄机何在?



  人类在自然生活中,由于视觉刺激和场景的不同,以及生理上和心理上的差异,会自觉和不自觉地感知到运动、形状、颜色、大小位置等各种各样的视觉错觉,文首的Pinna 旋转视觉错觉就是著名的复杂光流运动旋转错觉。

  那么,什么是“光流运动”呢?

  当人或动物在自然环境中运动时,周边的事物相对于人和动物会产生一系列扩张、收缩、或者旋转等复杂运动形式,这类运动形式被称为“光流运动”。通俗来讲,当人往前走时,会感觉周边景物在扩张变大,往后退时,则会感觉周边景物在收缩变小。人和动物视觉系统对光流运动的编码和感知,能够帮助判断自身的运动状态,并协助定位和导航。

  科研人员通过使用心理物理和单个神经元活动电生理记录技术手段,在精确控制Pinna错觉刺激参数的条件下,分别产生了错觉旋转,错觉收缩和扩张以及错觉螺旋运动,详细研究了各类复杂光流运动从真实向错觉转换过程中的运动信息脑神经整合机制。

  结合心理物理实验和脑功能核磁成像技术,他们发现视觉通路中两个编码视觉运动信息的高级脑区——背侧内颞上区(MSTd)和中颞区(MT)对刺激有着明显的反应。区别在于MT只是处理局部的视觉信号,而MSTd则是将这些信息整合成一个整幅图像。

  有意思的是,和真实运动一样,编码真实旋转运动的人内颞上区(MSTd)也能够编码错觉旋转运动。这说明大脑最终感知到运动视觉时,并没有真实与错觉的差别——它“自以为是”地让人类错误相信一个静态的东西在运动,而且是万分真诚地相信。

  在实验过程中,科学家还发现,这群细胞处理错觉的光流视觉信号时,要比处理真实信号慢上那么近20毫秒。这究竟是为什么?谜底还有待进一步揭开。

  简单来讲,我们的大脑,无论是负责躯体运动的脑区、负责听觉的脑区,还是负责视觉信息的脑区,他们的基本构成元件都是极其类似的神经元。更加让人不可思议的是,虽然不同脑区所负责的功能差别十分巨大,但是其皮层组织结构、层次从外观上来看高度相似,因此许多人都推测整个大脑有一个基本的运行原理。

  目前的神经科学研究,多数情况下还是将大脑中的神经元当成一个个物理元件来研究的,关于神经网络的信息处理方式的推测,基本上按照一种线性或者非线性加和的处理方式来进行。而各种错觉信息的“不按常理出牌”的模式,为研究神经元活动提供了许多新的思路。

  科学家们除了在人身上开展心理物理实验、核磁共振扫描研究以外,还进行了大量的动物生理学实验来研究各种错觉现象更深层次的生理基础,从短期目标上来讲,是为了理解视觉系统的基本原理,而从长远来讲,则是为了掌握整个大脑的基本运行规律。

  此次研究成果的意义就在于“探索真实和错觉之间的关系以及错觉在大脑中产生的脑机制,为人们深入解读大脑奥秘提供了一个重要窗口”。


眼睛问题还是大脑bug?



  我们的视觉系统由暴露在外的眼球,视神经和视觉皮层所组成。我们的眼睛是外部图像进入视觉系统的第一个环节,光学信号在视网膜上被转换成电信号,通过视神经传入视皮层的神经元海洋之中。眼球是一部全自动聚焦成像图像采集系统,在性能上超越目前世界上任何一部数码相机。眼球上即使很小的损伤都会引起严重的视力问题,最普遍的就是近视眼、老花眼。还有些类似错觉感觉的疾病,如有些人眼睛由于玻璃体浑浊而出现“飞蚊症”,还有些人由于视网膜上缺乏相应的感光色素细胞而出现“色盲”或者“色弱”。这些病理性的异常都会对患者的正常生活产生严重的影响。

  除了有眼部问题的人,绝大多数人的眼睛都是正常的。之所以会产生视觉错觉,是因为人们的主观感觉与图形的物理参数出现了不匹配的现象。那么为什么在错觉图形的条件下我们无法真实地感知外部图像呢?难道这是我们的视觉皮层在进化中出现的漏洞?关于这个问题,目前还没有一个统一的解释。

  我们已知外部世界的图像通过眼睛的折光系统投射到视网膜上这一步骤是十分忠实于光学原理的。但是当外部图像在视网膜上被转换成电信号并进入大脑之后,皮层对于图像信息进行了进一步的解读。这种解读模式,在经过了亿万年的进化之后,必然是以一种最“接地气”、最“懂”这个世界的方式进行的。

  比如由于红绿拮抗神经元的存在,导致红花衬托在绿叶上面格外鲜艳、红橙色的果实在自然界中占据大多数;由于我们的大脑会存在“填补效应”,一个人的身体被遮挡住了一部分,我们并不会认为这个人的身体少了一块;由于大脑中存在专门负责面部识别的脑区,人们对于脸部识别更加敏感。

  自然界中的图像,由于受太阳照射、重力、水流、气流等因素的影响,总是以一种特定的形态存在,这也将视觉系统塑造成了擅长于处理这类视觉图形。而错觉图形都是人们通过精心构思设计出来的,在自然界中几乎很少存在这样的图案,而我们的视觉系统作为一种进化的产物,初次遇到这样的图形会用它固有的方式去理解,就会出现类似“理解偏差”的现象,是我们的大脑对于图像的一种固有信息提取方式在遇到新情况下的体现,也可以理解成为一种大脑进化不够完美而出现的bug。

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