Amazing!究竟是眼睛错了还是大脑bug?

作者:尹家鹏(中国科学院神经科学研究所)

人们常说眼见为实,用来形容一个物体或者一件事情只有亲眼看见了才会相信它是真的。然而,在网络、报刊上却有这样一类图形长期流传:它们能够瞒天过海骗过你的眼睛,让你觉得自己似乎变傻了,即便知道其中的玄机,也无法说服自己的眼睛。

它们,就是视觉错觉

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。现场,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。

下面让我们欣赏几个惊艳的视觉错觉。

同样亮度的物体呈现在阴影中时,我们会感觉它更亮一些,而在光照丰富的环境中,我们会感觉它更暗一些。

1

棋盘格亮度错觉。图A中,A,B两块区域的颜色看起来有很大的亮度差异,但是将两块区域在图B中连通起来后,会发现两块区域的亮度是一致的。

如上图中呈现的棋盘格亮度错觉中,A、B两块区域的亮度实际上是相同的,但是,将它们放置于不同的图形环境下,人们会依据视觉经验感觉到不同的亮度。

2水彩错觉。人们会感觉到被黄色线条包围的部分的颜色要比周围白纸的颜色更黄一些,实际上二者的颜色是相同的。

3

旋转之蛇错觉。当保持头部相对图像静止的时候,可以产生许多像蛇在纸面上蠕动的感觉,而事实上图片是保持静止的。

4著名的Pinna 旋转运动错觉。当人注视图片中心黑点,头部靠近(或远离)屏幕时,会很明显地感受到两个圆环在分别以逆时针和顺时针(或顺时针和逆时针)方向旋转,但事实上圆环并没有任何物理移动。

是我们的眼睛坏了吗?

视觉错觉究竟是怎么回事?首先,简单介绍一下我们的视觉系统,它由暴露在外的眼球、视神经和视觉皮层组成。

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。

此外,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。

5

两种由于眼部病变导致的视物不真。 A 左图为普通人眼中的世界,右图为色盲患者眼中的世界。B 飞蚊症患者由于眼中出现病变,导致看到的图像中有类似运动的悬浮物体。

不过,我们文章开头展示的那些错觉图形,并非眼睛病变导致的,而是从一开始就是视力正常的人们所设计出来的。正是由于这些图形轻而易举欺骗了人们的眼睛,才吸引了大家的关注,并不断传播开来。

那么,如何精确地定义视觉错觉呢?其实,它就是一种人们的主观感觉与图形的物理参数不匹配的现象。这种感觉与实际不匹配的现象,在绝大多数情况下,并不会对事主的生活造成不良影响。

大脑的bug?

既然我们的眼睛是好的,视觉通路也都是好的,那么为什么在错觉图形的条件下我们无法真实感知外部图像呢?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。

我们已经知道,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”,即使一个人的身体被遮挡住了一部分,我们也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,这也将我们的视觉系统塑造成了擅长于处理这类视觉图形的样子。

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,但视觉系统作为一种进化的产物,初次遇到这样的图形就会用它固有的方式去理解,于是就会出现类似“理解偏差”的现象,这是我们的大脑对于图像的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由于大脑进化不够完美而出现的bug。

由于视觉错觉图形在自然界条件下极少存在,一般也不会影响人们的生活,因此这种现象并没有好坏的属性,它只是视觉系统基本运作方式的本能体现。

视觉错觉现象有什么用?

视觉错觉现象的应用涉及人们生活、艺术、建筑设计的方方面面。

例如,如果一个人的身材比较胖,他可以穿竖条纹的衣服来使自己显得更“瘦”一些,一些室内设计师运用错觉效应和空间透视等原理将室内设计得更加具有空间感。还有一些艺术家使用大量的错觉轮廓图形来使自己的作品更加具有视觉冲击力。

6左图:竖条纹会使人看起来比实际上更瘦一些。右图:一幅布满错觉轮廓条纹的艺术作品。

窥探大脑运行基本原理的窗口

7 人类大脑的解剖结构图。其中月状沟附近是视觉皮层所在的位置。视觉皮层只有同其他多个脑区协同工作,才能够产生人类的正常视觉意识。

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,它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,但是从外观上来看,其皮层组织结构、层次高度相似,因此许多人都推测整个大脑有一个基本的运行原理。

当前的神经科学研究,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,这些物理元件在神经网络中表现出来的各种性质是大家最为关心的问题。目前关于神经网络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”模式,为研究神经元活动提供了许多新的思路。

其中最著名的研究,是在猕猴大脑中发现了物理上并不存在的错觉轮廓的神经元的调制反应。

8两个著名的错觉轮廓。a图中能够看到一个比背景亮度更亮的白色三角形。b图中能够看到一根竖直的细线轮廓。人们已经发现了灵长类的视觉皮层存在编码对两种错觉轮廓有反应的神经元。

关于错觉轮廓产生的生理基础,美国范德堡大学的 von der Heydt等人曾经做出过解释,他们认为在大脑中存在一些对端点、或者存在反应的细胞,这些细胞的反应总和被更高级别的神经元整合,从而产生了大脑对于这种错觉轮廓空间方位的调制性反应(上图a)。

后来,中国科学院神经科学研究所王伟实验室发现了猕猴的 V4 脑区也能够“看见”错觉轮廓,由于 V4 脑区的神经元接收来自 V1/V2 脑区的输入,其感受也更大一些,相当于是 V1/V2 神经元的“上司”。王伟实验室的研究推测在大脑中可能存在一个类似前馈-反馈的作用机制来解读错觉轮廓信息(上图b 中,来自 V1/V2 的视觉信息上行传递到 V4,V4 通过对所接收到的信息进行提取增强,并且反馈给 V1/V2 脑区,从而提升大脑的工作效率。)。

当然,仅仅是发现编码错觉轮廓的神经元,对于人们理解和认识视觉系统的基本原理是远远不够的。目前,人们除了在人体上开展心理物理实验、核磁共振扫描研究以外,还进行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,是要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。

(本文首发于科学大院,转载请注明出处并保留下方二维码)

二维码