陳冰

眼見為實(shí)，這是我們觀察世界和事實(shí)判斷的重要標(biāo)準(zhǔn)。然而，“看見”并非如此簡(jiǎn)單，這個(gè)過(guò)程實(shí)際上蘊(yùn)含了極其復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及海量的神經(jīng)運(yùn)算過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中大腦真的會(huì)“欺騙”我們。

圖1

來(lái)看看圖1，Pinna旋轉(zhuǎn)視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)圖，這些圈圈真的在旋轉(zhuǎn)嗎？

再來(lái)看看圖2，旋轉(zhuǎn)蛇錯(cuò)覺(jué)，眼睛隨意在圖片上掃視，可以看到每個(gè)單獨(dú)的圓環(huán)都在轉(zhuǎn)。

圖2

圖3，A圖中，A、B兩塊區(qū)域的顏色看起來(lái)有很大的亮度差異，但是將兩塊區(qū)域連通起來(lái)之后，會(huì)發(fā)現(xiàn)兩塊區(qū)域的亮度是一致的（B圖）。

圖3

我的眼睛為什么會(huì)欺騙我？

一直以來(lái)，視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)令人著迷的特殊性和豐富性激發(fā)了科學(xué)家們強(qiáng)烈的好奇心和持之以恒研究熱情。每年在佛羅里達(dá)召開的視覺(jué)科學(xué)年會(huì)（VSS， Visual Science Society）上，都會(huì)評(píng)出當(dāng)年最出色的十大視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)。許多視覺(jué)科學(xué)研究者、神經(jīng)科學(xué)愛(ài)好者、平面設(shè)計(jì)藝術(shù)家蜂擁而至，熱鬧非凡。

眼下，這個(gè)從未被破解過(guò)的秘密，竟然被上海的一群科學(xué)家揭開一角。該研究由中科院神經(jīng)科學(xué)研究所、腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、神經(jīng)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中科院靈長(zhǎng)類神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室視知覺(jué)腦機(jī)制研究組完成。

中科院神經(jīng)科學(xué)研究所王偉、顧勇團(tuán)隊(duì)首次揭示了視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)背后的腦神經(jīng)機(jī)制——復(fù)雜光流運(yùn)動(dòng)視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)在靈長(zhǎng)類背側(cè)視覺(jué)通路中兩個(gè)重要運(yùn)動(dòng)信息處理腦區(qū)（MT和MSTd腦區(qū)）中的神經(jīng)信息整合編碼機(jī)制。

2月19日凌晨2點(diǎn)，《神經(jīng)科學(xué)雜志》以《隨著光流：真實(shí)光流運(yùn)動(dòng)向錯(cuò)覺(jué)光流運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的腦神經(jīng)機(jī)制》為題，在線發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)。

玄機(jī)何在？

人類在自然生活中，由于視覺(jué)刺激和場(chǎng)景的不同，以及生理上和心理上的差異，會(huì)自覺(jué)和不自覺(jué)地感知到運(yùn)動(dòng)、形狀、顏色、大小位置等各種各樣的視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)，文首的Pinna 旋轉(zhuǎn)視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)就是著名的復(fù)雜光流運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)錯(cuò)覺(jué)。

那么，什么是“光流運(yùn)動(dòng)”呢？

當(dāng)人或動(dòng)物在自然環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)，周邊的事物相對(duì)于人和動(dòng)物會(huì)產(chǎn)生一系列擴(kuò)張、收縮、或者旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式，這類運(yùn)動(dòng)形式被稱為“光流運(yùn)動(dòng)”。通俗來(lái)講，當(dāng)人往前走時(shí)，會(huì)感覺(jué)周邊景物在擴(kuò)張變大，往后退時(shí)，則會(huì)感覺(jué)周邊景物在收縮變小。人和動(dòng)物視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)光流運(yùn)動(dòng)的編碼和感知，能夠幫助判斷自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并協(xié)助定位和導(dǎo)航。

科研人員通過(guò)使用心理物理和單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)電生理記錄技術(shù)手段，在精確控制Pinna錯(cuò)覺(jué)刺激參數(shù)的條件下，分別產(chǎn)生了錯(cuò)覺(jué)旋轉(zhuǎn)，錯(cuò)覺(jué)收縮和擴(kuò)張以及錯(cuò)覺(jué)螺旋運(yùn)動(dòng)，詳細(xì)研究了各類復(fù)雜光流運(yùn)動(dòng)從真實(shí)向錯(cuò)覺(jué)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)信息腦神經(jīng)整合機(jī)制。

結(jié)合心理物理實(shí)驗(yàn)和腦功能核磁成像技術(shù)，他們發(fā)現(xiàn)視覺(jué)通路中兩個(gè)編碼視覺(jué)運(yùn)動(dòng)信息的高級(jí)腦區(qū)——背側(cè)內(nèi)顳上區(qū)（MSTd）和中顳區(qū)（MT）對(duì)刺激有著明顯的反應(yīng)。區(qū)別在于MT只是處理局部的視覺(jué)信號(hào)，而MSTd則是將這些信息整合成一個(gè)整幅圖像。

有意思的是，和真實(shí)運(yùn)動(dòng)一樣，編碼真實(shí)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的人內(nèi)顳上區(qū)（MSTd）也能夠編碼錯(cuò)覺(jué)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這說(shuō)明大腦最終感知到運(yùn)動(dòng)視覺(jué)時(shí)，并沒(méi)有真實(shí)與錯(cuò)覺(jué)的差別——它“自以為是”地讓人類錯(cuò)誤相信一個(gè)靜態(tài)的東西在運(yùn)動(dòng)，而且是萬(wàn)分真誠(chéng)地相信。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，這群細(xì)胞處理錯(cuò)覺(jué)的光流視覺(jué)信號(hào)時(shí)，要比處理真實(shí)信號(hào)慢上那么近20毫秒。這究竟是為什么？謎底還有待進(jìn)一步揭開。

簡(jiǎn)單來(lái)講，我們的大腦，無(wú)論是負(fù)責(zé)軀體運(yùn)動(dòng)的腦區(qū)、負(fù)責(zé)聽覺(jué)的腦區(qū)，還是負(fù)責(zé)視覺(jué)信息的腦區(qū)，他們的基本構(gòu)成元件都是極其類似的神經(jīng)元。更加讓人不可思議的是，雖然不同腦區(qū)所負(fù)責(zé)的功能差別十分巨大，但是其皮層組織結(jié)構(gòu)、層次從外觀上來(lái)看高度相似，因此許多人都推測(cè)整個(gè)大腦有一個(gè)基本的運(yùn)行原理。

目前的神經(jīng)科學(xué)研究，多數(shù)情況下還是將大腦中的神經(jīng)元當(dāng)成一個(gè)個(gè)物理元件來(lái)研究的，關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息處理方式的推測(cè)，基本上按照一種線性或者非線性加和的處理方式來(lái)進(jìn)行。而各種錯(cuò)覺(jué)信息的“不按常理出牌”的模式，為研究神經(jīng)元活動(dòng)提供了許多新的思路。

科學(xué)家們除了在人身上開展心理物理實(shí)驗(yàn)、核磁共振掃描研究以外，還進(jìn)行了大量的動(dòng)物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究各種錯(cuò)覺(jué)現(xiàn)象更深層次的生理基礎(chǔ)，從短期目標(biāo)上來(lái)講，是為了理解視覺(jué)系統(tǒng)的基本原理，而從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講，則是為了掌握整個(gè)大腦的基本運(yùn)行規(guī)律。

此次研究成果的意義就在于“探索真實(shí)和錯(cuò)覺(jué)之間的關(guān)系以及錯(cuò)覺(jué)在大腦中產(chǎn)生的腦機(jī)制，為人們深入解讀大腦奧秘提供了一個(gè)重要窗口”。

人的視覺(jué)系統(tǒng)：人眼的解剖結(jié)構(gòu)以及視皮層的信息流

眼睛問(wèn)題還是大腦bug？

我們的視覺(jué)系統(tǒng)由暴露在外的眼球，視神經(jīng)和視覺(jué)皮層所組成。我們的眼睛是外部圖像進(jìn)入視覺(jué)系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，光學(xué)信號(hào)在視網(wǎng)膜上被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)視神經(jīng)傳入視皮層的神經(jīng)元海洋之中。眼球是一部全自動(dòng)聚焦成像圖像采集系統(tǒng)，在性能上超越目前世界上任何一部數(shù)碼相機(jī)。眼球上即使很小的損傷都會(huì)引起嚴(yán)重的視力問(wèn)題，最普遍的就是近視眼、老花眼。還有些類似錯(cuò)覺(jué)感覺(jué)的疾病，如有些人眼睛由于玻璃體渾濁而出現(xiàn)“飛蚊癥”，還有些人由于視網(wǎng)膜上缺乏相應(yīng)的感光色素細(xì)胞而出現(xiàn)“色盲”或者“色弱”。這些病理性的異常都會(huì)對(duì)患者的正常生活產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

除了有眼部問(wèn)題的人，絕大多數(shù)人的眼睛都是正常的。之所以會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)，是因?yàn)槿藗兊闹饔^感覺(jué)與圖形的物理參數(shù)出現(xiàn)了不匹配的現(xiàn)象。那么為什么在錯(cuò)覺(jué)圖形的條件下我們無(wú)法真實(shí)地感知外部圖像呢？難道這是我們的視覺(jué)皮層在進(jìn)化中出現(xiàn)的漏洞？關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的解釋。

我們的視覺(jué)系統(tǒng)作為一種進(jìn)化的產(chǎn)物，初次遇到這樣的圖形會(huì)用它固有的方式去理解，就會(huì)出現(xiàn)類似“理解偏差”的現(xiàn)象，是我們的大腦進(jìn)化不夠完美而出現(xiàn)的bug。

我們已知外部世界的圖像通過(guò)眼睛的折光系統(tǒng)投射到視網(wǎng)膜上這一步驟是十分忠實(shí)于光學(xué)原理的。但是當(dāng)外部圖像在視網(wǎng)膜上被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并進(jìn)入大腦之后，皮層對(duì)于圖像信息進(jìn)行了進(jìn)一步的解讀。這種解讀模式，在經(jīng)過(guò)了億萬(wàn)年的進(jìn)化之后，必然是以一種最“接地氣”、最“懂”這個(gè)世界的方式進(jìn)行的。

比如由于紅綠拮抗神經(jīng)元的存在，導(dǎo)致紅花襯托在綠葉上面格外鮮艷、紅橙色的果實(shí)在自然界中占據(jù)大多數(shù);由于我們的大腦會(huì)存在“填補(bǔ)效應(yīng)”，一個(gè)人的身體被遮擋住了一部分，我們并不會(huì)認(rèn)為這個(gè)人的身體少了一塊;由于大腦中存在專門負(fù)責(zé)面部識(shí)別的腦區(qū)，人們對(duì)于臉部識(shí)別更加敏感。

自然界中的圖像，由于受太陽(yáng)照射、重力、水流、氣流等因素的影響，總是以一種特定的形態(tài)存在，這也將視覺(jué)系統(tǒng)塑造成了擅長(zhǎng)于處理這類視覺(jué)圖形。而錯(cuò)覺(jué)圖形都是人們通過(guò)精心構(gòu)思設(shè)計(jì)出來(lái)的，在自然界中幾乎很少存在這樣的圖案，而我們的視覺(jué)系統(tǒng)作為一種進(jìn)化的產(chǎn)物，初次遇到這樣的圖形會(huì)用它固有的方式去理解，就會(huì)出現(xiàn)類似“理解偏差”的現(xiàn)象，是我們的大腦對(duì)于圖像的一種固有信息提取方式在遇到新情況下的體現(xiàn)，也可以理解成為一種大腦進(jìn)化不夠完美而出現(xiàn)的bug。

視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)現(xiàn)象是好是壞？

由于視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)圖形在自然界條件下極少存在，一般也不會(huì)影響人們的生活，因此這種現(xiàn)象并沒(méi)有好壞的屬性，它只是視覺(jué)系統(tǒng)基本運(yùn)作方式的本能體現(xiàn)。

視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)現(xiàn)象有什么用？

視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)現(xiàn)象的應(yīng)用涉及人們生活、藝術(shù)、建筑設(shè)計(jì)的方方面面。如果一個(gè)人的身材比較胖，他可以穿豎條紋的衣服來(lái)使自己顯得更“瘦”一些，一些室內(nèi)設(shè)計(jì)師運(yùn)用錯(cuò)覺(jué)效應(yīng)和空間透視等原理將室內(nèi)設(shè)計(jì)得更加具有空間感。還有一些藝術(shù)家使用大量的錯(cuò)覺(jué)輪廓圖形來(lái)使自己的作品更加具有視覺(jué)沖擊力。

相關(guān)科研人員則表示：“在人工智能領(lǐng)域，尤其是當(dāng)前的無(wú)人駕駛的交通工具對(duì)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的精度要求會(huì)越來(lái)越高，該研究或許能為此提供相關(guān)的研究思路和啟發(fā)?！?/p>