你的眼睛為什么會欺騙你？

陳冰

眼見為實，這是我們觀察世界和事實判斷的重要標準。然而，“看見”并非如此簡單，這個過程實際上蘊含了極其復雜的神經網絡以及海量的神經運算過程，在這個過程中大腦真的會“欺騙”我們。

圖1

來看看圖1，Pinna旋轉視覺錯覺圖，這些圈圈真的在旋轉嗎？

再來看看圖2，旋轉蛇錯覺，眼睛隨意在圖片上掃視，可以看到每個單獨的圓環(huán)都在轉。

圖2

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

圖3

我的眼睛為什么會欺騙我？

一直以來，視覺錯覺令人著迷的特殊性和豐富性激發(fā)了科學家們強烈的好奇心和持之以恒研究熱情。每年在佛羅里達召開的視覺科學年會（VSS， Visual Science Society）上，都會評出當年最出色的十大視覺錯覺。許多視覺科學研究者、神經科學愛好者、平面設計藝術家蜂擁而至，熱鬧非凡。

眼下，這個從未被破解過的秘密，竟然被上海的一群科學家揭開一角。該研究由中科院神經科學研究所、腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心、神經科學國家重點實驗室和中科院靈長類神經生物學重點實驗室視知覺腦機制研究組完成。

中科院神經科學研究所王偉、顧勇團隊首次揭示了視覺錯覺背后的腦神經機制——復雜光流運動視覺錯覺在靈長類背側視覺通路中兩個重要運動信息處理腦區(qū)（MT和MSTd腦區(qū)）中的神經信息整合編碼機制。

2月19日凌晨2點，《神經科學雜志》以《隨著光流：真實光流運動向錯覺光流運動轉換的腦神經機制》為題，在線發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)。

玄機何在？

人類在自然生活中，由于視覺刺激和場景的不同，以及生理上和心理上的差異，會自覺和不自覺地感知到運動、形狀、顏色、大小位置等各種各樣的視覺錯覺，文首的Pinna 旋轉視覺錯覺就是著名的復雜光流運動旋轉錯覺。

那么，什么是“光流運動”呢？

當人或動物在自然環(huán)境中運動時，周邊的事物相對于人和動物會產生一系列擴張、收縮、或者旋轉等復雜運動形式，這類運動形式被稱為“光流運動”。通俗來講，當人往前走時，會感覺周邊景物在擴張變大，往后退時，則會感覺周邊景物在收縮變小。人和動物視覺系統(tǒng)對光流運動的編碼和感知，能夠幫助判斷自身的運動狀態(tài)，并協(xié)助定位和導航。

科研人員通過使用心理物理和單個神經元活動電生理記錄技術手段，在精確控制Pinna錯覺刺激參數(shù)的條件下，分別產生了錯覺旋轉，錯覺收縮和擴張以及錯覺螺旋運動，詳細研究了各類復雜光流運動從真實向錯覺轉換過程中的運動信息腦神經整合機制。

結合心理物理實驗和腦功能核磁成像技術，他們發(fā)現(xiàn)視覺通路中兩個編碼視覺運動信息的高級腦區(qū)——背側內顳上區(qū)（MSTd）和中顳區(qū)（MT）對刺激有著明顯的反應。區(qū)別在于MT只是處理局部的視覺信號，而MSTd則是將這些信息整合成一個整幅圖像。

有意思的是，和真實運動一樣，編碼真實旋轉運動的人內顳上區(qū)（MSTd）也能夠編碼錯覺旋轉運動。這說明大腦最終感知到運動視覺時，并沒有真實與錯覺的差別——它“自以為是”地讓人類錯誤相信一個靜態(tài)的東西在運動，而且是萬分真誠地相信。

在實驗過程中，科學家還發(fā)現(xiàn)，這群細胞處理錯覺的光流視覺信號時，要比處理真實信號慢上那么近20毫秒。這究竟是為什么？謎底還有待進一步揭開。

簡單來講，我們的大腦，無論是負責軀體運動的腦區(qū)、負責聽覺的腦區(qū)，還是負責視覺信息的腦區(qū)，他們的基本構成元件都是極其類似的神經元。更加讓人不可思議的是，雖然不同腦區(qū)所負責的功能差別十分巨大，但是其皮層組織結構、層次從外觀上來看高度相似，因此許多人都推測整個大腦有一個基本的運行原理。

目前的神經科學研究，多數(shù)情況下還是將大腦中的神經元當成一個個物理元件來研究的，關于神經網絡的信息處理方式的推測，基本上按照一種線性或者非線性加和的處理方式來進行。而各種錯覺信息的“不按常理出牌”的模式，為研究神經元活動提供了許多新的思路。

科學家們除了在人身上開展心理物理實驗、核磁共振掃描研究以外，還進行了大量的動物生理學實驗來研究各種錯覺現(xiàn)象更深層次的生理基礎，從短期目標上來講，是為了理解視覺系統(tǒng)的基本原理，而從長遠來講，則是為了掌握整個大腦的基本運行規(guī)律。

此次研究成果的意義就在于“探索真實和錯覺之間的關系以及錯覺在大腦中產生的腦機制，為人們深入解讀大腦奧秘提供了一個重要窗口”。

人的視覺系統(tǒng)：人眼的解剖結構以及視皮層的信息流

眼睛問題還是大腦bug？

我們的視覺系統(tǒng)由暴露在外的眼球，視神經和視覺皮層所組成。我們的眼睛是外部圖像進入視覺系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)，光學信號在視網膜上被轉換成電信號，通過視神經傳入視皮層的神經元海洋之中。眼球是一部全自動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。眼球上即使很小的損傷都會引起嚴重的視力問題，最普遍的就是近視眼、老花眼。還有些類似錯覺感覺的疾病，如有些人眼睛由于玻璃體渾濁而出現(xiàn)“飛蚊癥”，還有些人由于視網膜上缺乏相應的感光色素細胞而出現(xiàn)“色盲”或者“色弱”。這些病理性的異常都會對患者的正常生活產生嚴重的影響。

除了有眼部問題的人，絕大多數(shù)人的眼睛都是正常的。之所以會產生視覺錯覺，是因為人們的主觀感覺與圖形的物理參數(shù)出現(xiàn)了不匹配的現(xiàn)象。那么為什么在錯覺圖形的條件下我們無法真實地感知外部圖像呢？難道這是我們的視覺皮層在進化中出現(xiàn)的漏洞？關于這個問題，目前還沒有一個統(tǒng)一的解釋。

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

我們已知外部世界的圖像通過眼睛的折光系統(tǒng)投射到視網膜上這一步驟是十分忠實于光學原理的。但是當外部圖像在視網膜上被轉換成電信號并進入大腦之后，皮層對于圖像信息進行了進一步的解讀。這種解讀模式，在經過了億萬年的進化之后，必然是以一種最“接地氣”、最“懂”這個世界的方式進行的。

比如由于紅綠拮抗神經元的存在，導致紅花襯托在綠葉上面格外鮮艷、紅橙色的果實在自然界中占據(jù)大多數(shù);由于我們的大腦會存在“填補效應”，一個人的身體被遮擋住了一部分，我們并不會認為這個人的身體少了一塊;由于大腦中存在專門負責面部識別的腦區(qū)，人們對于臉部識別更加敏感。

自然界中的圖像，由于受太陽照射、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，這也將視覺系統(tǒng)塑造成了擅長于處理這類視覺圖形。而錯覺圖形都是人們通過精心構思設計出來的，在自然界中幾乎很少存在這樣的圖案，而我們的視覺系統(tǒng)作為一種進化的產物，初次遇到這樣的圖形會用它固有的方式去理解，就會出現(xiàn)類似“理解偏差”的現(xiàn)象，是我們的大腦對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化不夠完美而出現(xiàn)的bug。

視覺錯覺現(xiàn)象是好是壞？

由于視覺錯覺圖形在自然界條件下極少存在，一般也不會影響人們的生活，因此這種現(xiàn)象并沒有好壞的屬性，它只是視覺系統(tǒng)基本運作方式的本能體現(xiàn)。

視覺錯覺現(xiàn)象有什么用？

視覺錯覺現(xiàn)象的應用涉及人們生活、藝術、建筑設計的方方面面。如果一個人的身材比較胖，他可以穿豎條紋的衣服來使自己顯得更“瘦”一些，一些室內設計師運用錯覺效應和空間透視等原理將室內設計得更加具有空間感。還有一些藝術家使用大量的錯覺輪廓圖形來使自己的作品更加具有視覺沖擊力。

相關科研人員則表示：“在人工智能領域，尤其是當前的無人駕駛的交通工具對視覺識別技術的精度要求會越來越高，該研究或許能為此提供相關的研究思路和啟發(fā)?！?/p>