科學大家|神奇的視覺錯覺：窺探大腦奧秘的窗口

     2019年02月20日 08:55 科學大家
　
　　

　　出品| 新浪科技《科學大家》

　　撰文| 中國科學院神經科學研究所視知覺腦機制研究組

　　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。

　　俗話說：眼睛是心靈的窗口。人們常說眼見為實，用來形容一個物體或者一件事情只有親眼看見了才相信它是真的。但是卻有那麼一類圖形長期流傳於網路、報刊，能夠瞞天過海般的騙過你的眼睛，讓你覺得自己似乎變傻了。即便是你知道了其中的玄機，卻也無論如何也無法說服自己的眼睛，它們就是視覺錯覺。

　　下面讓我們欣賞一下幾個驚艷的視覺錯覺。

　　圖1中呈現的棋盤格亮度錯覺中，A、B兩塊區域的亮度實際上是相同的，但是將它們放置於不同的圖形環境下，人們會依據視覺經驗感覺到不同的亮度。同樣的亮度的物體，呈現在陰影中的時候，我們會感覺到它更亮一些，而在光照豐富的環境中，我們會感覺到它更暗一些。

　　

　　圖1棋盤格亮度錯覺。如圖A中，A，B兩塊區域的顏色看起來有很大的亮度差異，但是將兩塊區域連通起來之後，會發現兩塊區域的亮度是一致的。（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wi ... ptical_illusion.svg）

　　

　　圖2水彩錯覺。人們會感覺到被黃色線條包圍的部分的顏色要比周圍白紙的顏色更黃一些，實際上二者的顏色是相同的。（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/FileinnaScholarpediaFig1.png）

　　

　　圖 3 著名的Pinna 旋轉運動錯覺。當人注視圖片中心黑點，頭部靠近（或遠離）屏幕時，會很明顯地感受到兩個圓環在分別以逆時針和順時針（或順時針和逆時針）方向旋轉，但事實上圓環並沒有任何物理移動。(王偉組 繪製)

　　是我們的眼睛出問題了嗎？

　　首先要簡單介紹一下我們的視覺系統：如圖6所示，我們的視覺系統由暴露在外的眼球，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的第一個環節，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採集系統，在性能上超越目前世界上任何一部數碼相機。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，如有些人眼睛由於玻璃體渾濁而出現『飛蚊症』，還有些人由於視網膜上缺乏相應的感光色素細胞而出現『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。

　　上面的這些錯覺圖形，一開始就是視力正常的人們所設計出來的，隨後正是由於大家覺得這些圖形輕而易舉的就欺騙了他們的眼睛而引起廣泛興趣，並不斷傳播開來。而眼睛出現損傷或者發育異常，往往導致嚴重的視覺感知障礙。因此，從統計學意義上來講，我們的眼睛是正常的。讓我們更加精確的定義一下視覺錯覺:人們的主觀感覺與圖形的物理參數不匹配的現象。這種感覺與實際不匹配的現象，在絕大多數情況下，並不會對事主的生活造成不良影響。

　　

　　圖4 兩種由於眼部病變導致的視物不真。 A 右圖為色盲患者眼中的世界。B 飛蚊症患者由於眼中出現病變，導致看到的圖像中有類似運動的懸浮物體。

　　

　　圖5人的視覺系統：人眼的解剖結構以及視皮層的信息流（孫新堯 繪製，修改自https://commons.wikimedia.org/wi ... man_eye_zh-hans.svg）

　　大腦的bug？

　　既然我們的眼睛是好的，視覺通路又都是好的，那麼為什麼在錯覺圖形的條件下我們無法真實的感知外部圖像呢？難道這是我們的視覺皮層在進化中出現的漏洞？關於這個問題，目前還沒有一個統一的解釋。我們已知外部世界的圖像通過眼睛的折光系統投射到視網膜上這一步驟是十分忠實於光學原理的。但是當外部圖像在視網膜上被轉換成電信號並進入大腦之後，皮層對於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後，必然是以一種最『接地氣』、最『懂』這個世界的方式進行的。

　　比如由於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佔據大多數；由於我們的大腦會存在『填補效應』，一個人的身體被遮擋住了一部分，我們並不會認為這個人的身體少了一塊；由於大腦中存在專門負責面部識別的腦區，人們對於臉部識別更加敏感。自然界中的圖像，由於受太陽照射、重力、水流、氣流等因素的影響，總是以一種特定的形態存在，這也將視覺系統塑造成了擅長於處理這類視覺圖形。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，就會出現類似『理解偏差』的現象，是我們的大腦對於圖像的一種固有信息提取方式在遇到新情況下的體現，也可以理解成為一種大腦進化不夠完美而出現的bug。

　　視覺錯覺現象是好是壞？

　　由於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，因此這種現象並沒有好壞的屬性，它只是視覺系統基本運作方式的本能體現。

　　視覺錯覺現象有什麼用？

　　視覺錯覺現象的應用涉及人們生活、藝術、建築設計的方方面面。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，一些室內設計師運動錯覺效應和空間透視等原理將室內設計的更加具有空間感。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衝擊力。

　　視覺錯覺現象：窺探大腦運行基本原理的窗口

　　

　　圖6人類大腦的解剖結構圖。其中月狀溝附近是視覺皮層所在的位置。視覺皮層只有同其他多個腦區協同工作，才能夠產生人類的正常視覺意識。（蘇瑞鑫 繪製）

　　我們的大腦，無論是負責軀體運動的腦區、負責聽覺的腦區，還是負責視覺信息的腦區，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，這些物理元件在神經網路中表現出來的各種性質是目前大家最為關心的問題。目前關於神經網路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的。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。其中最著名的研究，是在獼猴大腦中發現了物理上並不存在的錯覺輪廓的神經元的調製反應（圖9）。關於錯覺輪廓產生的生理基礎，美國范德堡大學的 von der Heydt等人曾經做出過解釋：他們認為在大腦中存在一些對端點、或者角存在反應的細胞，這些細胞的反應總和被更高級別的神經元整合，從而產生了大腦對於這種錯覺輪廓空間方位的調製性反應（圖9a）。

　　後來，中國科學院神經科學研究所王偉實驗室發現了獼猴的 V4 腦區也能夠「看見」錯覺輪廓，由於 V4 腦區的神經元接收來自 V1/V2 腦區的輸入，其感受野也更大一些，相當於是 V1/V2 神經元的「上司」。王偉實驗室的研究推測在大腦中可能存在一個類似前饋-反饋的作用機制來解讀錯覺輪廓信息（圖9b 中，來自 V1/V2 的視覺信息上行傳遞到 V4，V4 通過對所接收到的信息進行提取增強，並且反饋給 V1/V2 腦區，從而提升大腦的工作效率。）。

　　

　　圖7 兩個著名的錯覺輪廓。a圖中能夠看到一個比背景亮度更亮的白色三角形。b圖中能夠看到一根豎直的細線輪廓。人們已經發現了靈長類的視覺皮層存在編碼對兩種錯覺輪廓有反應的神經元。（王偉組 繪製）

　　視覺錯覺產生的腦神經機制究竟是啥？

　　2月19日，《神經科學雜誌》期刊在線發表了題為《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》的研究論文。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。

　　光流運動(Flow motion)視覺錯覺包括旋轉錯覺，收縮和擴張錯覺以及螺旋運動錯覺。結合心理物理實驗和腦功能核磁成像技術，王偉課題組通過與其它課題組的前期合作，首先揭示了旋轉運動錯覺的表徵區域問題，他們發現編碼真實旋轉運動的人內顳上區（MST）也能夠編碼錯覺旋轉運動(Pan et al.,2016; Wang et al., 2018)。

　　以此為基礎，王偉課題組及其同事進一步探索了真實光流運動向錯覺光流運動轉化的腦神經生理機制。這種信息轉化機制的闡明能夠幫助人們更好地理解視覺信息在不同等級腦區之間的傳遞過程以及從局部到整體的視覺信息整合的加工原理。

　　當然，僅僅是發現編碼錯覺輪廓的神經元，對於人們理解和認識視覺系統的基本原理是遠遠不夠的。目前人們除了在人上開展心理物理實驗、核磁共振掃描研究以外，還進行大量的動物生理學實驗來研究各種錯覺現象更深層次的生理基礎，從短期目標上來講，是要理解視覺系統的基本原理，而從長遠來講，則是為了掌握整個大腦的基本運行規律。而錯覺，為為我們提供了窺探大腦奧秘的窗口。

　　註：此項工作由視知覺腦機制王偉課題組博士研究生羅俊翔同學完成，王偉課題組的其他同學和同事在該課題研究中也發揮了重要作用。顧勇老師參與了該課題的設計和共同指導博士生羅俊翔同學。此項工作得到中科院戰略性先導科技B類專項（XDB32060200），上海市市級科技重大專項（2018SHZDZX05）和國家自然科學基金委（31571078，31761133014和31861143032）的資助。