视觉错觉产生的脑神经机制究竟是啥？

途说历史网

发布于2023-06-26

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撰文| 中国科学院神经科学研讨所视感觉脑机制研讨组

每年在佛罗里达举行的视觉科学年会（VSS， Visual Science Society）上，都会评出当年最出色的十大视觉幻觉。许多视觉科学研讨者、神经科学爱好者、平面规划艺术家蜂拥而至，热闹非凡。

俗话说：眼睛是心灵的窗口。人们常说眼见为实，用来描述一个物体或许一件作业只要亲眼看见了才信任它是真的。可是却有那么一类图形长时间撒播于网络、报刊，可以瞒天过海般的骗过你的眼睛，让你觉得自己好像变傻了。即便是你知道了其间的玄机，却也无论如何也无法压服自己的眼睛，它们就是视觉幻觉。

下面让咱们赏识一下几个冷艳的视觉幻觉。

图1中呈现的棋盘格亮度幻觉中，A、B两块区域的亮度实践上是相同的，可是将它们放置于不同的图形环境下，人们会根据视觉经历感觉到不同的亮度。相同的亮度的物体，呈现在暗影中的时分，咱们会感觉到它更亮一些，而在光照丰厚的环境中，咱们会感觉到它更暗一些。

图1棋盘格亮度幻觉。如图A中，A，B两块区域的色彩看起来有很大的亮度差异，可是将两块区域连通起来之后，会发现两块区域的亮度是一起的。

图2水彩幻觉。人们会感觉到被黄色线条围住的部分的色彩要比周围白纸的色彩更黄一些，实践上二者的色彩是相同的。

图 3 闻名的Pinna 旋转运动幻觉。当人凝视图片中心黑点，头部接近（或远离）屏幕时，会很明显地感触到两个圆环在别离以逆时针和顺时针（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。(王伟组制作)

是咱们的眼睛出问题了吗？

首要要简略介绍一下咱们的视觉体系：如图6所示，咱们的视觉体系由露出在外的眼球，视神经和视觉皮层所组成。咱们的眼睛是外部图画进入视觉体系的第一个环节，光学信号在视网膜上被转化成电信号，经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集成像图画收集体系，在功用上逾越现在国际上任何一部数码相机。眼球上即便很小的损害都会引起严峻的视力问题，最遍及的就是近视眼、老花眼。还有些相似幻觉感觉的疾病，如有些人眼睛因为玻璃体污浊而呈现飞蚊症，还有些人因为视网膜上缺少相应的感光色素细胞而呈现色盲或许色弱。这些病理性的反常都会对患者的正常日子发生严峻的影响。

上面的这些幻觉图形，一开始就是视力正常的人们所规划出来的，随后正是因为咱们觉得这些图形垂手可得的就欺骗了他们的眼睛而引起广泛爱好，并不断传达开来。而眼睛呈现损害或许发育反常，往往导致严峻的视觉感知妨碍。因而，从统计学意义上来讲，咱们的眼睛是正常的。让咱们愈加准确的界说一下视觉幻觉:人们的片面感觉与图形的物理参数不匹配的现象。这种感觉与实践不匹配的现象，在绝大大都情况下，并不会对事主的日子形成不良影响。

图4 两种因为眼部病变导致的视物不真。 A 右图为色盲患者眼中的国际。B 飞蚊症患者因为眼中呈现病变，导致看到的图画中有相似运动的悬浮物体。图4 两种因为眼部病变导致的视物不真。 A 右图为色盲患者眼中的国际。B 飞蚊症患者因为眼中呈现病变，导致看到的图画中有相似运动的悬浮物体。

图5人的视觉体系：人眼的解剖结构以及视皮层的信息流（孙新尧制作，修改自mons.wikimedia.org/wiki/File:Schematic_diagram_of_the_human_eye_zh-hans.svg）

大脑的bug？

已然咱们的眼睛是好的，视觉通路又都是好的，那么为什么在幻觉图形的条件下咱们无法实在的感知外部图画呢？莫非这是咱们的视觉皮层在进化中呈现的缝隙？关于这个问题，现在还没有一个一致的解说。咱们已知外部国际的图画经过眼睛的折光体系投射到视网膜上这一进程是非常忠诚于光学原理的。可是当外部图画在视网膜上被转化成电信号并进入大脑之后，皮层关于图画信息进行了进一步的解读。这种解读形式，在经过了亿万年的进化之后，必定是以一种最接地气、最懂这个国际的方法进行的。

比方因为红绿拮抗神经元的存在，导致红花烘托在绿叶上面分外艳丽、红橙色的果实在自然界中占有大大都；因为咱们的大脑会存在添补效应，一个人的身体被遮挡住了一部分，咱们并不会以为这个人的身体少了一块；因为大脑中存在专门担任面部辨认的脑区，人们关于脸部辨认愈加灵敏。自然界中的图画，因为受太阳照耀、重力、水流、气流等要素的影响，总是以一种特定的形状存在，这也将视觉体系塑形成了擅长于处理这类视觉图形。而幻觉图形都是人们经过精心构思规划出来的，在自然界中简直很少存在这样的图画，而咱们的视觉体系作为一种进化的产品，初度遇到这样的图形会用它固有的方法去了解，就会呈现相似了解误差的现象，是咱们的大脑关于图画的一种固有信息提取方法在遇到新情况下的表现，也可以了解成为一种大脑进化不行完美而呈现的bug。

视觉幻觉现象是好是坏？

因为视觉幻觉图形在自然界条件下很少存在，一般也不会影响人们的日子，因而这种现象并没有好坏的特点，它仅仅视觉体系根本运作方法的天性表现。

视觉幻觉现象有什么用？

视觉幻觉现象的运用触及人们日子、艺术、建筑规划的方方面面。假如一个人的身段比较胖，他可以穿竖条纹的衣服来使自己显得更瘦一些，一些室内规划师运动幻觉效应和空间透视等原理将室内规划的愈加具有空间感。还有一些艺术家运用很多的幻觉概括图形来使自己的著作愈加具有视觉冲击力。

视觉幻觉现象：窥视大脑运转根本原理的窗口

图6人类大脑的解剖结构图。其间月状沟邻近是视觉皮层地点的方位。视觉皮层只要同其他多个脑区协同作业，才可以发生人类的正常视觉知道。（苏瑞鑫制作）图6人类大脑的解剖结构图。其间月状沟邻近是视觉皮层地点的方位。视觉皮层只要同其他多个脑区协同作业，才可以发生人类的正常视觉知道。（苏瑞鑫制作）

咱们的大脑，无论是担任躯体运动的脑区、担任听觉的脑区，仍是担任视觉信息的脑区，他们的根本构成元件都是极端相似的：神经元。愈加让人难以想象的是，尽管不同脑区所担任的功用不同非常巨大，可是其皮层安排结构、层次从外观上来看高度相似，因而许多人都估测整个大脑有一个根本的运转原理。现在的神经科学研讨，大都情况下仍是将大脑中的神经元当成一个个物理元件来研讨的，这些物理元件在神经网络中表现出来的各种性质是现在咱们最为关怀的问题。现在关于神经网络的信息处理方法的估测，根本上依照一种线性或许非线性加和的处理方法来进行的。而各种幻觉信息的不按常理出牌的形式，为研讨神经元活动供给了许多新的思路。其间最闻名的研讨，是在猕猴大脑中发现了物理上并不存在的幻觉概括的神经元的调制反响（图9）。关于幻觉概括发生的生理根底，美国范德堡大学的 von der Heydt等人从前做出过解说：他们以为在大脑中存在一些对端点、或许角存在反响的细胞，这些细胞的反响总和被更高等级的神经元整合，然后发生了大脑关于这种幻觉概括空间方位的调制性反响（图9a）。

后来，中国科学院神经科学研讨所王伟试验室发现了猕猴的 V4 脑区也可以看见幻觉概括，因为 V4 脑区的神经元接纳来自 V1/V2 脑区的输入，其感触野也更大一些，适当所以 V1/V2 神经元的上司。王伟试验室的研讨估测在大脑中或许存在一个相似前馈-反响的效果机制来解读幻觉概括信息（图9b 中，来自 V1/V2 的视觉信息上行传递到 V4，V4 经过对所接纳到的信息进行提取增强，而且反响给 V1/V2 脑区，然后提高大脑的作业效率。）。

图7 两个闻名的幻觉概括。a图中可以看到一个比布景亮度更亮的白色三角形。b图中可以看到一根竖直的细线概括。人们现已发现了灵长类的视觉皮层存在编码对两种幻觉概括有反响的神经元。（王伟组制作）

视觉幻觉发生的脑神经机制究竟是啥？

2月19日，《神经科学杂志》期刊在线宣布了题为《跟着光流：实在光流运意向幻觉光流运动转化的脑神经机制》的研讨论文。该研讨由中科院神经科学研讨所、脑科学与智能技能杰出立异中心、神经科学国家要点试验室和中科院灵长类神经生物学要点试验室视感觉脑机制研讨组完结。

光流运动(Flow motion)视觉幻觉包含旋转幻觉，缩短和扩张幻觉以及螺旋运动幻觉。结合心思物理试验和脑功用核磁成像技能，王伟课题组经过与其它课题组的前期协作，首要提醒了旋转运动幻觉的表征区域问题，他们发现编码实在旋转运动的人内颞上区（MST）也可以编码幻觉旋转运动(Pan et al.,2016; Wang et al., 2023)。

以此为根底，王伟课题组及其搭档进一步探究了实在光流运意向幻觉光流运动转化的脑神经生理机制。这种信息转化机制的说明可以协助人们更好地了解视觉信息在不同等级脑区之间的传递进程以及从部分到全体的视觉信息整合的加工原理。

当然，仅仅是发现编码幻觉概括的神经元，关于人们了解和知道视觉体系的根本原理是远远不行的。现在人们除了在人上展开心思物理试验、核磁共振扫描研讨以外，还进行很多的动物生理学试验来研讨各种幻觉现象更深层次的生理根底，从短期方针上来讲，是要了解视觉体系的根本原理，而从久远来讲，则是为了把握整个大脑的根本运转规则。而幻觉，为为咱们供给了窥视大脑奥妙的窗口。

注：此项作业由视感觉脑机制王伟课题组博士研讨生罗俊翔同学完结，王伟课题组的其他同学和搭档在该课题研讨中也发挥了重要效果。顾勇教师参加了该课题的规划和一起辅导博士生罗俊翔同学。此项作业得到中科院战略性先导科技B类专项（XDB32060200），上海市市级科技严重专项（2023SHZDZX05）和国家自然科学基金委（31571078，31761133014和31861143032）的赞助。

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