如何利用视错觉找到感知的隐藏假设

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【编者按】成人大脑中拥有约1000亿个神经元,其活动的排列组合已经远超宇宙基本粒子的数量。大脑结构的特质让我们成为复杂而深刻的物种。在《讲故事的大脑》中,作者V.S.拉马钱德兰将目光投向了人类独特性之谜,他把我们带到了神经学的前沿领域,透过神经科学中的复杂症状和诸多争议性话题,揭示了大脑的诸多重要功能以及人类心智的进化历程。本文摘编自该书第二章《认知:错觉是如何产生的》,澎湃新闻经中信出版集团授权发布。

这一章我们讨论视觉。当然,眼睛与视觉不是人类独有的,这一点毋庸置疑。事实上,视觉能力是如此重要,以至于在生命的历史长河中,眼睛已经进化了许多次。章鱼的眼睛类似人类的眼睛,因为它与我们的共同祖先是距今5亿年的一种无眼水生生物,它类似蛞蝓或蜗牛。眼睛不为人类所独有,但视觉不是在眼睛里形成的,而是在大脑中。地球上没有其他任何生物能像人类一样观察事物。有些动物的视力比我们的强得多,你可能听说过这样的趣事:老鹰能从50英尺外看到报纸上的字。当然,老鹰不识字。

本书是关于人类的独特性的,因此书中反复提到一个主题:我们独特的心智特征一定是从先前存在的大脑结构演化而来的。我们之所以从视觉感知开始探讨,一部分原因是我们对其复杂性的了解多于其他大脑功能区,另一部分原因是灵长类动物的视觉区域进化迅速,而人类又是其中的佼佼者。肉食动物和草食动物的视觉区域不超过12个,且没有色觉。人类的祖先也曾如此——那些小型夜行性食虫动物在爬上树梢的时候,丝毫没有意识到自己的后代有一天会继承甚至可能毁灭地球!然而,人类拥有30个视觉区域,而不是12个。一只羊凭借 12个视觉区域就足以轻松地从捕食者口中逃出生天,为什么人类却进化出这么多视觉区域呢?


我们的夜行性食虫动物祖先进化为昼行性动物,之后进化为原猴和猴子,此时它们开始有了复杂的视觉运动能力,能够精准地抓握树枝、细枝和树叶。此外,它们的日常食物从夜行小昆虫变成红色、黄色和蓝色的水果,以及富含营养的绿色、棕色和黄色的叶子,这些都促进了复杂色觉系统的形成。

人类的手指除了极其灵活,拇指还进化出一个独特的鞍状关节,使之能够与食指相对。这一特征帮助我们精确抓握。它看似微不足道,却在采摘小型水果、坚果,捕捉昆虫时十分有用。我们现在能穿针引线、手握斧头、计数,还能做出佛像的说法印,靠的都是这一特征。早期灵长类动物就有了对精细独立的手指动作、可与其他手指相对的拇指,以及精准手眼协调能力的需求,也许正是物竞天择的压力,使得人类的大脑形成了大量复杂的视觉区域和视觉运动区域。倘若没有这些区域,你就不能飞吻、写字、计数、扔飞镖和抽烟。如果你是一位君主,你甚至无法挥舞权杖。

在过去的10年间,随着大脑额叶中一种新型神经元——典型神经元的发现,行为与感知之间的联系变得尤为显著。每个典型神经元在执行特定动作时都会被激活,例如伸手去抓一根树枝或一个苹果。然而不同的是,仅仅在看到树枝或苹果时,典型神经元也会被激活。换句话说,它似乎将“抓握”这样的抽象特征转化为物体视觉形状这样的具体特征。感知与行动之间的差别在我们的日常语言中同样存在,而大脑显然不会关注这一点。

在灵长类动物的进化过程中,视觉感知和抓握动作之间的界限越来越模糊。同样,在人类的进化过程中,视觉感知与视觉想象之间的界限也越来越模糊。猴子、海豚或狗可能有能力识别某些基本的视觉符号,但只有人类能够赋予这些符号象征意义,并在大脑中摆弄这些符号,尝试新奇的排列组合。猿类可能会在脑中想象出一根香蕉或其族群雄性首领的样子,但只有人类能在脑海中对视觉符号进行重组,产生新的组合效果,例如长着翅膀的婴儿(天使)或一半马一半人的生物(半人马)。这样天马行空的想象与荒诞不经的新符号组合也许又反过来促进了另一种人类独有的特征——语言的形成。

我们对世界的感知看似容易,总觉得理所当然。吾看,吾见,吾知——这似乎是自然且必然的事情,正如水往低处流。但实际上这源于大脑皮质中30个(或更多)活跃的不同视觉区域,每个区域都有多种调节功能,且有细微的不同。这些视觉区域中,有很多是人类与其他哺乳动物共有的,而有些视觉区域则在某一阶段“分化”成灵长类动物特有的新区域。我们尚不清楚到底有多少视觉区域为人类所独有,但对比其他高级大脑区域,我们对视觉区域更加了解,如我们知道额叶与道德、同情和雄心有关。因此,全面理解视觉系统的工作方式,能够帮助我们深入了解大脑如何处理信息,以及那些人类大脑独有的信息处理方式。

想要理解感知,首先要摆脱这样的观念,即眼睛所看见的图像被传递至大脑中的“屏幕”上并显现出来。相反,你要理解,当眼睛看见的一束束光线转化为神经冲动时,将视觉信息视为图像不再有任何意义。我们必须想出一些符号性描述,来代表所看到的画面中的场景和物体。例如,屋子角落里有一把椅子,我想让某人了解椅子的外观,我可以带他去到角落并指给他看,让他亲眼看见。但这不是符号性描述。我还可以给他看一张椅子的照片或画作,但这仍不是符号性描述,因为它们具有外观相似性。但如果我将一张便条递给他,上面描述了椅子的外观,我们就进入了符号性描述的世界:纸上的墨迹与椅子没有外观相似性,而仅仅是用符号描述椅子的外观。

与之类似,大脑创造的也是符号性描述。它并不是重新创造原始图像,而是用全新术语来呈现图像的各种特征和不同方面——当然不是用墨水,而是用神经冲动独有的方式。这些符号编码有一部分在视网膜上创建,但大部分在大脑中创建。一旦到达大脑视觉区域的大量神经网络中,符号编码会包装、转化并结合在一起,最终帮助你识别出物体。当然,大部分的视觉加工在不知不觉中进行,没有进入你的意识知觉。这就是我们为什么会觉得看到物体是一件轻而易举的事。

通过指出这个无限循环的逻辑问题,我可以轻松反驳“微型人谬误”。但是否有直接证据来证明这是一种谬误呢?

首先,你所看到的不可能只是视网膜上的图像,因为视网膜图像保持不变时,你的感知完全可能会改变。如果感知仅传输至大脑内部的“屏幕”上并显示图像,这怎么可能呢?其次,反之亦然:视网膜图像改变时,你对物体的感知可能保持不变。最后,不考虑物体外观,感知需要时间,并且分阶段进行。

图 2.1 立方体的轮廓示意图:采用不同的方式观察时,立方体的方位会发生变化。

第一个原因最容易理解,也是许多视错觉产生的原因。一个著名的例子就是瑞士晶体学家路易斯·阿尔贝特·内克尔(Louis Albert Necker)偶然发现的内克尔立方体(见图2.1)。一天,他正透过显微镜凝视一个透明立方体,突然立方体似乎发生了翻转!内克尔对此感到十分惊奇。立方体没有发生明显的移动,却在他的眼前改变了方位。是立方体本身在变化吗?为了弄清楚这一点,内克尔在小纸片上画了一个线框立方体,发现立方体同样会发生翻转。因此内克尔得出结论:变化的是自己的感知,而不是立方体。

你可以自己尝试一番。即便之前试过多次,你也依然会觉得有趣。你会看到立方体在你眼前突然翻转,但你仅能自主控制这个过程的一部分。事实上,你可以改变对固定图像的感知,甚至可以将其彻底翻转。这足以证明,大脑中的感知不只是显示图像。即便是最简单的感知行为也需要大脑判断、理解。感知是一种积极形成的世界观,而不是对感官输入的被动反应。

另一个有力的例证是著名的艾姆斯房间错觉。试想有一个普通房间,与你现在所处的房间相似,延伸其中一个角落,这个角落的天花板会比其他地方高得多。现在,在任意墙面上挖一个小洞,从这个小洞看向房间内部,几乎从任何角度看,你看到的都是变形的梯形房间。令人吃惊的是,从一个特殊角度往里看,房间看起来完全正常!墙壁与地板、天花板之间都呈直角,窗户和地板砖大小均匀。对于这种错觉,通常的解释是,从这个特殊的角度往里看时,变形的房间投射在你视网膜上的图像与普通房间产生的图像是一样的,但只能说从几何光学的角度来说是一样的。但这肯定回避了问题实质。从这一特殊角度,你的视觉系统如何知道一个正常房间应该是什么样子的呢?

让我们换个思路,设想你正在透过小孔观察一个普通房间的内部。事实上,可以产生完全相同图像的艾姆斯房间能呈现的梯形形态是无限多的,但你可以稳定感知到一个正常房间的样子。你的感知不会在一百万种可能性之间来回摇摆,而是会立刻将注意力集中于正确的解 释。感知能够做到这一点,唯一的方法就是引入某些关于世界的固有知识或隐藏假设,比如墙壁是平行的,地砖是方形的,等等,以排除错误房间的无限可能性。

因此,研究感知,就是探索这些假设和它们在大脑神经中的运作方式。与真实房间一般大小的艾姆斯房间很难建造,但多年来,心理学家巧妙地设计了数百种视错觉,以帮助我们探究那些驱动感知的假设。视错觉似乎违背常识,所以十分有趣。但视错觉对认知心理学家来说,就像橡胶燃烧的气味对工程师一样,有着难以抗拒的吸引力,令他们想要找到原因。生物学家彼得·梅达沃在一篇文章中就表达过这一观点。

有个最简单的视错觉例子,它最早由牛顿提出,后来被托马斯·杨(巧合的是,他也破译了埃及象形文字)证实。假如你在白色屏幕上分别投射红色和绿色的光圈,令它们重叠,你实际看到的圆圈就是黄色的。假如你有三台投影仪,分别投射红色、绿色和蓝色的光圈,只要你调整好每台投影仪的亮度,你就能得到五彩斑斓的颜色——事实上,只要按照恰当比例进行调整,你就能得到上百种不同颜色,甚至白色。人们第一次见到这一视错觉时都震惊得不敢相信。视错觉解释了视觉的基本原理:尽管你能区分数千种颜色,但你的眼睛中只有三种对色彩敏感的细胞,分别对红光、绿光和蓝光敏感。每一种细胞只对一个波长的光最敏感,而对其他波长反应欠佳。因此,你看到的任何色彩都会以不同程度激活对红色、绿色和蓝色敏感的细胞,更高层级的大脑机制将每种程度解释为不同颜色。例如,黄色在红色和绿色光谱中处于中间位置,所以它以同样的程度激活对红色和绿色敏感的细胞,而大脑已经习得或进化到足以了解这种颜色就是我们所说的黄色。通过彩色光解释色觉原理是视觉科学的伟大成就之一,这也为彩色印刷(节省地只用三种染料)和彩色电视机的发展铺平了道路。

图2.2是鸡蛋还是凹槽?根据光源方向的不同(右侧或左侧),你可能会得到两种不同的答案,但你不可能同时看到鸡蛋和凹槽。

我们如何利用视错觉找到感知的隐藏假设?我最喜欢的例子就是“形状源于阴影”(见图2.2)。艺术家使用阴影来增强画作的层次感由来已久,但直到近期科学家才开始仔细研究阴影。1987年,我通过电脑创建了若干个如图2.2所示的示意图——在灰色区域随机分布的数个圆盘。每个圆盘的色彩都是由白至黑均匀渐变的,背景则是介于黑白中间的灰色。这一实验的灵感部分来源于维多利亚时代的物理学家大卫·布儒斯特的观察。如果仔细看图2.2中的圆盘,你会觉得好像有一束光从右侧照过来,圆盘像是一组凸出的鸡蛋;再仔细看看,你会觉得有一束光从左侧照过来,圆盘像是一组凹槽。但不管你怎么努力尝试,你都不能同时看到鸡蛋和凹槽。为什么会这样呢?有一种可能性是大脑会默认选择最简单的解释,以同一种方式来观察所有圆盘。我还想到另一种可能性:视觉系统会假设只有单一光源照亮整个场景 或其中的大块区域。严格来说,人工照明环境中可能有许多灯泡,这种单一光源假设并不一定准确,但在自然界中情况确实如此,因为我们的星系中只有一个太阳。如果有一天你抓住一个外星人,一定要给他看这张图,问问他的太阳系是否只有一个太阳。也许来自双子星系 的生物会对视错觉免疫。

《会讲故事的大脑》,[美]V.S.拉马钱德兰(V. S. Ramachandran)著,杨晨晨译,赵思家审校,中信出版集团2022年8月。
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