中國科學家揭示Pinna視覺錯覺背後的大腦機制

張玥 編譯

捷克著名神經生物學家蒲肯野曾在150年前說過：「視覺錯覺包含視覺真相（illusions contain visual truth）」。

日前，國際權威學術期刊《神經科學雜誌》在線發表了一篇題為《隨光而流：複雜光流運動視覺錯覺產生的腦神經機制》的研究論文，為人們剖析了視覺錯覺背後的真相，並為蒲肯野的這句表述提供了直接的神經生理學證據和理論支持。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，該研究組通過與同一研究所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。

以此為基礎，該研究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。

錯覺中亦有視覺真相

有一種被稱作Pinna旋轉視覺錯覺（Pinna-Brelstaff）的現象十分有趣：形狀為同心環，有著倒轉的底紋。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，或是放大，或是縮小。但事實上，圓環本身並沒有任何物理移動。

研究人員介紹，這種整體運動視覺錯覺感知的強弱，與構成圖形的局部細節密切相關。雖然Pinna錯覺廣為人知，但它在大腦中是如何產生的腦神經編碼機制迄今不清楚。

注視著黑點，然後前後移動頭部，就能感知到圓環的旋轉。

據研究小組介紹，視覺錯覺，是一種真實的感知覺，它反映的是人視網膜物理（光）輸入和大腦視皮層感知之間的不一致，是人類大腦通過複雜的腦區之間的相互作用和海量神經計算而產生的。人類在自然生活中，由於視覺刺激和場景的不同，再加上觀察者生理上和心理上的差異，可以自覺和不自覺地感知到各種各樣的視覺錯覺，如運動視覺錯覺，形狀視覺錯覺，顏色視覺錯覺，大小和位置視覺錯覺等等。

由於視覺錯覺令人著迷的特殊性和豐富性，它激發了人類研究真實和錯覺之間的關係以及錯覺在大腦中是如何產生的腦機制，為人們深入解讀大腦奧秘提供了一個重要窗口。

日前，中科院科研人員在兩個研究中分別窺探人類與猴子的大腦內部，試圖理解在人類或猴子凝視這種同心環時，究竟發生了什麼。「由客觀現實到旋轉、擴張和收縮的錯覺認知，到底有怎樣的神經基礎，仍未可知。」研究人員在文中寫道，「研究認知與現實之間的匹配錯誤，能夠幫助我們更好地理解大腦視覺區域的構架本質。」

火眼金睛，難辨真假

去年，中國科學院研究人員曾利用功能性磁共振成像（fMRI）設備，研究42名受試者在不同情況下的大腦錯覺。然而，功能性磁共振成像的功能有限，無法顯示潛在的神經機制。

因此，研究人員將目光聚焦到雄性恆河猴（普通獼猴）的身上。首先，他們要確定的是，獼猴是否能感知到這種錯覺。他們為此帶來了9位人類志願者與2隻獼猴（將其頭部固定），記錄快速的眼部運動以響應運動知覺，這被稱作掃視（saccades）。

由人類對於這種錯覺的影響進行量化，例如，這種旋轉是順時針還是逆時針的；在這種幻象靠近或離遠時，圓環是在擴張還是在收縮的。獼猴與人類有類似的掃視反應，意味著很有可能獼猴也以類似的方式感覺到了這種錯覺。

下一步就是記錄大腦活動。在獼猴進行手術植入電極並得到術後恢復後，實驗人員開始向猴子展示錯覺圖像與動畫。它們並未被告知兩種圖像的差異，僅被訓練指出旋轉的方向，以及圖像是否在擴張或收縮。

研究團隊發現，這種錯覺圖像與實際運動一樣，都能激活同一片腦區，這表示大腦利用同一組神經元來處理錯覺與真實運動。但其中也有區別：神經元對產生錯覺的虛幻運動的處理時長，要比真實運動多15毫秒。

在獼猴背側視覺通路中有兩個編碼視覺運動信息的高級腦區，「進一步研究表明，各種複雜光流運動錯覺在背側內顳上區神經元中的表徵需要花費更多的神經整合時間」，研究團隊表示。

據媒體報道，大腦可能在利用額外的這段時間來記錄虛幻運動與真實運動之間的區別。換句話說，這張圖片看起來似乎是運動，但大腦深處可能意識到有什麼不對勁，並利用那十幾毫秒去重新思考。但究竟為何如此，仍需時日加以證明。

究竟因何產生了這古怪的時間延遲，科研人員在中科院網站上給予了解釋。藉助Pinna錯覺刺激的各種獨有優勢，他們的實驗結果首次揭示了複雜光流運動視覺錯覺在背側視覺通路背側內顳上區（MSTd）和中顳區（MT）中的神經整合編碼機制：首先，MSTd腦區中特異性編碼某一類真實光流運動（分別編碼如旋轉，收縮，擴張和螺旋運動）的神經元也能夠編碼相對應的視覺錯覺光流運動；其次，和真實運動一樣，光流運動視覺錯覺也是通過整合其前級MT腦區神經元局部視覺運動信號而形成的。MT神經元的這些局部視覺運動信號是通過光圈孔徑效應（Aperture effect）產生的。最後，光流運動視覺錯覺需要更長的神經整合時間來完成從局部到整體的視覺表徵。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！