人脑是如何加工物体运动信息的?如果出现异常会如何?

1983年的某天,德国慕尼黑马普精神病学研究所迎来了一位特殊的女患者。这位名叫M.P.的43岁妇女,看不到物体的连续运动。

在她的眼睛里,运动的物体只不过是一张张变换的静止图像。当她看运动的物体时,她先看到这个物体先在某个位置固定不动,然后一下子跳到另一位置,丝毫看不到连续变化。

就好比下面这两张动图,我们正常人看到的是这样的:

人脑是如何加工物体运动信息的?如果出现异常会如何?

我们能清晰地看到这个动物的动作是连续的。但是,在M.P.等患者眼里,就变成下图这样

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她看到的只是一个个不连续的图像拼凑起来的景象!

故当倒茶时,她看不到茶水在茶杯里逐渐升高的过程,而是看到水面跳跃式地长高。而水面即使超过了茶杯口,溢出来了,她总是不能及时发现。

如果她在斑马线看见某位弹着吉他,走向自己的小伙子时,她看到的就类似于下图:

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如果说这种景象已经很奇怪了,那么另一位男子看到的现象就更滑稽。

有一位47岁男子,他描述自己看到的物体运动,是一串不动的镜像。“我看静止的物体都是正常的,但是一旦它们运动起来,我就能看到它们前一刻留下的镜像。

举例来说,当我们在空中看到空中飞行的网球是类似下图这样的:

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我们只能看到唯一一个网球在运动。但是,在这位中年男子的眼中,他看到的不只有一个球,它还有之前运动中遗留下的球,如下图

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所以,当他遛狗时,他能看到小狗后面排着一连串同样的小狗。他不敢开车,因为每一辆车子、每一条街道、每一个记号都会有许许多多快照一样的影像把他弄糊涂。“我看到的每一个运动的光源后面,都拖着一条彗星一样的尾巴”。

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“我看到的每一个运动的光源,后面都拖着一条彗星一样的尾巴”

大家看到这一幕,都可能会觉得不可思议。有人可能会认为他看到的是幻觉!确实是“幻觉”,只不过这是一种“运动视觉障碍“引起的幻觉!

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为什么会出现这种运动视觉障碍?

要理解这个问题,需要从大脑的结构开始讲起。在人的颅骨下面是我们的大脑,大脑根据其特征其实可以分为皮质区和非皮质区,其中皮质区也称为皮层。皮层是大脑最主要的区域,上面有密密麻麻控制人类日常生活方方面面的功能区。

人们根据皮层在空间位置的不同,从脑门处向后依次分为额叶、顶叶、枕叶,而位于人耳部左右的被成为颞叶

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而感知人眼睛看到的内容的区域就位于枕叶。下图就是人眼看到的信息,最终传输到枕叶视觉区域的示意图:

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我们可以看到,人眼的视觉感知区域是交叉的,比如左眼感知的部分内容会交叉传输到右枕叶,同理,右眼类之。这种结构设计当然是有一定道理的,其中最大的用处是用来增大人眼感知外界视角,同时也用来减少左右眼感知外界事物时可能存在的视觉差。

而当视觉信息达到枕叶之后,它并不会完全就在枕叶得到处理。实际上,这个过程需要非常复杂的分工。人们根据视觉信号处理的分工,将其大致分为了初级视觉皮层和高级视觉皮层。而进行细致分解时,会有V1区(初级视皮层)、V2区(识别形状)、V3区等等区域。详细见下图:

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可能看起来会很费解,但是没有关系。只要知道,视觉信号会通过这种方式,由初级视觉皮层逐渐分层进行分解和传递。越往高级结构走,分析就越复杂。现在,人们将这个信息传递和分解的过程大致分为2条通路:背侧通路和腹侧通路。我们也可以在下图的示意图中,清晰地看到信号在V1、V2、V3等等区域间进行传递。

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我们可以看到,对视觉信息的感知和理解,其实并不只在枕叶中进行,而是在全脑进行的

但是,人们现在已经知道,主管运动知觉的皮层在中颞叶。人们通过动物实验,发现中颞叶的神经细胞对运动方向非常敏感,这些细胞和初级视皮层中对运动方向敏感的细胞有直接联系。而初级视皮层中对运动方向敏感的细胞与更外周部分中对运动方向敏感的细胞有联系。

到这里,我们就可以来解释开篇时看到的神奇现象了。

人们在对那位名叫M.P.的患者进行CT检查时,发现她的双侧颞、顶叶皮层存在大面积损伤,这些损失区域正好就是主管运动知觉的。

可能在某种巧合之下,M.P.的中颞叶感知运动的区域存在了类似“接触不良”的现象:时而信息通路通畅,时而信息通路断路。于是,就看到了一帧一帧的视觉“奇观”。

而那位男子的运动视觉障碍,则与他服用抗抑郁药引起的副作用有关。因为他停药之后,这些症状就消失了。科学家认为,可能是抑郁药影响了从初级视皮层到中颞叶皮层的通路,让视觉信息长时间停留在中颞叶皮层,进行反复的感知,于是就看到了“一长串的小狗”以及“拖着彗星尾巴的光源”。

文章到了这,基本就解决了从文章开头遗留下的问题。但是,其实,这里又给我们埋下了一个更大的潜在问题:人是怎么看到物体运动的呢?

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人是怎样觉察到物体运动的?

我们知道,运动的物体对于动物来说,意味着食物、敌人或配偶,因此检测到运动物体关系到动物的生存。

为什么我们能觉察到物体的运动呢?这里面其实有两种机制在起作用。

第一种机制,也是一般人都能理解的,当我们眼睛只看着前方某个目标(一直保持),然后你用手指在眼线里轻轻滑过,虽然你可能因为没有对其进行聚焦,但是,你能明显感受到手指的运动。

这种感知运动的方式,与运动物体的像在视网膜上的运动有关。当运动物体的像通过晶状体,投射到视网膜上时,运动的物体的像会在视网膜上不同的感知细胞上引起时间先后上的变化。而这种变化信息,最终会由视神经传输给大脑,于是大脑就觉察到它的运动了。

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但是,在生活中,我们的眼球是无时不刻都在运动的。眼球的聚焦是必需的,因为只看到模糊的景象并不能满足我们的现实需求。

如果当眼球一直聚焦在运动的物体上,我们还能觉察到运动吗?这时,因为我们的眼睛死死地盯在运动的物体上,所以运动物体的像在我们的视网膜里成像的位置是固定的,也就是视网膜上感受不到之前的那种信息变化,所以理论上大脑应该也觉察不到运动的变化。

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运动的眼球

可能有人会说,虽然运动物体在视网膜上的像保持不变,但是运动物体所处的背景环境是变化的啊。

但是,这其实是错的!

科学家为此特地设计了一个巧妙的实验:他们在一间无比漆黑的房间里,找来志愿者,然后点燃一支烟,因为烟头会发出红色的光,我们能够觉察到它,但是除此之外,什么都看不见。即所谓背景环境的变化从根本上得到剔除。于是,他们将志愿者安排在远处,嘱咐志愿者盯着烟头,然后慢慢地移动烟头,只要志愿者感觉到它在运动,就告知科学家。

人脑是如何加工物体运动信息的?如果出现异常会如何?

实验中,漆黑房间里,志愿者只能看到类似上面发亮的烟头

结果,志愿者们都能很清晰地准确地感知运动的烟头。

从这个实验,我们基本上可以否定所谓“背景环境的运动变化”让人们觉察到运动的观点。那么是什么让人们即使在这种情况下,也能看见运动呢?

现在的人们基本上已经知道原因:眼睛觉察到运动状态取决于两种因素,一是像在视网膜上的移动;二是眼球相对于头的运动。

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驱动眼球运动的肌肉信号,帮助大脑感知运动

前者已经很好理解了。后者说的是,眼球的运动其实在告诉大脑,它所跟踪的目标是运动的,并以此来感知运动。

人脑是如何加工物体运动信息的?如果出现异常会如何?

其实,人是如何感知运动的,并不是一个简单的问题。虽然,人们已经有相当多的理论来解释它,而且也取得相当不错的效果。但是,人脑是如何来处理分析这些信息的,依然是个迷。

现在,全世界的很多科学家都非常看重对这方面的研究。但是,当人们踏入视觉的大门,就会发现自己来到一片茫茫大海,眼前除了一望无际的海水,还看不到极为重要的东西。

即便如此,但如果人类能对大脑进行解析,那么人类的新时代就将来领!

人脑是如何加工物体运动信息的?如果出现异常会如何?

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页面更新:2024-03-22

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