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麻省理工学院的神经科学家研究了一种经典视觉错觉背后的真正

神经科学家深入研究了背景亮度如何影响我们对物体的感知。

这是一个经典的视觉错觉:两个灰点出现在由浅灰色到黑色渐变的背景上。虽然这两个点是相同的,但根据它们在背景中的位置,它们看起来非常不同。

100多年来,研究大脑的科学家一直在试图弄清楚这种错觉背后的机制,即同时发生的亮度对比。一项由麻省理工大学领导的研究表明,这种现象依赖于在视觉信息到达大脑视觉皮质(可能在视网膜内)之前对亮度的估计。

我们所有的实验都表明,这是一种低水平的现象。麻省理工学院大脑和认知科学系的视觉和计算神经科学教授帕万·辛哈说。这些结果帮助回答了构成亮度估计这一基本过程的机制是什么,而亮度估计是许多其他视觉分析的基础。

作为调查的一部分,研究人员研究了盲童在印度,发现他们容易受到这几乎错觉后立即手术后被启动,提供进一步的证据表明,亮度估计可能是基于简单的神经回路,doesn’ t需要设置任何之前的视觉体验。

Sinha是这项研究的资深作者,该研究发表在8月份的《视觉研究》杂志上。论文的其他作者还有萨拉·克鲁斯利亚,她在辛哈上高中时曾与她共事,现在是加州理工学院的本科生;塔潘·甘地,印度理工学院教员,麻省理工学院前博士后;最近获得东北大学博士学位的迪伦·罗斯;谷歌的艾米·辛格,她也是前麻省理工学院博士后;新德里shroffo医生的慈善眼科医院的Suma Ganesh和Umang Mathur;东北大学的心理学教授Peter Bex说。

估计亮度

当我们看到图像时,我们的大脑会在图像的每个位置感知到一定的亮度。然而,令人惊讶的是,我们对亮度的感知并不总是与图像区域发出的光量成正比,Sinha说。相反,我们的感知是物体实际颜色和照射在其上的光量的产物。

你可以把一块非常黑的布放在明亮的聚光灯下,你从它那里得到的光量可以和一张白纸在昏暗的灯光下得到的光量一样,甚至更多。Sinha说。大脑面临着这样的挑战:仅仅根据接收到的能量就能判断出一个表面是亮是暗。本质上,大脑必须计算出两个相乘的数字(光照水平和表面黑暗程度),才能产生它正在接收的一个数字(入射的能量)—这似乎是一个不可能完成的任务,因为无穷多对数字都可以产生相同的产品。

一些科学家,包括19世纪的德国物理学家赫尔曼·冯·赫姆霍兹,他是视觉研究的早期先驱者,提出估计亮度是一个很高的标准。的过程。也就是说,大脑根据对它所看到环境中的光照条件、形状和阴影的高度理解来估计亮度。

许多视觉任务,例如辨认面孔或物体,确实依赖于我们之前的经验或对我们所看到的东西的预期。然而,Sinha和他的同事在这项研究中所做的实验表明,在亮度估计的情况下,高级处理并没有起到重要作用。

在他们的第一组实验中,研究人员创建了一个立方体的图像,看起来像是被从侧面照射的,其中一个面看起来比另一个面更亮。实际上,中国陶瓷画家运用了一种800多年前就知道的聪明技巧,看起来更亮的脸实际上比看起来更暗的脸的亮度要低。在这次展示中,研究人员发现,当相同的灰色点被放置在两个立方体的表面上时,表面上看起来处于阴影中的那个点实际上比放置在接受更多光照的表面上的相同的点要暗一些。

在标准的同时对比显示中,暗背景上的点比亮背景上的点要亮。Sinha说。这个结果与高层次的照明条件分析有助于亮度估计的观点背道而驰。

第二组实验用于对亮度估计过程进行定位。它建立在这样一个奇妙的事实之上:我们对世界的统一看法是由两只眼睛的图像合并而成的,同时几乎完全失去了原来的眼睛。信息。我们不知道原始图像是什么,它们来自哪只眼睛;我们只知道合并后的视图(有时称为环花生)。图像,以希腊神话中的独眼独眼巨人独眼巨人命名)。然而,通过使用特殊设计的图像和立体眼镜,研究人员发现,亮度估计不需要等到来自两只眼睛的信息合并;那时它已经发生了。

前两组研究结果的含义是,如果亮度估计真的是一个低级的过程,而且电路早在视网膜上就有,那么也许这是一种先天分配,Sinha说。这是视觉系统从诞生之日起就准备要做的事情。

“没有,一个先天mechanism”

研究人员能够通过研究最近恢复视力的失明儿童来探索这一假设。Sinha在印度开展了一个名为Prakash的项目,该项目的任务是治疗那些患有可预防的盲症(如先天性白内障)的儿童。许多接受治疗的儿童继续参与视觉发育的科学研究,尽管治疗并不取决于这种参与。

他们的预测是,如果亮度估计真的是一种先天机制,那么先天失明的儿童刚开始有了视力,他们就会同时受到对比错觉的影响。Sinha说。

这正是研究人员在对9名年龄在8岁到17岁之间接受白内障手术摘除的儿童的研究中发现的。在手术绷带被摘除24到48小时后进行的测试中,所有的孩子都容易产生幻觉。

在2015年的一项研究中,辛哈指出,最近有视力的儿童也会立即受到另外两种视错觉的影响,即ller-Lyer和Ponzo视错觉,这两种视错觉涉及到根据视觉线索判断线条的长度。

这项研究得出的结论似乎也与亮度研究得出的结论一致。也就是说,许多我们很快归因于高级推理过程的现象,实际上可能在一些非常简单的大脑回路机制中得到实例化,而这些回路机制是与生俱来的。Sinha说。这些研究结果有助于理解我们的神经系统是如何解决感知和理解我们周围世界的复杂挑战的。

同时亮度对比的机制:早期的和先天的作者:Pawan Sinha, Sarah Crucilla, Tapan Gandhi, Dylan Rose, Amy Singh, Suma Ganesh, Umang Mathur和Peter Bex,视觉研究,2020年5月25日。

DOI: 10.1016 / j.visres.2020.04.012

这项研究由国家眼科研究所/国家卫生研究所、尼克·西蒙斯家庭基金会、锡坎基金会和哈利斯家庭基金会资助。

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