《灵魂的科学探索》

第03章 看(seeing)

作者:弗兰西斯·克里克

“眼见为实”。

在餐桌上,有些并非从事科学研究的人常常问我目前正在研究什么,当我回答说,我正在思考哺rǔ动物视觉系统的某些问题即我们如何看东西时,他们往往会表现出令人有些窘迫的沉默。提问者往往迷惑不解,为什么像看东西这么简单的事情还会有困难。当我们睁开眼睛时,毕竟不费吹灰之力就可以看到一个开阔清晰、充满五颜六色物体的世界。一切都显得轻松自如,因此还有什么问题可言呢?当然,如果我现在潜心钻研的是数学、化学甚至经济学这些需要花费脑力的问题,也许还有值得谈论的东西。然而,看……?

另外,很多人认为,既然他们的大脑工作得很好,于嘛还要自寻麻烦呢?他们认为,与脑有关的主要问题是当它出了毛病的时候我们如何去治疗。只有少数有科学头脑的人才会进一步追问:当我们看某个物体时,大脑究竟是如何工作的呢?

我们现有的视觉系统知识,有两方面是相当令人吃惊的,第一方面,我们已经具备的知识量,无论用什么标准衡量都是庞大的,学校设有齐全的视觉心理学(如:在什么条件下电影屏幕上快速连续呈现的静止图像能够产生平滑的运动)、视觉生理学(眼睛及相关脑区的结构和行为)和视觉分子及细胞生物学(神经细胞及其组成分子)课程。这些知识是众多从事人类和动物研究的实验家和理论家经过多年艰辛努力积累的结果。

另一个惊人之处是,尽管已经有了这些工作,但对如何看东西我们确实还没有清楚的想法。对那些进修这些课程的学生,往往隐瞒了这一事实。当然,如果经过所有这些认真的研究和详尽的讨论之后,我们对视觉过程仍然缺乏清晰、科学的了解,那可能就是不应该的了。按照严格的科学(如:物理学、化学、分子生物学)标准,我们对于大脑如何产生生动的视觉意识甚至还缺少大体的了解,我们只是把它看成是理所当然的事情。我们知道该过程的某些零散的片段,但我们还缺乏详尽的资料和想法来回答某些最简单的问题:我们怎样看颜色?当我回忆一张熟悉面孔的图像时,发生了什么事情?等等。

但是还有第三件令人奇怪的事情。你可能对自己如何看东西已经有了一个粗略的想法。你认为,每只眼睛就像一部微型电视摄像机,利用角膜透镜把外界景象聚焦到眼后一个特殊的视网膜屏幕上。每个视网膜有数以百万计的“光感受器”,对进人眼睛的光子进行响应。然后,你把由双眼进入大脑的图像整合到一起,这样,就可以看东西了。在没有考虑这些问题之前,你也许对可能的发生过程有了某些想法。但是,也许让你惊讶的是,即使科学家还不知道我们怎样看东西,但却容易说明,你把如何看东西想得太简单了,在很多情况下或者说是完全错了。

我们多数人想像的图景是,在我们大脑的某处有一个小矮人,他试图模仿大脑正在进行的活动,我们将其称为“小矮人谬误”(the fallacy of the homunculus。在拉丁文中homunculus的意思是小矮人)。很多人确实有这种感觉(在一定的时候,这个事实本身就需要解释)。但我们的“惊人的假说”并不认为是如此。粗略他说,它认为“所有这些都是神经元完成的。”

有了这一假设,看的问题就赋予了全新的特性。简而言之、大脑中必定存在某些结构或操作,它们的行为就好像以某种神秘的方式与“小矮人”的精神图像相对应。但它们会是些什么东西呢?为了研究这一难题,我们必须了解看所涉及的任务及头脑内完成该任务的生物装置。

你为什么需要视觉系统呢?一种巧妙的回答就是它能使你或帮助你的亲属繁衍后代。但这一回答太笼统了,我们从这里得不到多少东西。实际上,动物需要利用视觉系统去寻觅食物、躲避天敌和其他危险,交配、抚养后代(对某些物种)等等也离不开视觉系统。因此一个良好的视觉系统是无价之宝。

加利福尼亚州理工学院的神经生物学家约翰·奥尔曼(johnallman)认为,与爬行类相比,哺rǔ动物由于它们不停的活动和相对高而恒定的体温,因此就需要保存更多的热量。对于小的哺rǔ动物而言尤其如此,因为与体积相比,它们的表面积太大了,因而就有了软毛(这是哺rǔ类独一无二的属性)和高度发育的新皮层。他相信,这一脑区的发育使早期的哺rǔ动物更聪明,它们可以找到充足的食物用以保持体温。

尽管哺rǔ动物智力比较发达,但作为一类动物它们并没有特别的视觉系统。这可能是因为它们是从小型夜行动物进化而来的,而这些动物的视觉远不及嗅觉和听觉那么重要。而灵长类(猴、猿和人)则是例外。它们大多数具有高度进化的视觉,但和人类相似,其嗅觉也许是较差的。

恐龙灭绝以后,这些早期的哺rǔ动物很快发展起来,并取代了恐龙留下的生态真空。哺rǔ动物较为聪明的大脑帮助它们有效地完成这些任务,并最后导致在所有的哺rǔ动物中最为聪明的人类的突现。

哺rǔ动物的眼睛有什么用途呢?进入我们眼内的光子仅能告诉我们视野①中某个部分的亮度和某些波长信息,但是你想要知道的是那里有什么东西,它正在做什么和可能去做什么。换句话说,你需要看物体、物体的运动和它们的“含义”。即它们通常做什么,有何用处,在过去你在何种环境中见过它们或类似的东西等。

为了生存和繁衍后代,你需要的并不仅仅是这些信息。用计算机的术语来说,你必须做到“实时”,即在这些信息过时之前,足够迅速地采取行动。如果计算明天的天气预报要花费一周的时间,就算高度准确这也是没有多大意义的。所以,尽快地提取生动的信息是再重要不过的了。当动物试图捕杀其他动物时,无论对于捕食者或被捕食者,这都是特别重要的。

因此,眼和大脑必须分析进入眼睛的光信息,以便获得所有这些重要的信息。它怎样完成这一任务呢?在更详细地描述看所涉及的东西之前,首先让我给出如下三条基本的评论。

1.你很容易被你的视觉系统所欺骗。

2.我们眼睛提供的视觉信息可能是模棱两可的。

3.看是一个建构过程。

尽管三者并不相关,我们还是依次叙述。

你很容易被你的视觉系统所欺骗。比如,许多人相信,他们可以同样清楚地看任何东西。正如同我通过窗户观察花园时,我的印象是面前的灌木和右方的树木一样清楚,如果我的眼睛在短时间保持不动,就很容易发现这种感觉是错误的。只有接近注视中心,我才能看到物体的细节,偏离注视中心视力就越来越模糊,而到了视野的最外围,我连辨别物体都有困难,在日常生活中,这一限制之所以显得不明显,就是由于我们很容易不断地移动眼睛,使我们产生了各处物体同样清晰的错觉。

拿起一个有颜色的物体,比如蓝色的笔或红色的扑克牌,井把它放在头的侧后完全不能看见的地方。然后,慢慢向前移动它,使它刚好进入视野的边缘,注意,你的眼睛千万不能动!这时,如果你晃动该物体,在你看清楚它是什么之前,就已经感到那里有东西在动。在你能确定那笔是什么颜色之前,你能区别它是水平的还是垂直的。一直到你把它移到非常接近注视中心之前,即便你可以看见它的形状和颜色,但仍不能看清物体的细节。我的笔上有一个“extra fine point”标志。它印得非常小,但我戴上眼镜并把它放在一英尺处,就可以很清楚地读出它。但是,如果将手指放在笔的旁边,且注视点不是在笔上而是在指尖处,我就读不出笔上写些什么东西,尽管它们离注视中心已经很近。我的视锐度随着离开注视中心的距离而迅速下降。

为了用简单和直接的方法演示视觉系统如何欺骗我们,让我们看一下图1,这时,你立刻就会看到一条由背景包围的水平纹理条带。背景的左侧是黑色,然后从左向右逐渐变白,水平条带本身,左侧看起来明显地比右侧亮,但事实上,在整个水平条带的宽度范围,其纹理的亮度都是均匀的。如果你用手挡住背景,你会很容易看到这一点。

我们的视觉系统还可以以更加巧妙的方式欺骗我们。图2是著名的卡尼莎(kanizsa)三角,因工作于的里雅斯特(trieste)的意大利心理学家盖塔诺·卡尼莎(gaetanokanizsa)而得名。你将会看到一个大的白色正三角形呈现在三个黑色圆盘①之前。而且这一白色三角形也许显得比图形的其余部分更亮一些。

这种错觉白色三角形的轮廓常被称为“错觉轮廓”,因为那里并不存在真实的轮廓线。当你用手挡住图形的大部分而只露出很短一段“轮廓”时,你就会发现,原来具有可见轮廓的纸面现在看来是均匀的亮度,没有任何轮廓。

我的第二个一般评论是,我们眼睛提供给我们的任何一种视觉信息通常都是模棱两可的。它本身提供的信息不足以使我们对现实世界中的物体给出一个确定的解释。事实上,经常会有多种可信的不同解释。

一个明显的例子就是在三维空间看物体。如果你将头固定不动并闭上一只眼睛,你仍然可以得到某种程度的深度知觉。这时仅有的视觉信息来自你睁开的那只眼睛的视网膜上的二维图像。假如你的正前方的物体是位于一定距离、具有均匀白色背景的正方形框架(如图3a),你当然会把它看成是一个正方形。

然而,这个线框图形也许实际上根本不是正方形,而是由一个倾斜的、具有某个特殊形状的四边形产生的(如图3b),而它在视网膜上的像刚好与正对着你的正方形完全相同。此外,还会有大量扭曲的其他线框图形可以形成相同的视网膜图像。

这个例子也许显得有些太特殊,因为一个人很少会闭上一只眼睛又固定头部来观察世界。假如你观察一幅照片或某个景物的写生画,此时,即使你转动头部和使用双眼,也只能看到一张平面的照片或图画。但在多数情况下,你仍可以看到图画中表达的三维信息。

某些简单的线画图形可能有几种同样可能的解释。请看图4。该图由画在纸的表面上的十二条连续的黑直线组成。但几乎每个人都会将其看成是三维立方体轮廓图。

这个被称为内克(necker)立方体的特殊图形有一个有趣的性质。如果较稳定地注视一会儿该图形,立方体就会发生翻转,仿佛观察角度发生了变化一样。再过一会,知觉又会转换到原来的那样。在这种情况下,这幅图像有两种同样可能的三维解释,大脑无法确定哪一个更可取。但值得注意的是,某一时刻只能有一种解释,并不是二者奇特的混合。

对视觉图像的不同解释是数学上称为“不适定问题”的例证。对任何一个不适定问题都有多种可能的解。在不附加任何信息的条件下,它们同样都是合理的。为了得到真实的解,即与那里真正的东西最接近的解(有时用其他检验去测量,如走过去摸一摸它),我们需要使用数学上的所谓“约束条件”。换句话说,视觉系统必须得到如何最好地解释输入信息的固有假设。

我们通常看东西时之所以并不存在不确定性,是由于大脑把由视觉景象的形状、颜色、运动等许多显著的特征所提供的信息组合在一起,并对所有这些不同视觉线索综合考虑后提出了最为合理的解释。

我的第三个一般性评论认为,看是一个建构过程,即大脑并非是被动地记录进入眼睛的视觉信息,正如上面的例子所显示的那样,大脑主动地寻求对这些信息的解释。另一个突出的例子是“填充”过程。一种类型的填充现象与盲点有关,它的发生是由于联结眼和脑的视神经纤维需要从某点离开眼睛,因此,在视网膜的一个小区域内便没有光感受器。请你闭上或遮住一只眼睛并凝视正前方。垂直地举起一个手指,把它放在距鼻尖约一英尺处,使指尖和眼睛的中心差不多处于同一水平,在水平方向移动手指使它偏离凝视中心约15度。稍加搜索你就便会发现一个看不见你指尖的地方(一定凝

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