文圖/應浩江(南洋理工大學)
本文節選自《知識就是力量》雜誌
「看」 似乎是一個簡單的過程,只要睜開眼睛我們就能看到周圍的世界。睜開眼睛,你可以看到川流不息的人海,你可以看到五彩斑斕的花朵,你可以看見車水馬龍的大街。
一切都是那麼自然,不過你有沒有思考過, 「看」 是怎麼完成的呢?我們是怎樣把景色盡收眼底的呢?
![](http://image.pttnews.cc/2019/03/04/af9062eca5/57cec0225334605e7948aed4243d8c4e.jpg?redirect=true)
視覺處理系統
01眼睛是心靈的窗戶
都說眼睛是心靈的窗戶。其實科學家們也是這麼覺得:研究眼睛裡的視網膜正是研究視覺過程的窗戶。
視覺起始於眼睛底部的視網膜。在視網膜上有視桿和視錐兩類光感受器,它們對於不同波長的光線敏感程度不同,於是我們能看到五彩斑斕的景象。事實的確如此,不過視網膜只不過是視覺的起點。光線會匯聚在眼睛底部的視網膜區域。
在這裡,我們有兩類光感受器:視桿細胞(柱狀)以及視錐細胞(錐狀)。有趣的是,視桿和視錐細胞其實分布在視網膜的最後。它們接收到光線之後,會把這部分能量轉化為電信號向前面的神經節細胞傳遞。
按照神經科學以及人工智慧的巨擘戴維·馬爾(David Marr)所言:「視覺正是信息處理過程」,我們在 「看」 世界的時候,就是視覺信息在視覺處理腦區內被逐步分析解讀的過程。
![](http://image.pttnews.cc/2019/03/04/af9062eca5/29585346195878ac846eb339f91c835d.jpg?redirect=true)
02視網膜裡的光感受器
視網膜上成像最清晰的地方就是中央凹(foveal)了。在這裡,只有視錐細胞。而且在視錐細胞之前沒有任何神經元影響成像。因此光學干擾被壓低到最小。但是為什麼只有視錐細胞沒有視桿細胞呢?這就是視網膜的有趣之處:視錐細胞接收到的清晰度更高。雖然每個眼球內視網膜上的光感受器有一億多個,不過只有六百萬個是視錐細胞,其餘是視桿細胞。視錐細胞對於亮光敏感,也對色彩敏感。
我們看到的世界大多數是視錐細胞為我們提供的。視錐細胞大多出現在中央凹。它們基本與參與中繼的神經節細胞一一對應,保證傳遞信息的精確。但是視桿細胞往往在中央凹之外,他們的成像也不夠清晰,上百個視桿細胞才會與一個神經節細胞對應,這樣能保證信息強度足夠大。
![](http://image.pttnews.cc/2019/03/04/af9062eca5/d02b73a894302113dabb5c4bafde957d.jpg?redirect=true)
三類視錐細胞對於不同波長光的敏感程度
我們能看到顏色,還得歸功於視錐細胞。科學家把視錐細胞分為三類,根據他們所敏感的光線波長分為S(短波)、M(中波)和L(長波)三種。上圖就是這三類細胞對於不同波長光的敏感程度。可見光正是一個光譜帶,短波更加藍,因此S型視錐細胞對於藍色的光線更敏感。不過色彩知覺可遠比這個複雜,還得涉及到細胞感受野的拮抗理論,還有視覺皮層的一些工作方式。學海無涯,哪怕簡單的視覺也是如此複雜。
神經元
03左腦與右腦的信息接收
視網膜接收到的信息會通過視神經向大腦皮層傳去。熟悉生物的讀者可能知道,我們的左右半腦其實處理的都是對側的信息。
在這裡我要給大家普及下更加正確的說法:在人類不同半腦的初級感覺皮層(視覺,聽覺,觸覺),的確是更傾向於接收對側的信息,但是接受同側信息的也有。
而在高級處理皮層對雙側信息都能加以處理。用更科學的術語來說,右眼能接收顳側信息(在這裡就是右邊,靠近右太陽穴的那一側的信息),也可以接收鼻側信息(用右眼看鼻子是不是能看到左側的信息?)。這兩類信息會傳遞到另一側,互換方向。總歸左邊方位(而不是左眼看到的一切)的信息輸到右側大腦,反之亦然。
經過傳遞與預處理,視網膜上的信息最終會抵達初級視覺皮層。也就是大腦的最後端枕葉區域。從這裡開始,大腦正式開始對視網膜接收到的信息進行處理。
眼部結構
04複雜的視覺處理系統
從科學的角度來看,我們的大腦中擁有一套複雜的視覺系統,專門用來處理眼睛看到的信息。而這一套複雜的系統,幾乎動員了整個大腦。
當我們眼睛上的視網膜(retina)接收到光線的時候,它會把看到的光線轉化為電信號,通過神經元之間的信息傳遞,往大腦皮層而去。經過對外側膝狀體(LGN)的中繼,視覺信息達到了大腦皮層。首先接收信息的就是初級視覺皮層(V1),它會分析所看見物體的大小、方向、邊緣等信息。之後,視覺信息會被各個大腦區域逐步分析,比如下顳葉皮層(IT)會分析看到的東西是什麼,而中顳區皮層(MT)會分析所看到東西的運動和位置信息。最終,我們的大腦會匯總看到的一切,解讀出我們眼前的事物。一切正如巨擘戴維·馬爾(David Marr)所言:「視覺正是信息處理過程。」
![](http://image.pttnews.cc/2019/03/04/af9062eca5/672dc332488bdfd27c1d33126b6b7219.jpg?redirect=true)
視覺通路簡化圖,其結構以及非常複雜
你看,其實簡單的「看」就要調用我們大腦中幾乎所有神經區域,但「看」這件事太過於輕鬆和簡單,會讓我們有時低估了視覺的複雜性。