研究揭示了经典的视觉幻觉

这是一种经典的视觉错觉：两个灰色的点出现在背景上，由浅灰色到黑色的渐变组成。尽管两个点是相同的，但根据它们相对于背景的放置位置，它们看起来会非常不同。

一百多年来，研究大脑的科学家一直试图弄清这种幻觉背后的机理，即同时亮度对比。麻省理工学院领导的一项研究表明，这种现象依赖于亮度估计，亮度估计是在视觉信息到达大脑的视觉皮层之前（可能在视网膜内）进行的。

麻省理工学院脑与认知科学系视觉与计算神经科学教授帕万·辛哈（Pawan Sinha）说：“我们所有的实验均得出结论，认为这是一种低水平的现象。” “结果帮助回答了这一非常基本的亮度估计过程的基础是什么的问题，这是许多其他种类的视觉分析的基础。”

作为研究的一部分，研究人员对印度的盲童进行了研究，发现他们在手术后立即开始视力后几乎立即对这种错觉敏感，从而提供了进一步的证据，表明亮度估计可能是基于简单的神经回路而没有需要设置任何事先的视觉体验。

辛哈（Sinha）是这项研究的资深作者，该研究发表在《视觉研究》（Vision Research）八月号上。该论文的其他作者是Sarah Crucilla，她在Sinha上高中时就曾在该公司工作，现在是加州理工学院的本科生。塔潘·甘地（Tapan Gandhi）是印度理工学院的教师，曾是麻省理工学院的博士后。东北大学博士最近获得者Dylan Rose；Google的Amy Singh，也是麻省理工学院前博士后；新德里Shroff博士慈善眼科医院的Suma Ganesh和Umang Mathur；东北大学心理学教授彼得·贝克斯（Peter Bex）。

估计亮度

当我们查看图像时，我们的大脑会在图像的每个位置感知到一定的亮度。但是，令人惊讶的是，我们的亮度感知并不总是与图像区域发出的光量成正比，Sinha说。取而代之的是，我们的感知是物体实际颜色与物体上发出的光量的乘积。

“在明亮的聚光灯下，您可能会得到一块非常黑的布，并且从那里获得的光量可能与在昏暗的光线下从白纸上获得的光量相同甚至更多， ”辛哈说。“大脑面临着仅根据其接收的能量来判断表面是浅还是暗的挑战。本质上，大脑必须找出被相乘的两个数字（照度和表面暗度）以产生它正在接收的一个数字（传入能量）—这似乎是不可能的任务，因为无限多的数字对都可以产生相同的结果产品。”

一些科学家，包括19世纪德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz），它是视觉研究的早期先驱，他们提出估算亮度是一个“高级”过程。也就是说，大脑会根据对所看到环境中照明条件，形状和阴影的深入了解来估计亮度。

许多视觉任务（例如识别面孔或物体）确实依赖于我们以前的经验或对看到的期望。但是，Sinha和他的同事在这项研究中进行的实验表明，在亮度估计的情况下，高级处理不会发挥重要作用。

在他们的第一组实验中，研究人员创建了一个看起来像从侧面照亮的立方体的图像，其中一个面孔看上去比另一个面孔亮一些。实际上，使用800年前中国陶瓷画家所知的巧妙技巧，看上去较亮的面孔实际上比看上去较暗的面孔具有更低的亮度。在这种显示中，研究人员发现，当在两个立方体面上放置相同的灰色点时，看上去在阴影中的面上的点实际上比放置在接收更多光的面上的相同点更暗。

Sinha说：“这与标准同时对比显示中发生的情况相反，在标准同时显示中，深色背景上的点看上去比浅色背景上的点更亮。” “这一结果与照明条件的高级分析有助于亮度估计的想法背道而驰。”

设计第二组实验以定位亮度估计的过程。它建立在一个奇怪的事实之上，即我们通过合并两只眼睛的图像而构成的对我们所体验世界的统一看法，几乎伴随着“起源之眼”信息的丢失。我们不知道原始图像是什么，它们来自哪只眼睛。我们只知道合并的视图（在希腊神话中独眼的怪兽独眼巨人之后，有时称为“独眼巨人”形象）。但是，研究人员使用经过特殊设计的图像和立体眼镜，发现亮度估计不需要等到两只眼睛的信息合并后才可以进行。到那时它已经发生了。

这一发现表明，在将来自每只眼睛的信息组合成一个视觉流之前，亮度估计很早就发生了。这种结合发生在大脑皮层的一部分，称为V1（之所以命名，是因为它代表了皮层视觉处理的第一阶段）。这对处理的位置施加了严格的约束。研究人员假设，重要的亮度计算很可能发生在视网膜上。

Sinha说：“前两组研究的结果表明，如果亮度估计确实是一个低水平的过程，并且电路位于视网膜的尽头，那么这也许是先天的。” “这是视觉系统从诞生之初就准备要做的事情。”

“一种先天机制”

研究人员能够通过研究最近恢复视力的盲儿童来探索这一假设。辛哈（Sinha）在印度开展了一项名为“ Prakash项目”的工作，该项目的任务是治疗患有先天性白内障等可预防的失明儿童。许多接受治疗的儿童继续参加视觉发育的科学研究，尽管治疗并不取决于这种参与。

Sinha说：“预测是，如果亮度估计确实是一种先天的机制，那么先天性盲儿童的视力一旦启动，他们就应该成为同时幻觉的牺牲品。”

这正是研究人员在对9名在8至17岁之间通过手术摘除白内障的儿童进行的研究中发现的。在对所有患儿进行手术绑扎后仅24至48小时进行的测试中，所有儿童均容易产生这种幻觉。删除。

辛哈（Sinha）在2015年的一项研究中表明，新近看过的孩子还立即容易受到另外两种视觉错觉的影响，这两种视觉错觉被称为米勒-里尔（Müller-Lyer）和庞佐幻觉，这涉及根据视觉线索判断线条的长度。

从这项工作中得出的结论似乎也与从亮度研究中得出的结论一致。也就是说，我们如此迅速地归因于高级推理过程的许多现象实际上可能是通过固有的一些非常简单的大脑电路机制实例化的。” Sinha说。“这些结果有助于寻求了解我们的神经系统如何解决感知和理解我们周围世界的复杂挑战。”