一天,麦克在滑雪场滑雪时,突然感觉自己面前出现了一个硕大的物体,并且距离很近,想躲避已经来不及了。他心想:这下可完了。然而,最终麦克却穿过了这个物体。原来,这是滑雪场一座山投下的影子。 自从麦克在43岁时接受了角膜移植手术,并恢复了视力之后,经常会遇到类似的经历。麦克在3岁时,在一起燃油爆炸事故中双目失明。然而,这并没有阻止他成为一名杰出的滑雪运动员,他曾经打破过盲人滑雪速度纪录。他在向导的指引下,滑出了每小时65英里的速度。在长达40年的失明时间里,他的大脑从未有过视觉经历。现在,他终于重见天日,但对于自己所看到的事物,他却出现了判断上的困难。特别是他很难像常人那样,区分二维物体和三维物体,这便是他为什么不能辨认出山体投影的原因。 人的大脑不需要让你做出特别的举动,便可以对许多场景做出判断。由于麦克在43岁时才学会观察这个世界(这正如你成年以后才开始学外语),因此他的大脑无法准确完成各项视觉任务,也就无法判断出前方到底是影子还是大石头。总之,麦克无法准确地将眼前形状各异、颜色各不相同的物体的特性与具体的物体对上号,甚至无法区分出物体以及物体后面的背景。麦克的这个例子充分说明了大脑的视觉工作有多么重要,看似简单的任务,实际上仍需要大脑百般锤炼。 人的视觉在眼睛里面形成,眼睛的工作原理就像是一台照相机。眼睛前面的镜头将光线收集到眼睛后面的由视觉神经元组成的视网膜上。视网膜神经元的排列像是一片由像素组成的薄片,每一个像素负责感应不同强度的光线。但是,这给大脑带来了难题,因为视网膜是将三维世界以二维工作方式转移,因此在这一转移过程中,丢失了很多信息。(你可能听说过,视网膜成的像全是倒立的,的确是这样,但这并不影响我们看事情,因为我们的大脑早已经适应,并且会对视觉信息进行合理的加工。) 你知道吗 “睁一只眼,闭一只眼”不是好主意 动物研究可以为人类医药事业做出意想不到的贡献,其中最好的例子之一便是人们对动物视觉发展的研究。 由于两只眼睛分别位于头部的不同位置,因此它们看物体的视角也有些不同,这便给大脑的成长带来了困难。为了形成一致的图像,大脑需要将进入到两只眼睛中的同一事物的信息进行处理和匹配。这一匹配不能提前进行,因为每个人的头部大小不一,两眼之间的距离随着身体的生长发育也不断变化。因此,大脑学会了对来自每只眼睛的信息进行同时匹配,以保证我们看到的是一件物体。如果一只动物在刚出生后不久便失去了一只眼,大脑便不会进行这一学习过程,因此大脑中几乎所有的视觉神经元都只能从一只眼睛接受信息。如果动物在年幼时(比如一个月大的猫)一只眼睛失明,那么它的大脑便能够学会仅通过一只眼睛对信息进行分析。这一模式在生命中后期完成。这一现象的发现者戴维· 胡贝尔和托斯 · 威塞尔因此在20世纪60年代获得了诺贝尔奖。 我们一个朋友的女儿患有斜视,也就是我们常说的“懒眼症”(这种症状儿童的发病率为5%)。她一只眼睛的运动控制有困难,这使其与另外一只正常眼睛的运动方向有出入。20年之前,这一症状的治疗一般是将好眼盖住,由此对患眼进行视觉训练。近年来人们对动物的研究(即使是纯粹出于科学好奇)表明,这一治疗方法并不科学,无论当时看上去是如何行得通。将一只眼睛遮住,无疑将会损害大脑的发育,因为大脑将无法对两只眼睛传递过来的信息一同进行处理。 要判断物体的距离,我们需要两只眼睛协同工作。如果你闭上一只眼睛,然后睁开,然后再闭上另外一只眼睛,你会发现两次看到的场景有所不同,越近处的物体差别越大,越远处的物体差别越小。如果孩子一直蒙着一只眼睛,他们便不能使用两只眼睛对信息进行对比,也就无法像成人那样进行细致的观察。比如,他们会感到穿针线非常困难。由于有了对动物的研究,我们朋友的女儿得以接受一种新型的训练,使她能够学会控制其眼部肌肉,并且不影响以后观察周围三维世界的能力。 视网膜中有三种类型的视锥细胞,分别负责感觉光线中的红色、绿色和蓝色。如果它们负责感觉光线的强度加大,它们发送信号的强度也随之加大。除了这三种颜色之外,其他颜色是由三种视锥细胞不同的活跃程度形成的,整个过程就像是在调色板上通过三基色调制出各种颜色,但这两种情况下的三基色是不相同的,因为光线的混合不同于颜料的混合。第四种视网膜细胞叫做杆状细胞,负责在昏暗的光线下感觉光线强度,但对于色觉却起不到作用,这就是为什么你在弱光下很难辨认颜色的缘故。同时,这些杆状细胞和视锥细胞还与视网膜中其他一些细胞进行着联系,这些细胞负责对收到的视觉信号进行计算和加工。比如,视网膜的输出细胞会将每个区域的相对光线强度与周边区域进行对比,然后将结果传递到大脑负责视觉的区域和负责控制眼睛和头部运动的区域。 在整个过程中的每一步,神经元都被安排在一张视图里,以便来自相邻点的信息能够通过相邻的神经元传递到大脑的相关视觉区域。这就是说,一幅场景中相邻的点在被相机拍下来之后,在照片上同样是相邻的。这使得能够代表视觉场景周边区域的神经元相互之间可以进行交流,以便它们弄清楚自己所代表的区域位置。 一开始,大脑必须首先确定物体每个组成部分的亮度。你可能会认为这是件很简单的事情,只要确定负责转移信号的神经元的活动强度便可以了。实际上,这并不是件容易的事情,因为神经元活动取决于眼睛接受的实际光线数量,而光线数量又取决于被视物体的特征和现场光照和阴影的类型。同一个物体,在日光照射和台灯照射下,看上去会有所不同;即使是在同一种光线照射下,阴影面不同,看上去也不一样。下图说明,在我们尚未弄清楚我们到底看到了什么之前,我们的大脑往往会草率地做出一系列的结论。 左图中,看上去,标记为“A”的方块比标记为“B”的方块颜色深。果真是这样吗?右图中分明显示两个方块颜色一样深。还是不相信吗?你可以用纸将左图中“A”和“B”之外的区域盖上,然后再注意观察。 你一定注意到过,狗在盯着一样物体时总是前后移动头部。许多种动物都通过这一方式形成对物体距离的判断。这些动物的头部前后运动时,物体距离它们越近,动物感觉其在四周方向上发生的位移越大,反之位移则越小。大脑能够通过多种线索(以及一系列的假设)对深度做出判断。比如,大脑可以通过对比两只眼睛所看到的不同情况进行计算,或者能够确定几个物体中哪个物体在前。对一条铺满石子的路,大脑可以通过两个线索对其长度进行判断:其一是越往远处石子越小,其二是越往远处看上去路越窄。大脑还能够使用已知物体的尺寸对其他物体做出推断。 另外,你的大脑还能自动辨别出视觉表象中的物体。麦克在这一方面就十分困难。他能够将放在桌子上的三角形和四方形区分开来,但却弄不清楚一张照片里究竟有多少人。大厅上的天窗会在地板上投射出一种不断变幻的光影条纹,而这在麦克看来,却像是一座楼梯。在他刚刚做完手术之后,他的妻子不得不时常提醒他不要死盯着别的女人看,因为麦克不能像其他人那样,用眼睛的余光捕捉信息。麦克曾经专门学过如何识别一幅画面中有什么东西,并从中获得有用的信息,然而这些努力没能使他像常人那样拥有敏锐高效的视觉。 大脑有一种特殊的辨认特别重要的物体的本领,比如人的面容。人与人的面容差别并不很大,或者说没有人会生就一副像传说中火星人一样的模样。但即使是这样,我们也能毫不费力地将不同的面容区分开来。人们曾经试图设计一种人脸自动识别系统,用于机场入境检查时发现可疑的恐怖分子,然而这一系统与人脑比起来,其精确性要差得多。请看一下马格里特 · 撒切尔夫人的头像。你会发现,上面的两张除了方向掉了个个儿,没有其他特殊的地方。下面的两张头像基本一样,只是右边的头像中撒切尔的眼睛和嘴巴被倒置。可你立刻便会发现,右下方的头像简直就是个怪物。奇怪的是,也许你并没有注意到,其实右上方的头像中,撒切尔的眼睛和嘴巴也被倒置,这一点需要更多的注意力。 然而,我们的麦克却根本无法识别人的面容。有一次,在儿子的学校门前,麦克为他的儿子买了一支冰激凌,直到他发现“儿子”一脸疑惑地接过冰激凌时,他才意识到眼前站着的孩子并不是自己的儿子。还有一些人也会出现类似的问题,这通常是由于大脑中负责识别人脸的梭状回面孔区受损而造成的。这些人的视觉本身并没有问题,但他们在辨别不同人方面却十分困难,甚至连一起生活过多年的亲戚也分辨不出来。他们会学着记住朋友、配偶或是孩子在离开家时所穿的衣服的样式,然后依此将他们区分出来。对麦克来讲,他与那些一直能看到东西的人不同,他从小便双目失明,梭状回面孔区基本上没有得到发育。 麦克在恢复了视觉之后,却仍不得不闭着眼睛去滑雪。他大脑中的运动探测细胞与正常人一样敏感,但这对他却未见得是一件好事,因为对他来说,高山滑雪时眼睛里整个世界都飞速抛在身后,这不仅仅是一种惊险刺激,更是一种恐惧。他还发现,妻子开车时,他在旁边也极为惊慌,因为他发现路上的其他汽车都像是要冲他们撞过来。 你知道吗 有一个神经元迷上了迈克尔 · 乔丹 成为追星族的一员意味着什么?一项研究表明,这实际上意味着你的大脑为这一明星留出了一定空间。有一种传统的观点认为,大脑的一个或几个神经元的活动可能只负责对一件物体或一个人的认识。而现在,大多数神经学家并不认同这一看法。这是因为,我们没有那么多的神经元去认知每一件事物,也很少有人因为中风而丧失了认识熟人的能力(也有少部分中风病人的确丧失了这一能力,后文将对此讨论)。 在这项研究中,科学家对8名顽固性癫痫病患者的单个神经元进行了记录。外科医生在每名患者的大脑颞叶中植入电极,以帮助确认发病位置。在患者看图片时,科学家使用这些电极记录来自神经元的反应。一些神经元对于某些明星人物(通常是演员、政治家或职业运动员)出现了特别的反应。比如,患者在看到珍妮弗 · 安妮斯顿的照片时,一个神经元会发出尖峰信号,而对其他照片没有类似的反应。另外一个神经元会被哈利 ·贝瑞的照片、画像甚至是姓名拼写激活。这一神经元会对身穿猫女服装的哈利 ·贝瑞做出反应,而对其他身穿猫女服装的女人照片却无动于衷。其他神经元分别对朱利娅 · 罗伯茨、科比 · 布莱恩特、迈克尔 · 乔丹、比尔 · 克林顿甚至是诸如悉尼歌剧院的著名建筑做出了反应。尽管人们已经发现,大脑的一个区域是用于形成新记忆的,但对于上述这些神经元的功能,人们却不得而知。 没有人能够弄清楚,为什么人脑的动作系统如此强大,以至于40年不见天日仍能够发挥作用。也许是因为运动探测系统对人的生存至关重要的缘故吧。同样,其他动物,无论是饥饿的狼还是受惊的羊,都依赖于动作探测系统而生存。 大脑中负责分析动作的区域不同于负责分析物体形状的区域。实际上,这两个区域是大脑不同的两个组成部分。大脑中的基本动作区域探测物体的直线运动,更高级的区域则探测更加复杂形式的运动,比方说扩散(在下雨天从汽车内部看挡风玻璃外面滴的雨滴)和螺旋运动(水从浴缸下水口下水时的旋转运动)。这些信号对于人们在这个世界上的行路导航至关重要。 一旦人大脑的这部分区域受伤,便会导致运动视盲。患上这种症状的人,其眼中的世界就好似灯光绚烂多变的迪斯科舞厅:某个人一会儿在这里,一会儿又到了那里。你可以想象,如果你四周的人们看上去都像变魔术般行踪不定,那你心中会感觉有多危险?因此,此类患者要四处走动会非常困难。 讨论到这里,我们似乎看到,眼睛能够捕捉连续运动的画面信息,视网膜能够上演一出又一出的电影,这是因为大脑具有一种柔化眼前所见的运动场景的功能,有时候即使实际场景并不连贯,但大脑也会使你感到它是连贯的。然而,你可能也已经猜到了:大脑在这一方面也会说谎。人在清醒状态下,眼球每秒钟能够做出3~5次视觉运动。平时与朋友说话时留意一下他的眼睛,你便会发现这一点。眼球每运动一次,视网膜上便会形成一幅关于眼前场景的“快照”。为使人们形成一个连贯的印象,大脑必须将这些静止的图像进行集成处理。这一过程的具体步骤,就连神经科学家也不是很清楚。 麦克的经历表明,尽管视觉只是一种感觉,但它却是由多种功能组成的。对我们大多数人来讲,经过长时间的磨合,这些功能交织在一起,使我们拥有了天衣无缝的视觉功能。麦克的大脑没有学习过如何撒谎,也不知道如何去反映真相,结果便是麦克在90%的情况下能够适应这个世界,但他永远也无法去弥补剩下的10%。现在,他恢复了视觉,但他却发现自己并不能总相信它。在麦克恢复视觉4年之后,他终于找到了解决方法:他找来了一条导盲犬。 大错特错 盲人的听力比较好 人们总是认为盲人具备一些强大甚至是魔幻般的力量,其中人们普遍认同的一点是盲人具有特别敏锐的听觉。然而,实验证明,盲人在察觉细微声音方面,较之正常人没什么两样。 但是,盲人的确有一项特殊能力。在文字尚没有发明之前,盲人便能够准确记忆知识,并将其代代相传。确实,盲人的记忆力很强,特别是关于语言方面的记忆力。由于盲人不能依赖于视觉告诉他们诸如“我是不是刚才把杯子放在了桌子上”,因此他们只能频繁使用自己的记忆(否则,他们会不断将放到桌子上的杯子打翻在地)。也许,正是由于这种频繁的训练,使得他们拥有了非凡的空间记忆力。同时,盲人在其他语言方面的水平也高于普通人,包括对词句的理解等。另外,盲人对声音的定位能力也强于普通人,他们正是通过这种能力对事物进行跟踪的。 看上去,盲人似乎正是利用那些本应用于视觉的脑细胞拓展了自己的其他能力。盲人的语言记忆任务激活了原来的视觉皮层(正常人的视觉皮层仅用于视觉)。研究人员通过在头颅外施以电磁模拟,暂时切断大脑的某部分视觉皮层,并干扰大脑的电活动。结果,这一干扰影响到了盲人的语言能力。然而,对于视力正常的人,这一实验不会对其语言能力产生影响(当然,这一实验影响了他们的视力)。