“读脑术”实现,未来梦境和幻觉也能回看了

我们常感慨相机难以忠实再现眼睛所看到的景象,肉眼自动适应和调整的能力迅速,现代科技水平的相机难以匹敌。一些科学家们另辟蹊径,想要直接读取人类的大脑信号,还原出人眼看到的视觉场景。

功能性磁共振成像(fMRI)就能提供视觉信息,通过数学模型解码可以重现视觉场景。但这种信号纷乱庞杂、相互影响,分析计算成本太大,重现的结果也并不理想。

最近,中科院自动化研究所的何晖光团队提出了一种新的分析技术,用人工智能更精确地读懂大脑的信号,论文发布在arXiv。

论文的第一作者是自动化所类脑智能研究中心的博士生杜长德。他与同事让受试者看着简单的数字和字母,并扫描得到视觉皮层的fMRI 信号。他们得到了1800 份信号与原始图像,接下来就是寻找二者之间的相关关系。

他们采取的方法是深度学习,用90% 的数据训练神经网络,剩下的数据作为测试,让神经网络重现出原始图像。在训练的过程中,神经网络学到了如何从纷繁的信号中选择需要的数据,并找到数据间的关联,将有用的信息与噪声区分开来。

这种新方法被称为多视图生成式模型,它建立了外部刺激到大脑信号等双向关系,可以从大脑信号重建图像,也可以从视觉图像推断出大脑信号。

第一行是原始图像,最后一行是新方法重现的图像,中间是其它方法的重现结果。图片为论文配图。

大量的实验结果显示,与其它方法相比,新方法视觉图像重建效果良好。但目前重现的仅仅是简单的字母或数字而已。论文中提到,下一步的分析将针对更复杂的场景,甚至是动态的图像重建,这也意味着甚至可以重现梦境。此外,这个方法也可以应用于声音、触觉等其他信号的分析。

延伸阅读:

看图像在眼前凭空消失,你的大脑还相信眼见为实?

有句话说得好,眼见为实,我们常以为自己亲眼所见的世界就是真实的。

然而,网络上总是流传着很多图片能够瞒天过海般地骗过你的双眼。

即便你清楚了其中的奥秘,却也压根没法说服自己的眼睛,它们就是视错觉。

我们先看下面史上最经典的视错觉图,画面中有一个紫色圆环和一个固定不动的十字图案,圆环上一个紫色的小点在顺时针转动。

(慧缘伯建议看三转,再阅读下面的文章)

这时,要求你抛开一切私心杂念,集中所有的注意力盯着中间的十字看30秒左右。

你就会发现,原本那围绕着圈圈转到的紫色小点变成了绿色,很快紫色的圆点慢慢黯淡,最后全部消失了。

整个动图就变戏法般地只剩下独自转动的绿色圆点了,十字以及灰色的背景了。

别小看这短短几十秒的时间,视觉系统已经魔改了足足三次来欺骗你了。

回想一下,刚开始几秒的时候,我们是不是看到一个紫色的圆点在圆环上连续转圈圈?但实际上它只是间断的。

现阶段最靠谱的解释便是由视觉暂留现象所导致的。

我们知道眼睛在观看物体时,会在视网膜上成像。

之后,这个像会由视神经输入人脑,从而让我们真切感觉到物体的存在。

不过,当物体移开之后,视神经对物体的印象并不会马上消失,而要延续0.1-0.4秒的时间。

这也就是所谓的视觉暂留,学术上将它称为正片后像。

那么,为什么会这种现象呢?目前还存在争议。

许多人认为这是因为视觉需要靠感光细胞进行感光,然后它才会将光信号转换为神经电信号,传回大脑引起人体的视觉。

正是在感光细胞感光的过程中,便出现了视觉暂留的现象。

但也有研究者认为这是视网膜不完善造成的,而一部分心理学家认为这是人类的感觉记忆造成。

不可否认的是,当静止画面出现的频率达到一定的时候,我们会自动将这些画面连接在一起,并将看作为动画的错觉。

比如下图3D的西洋镜正是利用了视觉暂留的特性。

静止状态

按一定的速度转动后

至于为什么紫色的圆点很快又变成了淡绿色的呢?

这得归功于我们另一种常见的视错觉现象,那就是视觉遗像错觉,又被称为负片后像。

简单地说,就是当你注视一朵绿花一分钟后,将视线转向一面白墙,在白墙上将会看到颜色相反的红花。

相机里反色的照片正是基于视觉遗像的原理(不妨先注视一段时间,再去白墙)

这是因为当我们聚焦在某个颜色的点上时间过长时,难免会产生视觉疲劳,从而导致视神经对光的感受性暂时减弱。

而当我们转移视线时,就相当于是在恢复我们的感受。

此时,视神经就会重组视觉信号,并且还会以那个点的相反的颜色出现。

所以,我们看到的便是反过来的颜色了。

色环上相对(同一直径两端)两种颜色是互为相反的

其实,这种现象在我们生活中并不罕见。比如当我们被对面的车灯晃了一下眼睛时,往往就会看到一个与原来“互补”的图像。

而这里的“互补”可以指明暗,也可以指相反颜色,比如红与绿、蓝与黄、黑与白。

而这也是为什么我们看着看着就将紫色的圆点看成淡绿色的原因了。

那么,我们现在只剩最后一个疑问了,究竟为什么全部紫色会黯淡甚至全部消失了,留下的只是一个不断转动的绿色圆点?

为了重新见证色彩渐渐消失的神奇,我们再来盯住下图当中的十字,请尽量不要转移视线,并耐心等待。。。

没错,只要你足够耐心,就会感觉到色彩慢慢暗下来,最后神奇地消失了。。。

这正是一种神奇的特克斯勒消逝效应所造成的,它是1804年由一位叫Ignaz Paul Vital Troxler的瑞士医生发现的。

概括来说,当一个人的目光聚焦在某个固定点上之后,观察者余光中的其他视觉刺激源将会在观察者的视野中慢慢淡化直至最后消失。

类似的视错觉还有下图这种运动引起的失明现象。

你可以聚焦在中间闪烁的绿点,大约10秒后,便会看到排列在假想的等边三角形的角落处的一个,两个或所有三个静态黄点消失,然后重新出现。

那又该如何来解释这类现象呢?这得先从视觉适应讲起。

所谓视觉适应指的是视觉器官的感觉随外界亮度的持续刺激而变化的过程;

但视觉器官天天运作,也在进化的过程中学会了适当地偷懒。

比如当我们刻意凝视画面,持续接收相同的视觉刺激时,它会自动忽略到这些一成不变又无关紧要的刺激。最终,人们便不会再感知到它。

只有当视线移开时,视觉信息再次更新迭代。这样一来,色彩才能够再次被感知到。

相信不少人都会感叹这个现象的独到之处,可为什么我们平常生活中很少会意识到呢?

这是因为通常情况下,我们的眼睛在不断地运动,导致所见的视觉刺激一直在不断地被刷新。许多科学家认为眼皮的跳动使我们不太感觉得到这种错觉。

如果视觉系统没有“刷新”机制的,恐怕我们盯着镜子久了,连自己身上所有的色彩都会渐渐消失了。

看到这里,我们不由惊叹人类的视错觉实在是太惊奇了。

但我们看到的视错觉图形,大都是人们通过巧妙设计出来,在自然界中很少存在这样的图形。

作为进化产物的视觉系统,初次遇到这些图形很自然地会利用它固有的方式去理解,就会出现类似‘理解偏差’的现象。

换句话,这也不失为一种大脑进化不够完美而出现的bug般存在,而且只需要简单的图形和色彩就能将我们骗得团团转了。

举个例子,下图就是号称错觉之王的弗雷泽螺旋错觉图。

无论我们看上几百遍,都会觉得它是呈螺旋装的线条组成的。

这两种图看出区别了吗?

可只要当你拿起笔沿着线条进行描绘就会发现,它们其实只是一系列的同心圆而已。

究竟为什么会产生这种错觉呢?这种错觉主要是由图案背景中那些内切于圆,并向外微微斜向发散的黑色线条引起的。

而我们的“视觉习惯”会先入为主地这些黑色线条看作是一个整体,并将其看作是构成同一圆环的部分。当这些它们出现刺激到我们的视觉细胞时,便会诱导产生螺旋错觉。

当我们将诱导线删除之后,再看这张图的时候,错觉已经基本消失。

螺旋错觉的进阶版,晕吗?

那么问题来了,视觉系统能否自动删掉这些诱导线呢?答案是相当难的。

不过,这看似bug般的存在却着实提高了我们大脑运行的效率。

要知道,我们无时无刻都在受到感觉信息的狂轰滥炸。

但大部分无用的都被我们的知觉过滤掉了,只留下了重要的部分才不至于使我们陷入混乱。

比如说,看下面这幅经典的图案时,你第一眼看到的是什么?

有人看到的是白色的花瓶,有的人则看到是两张面对面的侧脸。

当我们再认真观看时,便能随意在花瓶和人像之间进行切换。

但无论出于哪种模式,我们大脑很自然地将感觉信息分为图形和背景。

这样小小的举措也让我们的世界变得更有条理性。

而我们用有意义和可理解的方式去组织感觉的同时,便容易产生知觉恒常性。

也就是,当我们的感觉发生巨大变化时,我们所熟知的特征仍能保持不变。它可以表现在大小、形状、颜色、明亮等方面。

有意思的是,人类还是发现如何利用这种特性来制造错觉的方法。

举个例子,就算理智告诉我们下图的人物身高是没有改变的,但你真的控制得住自己大脑的想法吗?

其实是设计者利用人眼视觉感知的错觉,让被拍物体与周围环境产生错误的相对性,从而在特定的角度实现这种不可思议的错觉。

看来,人类所说的“眼见为实”是不靠谱的,眼睛是靠不住的,可它带给我们的神奇体验又是独一无二的。

接下来,就让我们欣赏几组神奇的视错觉图案。

比如撒切尔效应:这样看下面这幅图似乎没什么违和感,但是一旦你将手机倒过来。。。

又比如这只恐龙会动、会动、动。。。。看完你会不会嫌弃自己的大脑了?

再比如这种由于周边视觉观察到的异常运动错觉,被称为周边漂流视觉。

当频繁眨眼或是视线持续转移时,这种效果尤其明显。

但不管怎样,它实际上只是一张静止的图片而已。

目前研究者对周边漂流错觉的解释是具有方向选择性的神经元对不同的对比度刺激做出的反应时间存在差异,视觉神经元对高对比度刺激的反应更快。

还有下图这张永远追不上的小黑点,但实际上这些跳动的小黑点并不存在,图中只有静止的白点。

目前科学家认为这是由侧抑制导致的错觉。简单来说,当一个小眼受光照刺激时,它周围的小眼反而受到了抑制。

这样一来,眼睛可以增强影像的边缘反差、略去细节突出轮廓,使主观视野更清晰。

至于侧抑制现象具体的神经学基础和作用原理仍在进一步研究当中。

侧抑制作用下的棋盘阴影:阴影中的“白格”和亮光下的“灰格”是同一个颜色

不过,在现实中许多魔术师早已学会了利用侧抑制来隐藏他们的道具。

比如他们想隐藏物体的支持物时,就在周围使用像金属物或白布等明亮的物体,这样黑色背景下的道具显得更暗,群众们便很难看出其中的奥秘。

实际上,视错觉现象早已逐渐应用在人们的生活中,遍布了人们生活、艺术、建筑设计的各个面。比如建筑设计师便用视错觉来原将室内设计的更加具有空间感。

只不过,令人哭笑不得的是,这些视错觉图成为网上广为流传的测试,是全然不靠谱的做法。

比如下面这张就是测试你的智力你能看道多少张脸呢 ?1—3 张:轻度弱智 ;3—6 张:正常人 ;7—10 张:超乎常人 ;11—13张:天才

不只是智商,类似的视错觉图片,还被用来测试是否压力大、性取向等。

但其实它们根本没有办法说明我们人自身的问题。

因为这种现象并没有好坏的属性,只是视觉系统基本运作方式的本能体现。

好就好在,这些视错觉的‘不按常理出牌’的模式,也成为了窥探大脑运行基本原理重要的窗口。

与其盲目地相信所谓的测试,还不如科学家早日通过它们掌握大脑的基本运行规律,让人类变得更聪明来得实在。

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