视觉感知非被动过程，新研究发现大脑通过复杂计算构建你看到的世界

9 月 15 日消息，错觉，指我们所看到和感知到的物体与眼睛接收到的感官输入信息不相符的现象。以下方图像为例，其感官输入是四个类似“吃豆人”的黑色图形，但我们实际看到或感知到的却是一个白色正方形，这便是一种错觉。

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在《自然・神经科学》（Nature Neuroscience）期刊发表的一项新研究中，美国加州大学伯克利分校的研究人员与艾伦研究所（Allen Institute）的团队合作，确定了在检测这些错觉（更具体地说，是它们的外边缘或“轮廓”）中起关键作用的核心神经回路和细胞类型，以及该回路的工作原理。

Shin Hyeyoung 博士（现任职于首尔大学）、Hillel Adesnik 博士及其团队发现了一组特殊细胞，名为 IC 编码神经元（IC–encoder neurons）。这类细胞能促使大脑“看见”实际不存在的事物，而这一过程属于“循环模式补全”（recurrent pattern completion）的一部分。

Shin 表示：“由于 IC 编码神经元具备驱动模式补全的独特能力，我们认为它们可能拥有特殊的突触输出连接，使其能高效重建这种模式。我们还发现，这些神经元会接收来自更高层级视觉区域的‘自上而下’的输入信号。错觉的表征首先在更高层级的视觉区域形成，随后反馈至初级视觉皮层；而当这些信息反馈时，初级视觉皮层中的 IC 编码神经元会接收该信号。”这一过程类似管理者向基层员工下达任务指令：指令源于更高层级，再由基层人员执行。在此情境下，“指令”即“看见或感知到实际不存在的事物”。

结合大脑视觉功能与上述图形案例来看：大脑的更高层级将图像解读为正方形，随后便指令较低层级的视觉皮层“看到正方形”，即便实际的视觉刺激仅由四个未完整闭合的黑色圆形构成。

Shin、Adesnik 及其团队通过以下实验得出这一发现：向小鼠展示类似“卡尼萨三角”（Kanizsa triangle）的错觉图像，同时观测其脑部电活动模式；随后，在无错觉图像呈现的情况下，采用“双光子全息光遗传学”（two-photon holographic optogenetics）技术，向小鼠的 IC 编码神经元发射光束。实验结果显示，即便不存在错觉刺激，IC 编码神经元仍能触发与呈现错觉图像时相同的脑部活动模式。研究人员通过刺激这类特殊神经元，成功模拟出了相同的大脑活动。

据了解，该研究成果不仅阐明了大脑中视觉系统与感知功能的运作机制，还为理解该系统功能异常相关疾病提供了重要启示。艾伦研究所副研究员 Jerome Lecoq 博士指出：“在某些疾病中，大脑会出现异常活动模式。例如在精神分裂症患者中，这种异常模式与随机出现的物体表征有关。若无法理解这些物体表征的形成机制，以及大量细胞如何协同作用以产生这些表征，就难以对相关疾病进行有效治疗。因此，明确哪些细胞、在大脑的哪一层级参与这些活动，具有重要的临床参考价值。”

艾伦研究所“开放视野计划”（OpenScope program）的研究人员也参与了该研究中的部分实验。该计划允许外部科学家提出实验方案，并利用研究所的尖端工具与设备开展实验。他们的研究首次证实：在小鼠体内存在大脑更高层级区域向较低层级视觉区域（即 IC 编码神经元所在区域）传递信号的脑部活动“反馈回路”。

Lecoq 表示：“开放视野计划为伯克利分校的研究团队提供了获取全脑范围电生理记录数据的机会。借助在小鼠大脑中分布的六个神经像素探针（Neuropixels probes），研究人员能够以毫秒级分辨率实时观测到反馈回路的动态活动过程。”

该研究成果颠覆了以往对视觉感知的认知范式：过去认为视觉感知是一个被动过程，即我们仅被动接收并“吸纳”周围世界的信息；而新研究表明，视觉感知实则是一个主动过程，我们对现实的感知是由一系列复杂的大脑计算所解读和构建的，这些计算过程进而影响我们实际“看到”的事物。换言之，我们的视觉系统并非像相机那样“如实”捕捉世界，而更类似电脑显示器：它会基于复杂的计算、对数据的解读以及过往经验，向我们呈现特定的场景或图像。

这一发现意味着，我们实际“感知”到的事物存在更大的可干预或可操控空间。