互动科普

工程师常会对某种结构施加过大的载荷，或是拼命摇撼某件器物，直到它们崩溃坍塌。许多科学家也有做破坏性实验的“恶趣味”，而且破坏性越强越好。人类视觉研究者通常不会做无法复原的破坏性实验（法律也不允许），但他们很爱做有限的、可复原的破坏性实验，因为这种实验既有趣又有益，有时候甚至还很重要——对空军飞行员来说，研究空间迷向和视觉瘫痪就很有实际意义。在美国空军研究实验室，我们俩就在可能的条件下尽量大搞“破坏”。我们通过某些手段，使人们看见的图像变得像流动的热蜡，或是分裂成破碎的马赛克。我们研究过很多知觉障碍，本文将介绍其中最有趣的两种：对立颜色和几何错觉。

你见过蓝黄色吗？我们不是指绿色。有些绿色会有点发蓝，有些则会发黄，但是绿色（或任何其他颜色） 不可能同时发蓝又发黄。你见过红绿色吗？这里不是指颜料混合出来的泥棕色，也不是说红光和绿光一起打出来的黄色，更不是说点彩派画家用红点和绿点构成的图案。我们问的是你有没有看过某种单一颜色，有点发红的同时又有点发绿？

事实上，通过某些特殊装置，我们的确能让受试者看到这些无法想象，或者说不可能出现的“禁忌”颜色。另外，我们还发现可以通过快速闪烁的灯光，使受试者对同心圆和轮辐图案产生错觉，尽管结果和我们的预期刚好相反。视觉对立是感知科学最古老的概念之一，从上述两种视觉实验中，我们能找到一些神经学基础。

对立现象在生理学上普遍存在。比如，要弯胳膊，就必须同时放松三头肌（triceps）和收缩二头肌（biceps）——它们是对立的肌肉，作用完全相反。1872年，德国生理学家埃瓦尔德·赫林（Ewald Hering）提出，色觉建立在红色和绿色的对立及黄色和蓝色的对立上，对于视场中的每一个点，红色“肌”和绿色“肌”都完全对立。某个点如果是红色的，就不可能发绿，反之亦然，就像手臂不可能同时弯曲和伸直。人类能看见的色彩，都是由红或绿混合黄或蓝而来。赫林的理论解释了为什么我们可以在青绿色中同时看到绿和蓝，在橙色中看到红和黄，但是绝不可能在同一个点上看出红和绿或者黄和蓝。

奇异的颜色

对立色不可能同时存在，这几乎是认知科学公认的真理。研究者甚至曾指出，这种对立从视觉的发源地——视网膜（retina）和中脑就开始了，即某一神经如果传递对立色中某种颜色的信号，就不会同时传递另一种颜色信号。视网膜有三种视锥细胞（cone cell），分别接收一定波长范围的光信号，产生原始颜色信号，三者的波长范围有所重叠。视网膜的其他细胞将这三种视锥细胞输出的神经信号加加减减，产生四种基本颜色信号——红、绿、黄和蓝。但是视觉系统似乎只有两套颜色信号通路：一套非红即绿（正向信号表示有多红，负向信号表示有多绿），另一套非黄即蓝（原理类似）。这种天然结构使赫林的颜色对立理论显得更加可信。

然而，1983年，美国斯坦福研究院的休伊特·D·克兰（Hewitt D. Crane）和托马斯·P·皮安塔尼达（Thomas P. Piantanida）找到一种巧妙的方法避开颜色对立规则。他们让受试者观察红绿或黄蓝毗邻的色块，同时监控受试者的眼动（眼球其实在不停地做小幅转动），并根据眼动随时调整图像位置，使受试者视网膜和图像的相对位置固定不变。这样一来就非常有趣，受试者会觉得画面逐渐瓦解。而克兰和皮安塔尼达最感兴趣的是，色块交界处如何变化。

在这项实验中，受试者确实发现对立色色块的交界消失，两边的颜色在消失的边界处融合。有些受试者甚至说看见了“红绿”色和“黄蓝”色。还有一些受试者出现错觉，看见黄色背景上出现蓝色斑点。

克兰和皮安塔尼达非常能干，他们的实验对生理学公理提出重大挑战。这项研究本该广受重视，但事实恰恰相反，该结果被束之高阁。

我们认为主要有4个原因造成了这一结果。首先，实验结果并不一致：并非所有受试者都看见融合的对立色，有的受试者出现错觉。第二，对立色的融合很难界定。克兰和皮安塔尼达曾试图找艺术家来做实验，但并不能解决这个问题。第三，这个实验很难重复。克兰设计的眼动追踪装置非常昂贵，而且操作复杂。最后一点，他们无法解释这一现象。我们认为这是最关键的——无法用已知理论去解释的现象，很难令人信服。克兰和皮安塔尼达猜测，他们绕过视觉系统中负责颜色对立的过程，激发了一种知觉补偿机制，但他们没能继续证实这一观点。

辉度实验

几年以后，我们想到解释克兰和皮安塔尼达实验的另一种可能。我们知道，除了图像固定实验以外，当邻近两种颜色辉度（luminance）相同时，也可以产生边界消失的效应。辉度和亮度（brightness）类似，但不完全等同。快速切换两种颜色，当产生闪烁感最小时，则可定义这两种颜色为同一辉度。

让受试者观察两个辉度相同的色块，他们会觉得两者的边界逐渐消失，相互融合，但是对立色对除外。眼动越少，边界的消失效应越强。我们猜测，使用同辉度色块的同时，尽可能减少眼动，也许实验效果更佳，甚至可以使对立色的边界消失，颜色融合。为了验证这一假说，我们和空军研究实验室研究眼动的同事杰拉德·A·格利森中校（Gerald A. Gleason）进行合作。

我们用格利森的眼动装置固定受试者的头部，腮托和咬杆可以尽量减少头部移动。受试者不用艺术家，也不用其他非专业人士。我们希望通过这个实验来丰富颜色理论，对赫林体系中“禁忌”颜色提出挑战，而且希望受试者能用视觉专业词汇来描述实验结果，因为对这一实验而言，观察结果的描述至关重要。同时，我们希望受试者能让同行们信服，因此我们邀请了7名色视觉功能正常的视觉研究者（包括比洛克和格利森）参加实验。

每个人对不同颜色的辉度感受都不一样，因此实验前我们先检测了每位受试者对红绿黄蓝4色的反应度，然后给他们呈现红绿相邻或黄蓝相邻的色块，辉度要么相同，要么反差最大，具体每种颜色的辉度因人而异。

结果显示，同辉度和固定眼动的协同效应确实很强大。7名专业受试者中有6人从辉度相同的图上看到了“禁忌”的颜色（另外一位受试者的视野每次都很快变灰）。他们看到对立色边界消失，两边的颜色互相融合。有时候，他们会看到从左边的红色，渐渐变成绿红色、红绿色，最后过渡到右边的绿色。有时候，又像是红色和绿色出现在同一个地方，只是强度不同，好像从一个颜色中可以看见另一个颜色，但两者都没有褪色。最常见的情况是，整个视野中全是均匀的红绿色或是蓝黄色。

有趣的是，有两个受试者称，实验结束以后，还能想象出红绿色或蓝黄色，不过无法持续很长时间。由此，我们可以回答哲学家大卫·休谟（David Hume）在1739年提出的问题：我们还能感知新的颜色吗？答案是肯定的，但是我们看见的新颜色是由旧颜色构成的。

研究者以前都用大脑固有的结构基础来解释颜色对立现象。现在根据我们的实验结果，可以提出另一个模型：两群神经元互相竞争产生神经冲动的机会，就像两个物种争夺同一生态位（ecological niche），不同的是，失败的神经元不会灭亡，只是不产生神经冲动而已。通过计算机模拟，可以很好地再现经典的颜色对立现象——对于某个特定波长，要么“红色”神经元赢，要么“绿色”神经元赢，不可能双赢（黄色和蓝色也一样）。但是，如果通过某种方法把这种竞争取消，比如抑制神经元之间的联系，两种对立颜色就能同时出现。

制造错觉

上述实验中，如果红绿或黄蓝色块的辉度反差很大，受试者就看不到“禁忌”颜色，但是会看见有纹理的图案，比如绿色在红背景上闪烁，或是黄色背景上出现蓝条纹，这恰恰与克兰和皮安塔尼达实验中部分受试者观察到的现象吻合。原因可能在于，他们使用的图案对某些受试者来说辉度相同，而对另一些则不然。

看到闪烁和条纹的现象十分有趣，对这类视觉错觉研究也有很长一段历史了。某些化学反应的混合物发生不对称扩散或是以不同速率扩散时，就会出现这种图案。英国数学家和计算机先驱阿兰·图灵（Alan Turing）认为，这种反应扩散系统和数学体系一样值得研究，这一系统可以模拟斑马的条纹、猎豹的花纹以及其他各种生物现象，还能制造错觉。

药物、偏头痛、癫痫发作都能让人产生看见几何图案的错觉，我们最喜欢的“空场闪光”视觉刺激实验也能激发这种错觉。根据记载，在19世纪30年代，万花筒的发明者大卫·布儒斯特（David Brewster）用帆布蒙上眼睛，冲向一排栅栏，栅栏的缝隙透过强烈的阳光，跑动中明暗快速交替，这种“闪光”使他产生了几何错觉。如今，重复这个实验要简单安全得多，坐车穿过绿树成阴的街道时闭上眼睛就行了，或者更简单一点，直接盯住闪烁的电脑屏幕。

闪光产生的常见几何错觉包括扇形、同心圆、螺旋、网格和蜂窝。1979年，美国芝加哥大学的杰克·D·考恩（Jack·D·Cowan）和他的博士生G·巴尔德·埃门特劳特（G·Bard·Ermentrout，现在匹兹堡大学）注意到，所有这些图案都对应于初级视皮层某一系列神经元的激活，初级视皮层是大脑后部负责视觉信息处理的大脑皮层。当看到同心圆图案时，初级视皮层中垂直分布的几簇神经元会被激活。而轮辐等扇形图案会激活水平排列的神经元，螺旋形对应的则是斜向分布的神经元。

因此，如果闪光可以刺激神经元自发放电，埃门特劳特和考恩的发现就解释了为什么会产生几何错觉。2001年，考恩和合作者用这一模型解释了一些更复杂的图形错觉的产生。但是，这些研究并没能指出如何制造特定错觉。由闪光引起的错觉图案不可预测，也不稳定，很可能是因为后来的闪光会影响此前产生的错觉。如果能引发稳定的错觉，肯定更有利于进一步研究。此时，视觉错觉和图灵有关图案形成的运算法则，将为我们研究人类视觉系统的动力学理论打开一扇窗。

为了稳定闪光引起的错觉，我们从其他自发模式生成系统中找到了灵感。在那样的系统中，只要引入适当偏差，自发模式就能被准确预测。比如盘里有浅浅一层油，从底部加热并从上方进行冷却。如果上下温差足够大，上升的热油和下降的冷油会自发形成一排水平的圆柱体，从上面看就像一排条纹。每个圆柱体沿自身的轴滚动，热油从一边转上来，凉油从另一边转下去。相邻的圆柱体像齿轮一样沿反方向滚动时，形成的模式最稳定。

通常，上述稳定模式形成过程中，圆柱体的转动方向（“条纹”的方向）是随机的，但如果此时在特定方向再注入一股油，其他油柱的方向就会按照这注油的滚动方向进行调整。受此启发，我们决定试着在非闪光区给受试者呈现特定图像，看看能不能操控闪光造成的几何错觉。我们给受试者呈现小块亮度恒定的环形或扇形图案，同时让该图案周围的区域快速闪光。中央呈现的特定图案会激活视皮层中对该图案敏感的神经元，所以我们认为闪光应该会激活同类神经元，从而以增加平行条纹的方式将图案延伸出去。因此，我们推测受试者应该看到中央恒定呈现的环形或扇形图案延伸到周围的闪光区域。

环形和扇形

出乎预料的是，受试者看到的恰恰相反。中间如果呈现的是环形，周围就一定是扇形，并以每秒一圈的速度转动。反过来，如果中间是扇形，闪光区则会出现环形，时不时还会波动。即使给定图案包围在外，闪光区域在内，情况也一样。不管哪种情况，错觉都只出现在闪光区，除非我们人为让两个区域同步闪光，才会在给定图案区也出现错觉。

现在看来，这种现象并不奇怪。50年前，英国伦敦国王学院的唐纳德·M·麦凯 （Donald M. MacKay）发现，在闪光中看扇形图案时，能观察到上面叠加了一个微弱的同心圆图案，反之亦然。麦凯的实验可以看做另一种视觉对立现象。以前面提到的颜色对立现象为例，这就像观察红光时，却看出绿色残像，而前面说过，绿色是红色的对立色。如果说视觉系统中，扇形和环形是完全对立的几何图形，不可能同时出现，那么麦凯实验中看到的微弱图案，则应该是在闪光间隙出现的残像。

我们的发现还有一个类似的彩色版：红色视场会使邻近的阴暗区域看起来发绿。在适当的条件下，我们的闪光装置会使特定图案的邻近空白区域呈现对立图案。换句话说，麦凯的实验把几何对立图案从时间上分开 （也就是说，扇形和环形其实出现在不同时间），而我们的工作则把对立图案从空间上分开（扇形和环形出现在邻近区域）。

尽管“禁忌”颜色和几何错觉看起来像是小把戏，但两者都从侧面阐明了视觉和知觉对立的重要特性。颜色对立性是知觉对立性的代表，而“禁忌”颜色正说明这种对立并没有那么严格，也不像科学家认为的那么天然。我们提出的模型，可能对理解大脑如何处理对立颜色更有帮助。

引发稳定错觉的实验说明，不管错觉看起来多神秘，其实也是符合视觉规律的。几何对立的神经基础很有意思。对立模式和被激活视皮层神经元的排列方式密切相关，这一特征能帮助我们理解神经网络形成知觉对立的机制吗？要回答这些问题，科学家还得想出更多新方法，让人的视觉系统达到并超越极限。