互动科普

眼睛泄露

撰文  苏珊娜·马丁内斯－康德（Susana Martinez-Conde）

         斯蒂芬·L·麦克尼克（Stephen L. Macknik）

翻译  韩彦文

当你阅读一行文字时，眼睛从左到右迅速扫过，每个字依次成为视线的焦点；当你盯着某人的脸，眼睛同样“不安分”，视线四处飘移：左眼、右眼、鼻子、嘴……回想一下，你会发现，这样的情形经常发生，无论是在浏览文章、打量别人，还是在欣赏美丽的景色时。

这种随意的眼运动叫做眼跳（saccades），只是眼部肌肉日常工作的一小部分。实际上，我们的眼睛一直都在动，即便处于注视状态——如盯着某人的鼻子、眺望海天交界处的帆船时，也是如此。在清醒状态下，我们有80%的时间都在盯着这样那样的东西看，但不管看什么，眼睛总以我们无法察觉的幅度跳动。这种跳动对视觉的产生非常必要，如果让眼球在注视时保持绝对静止，你很快就会发现，眼中的静态景象完全消失了。

直到最近，这些“注视眼动”（fixational eye movement）才逐渐受到研究人员的重视。50年来，科学家一直在讨论一个问题：幅度最大的一种注视眼动——微眼跳（microsaccades）到底有何作用？一些科学家认为，微眼跳不仅没有任何益处，反而有损视力，因为眼睛不断地跳动会使视线模糊。不过在美国菲尼克斯市巴罗神经学研究所，本文作者马丁内斯－康德教授所在实验室的最新研究却表明，当一个人注视静态景象时，必须依赖这些微妙的眼动过程，才能产生相应的视觉感知。

微眼跳还是一个“跳板”，神经科学家借此可以了解大脑利用视觉产生意识知觉的方式。过去几年，我们和其他同行找到了与微眼跳有关的神经活动模式，这使我们不得不相信，人类的绝大部分视觉感知，都是在微眼跳的作用下产生的。而且，这种细微动作的运动方向不是随机的，而是指向人们真正关注的地方，即便眼睛正盯着其他地方——眼睛真正成为了我们思维的窗户，把隐藏在内心深处的想法和意愿流露出来。

跳动着的注视

100多年前，科学家们就发现了“眼睛会不停地动”的秘密。1860年，德国物理学家、医生赫尔曼·冯赫尔姆霍茨（Hermann- von Helmholtz）指出，让一个人的双眼保持静止是非常困难的，他还认为“跳动着的注视”能防止视网膜疲劳。

人的眼睛为什么要不停地动？从动物身上可以看出一些端倪。由于及时察觉环境变化有利于生存，动物的神经系统进化出了监测环境变化的能力。视野里出现某种运动变化，往往意味着捕食者正在靠近，或猎物正在逃离，这些变化促使视觉细胞以电脉冲的形式及时作出反应。而不动的物体通常不构成威胁，动物的大脑和视觉系统也就没有进化出相应的监测机制。青蛙就是一个极端的例子：一只苍蝇停在墙壁上，青蛙是看不见的，而一旦苍蝇飞起来，它立即就能发现，并用舌头抓住它。

冯赫尔姆霍茨猜想，青蛙看不到静止的物体，是因为静止的物体不能刺激神经，导致了神经适应——视觉神经细胞逐渐降低电脉冲输出量，直至停止反应。神经适应可以节省能量，但限制了感知能力。虽然人类也有这样的神经适应过程，但和青蛙不同，我们能清楚地看见静止物体。奥妙就在于，人的眼睛能自己制造运动。注视眼动使整个视觉景象相对视网膜移动，以此刺激视觉细胞，使它始终处于兴奋状态，防止神经适应。这样一来，静止物体就不会从视野中消失了。

相反，注视眼动减弱，视野中的影像就会慢慢消失。早在1804年，瑞士哲学家伊格纳茨·保罗·维塔尔·特罗克勒（Ignaz Paul Vital Troxler）就报告说，有意识地专注于某一事物，视野周边的静止图像会逐渐消失（见左页下图）。其实，这种现象每天都在发生，专注于某一事物会使注视眼动的频率或幅度暂时降低，注视焦点之外的事物的视觉效果也会受到影响。因此眼运动的频率和幅度稍有下降，我们的视觉能力就会被削弱。但是，人们往往意识不到这一点，因为人们的注意力都集中在“眼前”的事物上，看不见的东西自然无法引起注意。

要使眼运动完全停止，只能在实验室实现了。20世纪50年代初，一些研究团队做到了这一点。他们先把一台微型幻灯机安装在隐形眼镜上，再利用抽吸装置，将隐形眼镜附在眼睛上。于是，受试者透过眼镜看到的，就是幻灯机镜头投射出来的影像，而镜头会随着眼球的运动而运动。利用这种视网膜稳定技术，图像与眼睛保持相对静止，结果导致视觉神经细胞产生适应性，影像从视野中消失。如今，科学家改进了这一方法：先用摄像机对准眼睛，监测眼运动情况，然后将眼球位置数据传送给一个投影系统，根据这些数据改变投影位置，使图像与眼睛保持同步运动。

20世纪50年代末，科学家已经能将微眼跳的作用“分离”出来：在抵消了所有的眼运动（包括规模较大的眼跳）之后，他们人为地为眼睛增加了一些类似于微眼跳的运动，结果发现视觉感知恢复了。然而，另一些小组的研究结果却相反：在同样的条件下，加上微眼跳之后，没有产生任何效果。当时的视网膜稳定技术都不够完美——比如附在眼睛上的隐形眼镜可能滑落，仍然有微弱的眼运动在发挥作用。于是，没人说得清楚，试验结果到底是由微弱的眼运动导致的，还是由“人工”微眼跳带来的。

微眼跳与视觉无关？

几乎在同一时期，科学家还发现了另外两种形式的注视眼动：飘移和震颤。飘移是一种慢速的曲折运动，在快速直线运动（即微眼跳）的间隔期出现；震颤则是叠加在飘移之上的、幅度小但频率高的振动。微眼跳是幅度最大的一种注视眼动，需要横跨数十个到数百个光感受器细胞的范围。光感受器（photoreceptor）细胞的作用是探测光线，可分为视锥细胞（cone）和视杆细胞（rod）两种，前者负责精细视觉和颜色视觉，后者负责低亮度视觉和外周视觉。震颤是注视眼动中幅度最小的一种，不超过一个光感受器细胞的尺寸。

几十年来，对于这几种注视眼动（尤其是科学家研究最多的微眼跳）是否有维持视觉的功能，科学家都不敢贸然下结论。持否定态度的人指出，有些人能够在几秒钟内抑制微眼跳，而视野中心的景象并没有因此消失（通过特罗克勒实验可以证明这点：当你暂时抑制住微眼跳时，圆圈消失了，但视野中心的红点仍清晰可见）。此外，在执行射击或穿针等精确度极高的视觉任务时，人们都会自然而然地凝神屏气，让微眼跳暂时停止。1980年，美国马里兰大学的心理学家艾琳·科勒（Eileen Kowler）和罗伯特·M·斯坦曼（Robert M. Steinman）由此得出结论：微眼跳对视觉没有任何贡献，它们可能“只是一种神经紧张的表现”。

此后，这一领域的研究陷入停滞，直到20世纪90年代末才有了新的进展。科学家开始研究注视眼动可能在眼睛、大脑中产生的神经反应。1997年，我们开始与哈佛医学院的戴维·休伯尔（David Hubel）合作，他曾在1981年获得诺贝尔生理学或医学奖。在研究中，我们先在电脑屏幕上显示一个小点，在小点之外的其他地方显示一根光条，然后训练猴子紧盯小点。当猴子注视小点时，我们记录下它的眼动情况，以及中脑外侧膝状体核（lateral geniculate nucleus）和后脑初级视觉皮层中的神经细胞的电活动情况（右图）。

上述试验的结果分别于2000年和2002年公布，表明不管静止的光条出现在被记录细胞的感受野之内，还是感受野之外，在它的刺激下，微眼跳都能提高外侧膝状体核和视觉皮层细胞的放电率。这些发现有力支持了“微眼跳有用论”——即微眼跳在维持视觉景象、防止视觉消失上发挥着重要作用。如果这种作用确实存在，就意味着我们的研究开启了破解视觉感知密码的大门。在猴子试验中，我们发现，相对于神经脉冲的零星发放，微眼跳与电脉冲快速爆发式发放的出现关系更密切，这表明电脉冲的爆发式发放是大脑使用的一种信号，标志着猴子看到了东西。

眼动与疾病

其他一些科学家发现，微眼跳在他们检查到的视觉系统的每一部分都能引发神经应答。不过，由于视网膜稳定问题一直没有解决，相互矛盾的试验结果时有出现，人们仍有理由怀疑微眼跳是否真有维持视觉功能的作用。为此，我们从几年前开始，采用一种完全不同的技术，直接测定微眼跳和视觉感知的关系。实验中，我们让受试者执行一个新版特罗克勒任务：盯住一个小点，根据是否看到小点周围的静止目标，按下或松开按钮。在实验的不同时刻，受试者的专注程度会有所不同，静止目标则随之消失或重复出现。在执行任务过程中，我们用一种高精度的录像系统监测受试者的注视眼动情况。

正如我们所料，就在受试者即将看不见静止目标的那一时刻，微眼跳的频率降低、幅度缩小，这表明微眼跳消失或者减弱会导致神经适应和景象消失。而在目标再次出现前的一刻，微眼跳频率提高、幅度增大——这也与我们的假设一致。这些研究结果于2006年发表，它第一次证实，当受试者将目光固定在一幅图像时，是微眼跳产生了视觉感知。微眼跳幅度越大、速度越快，视觉效果就越好。由于绝大部分时间中，双眼都处于注视状态，大规模的扫视状态所占时间很少，因此绝大多数情况下的视觉感知都离不开微眼跳。

此发现不仅具有重要的理论意义，还有助于治疗眼疾病，因为很多眼疾病都与注视眼动不正常有关。例如，控制着大部分眼球运动的眼动神经麻痹，就会导致注视眼动消失。在20岁～70岁的人群中，弱视（amblyopia）是单眼视力受损的主要病因，患者只能看见模糊的影像，科学家至今没有找到任何病理学机制来解释这种精细视觉能力丧失的现象。不过，患者有一个共同特征：注视眼动异常。严重的弱视患者在注视过程中，眼睛的飘移运动过多，微眼跳却极少，以至于眼睛固定不动时，观察对象甚至视野中的大部分景象都从眼前消失了。

正常情况下，注视眼动的发生频率不能太高，也不能太低，以免视觉景象变得模糊或不稳定。了解眼动系统实现平衡的原理后，或许在将来的某一天，当病人的眼动系统出错，医生就能加以校正，达到治疗目的。与注视眼动有关的眼疾病数量众多，探索之路任重而道远。

微眼跳泄露潜意识

微眼跳在视觉之外也存在着重要意义，这些细微的眼球运动可能会暴露出一个人的下意识想法。最近的研究表明，微眼跳的方向并不是完全随机的，而是指向人们真正关心的物体，即便眼睛看着的是另外一个地方。

加拿大麦吉尔大学的视觉科学家齐亚德·M·哈菲兹（Ziad M. Hafed）和詹姆斯·J·克拉克（James J. Clark）在试验中，要求受试者在注视电脑屏幕中央的小点时，还要注意小点外的另外一点——每次实验的最后，这个点的颜色都会改变。哈菲兹和克拉克认为，受试者应该会被另一点颜色的变化所吸引。2002年，他们公布的研究结果与预想中的一致：受试者微眼跳的方向会朝向真正关注的焦点，尽管眼睛注视着另外一处。这一发现不仅说明微眼跳能揭示人们潜在的想法，注意的转移实际上控制着微眼跳的方向。

在另外一个实验中，德国波茨坦大学的计算神经科学家拉尔夫·恩格贝特（Ralf Engbert）和认知心理学家莱因霍尔德·克利格尔（Reinhold Kliegl）发现，微眼跳的频率同样能揭示悄悄吸引你注意的东西。在2003年的一篇报告中，他们指出，突然出现在视野周围的物体，首先会导致微眼跳频率出现短暂的下降，紧接着是快速大幅度的反弹，超过平常水平。而且，微眼跳的方向正是朝着突然出现的物体。这项研究表明，当人们没有直接看到会引起注意的环境变化时，微眼跳的频率和方向可作为一种信号，标志着变化的突然出现。

因此，不管你如何努力地控制眼神，在其他客人面前表现得彬彬有礼，桌子上摆放的最后一块令人垂涎的蛋糕，或者房间对面令人眼前一亮的帅哥美女，还是会影响眼睛的微眼跳频率，吸引微眼跳的方向，泄露你内心真正的兴趣所在。不过不用担心，这种泄露其实并不要紧。只有在实验室中，科学家才能追踪和监测这些微弱的眼运动，借此揭示出下意识的大脑机制，普通人是无法轻易利用微眼跳来解读你的心思的。