Высокоуровневая обработка и зрительные иллюзии

• Введение
• Ранние опыты
• Иллюзия Понцо
• Иллюзия с тенью на шахматной доске
• Слепота внимания
• Приобретенный дефицит
• Заключение

Введение

Концепция многоуровневой обработки зрительных сигналов восходит к идее о том, что они проходят несколько этапов анализа, прежде чем войдут в область осознаваемого восприятия, то есть совершается цепочка от простого электрического сигнала в сетчатке до полного распознавания объекта. Низкоуровневые, ранние стадии затрагивают слои сетчатки, латеральное коленчатое тело (ЛКТ), первичную зрительную кору (V1). Говоря простым языком, на них происходит распознавание краев и границ зрительной сцены, после чего сигнал передается в высокоуровневые области коры, такие как экстрастриарная зрительная кора и зоны, отвечающие за исполнительные функции.

Интуитивно нам легко предположить, что то, что мы видим, является точной репрезентацией визуального образа на сетчатке, но на самом деле во многих случаях это не так. Различие между тем, что существует в реальности, и тем, что, по нашему мнению, мы видим, частично вызвано тем, как низкоуровневые механизмы обработки регистрируют изменения в освещенности, или обусловлено наличием сигналов на краях. Однако высокоуровневые зоны коры также играют свою роль, стараясь повысить эффективность осознаваемого восприятия, применяя правила и ожидания к входящему сигналу, а также обучаясь на основании предыдущего опыта. Хорошей иллюстрацией этого может быть сравнение времени обследования пациента, ранее уже приходившего на прием, и первичного пациента. Давайте рассмотрим базовые принципы высокоуровневой обработки, а также возникающие на их основе зрительные иллюзии.

Ранние опыты

Начальное развитие в течение «критического периода» детства играет огромную роль в определении правил и ожиданий, которые мозг станет применять к зрительным сценариям в течение последующей жизни человека [1, 2]. Нам это известно отчасти благодаря исследованиям, проведенным в 1970-е годы, которые показали важность зрительного опыта в младенчестве [3]. В проводимых в рамках тех исследований экспериментах котятам надевали специальные очки с линзами, которые пропускали лишь небольшое количество света. На одной линзе были вертикальные полосы, на другой – горизонтальные (рис. 1). В результате некоторые области мозга животного не получали вообще никакой информации о горизонтальной ориентации, а другие – о вертикальной. То есть мозг котенка не имел опыта получения бинокулярного когерентного сигнала. Считывание сигналов с нейронов мозга показало, что в их ключевых зрительных зонах не было бинокулярных нейронов, то есть котятам было недоступно бинокулярное зрение, стереопсис, они не могли обрабатывать информацию, поступающую с обоих глаз [3].

Рис. 1. Иллюстрация получения зрительного опыта во время исследования развития ориентации котенка [3]

Эти открытия очень сильно повлияли на наше понимание амблиопии, сделав еще более важной коррекцию косоглазия, рефрак­ционной ошибки, врожденной катаракты у детей, поскольку запоздалое и неадекватное лечение может привести к неполному развитию нейронных процессов, так что амблиопией человек будет страдать уже всю жизнь [4].

После того как закончился критический период развития, мозг получает в свое распоряжение ансамбль информации, который может использоваться при подготовке к обработке новой зрительной информации. Это так называемая обработка «сверху вниз». Визуализация такого метода обработки возможна с помощью схемы потока, разработанной Грегори (Gregory). На рис. 2 в упрощенном виде показано, как зрительный входящий сигнал, или «реальность», например яблока, проходит через несколько этапов обработки пока мы, как наделенные сознанием существа, сможем предположить, что за объект рассматриваем. Такое полагание не полностью базируется на зрительном входящем сигнале, то есть на сигнале от сетчатки (также называемой обработкой «снизу вверх»), поскольку на него влияют принципы гештальта, или «правила», которые мы усвоили как истинные.

Рис. 2. Схема потока, показывающая гипотетическое влияние предыдущего опыта на наше восприятие реальности [5]

Например, объект будет казаться темнее, если его поместить в тень, – это влия­ние нашего предыдущего опыта. Такой опыт формирует концептуально-перцептивное знание, базирующееся на признаках зрительной среды; так, более вероятно увидеть яблоко в овощном ларьке, нежели в кондитерской лавке. Это позволяет понять, насколько огромное влияние оказывает наше индивидуальное восприятие зрительного мира (у каждого человека своя обработка «сверху вниз») на то, что мы в результате видим, хотя у всех нас зрительные системы одинаково выстроены и развивались похожим образом.

Два хороших примера такой схемы «сверху вниз» в действии включают в себя идею «постоянства», в частности, размера и цвета. Если думать о нашем мозге как о машине, предназначенной для обработки входящих сигналов как можно эффективнее, то разумно предположить, что применение уже запечатленных правил позволяет ускорить предвосхищение решения, например, при распознавании. По­этому «постоянство» есть применение «постоянного» правила к заданному сценарию. Тем не менее технически это «быстрый портал», который позволяет исключениям из правила создавать зрительные иллюзии.

Рис. 3. Первая картинка для демонстрации слепоты к изменениям

Иллюзия Понцо

В качестве первой иллюстрации приведем хорошо известный феномен – иллюзию Понцо, которая показывает прямой результат действия правила постоянства размера (рис. 4). Нужно принять простое решение в восприятии: какая линия длиннее – пронумерованная цифрой 1 или 2?

Рис. 4. Иллюзия Понцо [6]: какая из пронумерованных линий длиннее?

Большинство людей приходят к выводу, что линия 1 длиннее. Однако если обе линии измерить с помощью линейки или соединить их концы с обеих сторон каким-нибудь предметом, то становится ясно, что у линий одинаковая длина. Объяснение данной иллюзии основано на понимании факта, что наш мозг использует правило «постоянство размера» для осознания таких сцен, какая приведена на рис. 4. Нам кажется, что линия 1 длиннее линии 2, потому что фон намеренно выполнен в виде сходящихся рельсов железной дороги, расстояние между которыми по мере удаления от нас уменьшается. Возникает ощущение псевдоглубины пространства, и, как следствие закона Эммерта (согласно которому дистанция определяет кажущийся размер объекта), мы подсознательно применяем шкалу расстояний и масштабов ко всему, что находится в кажущейся глубине пространства. При нормальных условиях удаление объекта ведет к уменьшению его углового размера. В иллюзии Понцо угловой размер линий остается постоянным, поэтому мозг приходит к выводу, что длина линии 1 больше длины линии 2, и создает соответствующее восприятие. По сути, это хорошая иллюстрация того, как наш мозг пользуется подсказками из окружающей среды; они помогают ему при принятии решений о восприятии, а недавние исследования продемонстрировали, что V1, скорее всего, вовлечена в эти суждения о категориях «размер–расстояние» [7]. В качестве примера из реального мира: вытяните перед собой обе руки, а ладони пусть будут повернуты к вам, при этом правую расположите ближе к лицу. Глядя на ладони, вы ведь не придете к выводу, что раз левая ладонь имеет меньший размер, то, стало быть, она меньше. Нет, мозг подскажет, что она кажется меньше, потому что расположена дальше от вас.

Иллюзия с тенью на шахматной доске

Перед тем как перейти к правилу постоянства цвета, давайте посмотрим, какие физические факторы влияют на наше цветовосприятие. Оно частично базируется на рассматриваемой поверхности и отраженном ею свете, а также обусловлено уровнем освещения и цветами окружающих объектов. Чтобы продемонстрировать это, мы используем известную иллюзию с тенью на шахматной доске. В данном случае наблюдателю нужно решить, какой из квадратов темнее – под номером 1 или 2. Большинство людей отвечают, что темнее квадрат 1, хотя на самом деле оба квадрата имеют одинаковый цвет.

Рис. 5. Иллюзия с тенью на шахматной доске [8]: какой из пронумерованных квадратов темнее? 

Чтобы убедиться в этом самим, прикройте ладонью лежащие между ними квадраты, и вполне вероятно, что вы поменяете свое мнение. Причина, по которой мы воспринимаем эту иллюзию столь убедительно, кроется в том, что наш мозг обучается ежедневно, он запоминает, что зрительная среда влияет на то, как выглядят объекты. Например, при желтом свете белый лист бумаги кажется желтым, а при синем – тот же самый белый лист покажется нам синим. Однако цель нашей зрительной системы – воспринимать лист бумаги белым, вне зависимости от условий освещения. Поэтому, чтобы эффективно справляться с этой задачей, мозг должен научиться отсеивать из зрительной среды все, что может повлиять на цветовосприятие. В нашем случае он достигает этого, «вычитая» основной цвет сцены и учитывая тени и источники света [9, 10].

Глядя на рис. 5, мы воспринимаем тень, падающую влево от цилиндра, и в результате предполагаем, что все, что находится в этой тени, в реальности должно быть светлее, чем кажется. Однако в данном случае этот умный ход зрительной коры ведет, к сожалению, к неправильному восприятию цвета и освещенности.

Слепота внимания

Важно отметить, что на наше восприятие мира влияет не только предыдущий опыт, но и такое свойство коры мозга, как внимание. Внимание – это просто наша способность когнитивно зафиксироваться на чем-либо; например, в данный момент ваше зрительное восприятие зафиксировано на словах на этой странице, так что из области внимания исключены другие объекты, окружающие вас. В психологии мера такого действия на внимание называется слепотой к изменениям или слепотой внимания [11, 12]. Хорошим ее примером является известная игра «Найди отличия». В этой статье рис. 3 и 6 разнесены, так чтобы их нельзя было легко сравнить. Даже если привлечь все ваше внимание к выполнению этой задачи, если бы вы тщательно исследовали обе картинки, бьемся об заклад, найти различия между ними было бы нелегко. Это происходит потому, что перелистывание страницы действует как резинка, стирающая предыдущий рисунок, так что становится очень сложно заметить изменения, если нет возможности зафиксировать внимание именно на меняющемся элементе. А если бы мы расположили картинки рядом друг с другом, задача стала бы очень простой, поскольку внимание было бы сосредоточено сразу на обеих.

Рис. 6. Вторая картинка для демонстрации слепоты к изменениям

Смысл этого механизма – снова эффективность. Когда мы сосредоточились на одном элементе, имеет смысл сделать его восприятие приоритетным по сравнению с тем, что на периферии внимания. Тем не менее все равно странно осознавать, что, хотя мы одновременно видим то, что охватывает наше поле зрения, а это примерно 190°, мы можем не замечать происходящего в нем или меняющегося, если не зафиксируем внимание [13]. Это фантастическая демонстрация того, насколько сильное влияние оказывает обработка «сверху вниз» на зрительные входящие сигналы. Для того чтобы получить еще больше информации по данной теме, авторы рекомендуют провести поиск видео в Сети по запросу «change blindness» («слепота к изменениям»).

Приобретенный дефицит

В завершение приведем еще один пример высокоуровневой обработки данных, он связан с приобретенным повреждением мозга. Речь идет о той ситуации, когда зрительные нейроны в течение жизни получают нормальный входящий сигнал, а затем происходит некроз клеток, как следствие травмы, инсульта и т. п., так что мозг теряет возможность задействовать эти нейроны для обработки. А если данные нейроны отвечали за определенный аспект восприя­тия мира, то их выключение из процесса представляет серьезную угрозу его пониманию мира посредством зрительного восприятия. Так, хотя наша способность видеть цвета в основном определяется качеством колбочек в сетчатке, распознавание цвета требует активности в коре мозга, например в V4. Если у пациента произошло нарушение в этой области, то, несмотря на незатронутые колбочки сетчатки, он теряет способность цветовосприятия.

Такое состояние называют церебральной ахроматопсией, или кортикальной цветовой слепотой [14]. Билатеральное повреждение зоны V5 ведет к акинетопсии (кортикальная слепота движения), а повреждение правой теменной доли может вызывать одностороннее пространственное игнорирование – необычное нарушение внимания, при котором пациент ненамеренно игнорирует левую часть пространства [15–17].

Заключение

Глаза играют ключевую роль в нашем восприятии зрительной среды, но есть и другие факторы, такие как подверженность стимуляции в раннем развитии, предыдущий опыт, ожидания, внимание, функции коры мозга, которые также оказывают большое влияние на наши перцептуальные решения. Речь идет, конечно, не об умалении ценности обработки сигналов в сетчатке, просто подчеркиваем важность высокоуровневых процессов.

Список литературы

1.    Blakemore C and Cooper GF (1970) Development of the brain depends on the visual environment. Nature 228 (5270): 477.
2.    Blakemore C (1976) The conditions required for the maintenance of binocularity in the kitten’s visual cortex. Journal of Physiology 261 (2): 423–444.
3.    Hirsch HV and Spinelli DN (1971) Modification of the distribution of receptive field orientation in cats by selective visual exposure during development. Experimental brain research 12 (5): 509–527.
4.    Elliott DB (2013) Clinical Procedures in Primary Eye Care (4th Ed.). Elsevier: UK.
5.    Gregory RL (1997) Eye and Brain: The Psychology of Seeing (5th Ed.). OUP, Oxford: UK.
6.    Leibowitz H, Brislin R, Perlmutrer L, et al. (1969) Ponzo perspective illusion as a manifestation of space perception. Science 166 (3909): 1174–1176.
7.    Sperandio I and Chouinard PA (2015) The mecha­nisms of size constancy. Multisensory Research, 28 (3–4): 253–283.
8.    http: //persci.mit.edu/gallery/checkershadow. Retrieved 11-04-2018.
9.    Maloney LT and Wandell BA (1987) Color constancy: a method for recovering surface spectral reflectance. In Readings in Computer Vision: 293–297.
10.    D’Zmura M and Lennie P (1986) Mechanisms of color constancy. JOSA A 3 (10): 1662–1672.
11.    Simons DJ and Levin DT (1997) Change blindness.Trends in Cognitive Sciences 1 (7): 261–267.
12.    Rensink RA, O’Regan JK and Clark JJ (1997) To See or not to See: The Need for Attention to Perceive Changes in Scenes. Psychological Science 8 (5): 368–373.
13.    Millodot M (2009) Dictionary of Optometry and Visual Science (7th Ed.). Butterworth Heinemann Elsevier: UK.
14.    Zeki S (1990) A century of cerebral achromatopsia. Brain 113 (6): 1721–1777.
15.    Zihl J, Von Cramon D, and Mai N (1983) Selective disturbance of movement vision after bilateral brain damage. Brain 106 (2): 313–340.
16.    Zeki S (1991) Cerebral akinetopsia (visual motion blindness) a review. Brain, 114 (2): 811–824.
17.    Bisiach E and Luzzatti C (1978) Unilateral neglect of representational space. Cortex, 14 (1): 129–133.

Авторы:
С. Стронг, доктор философии, постдокторский исследователь в Брэдфордском университете (Брэдфорд, Великобритания)
К. Фулчер, доктор философии, оптометрист больниц Брэдфорда и Шеффилда  (Великобритания)

Перевод: И. В. Ластовская

Статья опубликована в журнале Optometry Today 15.06.2018. Перевод печатается с разрешения редакции

© РА «Веко»

Печатная версия статьи опубликована в журнале «Современная оптометрия»  [2022. № 7 (156)].

По вопросам приобретения журналов и оформления подписки обращайтесь в отдел продаж РА «Веко»:

• Тел.: (812) 634-43-34.
• E-mail: magazine@veko.ru
• veko.ru

Наши страницы в соцсетях:

• vk.com/vekomagazine
• fb.com/vekomagazine