衰老帶來視覺感知方面的巨大變化

老年人可能難以看到某些錯覺,這為衰老的大腦提供了線索

衰老會導致視覺感知的顯著變化,即使在沒有痴呆症或眼疾的健康人中也是如此。因此,許多人在年老時難以進行簡單的日常活動,例如安全駕駛、在不平坦的地面上行走或上下樓梯。不幸的是,人們對與年齡相關的感知缺陷的潛在機制知之甚少。很少有研究調查成年期,特別是老年人發生的各種感知變化,更少有研究將這些變化與大腦功能和眼球運動聯絡起來。

但是,視覺錯覺已開始在該領域提供一些重要的見解。因為我們知道特定的眼部或大腦機制介導某些錯覺,所以我們對它們的感知如何隨著年齡的增長而改變,為衰老如何影響相關的大腦細胞群提供了線索。這些轉變也清楚地表明,錯覺的存在不僅僅是進化中的意外或錯誤。錯覺是我們感知的一部分,並且它們隨著年齡的增長而退化——我們要明確的是,這使得觀察者以更準確和更少錯覺的方式看待世界——表明錯覺感知的某些方面可能增強了生存能力。隨著大腦功能在衰老中下降,這種優勢變得不那麼重要。

其他型別的視覺障礙可以幫助我們瞭解衰老大腦中的神經退行性變。然而,錯覺可能比其他視覺生物標誌物更突出,因為年長的視覺科學家——他們自己是錯覺感知方面的專家——當他們自己的觀察與年輕的實驗測試物件的觀察不符時,會非常清楚地意識到這一點。背痛、失去跑八分鐘一英里的能力或難以記住電話號碼是一回事。這些問題都很煩人。但是,當一個驚人的新錯覺對你的大腦不起作用時——尤其是在你所有年輕的同事都興高采烈的時候——這簡直令人不安。這肯定會集中注意力,讓那些神經科學家懷疑他們是否可能正在慢慢失去理智。


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洛塔爾·斯皮爾曼目前是臺灣國立大學的訪問教授,就是一個例子。斯皮爾曼職業生涯的大部分時間都在弗萊堡大學度過。然後他年滿 65 歲——這是德國大學系統的強制退休年齡——他不得不遠走他鄉,在國外繼續就業。現年 77 歲的他仍然是一位高產的科學家,並擔任感知科學的國際老前輩。

作為他所在領域的全球領導者,斯皮爾曼發現了一些重要的錯覺,包括 Ouchi-Spillmann 錯覺,它產生了一種運動效果,我們之前在本專欄中描述過。因此,你可以想象斯皮爾曼的擔憂,就在他在德國退休的那一年——他發現自己對過去二十年中最顯著的錯覺,北岡明佳的旋轉蛇 [下圖] 視而不見。

大腦上的蛇
當大多數人觀看旋轉蛇時——神經科學家和工程師豪爾赫·奧特羅-米蘭在這裡以大腦的形狀呈現——他們會感知到錯覺運動。遺傳學家和畫家亞歷克斯·弗雷澤以及生物學家金伯利·J·威爾科克斯當時都在辛辛那提大學,他們於 1979 年首次發現了這種型別的錯覺運動,當時他們從鋸齒狀邊緣形狀的重複螺旋排列中引發了這種效果,這些形狀的陰影從淺到深。弗雷澤和威爾科克斯的錯覺遠不如 20 多年後由北岡明佳開發的旋轉蛇有效,但它確實催生了許多相關的錯覺。這種感知現象家族的特徵是週期性地放置特定亮度的彩色或灰度色塊。2005 年,當時的哈佛醫學院神經科學家貝維爾·R·康威和他的同事表明,北岡的錯覺佈局激活了視覺皮層中對運動敏感的神經元,為我們大多數人感知旋轉提供了神經基礎:我們看到蛇在旋轉,因為我們的視覺神經元反應就好像我們處於實際運動中一樣。 

在我們自己與奧特羅-米蘭(現在是約翰·霍普金斯大學的博士後研究員)的研究中,我們發現這種旋轉的感知與瞬時眼球運動的產生之間存在直接關係,包括眼瞼眨眼和稱為微眼跳的微小不自主眼球跳動。與年齡相關的眼球運動失敗是否可以解釋為什麼斯皮爾曼和其他老年人難以看到“蛇”旋轉?也許是這樣。但是,斯皮爾曼仍然能感知到的 Ouchi-Spillmann 錯覺似乎也依賴於眼球運動。因此,可能是某些視覺過程,例如運動感知、運動適應或亮度感知,這些過程也容易受到衰老的影響,在一個錯覺與另一個錯覺中具有不同的參與程度。或者與年齡相關的損失可能反映了眼球運動和視覺缺陷的結合。

圖片來源:豪爾赫·奧特羅-米蘭

跨年齡段的錯覺
在 2009 年的一項研究中,德國吉森尤斯圖斯-李比希大學的心理學家尤塔·比裡諾、凱·漢堡格和卡爾·格根富特納使用一系列涉及運動的錯覺(包括旋轉蛇)測試了 139 名受試者(老年人和年輕人)。他們發現,老年受試者感知的錯覺旋轉程度低於年輕人,不僅在旋轉蛇中,而且在左上方描繪的旋轉傾斜線錯覺中也是如此。 

要體驗這種錯覺,請在注視中心區域時前後移動頭部(或者,保持頭部靜止並移動您正在閱讀的螢幕或頁面)。大多數年輕人會看到錯覺運動:環繞中心區域和周圍區域旋轉。但是皮納錯覺是第一個產生旋轉運動效果的錯覺(右圖),對大多數觀察者都有效,無論年齡大小:當您前後移動頭部(或影像)時,您會看到內環和外環朝相反方向旋轉。 

導致這些各種感知隨著年齡增長而變化的原因不僅僅是無法感知錯覺運動,而是反映了大腦或視覺系統中正在發生的變化。我們希望這些發現將引導未來的研究,並更細緻地掌握我們對真實和錯覺運動的感知機制,以及衰老對不同大腦回路的特定神經退行性影響。 

圖片來源:來自 Simone Gori 和 Kai Hamburger 在《PERCEPTION》第 35 卷第 6 期;2006 年 6 月發表的“一種新的運動錯覺:旋轉傾斜線錯覺”(旋轉傾斜線錯覺);來自 Baingio Pinna 和 Gavin J. Brelstaff 在《VISION RESEARCH》第 40 卷第 16 期;2000 年 7 月 1 日發表的“一種新的相對運動視覺錯覺”(皮納錯覺)

更多探索

日本光學和幾何藝術。 Hajime Ouchi。多佛出版社,1973 年。

錯覺運動的感知。 Alex Fraser 和 Kimerly J. Wilcox 在 Nature,第 281 卷,第 565–566 頁;1979 年 10 月 18 日。

強大的靜態運動錯覺的神經基礎。 Bevil R. Conway、北岡明佳、Arash Yazdanbakhsh、Christopher C. Pack 和 Margaret S. Livingstone 在 Journal of Neuroscience,第 25 卷,第 23 期,第 5651–5656 頁;2005 年 6 月 8 日。

運動錯覺感知的年齡效應。 Jutta Billino、Kai Hamburger 和 Karl Gegenfurtner 在 Perception,第 38 卷,第 4 期,第 508–521 頁;2009 年。

微眼跳和眨眼觸發“旋轉蛇”錯覺中的錯覺旋轉。 Jorge Otero-Millan、Stephen L. Macknik 和 Susana Martinez-Conde 在 Journal of Neuroscience,第 32 卷,第 17 期,第 6043–6051 頁;2012 年 4 月 25 日。

錯覺的神經科學。 Susana Martinez-Conde 和 Stephen L. Macknik 在 大眾科學,特刊,第 20 卷,第 13 期,第 4–7 頁;2013 年秋季。

斯蒂芬·L·馬克尼克是紐約州布魯克林紐約州立大學下城醫學中心的眼科、神經病學、生理學和藥理學教授。他與蘇珊娜·馬丁內斯-康德和桑德拉·布萊克斯利合著了獲得普利茲馬獎的著作《意識的把戲》。他們即將出版的書籍《錯覺的捍衛者》將由《大眾科學》/法拉爾、斯特勞斯和吉魯出版。

更多作者:斯蒂芬·L·馬克尼克

蘇珊娜·馬丁內斯-康德是紐約州布魯克林紐約州立大學下城健康科學大學的眼科、神經病學、生理學和藥理學教授。她是獲得普利茲馬獎的著作《意識的把戲》的作者之一,與斯蒂芬·馬克尼克和桑德拉·布萊克斯利合著,也是《錯覺的捍衛者》的作者之一,與斯蒂芬·馬克尼克合著。

更多作者:蘇珊娜·馬丁內斯-康德
SA Mind Vol 27 Issue 1本文最初以“錯覺時代”為標題發表於 SA Mind 第 27 卷第 1 期 (),第 18 頁
doi:10.1038/scientificamericanmind0116-18
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