從他記事起，Bryan Alvarez 就覺得他的母親像一幅馬克·羅斯科的畫作。這種相似之處不僅僅是他有一天想到的一個比喻。每當他想到母親的名字 Marla 時，他都會在腦海中看到色塊，每個色塊都融入下一個色塊——M 是粗糙的磚紅色，A 是鮮豔的血紅色，R 是茄紫色，L 是李子紫色，最後的 A 又是紅色。
在成長過程中，Alvarez 從未覺得字母具有內在顏色有什麼不尋常。直到高中時，他才知道他的同齡人並沒有像他那樣感知世界。Alvarez 患有一種稱為聯覺的疾病，患有這種疾病的正常人在品嚐食物時會感受到形狀，在聽到音符時會聞到氣味，或者在閱讀文字時會看到顏色。
歷史上充斥著同樣奇怪的偏離通常被認為是普通感知的記載——失明計程車兵可以躲避子彈，沒有眼睛的病人可以感知光線，以及可以利用聲音導航障礙物的人。幾個世紀以來，這些故事一直被認為是無法解釋的奇事、神奇的天賦或神經異常——感知基本規則的例外。直到最近幾年，神經科學家才開始懷疑我們所有人可能都共享這些情況的一些潛在機制。
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直到最近，感知在很大程度上被視為不同感官的傑作。希臘哲學家亞里士多德據稱首先將著名的五種感官分類為：視覺、聽覺、味覺、嗅覺和觸覺。多年來，研究人員又在列表中添加了許多感官，包括平衡感、痛覺、時間感、溫度感、肢體定位感以及感知飢餓和口渴的能力。過去二十年的腦成像研究幫助研究人員進一步劃分了感官，識別了處理數字和字母、顏色、形狀和麵孔的神經通路。但是，這種舊的感知模型正開始改變。
“我們不能再將大腦視為一堆互不相干的專門隔間，”加州大學洛杉磯分校研究多感官感知的心理學家拉丹·沙姆斯說。神經科學家發現，我們的感覺系統比以前認為的更加相互關聯，並且在大腦中分佈更廣。視覺不僅僅是看。聽覺不僅僅是聽。即使在通常情況下，我們的感官相互告知和補償的方式也可能顯得奇異甚至超人。
眼睛的秘密後門
支援感知分裂觀的大多數證據來自視覺研究。科學家們早就知道，視覺資訊從眼睛透過丘腦（位於腦幹上方的中繼站）傳遞到視覺皮層，在那裡它被打包成我們感知為視覺的彩色、紋理化、三維場景。即便如此，研究人員現在發現，一些視覺資料被部署用於與普通視覺幾乎無關的用途，例如跟蹤時間和潛意識地控制運動。事實上，感覺機制可能完全不同，從視網膜中微小的、鮮為人知的光感測器開始。
自 19 世紀中期以來，解剖學家就已知眼睛中的視杆細胞和視錐細胞，近兩個世紀以來，科學家們一直認為這些感光細胞是人體中唯一可以檢測到光線的細胞。然而，在 1990 年代初期，一位名叫羅素·福斯特的年輕研究員（現任職於牛津大學）開始分享他的懷疑，即一種身份不明的眼睛細胞也在對光線做出反應，並向大腦發出非常不同的資訊。
福斯特是一位晝夜節律神經科學家，他知道哺乳動物的大腦不僅依靠光線來形成影像，還依靠光線來設定其生物鐘。例如，他知道小鼠可以調整其行為以與新的晝夜週期同步，就像人類在前往不同時區後所做的那樣。然而，沒有眼睛的小鼠卻不能。然而，當福斯特研究缺乏視杆細胞和視錐細胞的突變小鼠時，他發現它們可以很好地重置生物鐘。“一定有某種奇怪的感光器存在於眼睛中，”他說。“但那到底是什麼鬼東西呢？”
當福斯特徒勞地尋找難以捉摸的感光器時，他以前的一位研究生做出了一個驚人的、看似無關的發現。伊格納西奧·普羅文西奧（現任職於弗吉尼亞大學）發現了一種蛋白質，這種蛋白質使青蛙的一些皮膚細胞在光照下變黑。他將這種蛋白質稱為黑視素。他在其他青蛙組織中尋找它，令他驚訝的是，他在視網膜細胞中發現了它。值得注意的是，這些細胞既不是視杆細胞也不是視錐細胞。“這立即點亮了一個燈泡，”普羅文西奧回憶道。“我想，啊哈！我們可能終於找到了我們十年前一直在尋找的那些神話般的感光器。”
果然，普羅文西奧在小鼠和人類的視網膜中觀察到，一小部分神經節細胞（通常將來自視杆細胞和視錐細胞的訊號沿著視神經傳遞到大腦）含有黑視素。其他實驗室對這些奇怪的神經元很感興趣，並做了許多實驗來驗證它們在設定小鼠和大鼠晝夜節律週期中的作用。然後在 2007 年，福斯特遇到了一位患有罕見遺傳疾病的女性，這種疾病破壞了她的視杆細胞和視錐細胞，但使她的神經節細胞完好無損。他發現，像他的實驗小鼠一樣，她可以調整她的睡眠模式，甚至可以感覺到房間是明亮還是黑暗，儘管她聲稱她看不到任何光源。證據是顯而易見的：我們眼睛中隱藏的探測器引導著我們的生物鐘——並且可能做得更多。
透過追蹤細胞向大腦傳遞資訊的路線，其他研究小組瞭解到，它們的訊號不僅會發散到負責我們晝夜節律的芝麻大小的神經元團塊（稱為視交叉上核），還會發散到擴張瞳孔、轉移視線甚至調節恐懼和疼痛的大腦中心。波士頓貝斯以色列女執事醫療中心（哈佛大學附屬教學醫院）的研究人員在 2010 年的一項研究中發現，對於患有偏頭痛的盲人患者，只有當他們的神經節神經元健康時，光線才會加劇疼痛。
“越來越清楚的是，我們視覺系統的許多方面都在您可能稱之為反射性、自動或潛意識的水平上發生，”布朗大學神經科學家大衛·M·伯森說。伯森稱之為“有趣的神經節細胞”只是大腦偷偷收集視覺線索以在我們不知情的情況下引導我們行為的一種方式。
無意識的視覺
視覺可以透過另一種甚至更奇怪的方式繞過有意識的感知。這種現象最容易在原發性視覺皮層（大腦的主要影像處理中心）受損的人身上觀察到。例如，在 2002 年春天，一位名叫戈登·達頓的蘇格蘭眼科醫生接待了一位年輕的秘書，這位秘書失去了她的整個原發性視覺皮層，導致她完全失明。當達頓護送她進入他的辦公室時，他注意到她轉彎避開了走廊裡的一排椅子。
“你繞過了那些椅子，”他評論道。“什麼椅子？”她困惑地回答。“我知道你看不到它們，”達頓安慰她說，“但你能再繞過它們一次嗎？”她照做了，但仍然感到困惑，承認說：“我不知道我是怎麼做到的。”達頓笑了笑說：“那是因為你無意識的視覺大腦為你做了這件事。”
達頓確信這位秘書患有所謂的“盲視”。他讀過許多可以追溯到 1970 年代早期的記載，這些記載描述了皮質損傷患者無法識別其視野部分或全部中的物體。然而，當心理學家要求他們要麼瞥一眼他們聲稱看不到的物體，要麼伸出手觸控它，要麼猜測它的形狀或顏色時，許多受試者的正確率遠遠高於偶然[參見蘇珊娜·馬丁內斯-孔德的“潛意識視覺”；大眾科學，2008 年 4 月/5 月]。
今天的研究人員將盲視解釋為皮質受損大腦中的一種資訊繞道。對於普通視覺，視網膜上的影像首先對映到位於頭骨後部的原發性視覺皮層中的神經元。從那裡，訊號分為兩個不同的通道。一條路徑利用記憶來識別物體和形狀。另一條路徑通向大腦中更古老的進化部分，其中一些部分控制著反射運動，例如接住快速球或躲避拳頭。
但是，當原發性視覺皮層受損時，最近對猴子和人類進行的成像研究證實，一些視覺資訊可以採取替代路線。它到達大腦的運動中心，而無需經過皮層中參與記憶和意識的部分。“這解釋了為什麼有些患者無法告訴您一條線是水平的還是垂直的，但他們可以調整手的方向並調整握力，以便剛好握住您手中的鉛筆，”西安大略大學神經科學家梅爾文·A·古德爾說。
盲視似乎也在情緒識別和情緒觸發中發揮作用。在 1999 年開始的一系列研究中，荷蘭蒂爾堡大學的比阿特麗斯·德·格爾德表明，一些受影響的患者可以準確地猜測一張臉是高興還是生氣。此外，他們可以感覺到身體姿勢何時具有威脅性，甚至會收縮面部肌肉並擴張瞳孔作為回應——德·格爾德說，這證明無意識的視覺處理“正在將患者帶入真實的情緒狀態”。[要了解我們的感官如何與情緒互動，請參閱 Janina Seubert 和 Christina Regenbogen 在第 54 頁撰寫的“我知道你的感受”。]
沒有人能肯定地說，盲視的潛在通路是否也存在於完全有視力的人身上。德·格爾德認為它們確實存在，儘管它們可能不太活躍。在一專案前正在印刷中的研究中，她和她在義大利都靈大學的同事馬可·塔米埃託比較了一名有視力的人和一名僅有一個半球受損的部分盲視患者的腦部掃描。她發現，在兩個人中，眼睛和大腦的情緒中心之間存在相同的神經元連線。然而，盲視半球的連線要強得多。
“我們傾向於將腦損傷視為功能的喪失，”德·格爾德說。“但我們也必須從獲得以前被某些大腦區域抑制的功能的角度來考慮它。人腦就像一個非常非常大的三角洲：如果主要路線上有一座水壩，那麼水就會沿著次要路線流動，而這些次要路線將變得更寬、功能更強。”
古德爾和達頓也認同這種大腦觀點。他們將盲視視為任何精神或身體稟賦——一種可以訓練並在需要時加以利用的技能。例如，他們最近一起工作，教盲視秘書閱讀印在紙上的大字母。雖然她沒有有意識地感知字母，但她可以用手指描繪它們的輪廓（或想象描繪它們），並識別她在空中繪製的形狀。“她就是這樣閱讀《泰晤士報》的頭條新聞的，”達頓說。“當然，非常慢。”
聲波視覺
除了重新路由來自眼睛的資訊外，大腦也非常擅長用一種感覺輸入代替另一種感覺輸入，甚至使用耳朵來構建非常像視覺的世界影像。透過檢查已經發展出這種能力的人，科學家們開始意識到視覺系統可能畢竟不僅僅是視覺。
透過聲音看世界的最受科學研究的人是一位名叫丹尼爾·基什的美國男子。他一歲時因癌症失去了眼睛。當他還是個蹣跚學步的孩子時，他發現如果他用舌頭髮出尖銳、快速的咔噠聲並聽取它們的回聲，他就可以在他家附近很好地走動。真的很好，事實上。今天，他去跳舞、在黑暗中遠足，並且經常在城市交通中騎腳踏車。
科學家們將基什所做的事情稱為人類回聲定位，儘管基什將其描述為“有點像在昏暗的光線下看世界”。他描述的場景具有形狀、紋理、深度和連續性，但它們是無色的，並且它們的解析度僅限於“大約壘球的大小”。
基什經常使用視覺詞彙來描述他的回聲定位，而他的大腦掃描表明這並非偶然。在 2011 年由當時在西安大略大學古德爾實驗室的研究員洛爾·塔勒領導的一項研究中，科學家們掃描了基什以及另一位盲人回聲定位者（以及兩名對照組受試者）的大腦，同時他們聽取了咔噠聲及其回聲的錄音。塔勒還讓受試者在沒有回聲的情況下聽錄音。透過比較影像，她發現視覺皮層僅在回聲定位者中活躍，並且僅當他們聽取回聲而不是其他背景聲音時才活躍。與此同時，聽覺皮層似乎在將回聲轉化為影像方面沒有發揮特殊作用。
眾所周知，當眼睛丟失或受損時，大腦中的視覺中心會被徵用用於其他任務，例如閱讀盲文。當盲人使用感覺替代裝置（例如，將影像轉換為聲音或傳遞到皮膚的微小電針刺的頭戴式攝像機）時，視覺皮層也很活躍。但諸如塔勒的研究表明，視覺大腦並非僅僅因為其可用就出租其廢棄的神經房地產。相反，它可能會學習使用新的感覺輸入來執行其通常的任務：計算空間關係和構成場景。
“我們不得不重新思考視覺系統的真正用途是什麼，”貝斯以色列女執事醫療中心和哈佛醫學院的阿爾瓦羅·帕斯庫爾-萊昂說。他說，即使對於有視力的人來說，視覺大腦也可能被連線起來以使用來自耳朵和皮膚的訊號。例如，在一項研究中，他矇住志願者的眼睛五天，並定期掃描他們的大腦，因為他們解決了涉及聽覺或觸覺的難題。到第五天，他可以觀察到某些視覺中心變得更加活躍，並且志願者在某些任務中的表現有所提高。帕斯庫爾-萊昂對變化發生的速度之快感到驚訝。五天不足以讓大腦長出新的迴路。然而，足夠的時間來加強舊的連線並加以利用。
一項 2011 年發表的研究表明，有視力的人可以自學回聲定位。在其中，受試者使用咔噠聲在簡單的實驗室環境中找到塑膠盤子，在某些情況下幾乎與基什一樣好。“僅僅因為我們有視力，並不意味著我們沒有使用回聲定位的某些組成部分，”帕斯庫爾-萊昂說。“當我們看到時，我們不僅僅是在看。我們的視覺受到包括聲音輸入在內的其他因素的影響。”
嗯……聽起來像咖啡
當然，回聲定位並不是感官之間合作的唯一例子。如果您曾經在鼻子不通氣的情況下吃過飯，或者看過腹語表演者發出聲音，您就會親身體驗到感官會相互告知。事實上，我們的感知系統比我們可能意識到的更頻繁地協同工作，其方式遠非顯而易見。
“大腦不斷地複用資訊，”範德比爾特大學神經科學家愛德華·M·哈伯德說。經典研究表明，例如，觀看嘴唇運動會改變您聽到單詞的方式——這種現象稱為麥格克效應——並且您的平衡感可以改變您所看到的內容。（如果您在轉圈後看一條直線，這條直線看起來會傾斜。）同樣，感知加速度的變化會使物體看起來比實際位置更高或更低。這種感覺在飛機駕駛員中很常見，他們認為飛機起飛時的機頭抬升速度比實際速度更快。
嗅覺也與多種感官密切相關。“即使是最好的品酒師，如果將白葡萄酒染成紅色，他們訓練有素的鼻子也會被迷惑，”凱斯西儲大學神經科學家丹尼爾·W·韋森說，他最近發現了聲音-氣味或“聲味”感官的證據。在 2010 年的一項研究中，他表明小鼠嗅覺系統中的神經元會對音調和氣味發出電脈衝。更值得注意的是，一些神經元在某些聲音存在的情況下對氣味的反應更強或更弱，這表明聲音可以微調嗅覺的感知。[要了解氣味如何與記憶互動，請參閱瑪麗娜·康尼科娃在第 58 頁撰寫的“聞起來像舊時光”。]對於某些人來說，感官是如此緊密地交織在一起，以至於體驗一種感官可以引發另一種感官，就像聯覺的情況一樣。對於聯覺者來說，一口薄荷茶可能具有玻璃柱的質地，或者升 F 調音符可能聽起來明顯是綠色的。最常見的形式——Bryan Alvarez 所擁有的那種——被稱為字形-顏色聯覺，在這種聯覺中，人們會感知到特定字母或數字的特定顏色。這種情況的大多數例項很可能是由大腦區域的交叉連線引起的，這些區域彼此靠近，但通常不會相互作用。然而，為什麼這些相互作用存在於如此多的人身上，仍然是一個謎。
一種理論建立在我們所有人出生時都擁有比成年後最終擁有的神經元連線多得多的觀察之上。隨著我們大腦的發育，我們使用的連線會變得更強更活躍，而其餘的連線會減弱並可能完全消失。因此，嬰兒可能會像聯覺者一樣感知世界。例如，在 2011 年的一項研究中，加州大學聖地亞哥分校的心理學家凱蒂·瓦格納和凱倫·R·多布金斯發現，兩到四個月大的嬰兒會在某些顏色和形狀之間建立聯絡。然而，八個月大的嬰兒卻沒有，這表明他們已經擺脫了顏色和形狀處理中心之間的聯絡。由於這種情況在家族中遺傳，因此遺傳成分可能決定了誰保留了一些連線。
還有證據表明，儘管大多數人沒有有意識地看到，例如，在閱讀姓名時看到羅斯科畫作的顏色，但他們仍然傾向於像聯覺者那樣做出類似的聯想。例如，大多數人傾向於將高音與淺色、甜味或尖銳的東西配對，並將低音與深色、酸味和圓形物品配對。
“我們認為我們是單獨體驗感官的，”加州大學河濱分校的心理學家勞倫斯·羅森布魯姆說。實際上，大腦以我們無法有意識地觀察到的方式連結和同步來自多個來源的感覺資訊，從而賦予我們感知世界的前所未有的天賦，而我們從未意識到我們擁有這些天賦。