從這一頁抬起頭，掃描你面前的場景。你的眼睛四處掃視，將不同的物體帶入視野。當您閱讀這篇文章時，您的眼睛會跳動以使每個單詞都清晰對焦。您會意識到，甚至可以控制這些眼球的大幅度運動，科學家稱之為掃視。但是，即使當您的眼睛顯然固定在某個物體上——例如，樹木、面孔或單詞上——它們也在您沒有意識到的情況下不易察覺地移動。最近的研究表明，這些微小的、潛意識的眼球運動對於視覺至關重要。
如果您能夠以某種方式阻止這些微小運動，那麼您所注視的任何影像都將從視野中消失。事實上，在一天中的大部分時間裡，您都會失明。儘管這些眼球運動長期以來一直困擾著科學家，但直到最近，研究人員才開始意識到它們的重要性。確實，我們現在已經獲得了強有力的證據，表明最大的這些不自主的遊走，即所謂的微動眼震，對於日常視覺至關重要。
微動眼震也為影響視力和運動的神經系統疾病提供了新的線索。更令人感興趣的是，它們可以作為窺探您思想的視窗。這些看似隨機的眼球移動並非完全隨意：它們可以指向您的思想秘密關注的地方——即使您的目光 направлен в другом направлении——揭示隱藏的想法和慾望。
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昏昏欲睡的凝視
幾個世紀以來，研究人員都知道眼睛一直在移動。例如，1860年，德國醫生兼物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲提出，“目光遊移”可以防止眼睛後部的幾層細胞——視網膜——變得疲勞。
您附近的移動可能表明捕食者正在靠近或獵物正在逃脫。動物神經系統已經進化到可以檢測到這種變化，這會促使視覺神經元發出電化學脈衝。由於不變的物體通常不會構成威脅，因此有些動物對靜止不動的物體視而不見；回想一下《侏羅紀公園》中的霸王龍。例如，停在牆上的蒼蠅對於青蛙來說是不可見的，但是一旦蒼蠅飛起來，青蛙就可以用舌頭抓住它。神經科學家傑羅姆·萊特文和他在麻省理工學院的同事在他們1959年的經典論文“青蛙的眼睛告訴青蛙的大腦”中指出，如果食物不動，青蛙“會被周圍的食物餓死”。
正如亥姆霍茲正確提出的那樣，不變的刺激會導致神經元逐漸停止對輸入的反應，這種現象被稱為神經適應。神經適應透過減少不接收新資訊的神經元中的代謝來節省能量，但它也限制了我們可以感知的內容。儘管人類的視覺神經元可以適應不變的刺激，但與青蛙相比，我們的視覺系統可以更好地應對變化的缺乏，因為即使我們注視，人類的眼睛也會產生自身的運動。注視性眼球運動——包括漂移和震顫以及微動眼震——將整個視覺場景在視網膜上移動，促使視覺神經元採取行動並防止靜止物體消失。
1804年，瑞士哲學家伊格納茨·保羅·維塔爾·特羅克斯勒首次報告說，故意專注於某物會使周圍區域中靜止不動的影像逐漸消失。您每天都會體驗到這種消失現象，因為有目的的凝視可以短暫地減少注視性眼球運動。因為您將眼睛集中在正前方的任何事物上，所以您不會注意到這個問題。
在1950年代後期，研究人員首次確定了微動眼震的感知作用：在抑制所有眼球運動以長時間穩定視網膜上的影像後，他們疊加了類似微動眼震的運動，並發現這樣做恢復了正常的視力。然而，其他研究團隊努力複製結果。幾十年來，許多視覺科學家甚至懷疑微動眼震是否在維持和恢復視力方面發揮了作用。
搖醒
然後在1990年代後期，研究人員嘗試了另一種方法。他們開始研究微動眼震可能在大腦中產生的神經元反應（如果有）。從1997年開始，我們與哈佛醫學院的諾貝爾獎獲得者大衛·H·休伯爾一起，訓練猴子盯著計算機顯示器上的一個小點，顯示器上還在螢幕的其他位置顯示了一條光條。當猴子盯著看時，我們記錄了它們的眼球運動以及來自兩個視覺大腦區域的神經元的電活動：外側膝狀體核（視網膜和大腦視覺區域之間的中繼站）和大腦後部的初級視覺皮層。這些實驗於2000年和2002年發表，表明微動眼震增加了來自兩個視覺區域神經元的脈衝率。它們透過將靜止的刺激（例如光條）移入和移出啟用給定神經元的視覺空間區域來實現這一點。微動眼震本質上有助於重新整理影像以防止其褪色。其他研究人員在視覺系統的其他部分記錄了類似的效果。
幾年前，我們開始使用一種不同的技術將微動眼震與可見性聯絡起來。在特羅克斯勒褪色任務的一個版本中，我們要求人們注視一個小點，並在看到周邊視覺中的黑白斑塊時釋放按鈕。當斑塊消失時，他們按下按鈕。當每個人自然地更加專注和減少專注時，斑塊會消失然後重新出現，因為他們在執行任務時。與此同時，我們使用高精度影片裝置測量了他或她的眼球運動。
受試者的微動眼震在目標消失之前變得不太頻繁和更小，這表明較少的微動眼震或非常小的微動眼震會導致褪色。此外，微動眼震在目標重新出現之前變得更加頻繁和更大。結果於2006年發表，證明這些微小的跳躍抵消了靜止物體的視覺褪色，並且更大的微動眼震產生最佳的可見性。並且由於我們的眼睛在掃視之間休息的時間超過四分之三，因此微動眼震對於我們在大部分清醒時間看到事物至關重要。
沃爾多在哪裡？
與掃視一樣，微動眼震也可能參與在場景中搜索某物。我們與巴羅神經病學研究所的同事一起，要求參與者觀看馬丁·漢德福德的書《沃爾多在哪裡？》中的圖片，並在他們成功找到沃爾多時向我們報告。與此同時，我們記錄了他們的眼球運動。我們發現，當人們發現沃爾多時，微動眼震的頻率最高。結果於2008年發表，揭示了微動眼震與我們搜尋場景的方式之間的直接聯絡。
我們進一步確定，無論他們是在尋找沃爾多，隨意地進行視覺探索，還是在解決《生活》雜誌的圖片謎題，人們傾向於產生大約間隔200毫秒的重複掃視或微動眼震。由於這些不同型別的眼球運動以相似的間隔發生但並非同時發生，我們認為相同的神經結構可能產生兩者。視覺科學家馬丁·羅爾夫斯和他在德國波茨坦大學的同事進行的補充實驗使他們提出，上丘（大腦中直接負責將眼睛和頭部轉向環境中物體的區域）可能觸發掃視和微動眼震。
這個假設在2009年獲得了強烈的神經生理學支援。上丘以視覺空間的地圖排列，因此尾部（後部）部分的活動產生遠離凝視中心特定方向的大掃視，而頭部（前部）部分的活動驅動朝向凝視中心附近眼睛位置的小掃視。神經科學家齊亞德·M·哈菲德和理查德·J·克勞茲利斯（當時在索爾克生物研究所）以及法國馬賽地中海認知神經科學研究所的洛朗·戈法特記錄了來自上丘頭部部分單個神經元的脈衝，發現它們也觸發了微動眼震。在研究人員用藥物阻斷了大腦這一部分的輸出後，微動眼震率下降，證實了該結構在產生這些運動中的作用。
結合羅爾夫斯團隊和我們團隊以及其他團隊早先進行的行為研究，這些發現表明，掃視和微動眼震以類似的方式產生。理解大腦中產生微動眼震的結構可能會使科學家們更接近於理解我們感知物體並在繁忙的視覺場景中定位它們的能力背後的引擎。這種知識也為我們提供了一個在大腦中尋找問題發生的位置。
錯誤的目光
為了正常觀看，上丘以及神經系統的其他部分必須校準您的眼睛在注視時移動多少。正如我們所見，這些微小移動太少會導致靜止的物體消失。但是運動過多會導致視覺模糊和不穩定。瞭解動眼神經系統如何實現這種平衡，有一天可能會使醫生能夠在神經系統某些疾病發作時進行調整。
例如，異常的注視性眼球運動通常伴隨著弱視，這是年輕人中最常見的失明形式。患有弱視的人即使眼睛在身體上正常，也可能難以看清細節，因為大腦視覺部分的異常發育。在嚴重的弱視中，微動眼震太少以及眼睛過度漂移會導致即使一個人專注於某物時，視覺場景的很大一部分也會消失。在文獻報道的一個案例中，一位患有弱視眼的患者“進行掃視以恢復影像中褪色或空白的部分”。掃視可以抵消弱視患者的褪色這一觀察結果可能與我們的發現有關，即微動眼震在健康觀察者中也具有相同的作用。瞭解掃視和微動眼震在這種疾病中的作用，有一天可能會產生新的療法，以改善由此引起的視力喪失。
最近，我們的實驗室與凱斯西儲大學的神經學家R·約翰·利和亞歷山德羅·塞拉合作，研究進行性核上性麻痺（PSP）患者的微動眼震異常，這是一種類似於帕金森病的疾病。在PSP中，患者首先表現出帕金森病症狀：他們變得不穩定且經常跌倒；他們的動作減慢；並且他們的身體僵硬。但是，此外，PSP患者在遠近物體之間轉移視線時會遇到困難。表徵這些疾病的症狀源於獨特的神經元退化模式。在帕金森病中，損失主要發生在黑質中，黑質有助於身體控制。PSP中的凝視困難是由於更廣泛的神經元退化引起的，這種退化影響腦幹、額葉、基底神經節和小腦。
在初期階段，PSP通常被誤診為帕金森病，這可能會帶來問題，因為治療帕金森病的標準療法L-多巴對這些患者無效。在今年早些時候發表的研究中，我們表明，PSP患者產生的眼球運動與健康受試者不同，並且正常的微動眼震在PSP中非常罕見。我們希望我們的發現最終將幫助醫生準確而早期地診斷出誰患有這種疾病。此外，這些結果可能有助於研究人員評估目前正在開發中的PSP藥物的療效。
私人的眼睛
除了在視覺中的功能外，微動眼震可能還會揭示我們正在思考的一些內容。即使我們正在看一個東西，我們的注意力也可能 направлен в другом направлении 在其他東西上。最近的研究表明，微動眼震可以揭示此類吸引力的物件，因為微動眼震的方向可能指向它們，而不是完全隨機的，即使您的眼睛 направлен в другом направлении 在其他地方。當時在麥吉爾大學的哈菲德和他的同事視覺科學家詹姆斯·J·克拉克要求人們專注於計算機螢幕中間的一個點，但要注意出現在其他地方的另一個點。外圍點在每次試驗結束時都會改變顏色，並且每個受試者都必須透過按下按鈕來報告顏色變化。哈菲德和克拉克發現，受試者的微動眼震 направлен в направлении 他們的注意力。因此，即使您避開這些誘惑，您的微動眼震也可能指向您想吃的美味甜甜圈，或者站在房間對面的有吸引力的男人或女人。這些隱蔽的注意力轉移似乎控制了微動眼震的方向。
微動眼震頻率也可以洩露您的注意力焦點。計算神經科學家拉爾夫·恩伯特和波茨坦大學的認知心理學家萊因霍爾德·克利格爾發現，當您的視野外圍突然出現某些事物時，微動眼震率會短暫下降，然後迅速反彈到比正常頻率更快的頻率。微動眼震也 направлен в направлении 物體。因此，它們的方向和速率都可以發出吸引您注意的周圍環境的突然變化的訊號，即使您看向別處。
您還不能透過仔細檢查他人的微動眼震來讀取他人的想法。只有在實驗室工作的科學家才能檢測和測量這些微小的眼球運動。假設您不希望您的同事或配偶解碼您的想法，那麼這個事實可能是受歡迎的。