我們的大腦經過精妙的調整，能夠感知、識別和記住面孔。在繁忙的街道上，我們可以輕鬆地在數十甚至數百張陌生的面孔中找到朋友的臉。我們會觀察彼此的面部表情，以尋找讚賞和不贊同、愛和輕蔑的跡象。即使在與某人通訊或電話交談很長時間後，當我們親自見到他或她並能夠“人如其名”時，通常也會感到欣慰。
負責我們精細“面孔感知”的神經元位於大腦中稱為梭狀回的區域。該腦區的創傷或損傷會導致一種罕見的神經系統疾病，稱為面容失認症，或臉盲症。面容失認症患者無法識別名人、近親甚至鏡子中的自己。但即使是我們這些具有正常面孔識別技能的人，也會受到面孔感知中的許多幻覺和偏見的影響。
憤怒博士和冷靜先生
麻省理工學院視覺科學家奧德·奧利瓦和格拉斯哥大學研究員菲利普·G·斯金斯透過製作兩張影像的混合體創造了這種幻覺。左邊的圖片顯示的是憤怒博士，右邊的圖片是冷靜先生。但是，如果您遠離此頁面，您會發現外表可能具有欺騙性。和藹的冷靜先生變成了憤怒博士，而討厭的憤怒博士最終卻變成了一個相當不錯的人。
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遠處，精細的細節變得模糊，只留下影像的整體形狀和陰影：視覺科學家稱之為影像的低空間頻率內容。當您靠近時，影像再次由其精細細節主導，這被稱為高空間頻率。這種幻覺之所以奏效，是因為左側的臉是由高空間頻率的憤怒臉和低空間頻率的平靜臉組成的。右邊的臉正好相反：低空間頻率的憤怒臉和高空間頻率的平靜臉。當影像模糊（透過走遠）時，混合體的不同層就會顯現出來。
“蒙娜麗莎”的微笑
蒙娜麗莎迷人的微笑（左圖）也許是史上最著名的藝術之謎。哈佛醫學院的神經生物學家瑪格麗特·利文斯通表明，蒙娜麗莎的微笑之所以時隱時現，是因為大腦使用不同的視覺過程來感知我們視野中心與外圍的資訊。
直接看著蒙娜麗莎的嘴唇，你會注意到她的微笑非常微妙，幾乎消失了。現在看著她的眼睛或頭髮分縫處，同時注意她的嘴巴。她的笑容現在更加燦爛了。當我們注視蒙娜麗莎的臉龐時，我們眼睛的移動使她的微笑生動起來，隨著我們對它的感知發生變化而閃爍不定。
視野的中心和外圍對感知有這種不同的影響，因為我們視覺中心的神經元看到的世界很小一部分，為我們提供高解析度的視覺。相反，外圍的神經元看到更大的視覺場景，因此解析度較低。
這就是觀看蒙娜麗莎時眼睛中發生的情況：眼睛將繪畫反射的光線聚焦到視網膜上，上下顛倒且向後（上圖）。視網膜內的相鄰光感受器被繪畫反射的相鄰光點啟用。
感知的達芬奇密碼
蒙娜麗莎的微笑可以用影像在我們視野外圍變得模糊這一事實來解釋，因此她的微笑只有在模糊時才能看到。利文斯通透過模擬視覺系統如何在遠外圍、近外圍和我們注視的中心（上圖，從左到右）看到蒙娜麗莎的微笑，從而解開了這個謎團。該模擬是在 Adobe Photoshop 中完成的，方法是簡單地模糊和去模糊繪畫，以模擬從視覺中心到遠外圍的解析度變化。微笑出現在左側和中間面板（遠和近視覺外圍），但在右側面板（注視中心）消失了。這種效果類似於憤怒博士和冷靜先生的混合影像，同樣可以用不同的視網膜神經元被調整到不同的空間頻率這一事實來解釋。從某種意義上說，萊昂納多·達·芬奇將蒙娜麗莎畫成了一個混合體，一個快樂的蒙娜麗莎疊加在一個悲傷的蒙娜麗莎上，每個都具有不同的空間頻率內容。
誠實的亞伯
超現實主義畫家薩爾瓦多·達利也嘗試在單張影像中結合高空間頻率和低空間頻率內容（右圖）。這幅畫的標題說明了一切：《加拉凝視地中海，二十米處變成亞伯拉罕·林肯的肖像》（《向羅斯科致敬》）。當您從遠處觀看繪畫或眯起眼睛時，繪畫的精細細節（例如彩色方塊的邊緣）會變得模糊——然後您可以看到構成林肯面孔的低空間頻率形狀和陰影。
性別幻覺
這種幻覺由心理學家理查德·羅素創造，在 2009 年年度最佳幻覺競賽中獲得三等獎。並排的面孔被認為是女性（左圖）和男性（右圖）。然而，兩者都是同一個雌雄同體面孔的版本（參見 http://illusioncontest.neuralcorrelate.com/2009/the-illusion-of-sex）。這兩張影像是相同的，只是左側面孔的眼睛和嘴巴與面部其餘部分之間的對比度高於右側面孔。
這種幻覺表明，對比度是確定面孔性別的重要的線索，低對比度的面孔顯得男性化，而高對比度的面孔顯得女性化。這也可能解釋了為什麼許多文化中的女性用化妝品來加深眼睛和嘴唇的顏色：化妝後的臉比素顏看起來更女性化。
貓科動物面孔 貓女（右圖）由奧德·奧利瓦在麻省理工學院實驗室建立，是女性（左圖）和貓的混合影像。在近距離觀察時，貓女 有一張貓的臉。但在遠處，粗糙的特徵掩蓋了鬍鬚、毛髮紋理和其他細節。簡單地將透明的貓臉疊加在女人的臉上不會產生同樣的效果；這種幻覺只有透過組合兩張空間細節不同的影像——一張精細，一張粗糙——才能奏效。
瑪格麗特·撒切爾幻覺
英國約克大學的視覺科學家彼得·湯普森的這種幻覺對於我們理解面孔感知至關重要。當 1980 年發現這種幻覺時，科學家們已經知道面孔倒過來很難識別。但當時的假設是，由於大腦總是看到面孔是正立的，因此面孔識別細胞針對正立的面孔進行了最佳化。這種假設部分是正確的，但瑪格麗特·撒切爾幻覺進一步表明，大腦不僅僅是處理和儲存整個面孔的表示；而是識別諸如嘴巴和眼睛等單個面部特徵的表示。
頂行和底行的撒切爾影像彼此相同，但垂直翻轉。頂行看起來像是兩個倒立的撒切爾，這沒問題。但底行看起來左邊是撒切爾，右邊是可怕的變種人。原因是，左列描繪的是正常的面孔（儘管上面的面孔是倒立的），而右列顯示的是撒切爾的弗蘭肯斯坦式合成圖，只有眼睛和嘴巴是垂直翻轉的。右上角的撒切爾不會讓你感到害怕，因為眼睛和嘴巴是正立的（儘管整個面孔是倒立的），因此你的面孔感知神經元將它們視為“正常”（即使它們與面部的其餘部分不匹配）。
相反，右下角的影像令人毛骨悚然，因為眼睛和嘴巴是倒立的，因此完全錯誤，儘管整個面孔是正立的。哈佛大學神經科學家溫裡奇·弗賴瓦爾德、多麗絲·曹和利文斯通現在已經在大腦中發現了對特定面部特徵（如嘴巴和眼睛）做出反應的神經元，證實了從幾十年前的這種幻覺中做出的預測。
託尼·布萊爾幻覺
加州大學聖地亞哥分校的視覺科學家斯圖爾特·安斯蒂斯在 2005 年創造了這種幻覺，以慶祝撒切爾幻覺 25 週年。安斯蒂斯推斷，如果面孔檢測神經元更喜歡正立的面部特徵，那麼它們也應該對其他進化上穩定的面孔方面具有選擇性。他透過比較託尼·布萊爾的正片和負片影像來檢驗了這個想法。由於我們已經進化到只能在正對比度下看到面孔，因此可以推斷，如果以負片顯示，則對單個面部特徵的感知應該會失敗。與撒切爾幻覺一樣，以負片顯示整個面孔（左上）使其不如正常面孔（左下）容易識別。在負片面孔上疊加嘴巴和眼睛的正片影像看起來也不特別怪異（右上）。但是，布萊爾的正片影像與負片的嘴巴和眼睛（右下）一樣可怕，就像正立的撒切爾中倒立的嘴巴和眼睛一樣。
穆尼面孔
我們的神經系統被硬連線以快速有效地檢測和處理面孔，即使細節很少。諸如上面所示的圖片通常被稱為穆尼面孔，以認知心理學家克雷格·穆尼的名字命名，他在他的感知研究中使用了類似的影像。穆尼面孔說明了“看到”一張臉實際上需要多少視覺資訊。
為電影《先知》創作電影海報的藝術家理解這種現象（對面頁，底部）。海報中的樹枝、樹葉和鳥類僅構成女演員桑德拉·布洛克面孔的最基本輪廓。我們的大腦填補了空白，並從稀疏的視覺內容中構建出一張完整的面孔。
咖啡面孔
我們的面孔檢測神經機制可能會過載。這張影像中隱藏著一張男人的臉。但在我們透露其位置之前，先環顧四周，看看您是否可以自己找到它。這很難！不要太快放棄：第一次看時，找到這張臉可能需要幾分鐘。但是一旦你看到它，你將在隨後的每次搜尋中立即找到它。放棄了嗎？它位於左下象限，靠近底部邊緣，大約在影像左側三分之一的位置。
空心面具幻覺
這個由雕塑家布萊恩·帕克斯創作的空心面具給人一種怪異的印象，即阿爾伯特·愛因斯坦的臉在你繞房間走動時會跟著你（下圖）。面具放置在窗戶前，其敞開的背面朝向您，以便陽光照射到塑膠臉上。儘管面具是凹面的，但您的大腦假定所有面孔都是凸面的。凸面臉只會朝一個方向看，而愛因斯坦的空心臉在觀看者正對著它時似乎向前看，而在觀看者側向移動時則呈一定角度。在這個著名的幻覺的另一個演示中，當一個空心面具在轉盤上旋轉時，它看起來會朝與轉盤實際方向相反的方向轉動。
羅格斯大學的視覺研究員托馬斯·帕帕托馬斯透過在空心面具上安裝三維眼球和鼻環，創造了這種幻覺的一個有趣的變體。正如旋轉面具電影中的這三幀所示，眼球和鼻環似乎朝與面具旋轉方向相反的方向旋轉（上圖）。這種幻覺在 2008 年年度最佳幻覺競賽中獲得三等獎。您可以在 http://illusioncontest.neuralcorrelate.com/2008/rolling-eyes-on-a-hollow-mask 上觀看這部電影。
面孔環繞
因為我們的大腦非常擅長檢測面孔，所以我們有時會在不存在面孔的地方看到它們。你小時候是否曾被從抽象桌布設計中彈出或由臥室半明半暗的陰影形成的奇怪面孔嚇到？有沒有注意到汽車似乎有面孔，前燈是眼睛，格柵是嘴巴？這些效應是由於我們大腦的面孔識別迴路造成的，這些迴路不斷試圖在人群中找到一張面孔。這些迴路非常強大，以至於我們在舊電話、保齡球、被繩子隔開的房間、USB 驅動器、水龍頭和原木中都看到了面孔（從左上角開始）。
髮型的差異
展示政治家的視覺幻覺風靡一時。乍一看，它看起來像是艾爾·戈爾站在比爾·克林頓身後，但請注意，戈爾實際上是克林頓的二重身，只是有著戈爾華麗的頭髮（左圖）。一組面部特徵（克林頓的）與另一組特徵（戈爾的頭髮）混合在一起，不容易被識別為錯位。
超人依靠同樣的幻覺來保護自己的身份：多虧了一副眼鏡、一套衣服和不同的髮型，大都會沒有人意識到他和克拉克·肯特是同一個人（下圖）。
情緒適應
注視憤怒的臉（左圖）約 30 秒，同時在臉上從眼睛到嘴巴，到鼻子，再回到眼睛等等地環顧四周。然後看中間的臉。它看起來很害怕，對吧？現在看著害怕的臉（右圖）30 秒，然後再看中間的臉。這次是憤怒的！實際上，中間的臉是憤怒和害怕的臉的 50-50 混合。
這種幻覺由不列顛哥倫比亞大學的安德里亞·巴特勒及其同事建立，表明我們的視覺處理系統透過暫時降低對它的反應來適應不變的面部表情。因此，當您檢視混合體時，另一種面部表情占主導地位。這種適應發生在更高級別的大腦回路中，而不是在視網膜中，因為即使您僅用一隻眼睛檢視左側或右側影像，然後再用另一隻（未適應的）眼睛檢視中間影像，這種幻覺仍然有效。
種族面孔幻覺
在觀看種族黑人（左圖）和白人（右圖）面孔的合成圖時，這些面孔反射的光量完全相同，哈佛大學的心理學家馬紮林·R·巴納吉注意到一個有趣的幻覺：白人面孔顯得更亮。巴納吉和範德比爾特大學的丹尼爾·T·萊文提出，這種扭曲之所以發生，是因為關於膚色的抽象社會期望影響了我們對人臉的感知。
胖臉變瘦幻覺
發現撒切爾幻覺的彼得·湯普森現在又發現了一種新的幻覺，他稱之為“胖臉變瘦幻覺”。在這個幻覺的例子中，照片是相同的，但倒立的面孔看起來比正立的版本明顯更苗條。
一種可能的解釋是，當以正常的正立位置觀看時，大腦更容易識別出獨特的面部特徵，例如圓胖的臉頰。但這並不能解釋為什麼當倒立觀看時，瘦臉看起來不會更胖——或者更瘦。
關注面孔
面部表情在我們的日常社互動動中起著關鍵作用。即使在看電影或看照片時，我們大部分時間都在看他們描繪的面孔。然而，我們對人臉的強烈關注是以犧牲其他潛在的有趣資訊為代價的。快速看一下這位婦女和孩子。他們微笑的臉龐表明他們玩得很開心。但僅此而已嗎？仔細觀察，您可能會注意到女孩的右手上多了一個手指：這可能是您最初錯過的，因為您的注意力集中在面孔上。