大腦如何處理影像

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點

無論我們身處何方，在哪裡長大，或者早餐吃了什麼，我們的大腦處理資訊的方式與世界上其他人幾乎相同。這很有道理——我們的基因組有 99.6-99.9% 是相同的，這使得我們的大腦也幾乎相同。看風景或城市景觀，您的大腦中發生的計算與來自其他背景或國家的人的大腦中發生的計算是相似的。

想想我最近在中國張家界國家森林公園的漫步，這裡是詹姆斯·卡梅隆的《阿凡達》的靈感來源。我們進入公園的第一步是在百龍電梯中上升1070英尺，這是世界上最高的戶外電梯。擁擠的車廂裡擠滿了來自日本、印度、中國、美國和韓國的遊客。

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無論我們來自哪裡，武陵源的景觀都沒有讓我們失望：高聳的紅色和綠色岩層衝向天空，彷彿在反抗重力。當我們的大腦皮層興奮地工作時，驚歎和敬畏是我們共同的語言。

大約 3000 根石英砂岩柱，具有不尋常的紅色和綠色對比，使我們的視覺中心著迷，吸引了我們的注意力。

大腦最早的視覺處理中心之一 V1 位於我們頭部的後部中間。 V1 識別簡單的形式，例如對比強度的垂直、水平和對角邊緣或線條。 看一條垂直線，對垂直線敏感的神經元會更快地放電； 看一條水平線，我們的水平神經元就會嗡嗡作響。

下游的視覺中心（方便地稱為 V2、V3、V4）將這些基本的視覺形式編織在一起，以建立視覺圖景的開端。 組裝了更復雜的形狀，如正方形和圓形； 運動和顏色被新增到畫面中。

視覺資訊的內容（例如，線條的密度和方向）決定了視覺刺激抓住我們注意力的程度。研究表明，例如，高密度的線條會以所謂的自下而上的定向方式抓住我們的注意力。

大腦的定向網路從我們看到、聽到和觸控到的東西中選擇重要的、與行為相關的資訊。想象一下在涼爽的夜晚走在上海的外灘。當我們凝視著浦東新區發光的摩天大樓時，我們選擇將注意力從一棟摩天大樓轉移到另一棟摩天大樓。這稱為目標導向或自上而下的定向。

將這種有意識的注意力轉移與反射性的、幾乎是被迫的注意力轉移進行對比，當凝視天際線時，一輛摩托車計程車鳴笛，要求我們承認擋了他的路。這稱為刺激驅動或自下而上的定向。

具有繁忙、縱橫交錯線條的視覺場景透過吸引刺激驅動的定向網路來抓住並保持我們的注意力——這些線條神經元的放電速度足夠快，可以收集他們的一片意識。 明亮、大膽或對比鮮明的顏色也會產生同樣的效果。

高聳的垂直線條和超凡脫俗的熒光燈的結合是外灘夜間魅力的實質，吸引了全球各地的遊客——遊客們報以讚許的微笑或若有所思的目光。

白天，上海的M50藝術區也值得關注。其中一位藝術家司馬青似乎特別關注線條。

無論是他畫的在風中飄動的樹木、“迷失”的廢棄建築物，還是沼澤中的蘆葦（他還在其中隱藏了一個長方體），他的作品都強烈地以幾何形狀和線條為特色。 在一些作品中，他用線條的影子戲弄你，迫使你的大腦隨意將它們拼湊在一起。

在過去的 12 年裡，司馬青反覆描繪了上海最具戲劇性的線條建築展示：金茂大廈。 金茂大廈於 1999 年竣工，在外層縱橫交錯的鋁管骨架中捕捉了傳統的中國建築和現代設計。在它的一系列畫作中，司馬青詳細描述了金茂大廈近 1380 英尺的令人興奮的線條。

當我問司馬青如何計劃每個專案時，他告訴我，在每幅畫作之前，他都會在塔樓外標出位置並拍一張照片作為參考。 他最喜歡的角度是從一個面大約 45 度角的位置。

“這個角度非常重要。 我拍照片是為了保持我的視角。 我非常小心，就像科學家一樣，”他笑著告訴我，“但我憑眼、憑感覺、憑經驗來做。我使用照片來減少細節，以專注於我的線條並賦予我視角。 去掉一些細節可以讓我表達情感，使其更加抽象。”

司馬青的技巧是模糊上邊緣，並將塔樓設定在強烈的純藍色、黃色或紅色背景中，從而喚起敬畏、動盪和激情。 透過減少細節並新增一絲非典型的顏色，司馬青取得了他的目標。

站在司馬青的半地下工作室裡，我在想，感知行為，從不完整的資訊中進行推斷是否構成了情感的實質，情感網路是否真的是外推或推理迴路，是進化為修補處理而提供的快速解決方案。 事實上，雖然線條的組合是強大的注意力捕捉器，但那些不祥或在情感上具有挑釁性的場景才是最有效的誘惑。

司馬青選擇的純色、濃烈的顏色與密集的線條組合讓我著迷。 在百度翻譯應用程式的幫助下，我們討論了約翰霍普金斯大學神經科學家對視覺注意力的經典研究。研究人員想知道顏色、強度（平均 RGB 亮度）和線條方向等影像特徵是否會影響自下而上的注意力。他們使用眼動追蹤任務來測量每個特徵吸引參與者眼睛的程度，並發現，在城市景觀中，顏色強度和線條方向在吸引參與者大腦注意力方面最重要。

“很酷吧？” 我說。 我們笑著說，司馬青的畫在很大程度上是一個神經科學實驗。

司馬青指著他的頭回答說：“大腦一樣。”

關於注意力的延伸閱讀

巴倫 DS，卡斯特利亞諾斯 FX（印刷中）。 “注意力網路”。 在：Pfaff DW, Volkow N, Calderon DP（編輯）《21 世紀的神經科學》第 2 版。施普林格出版社。關於神經科學家如何研究注意力系統以及為什麼將注意力分為定向、警覺和執行網路的入門讀物。 還強調了病變缺陷、行為和神經影像資料可以告訴我們關於大腦的什麼以及如何。

Corbetta, M., & Shulman, G. L. (2011)。 空間忽視和注意力網路。 《神經科學年度評論》，34, 569–599。doi:10.1146/annurev-neuro-061010-113731。對注意力網路及其如何與中風的影響相關的深入且高度可讀的評論。

Petersen, S. E., & Posner, M. I. (2012)。 人腦的注意力系統：20 年後。《神經科學年度評論》，35(1), 73–89。doi:10.1146/annurev-neuro-062111-150525。對大腦注意力系統的更深入的評論，重點是最新的研究。