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用預測彌補滯后!你“看見”的東西,可能只是大腦預測出來的
2020-03-24 13:58:34 來源:環球科學 編輯:

眼見為實,想必大家看待事物時都認準了這一原則。但有時候你看到的也許并不是實際,而是大腦預測出來的一些畫面。大腦之所以要預測,是由于外界信息從視網膜傳到視覺中樞需要一定時間,預測能保證我們判斷物體的軌跡,幫助躲避危險或者追捕獵物,提高生存率。但這也意味著,我們其實完全是生活在過去的世界中。

撰文丨楊心舟

想必你可能有過以下經歷,當手邊的一塊橡皮或者筆蓋從桌子上掉下去時,落地瞬間它們彈了出去,而自己親眼看見它飛向了某個方向,但順著那個方向去找,卻怎么也找不到。然后橡皮就完全消失了,或者它們奇怪地出現在了與你印象完全不同的地方,于是心里默念著:完全沒道理,剛才明明沒看見它往這邊飛。

但這件事不僅有道理,而且還已經被科學家發現了其中的原因,那就是大腦“欺騙”了你,或者說大腦太過自信預測了物體會去向哪里,以至于你也被動相信了。出現這種現象,主要是因為大腦神經系統的響應速度還不夠快,外界信息從視網膜傳到視覺中樞系統的過程會出現滯后性。為了保證我們身體的動作連貫,大腦就開始自己對物體的運行軌跡進行了預測。

用預測彌補滯后

視覺信息從外界被視網膜捕集和傳送至視覺系統,這一過程大約需要花費數十到數百毫秒的時間,而我們根據視覺信息作出反應,大約需要120毫秒的時間。就慢速運動的物體而言,這種滯后對我們并沒有什么太大影響,并且這種傳輸過程還能給大腦做出反應的時間,讓我們對外界更準確地進行了解并預判物體下一步要運動到何處。

但除了橡皮落地彈飛,像空中飛過來的網球或者棒球,它們的瞬間速度可能會非???。例如被擊打的網球飛行速度最快可能達到28米/秒,這種情況下,信息滯后就會有很大的影響。因為當我們感知到球時,球的實際位置已經向前飛行了3米左右,而我們實際感知到的永遠都是球之前的位置,換言之,我們感知到的是一個處于過去式的世界,比現實要慢一拍。那大腦怎樣才能準確地控制肢體用球拍接到球呢?那就是大腦的預測能力。

這種預測能力對于守門員接球有很大作用。

大腦能預測物體的行進或者事件的發展,這在神經科學家看來并不是新鮮的事情。這種預測賦予了生命基本的生存能力,比如當你過馬路面對飛馳而過的汽車時,大腦的預測能力可以讓你判斷會不會被車撞上,從而保證安全通過馬路。

研究人員早已經發現,與無法預測的視覺刺激相比,給予大腦一些有預測性的視覺刺激能更快地讓視覺系統產生后續反應,這一現象已經在貓、狒狒和人類中都得到了證實。在有預測性的軌跡中,大腦作出后續反應的速度要快15毫秒。另外,阿姆斯特丹大學的研究人員還發現,這種提前的預測會在視覺皮層刺激形成一些神經元模式,并且這種特征性的腦電模式只會和預測事件相關。

而在2017年《自然-通訊》上的研究,荷蘭拉德堡德大學的科學家設計了一連串可預測的閃爍點,在反復重播閃爍點的情況下,大腦就能提前預測下一個點的閃爍模式,甚至展示出完整閃爍序列。這些都說明,只要給予一定的運動或者序列軌跡,大腦就會自己開始判斷下一步會發生什么。

在反復觀看閃爍點后,大腦就能提前發出閃爍點的信號(中)。而對照組則很難預測。

在反復觀看閃爍點后,大腦就能提前發出閃爍點的信號(中)。而對照組則很難預測。

但是,如果大腦的預測出現了錯誤呢?

預測是一種本能

最近《美國科學院院刊》上的一項研究,就在之前的實驗基礎上進行了延展。他們同樣給受試者觀察了有軌跡和序列的點,實驗中的點會按照時鐘行進一樣進行順序閃爍。這一過程中。研究人員對他們的大腦進行了EEG測試。在第一輪訓練后,研究者已經能夠識別出當受試者看到這一系列的點,會伴隨著怎樣的腦電波形式。

在隨后的多次觀察測試中,受試者的大腦就開始對這些點進行預測了,并且能在下一個點閃爍前就提前表達下一個點對應的腦電波形式。不過,研究者在這里采用了一個技巧戲耍了大腦,那就是在一個閃爍循環中突然讓接下來的點消失。

在這種情況下,如果位于12點位置的點突然消失,研究者發現大腦仍然會表現出閃爍點前進到1點位置時的腦電模式,這意味著受試者還是能“看見”閃爍點在前進。只有當受試者眼睛看到閃爍點消失的視覺信息傳輸到視覺皮層后,這種預測性的腦電模式才會消失。

這一過程可以好比你朝著地板使勁扔出一個彈力球,當它反彈往天花板上飛時,你甚至能產生一種球穿過了天花板的感覺。這是因為大腦預測了球的軌跡會一直往上走,但這種感覺會轉瞬即逝,隨著彈力球被引力拉回來,大腦又對自己的預測進行了糾正。

而在另一項實驗中,研究者將閃爍點的消失替換成了反向運轉,即當閃爍點運轉到12點后,反常地往11點方向運轉。這一次,大腦仍然執行了錯誤的預測,仍然產生了1點位置的腦電模式。而當視覺信息傳輸至視覺皮層時,大腦馬上意識到發生了錯誤。隨著新的信號輸入,大腦之前錯誤預測的腦電模式直接消失了,或者說大腦直接抹去了這段預測信息。

這一點與直接讓閃爍點消失不同,閃爍點反向讓大腦以一種出乎意料的方式重新運轉起來,大腦因此要做出新的預測和判斷。這種情況下,它會直接抹去之前的預測信息,就好像它從來沒犯錯一樣,又開始新一輪的信息預測。

而像彈飛出去的橡皮,當它彈到視野之外,失去了下一步的視覺信息時,大腦就沒有后續的信息進行糾正,因此我們就會認為橡皮往之前大腦預測的方向飛了出去,直到我們發現實際情況有所出入為止。而對于預測準度不夠,有一種可能是,我們可以經常見到球被擊飛的軌跡,但橡皮被彈飛卻不常見,因此軌跡更難預測,準確性也會打折扣。

其實大腦的這種奇特能力,讓我們時常處于一種過去式中。即你所見并非所得,你現在感覺到的可能只是物體在過去的位置或者狀態。2014年,《自然-神經科學》的一項研究還提出了一種更為夸張的想法:那就是我們的感知世界是一個過去與現在的平均畫面,你現在慢慢品味的咖啡、面對面看著的人,都帶有15秒前的信息。

而新研究也從另一個角度間接證實了,我們的確生活在一個過去的世界中。為了作出補償,大腦想出了預測事件的解決方式。這種預測對于生命的生存有重要意義,無論是捕獵還是躲避危險都需要大腦精妙的預測。然而,既然是預測就不可能有100%的正確性,而那些我們自以為正確卻因現實而犯迷糊的時候,只是聰明的大腦不愿意承認預測錯誤罷了。

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