Frontiers in Computational Neuroscience

visuaaliset illuusiot ovat aistihavaintoja, joita ei voida täysin selittää havaitusta kuvasta, vaan jotka syntyvät näköjärjestelmän sisäisestä toiminnasta. Niissä havaitsemme jotain, mikä ei ole fyysisesti läsnä kuvassa, ja ne kiinnostavat neurotieteilijöitä, koska ne paljastavat visuaalisen käsittelyn, josta emme yleensä ole tietoisia. Esimerkiksi samanaikainen kontrastiharha antaa meille mahdollisuuden ymmärtää, että emme havaitse luminanssia itseisarvoina ja että sen sijaan näköjärjestelmä laskee kohteen luminanssin suhteessa sen ympäristöön (Kuva 1a).

erottamalla aistihavaintomme ärsykkeen fyysisistä ominaisuuksista visuaaliset illuusiot tarjoavat neurotieteilijöille ainutlaatuisen mahdollisuuden tutkia aistikokemustemme taustalla olevia hermomekanismeja (Eagleman, 2001; Panagiotaropoulos et al., 2012). Visuaalisten illuusioiden luomat keskeiset havainnot sekä se, että ne syntyvät sisäisestä prosessoinnista, kannustavat tutkijoita jatkuvasti etsimään mekanismia ja sitä paikkaa aivoissa, josta illuusiot saavat alkunsa. Illuusiot ovat kuitenkin osoittautuneet yhtä vaikeaselkoisiksi kuin muutkin havaintoilmiöt.

joidenkin illuusioiden fysiologista alkuperää on tutkittu eläimillä, joista joidenkin tiedetään hahmottavan niitä samalla tavalla kuin ihmisten (Tudusciuc and Nieder, 2010). Tämä tutkimus osoittaa, että havaintoilmiöt, kuten visuaalinen peittäminen, flash tukahduttaminen, täyttö-in, liikkeen aiheuttama syvyys, ja cyclopean käsitys (satunnainen piste stereogrammit) ovat läsnä alkuvaiheessa visuaalisen käsittelyn rakenteita, kuten talamus, ja ensisijainen ja toissijainen visuaalinen cortices (Carney et al., 1989; Macknik et al., 2000; von der Heydt ym., 2000; Grinvald and Hildesheim, 2004; Wilke et al., 2009).

Müller-Lyerin illuusio (mli) on yksinkertainen ja paljon tutkittu geometrinen illuusio, joka klassisessa muodossaan koostuu kahdesta vaakasuorasta viivasegmentistä, joiden koetaan olevan eripituisia riippuen siitä, onko niiden päätepisteissä nuolenkärkiä vai nuolenpäitä (kuvat 1B–E). Pyrkimyksenä ymmärtää neuronaaliset mekanismit illuusion takana edellinen työ Zeman et al. (2013) osoitti, että MLI on läsnä monikerroksisessa keinotekoisessa verkostossa HMAX, joka on malli, joka sisältää monia kädellisen näköjärjestelmän ominaisuuksia (Serre et al., 2005). Kirjoittajat kouluttivat verkoston ensin luokittelemaan lyhyistä ja pitkistä vaaka-akseleista otettuja kuvia, jotka on esitetty kokoonpanoissa, jotka eivät herätä ihmisissä illuusiota. Tämän koulutuksen jälkeen he pyysivät verkostoa luokittelemaan klassisen MLI: n sisältävien kuvien akselipituudet.

tulokset osoittavat, että Hmax-verkko osoitti vinoutta vaaka-akselien luokittelussa ja luokitteli nuolenkärkiset lyhyemmiksi kuin todellisuudessa olivat. Mielenkiintoista on, että Biasin suuruus oli samanlainen kuin ihmisillä mitattu, ja tätä vaikutusta moduloi myös evien kulma, jolloin pienemmät kulmat (lähempänä vaaka-akselia) tuottivat suuremman Biasin. Tärkeää on, että kirjoittajat osoittivat, että lopullinen luokituskerros, eli taso, joka luokittelee kuvat pitkiksi tai lyhyiksi, ei perustu vain yksiköihin, joilla on korkeat spatiaaliset taajuudet. Tämä tulos ei tue harhan matalatasoista selitystä, jonka mukaan keskusta-surround-ja yksinkertaisten solujen alipäästöominaisuudet saattavat olla illuusion pääasiallinen syy (Kuva 1F). Koska verkostoa ei myöskään koulutettu luonnollisilla kuvilla, eikä se sisältänyt tietoa syvyydestä, ei myöskään suosittu korkean tason ”carpentered world”-selitystä illuusiosta (Kuva 1g; Segall et al., 1963; Ninio, 2014).

Zeman et al. (2014) täsmentää näitä aiempia tuloksia osoittamalla, että illuusion suuruus kasvaa yksinkertaisten solujen kerroksien käsittelyn jälkeen ja että se vähenee monimutkaisten solujen kerroksien käsittelyn jälkeen. Illuusion väheneminen monimutkaisten solujen avulla viittaa siihen, että positionaalisen invarianssin ominaisuus (kyky reagoida ärsykkeeseen sen avaruudellisesta sijainnista huolimatta) voisi tehdä näistä neuroneista vähemmän herkkiä illuusion aiheuttamalle harhalle. Nämä uudet tulokset osoittavat, että MLI: n suuruus saattaa esiintyä eri tavoin eri hermosolupopulaatioissa ja että abstraktimmat kuvien representaatiot saattavat olla vähemmän herkkiä kuvitteellisille vaikutuksille.

illuusion taustalla olevat mekanismit ovat yhä hämärän peitossa. Kuten Zeman ja kollegat osoittavat, vähäeleinen selitys ei viehättävästä yksinkertaisuudestaan huolimatta välttämättä ole koko tarina. Kuten on osoitettu satunnaisilla pisteillä stereogrammit ja muut binokulaariset versiot illuusiosta (Kuva 1E), MLI voidaan tuottaa prosessointitasolla, joka ylittää yksinkertaiset keskus-surround vastaanottavat kentät, vaikka luminanssikontrastia ei olisikaan (Julesz, 1971). Vaikka ”carpentered world” -hypoteesi ei ole tarpeen selittää illuusiota, parietaalisen ja takaraivo-temporaalisen corticesin osallistuminen viittaa siihen, että on todennäköistä, että kyseessä ovat korkeammat kognitiiviset prosessit (Weidner and Fink, 2007; Mancini et al., 2011).

MLI osoittaa, ettei näköjärjestelmä kanna intuitiivisesti yksinkertaista ohjetta ”vertaa kahden vaakasuoran viivan pituutta” niin suoraviivaisesti kuin se subjektiivisesti tuntuu. On selvää, että visuaalinen järjestelmä vertailee piirroksissa jotain muuta, ja se saattaa liittyä kokonaisiin visuaalisiin kohteisiin, ei paikalliseen tietoon. Koosta kysyttäessä näköjärjestelmämme saattaa arvioida kokonaisten kohteiden kokoa. Tämä voidaan osoittaa keskittämällä huomiomme Müller-Lyer-piirroksen paikalliseen ominaisuuteen, esimerkiksi yrittämällä selvittää, ovatko nuolten päätepisteet pystysuorassa linjassa (Kuva 1D). Jo Kuvassa 1B tai 1C voidaan ymmärtää, että vertices ovat linjassa pystysuunnassa, havainto, joka osoittaa illuusion ei ole läsnä paikallisella tasolla.

MLI-illuusio on petollisen yksinkertainen havaintokokemus, joka kiinnittää jatkuvasti neurotieteilijöiden huomion. Zemanin ja kollegoiden työ viittaa siihen, että kahta usein mainittua illuusion syytä, näköhermosolujen alipäästösuodatusominaisuuksia ja ”carpentered world”-hypoteesia, ei tarvita tuottamaan illuusiota kädellisten kaltaisessa näköjärjestelmässä. Tulevaisuudessa tarvitaan työtä niiden mekanismien selventämiseksi, joiden avulla aivot arvioivat ja vertailevat silmämääräisesti tunnistettujen kohteiden kokoa.

Eturistiriitalausunto

kirjoittajat toteavat, että tutkimus tehtiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, joita voitaisiin pitää mahdollisena eturistiriitana.

kiitokset

tunnustamme Dirección General de Asuntos del Personal Académico de la Universidad Nacional Autónoma de Méxicon ja Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologían tuen. Kiitämme Edgar Bolañosia teknisestä avusta.