工程师经常给结构加载重量直到它坍塌，或者摇晃它直到它散架。像工程师一样，许多科学家也秘密地热爱破坏性测试——失败越是灾难性的，就越好。人类视觉研究人员避免不可逆转的失败（和诉讼），但发现可逆转的失败既令人着迷又具有启发性——有时甚至很重要，例如军事飞行员可能经历的毁灭性空间定向障碍和视觉失明。在美国空军研究实验室，我们两人探索了我们能够安排的最灾难性的视觉失败。我们创造了人们看到图像像热蜡一样流动和像破碎的马赛克一样碎裂的条件。在这里，我们讲述了我们研究过的两种最有趣的感知崩溃的故事：禁色和有偏见的几何幻觉。
你见过蓝黄色吗？我们不是指绿色。有些绿色可能看起来偏蓝，有些可能看起来带黄色调，但没有一种绿色（或任何其他颜色）在同一时刻既呈现蓝色又呈现黄色。你见过红绿色吗？我们不是指混合颜料可能产生的浑浊棕色，也不是红光和绿光组合产生的黄色，也不是点彩派红色和绿色圆点领域的纹理。我们指的是一种单一的颜色，它在同一时间、同一地点看起来既是红色又是绿色。
通过安排合适的条件，我们看到了这些难以想象的，或者说是“禁忌的”颜色，我们的实验对象也看到了。我们还找到了控制或偏向人们在快速闪烁的光线下可以看到的同心圆和车轮辐条的幻觉模式的方法——尽管这种偏向与我们的预期相反。这两种现象都揭示了关于对立性的神经基础的新东西，对立性是感知科学中最古老的概念之一。
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对立性在生理学中无处不在。例如，要弯曲你的手臂，你放松肱三头肌，同时收缩肱二头肌；肱二头肌和肱三头肌是对抗肌，因为它们彼此直接对抗。1872年，德国生理学家埃瓦尔德·赫林提出，色彩视觉是基于红色和绿色之间以及黄色和蓝色之间的对立；在视野中的每个点上，所谓的红色和绿色肌肉彼此对立。在一个点上感知红色会排除在那里感知绿色，反之亦然，就像你不能同时弯曲和伸直你的手臂一样。人们看到的所有色调都可以通过将红色或绿色与黄色或蓝色结合起来制成。赫林的理论解释了为什么人类可以感知到绿松石中的蓝色和绿色，橙色中的红色和黄色等等，但永远不会在完全相同的时间和地点看到红色和绿色或蓝色和黄色。
疯狂的颜色
人们永远看不到对立色混合物的观察结果一直是认知科学中最可靠的观察结果之一。研究表明，此外，色彩对立始于视网膜和中脑——视觉涉及的第一个大脑区域——神经传递的数据相当于一个颜色信号减去另一个颜色信号。原始颜色信号起源于视网膜中的视锥细胞，视锥细胞检测三个波长重叠波段的光。其他细胞将来自三种视锥细胞的输出相加和相减，产生与四种原色相关的信号——红色、绿色、黄色和蓝色。但这就像视觉系统连接了两个颜色数据通道：一个红减绿通道（其中正信号代表红色水平，负信号代表绿色，零信号代表两者都不是）和一个类似操作的黄减蓝通道。这种硬连线强制执行了赫林的色彩对立定律。
然而，在1983年，加利福尼亚州门洛帕克市 SRI 国际的休伊特·D·克莱恩和托马斯·P·皮安塔尼达报告了一种方法，可以避开禁止红绿色和黄蓝色等颜色的感知规则。他们让受试者观看并排的红色和绿色或黄色和蓝色区域。他们的装置跟踪受试者的眼睛位置并移动镜子以保持颜色区域稳定——也就是说，尽管眼睛不断地轻微移动，但颜色区域仍冻结在每个受试者的视网膜上。图像稳定会导致许多有趣的效果，例如图像似乎分解成可见度时隐时现的碎片。克莱恩和皮安塔尼达特别感兴趣的是稳定图像中边界消失的倾向。
事实上，他们的实验对象看到两种对立颜色之间的边界消失了；颜色流动并在消失的边界上混合。一些受试者报告说看到了禁忌的红绿色和黄蓝色。其他人则看到了幻觉纹理，例如黄色背景上的蓝色闪光。
克莱恩和皮安塔尼达的文章本应引起广泛的兴趣：两位非常有能力的调查人员报告了对最确立的心理物理学定律的重大违反。相反，这篇论文成为了视觉研究人员不谈论的研究——视觉阁楼里疯狂的老姨妈。
我们认为有四个原因促成了这种疏忽。首先，结果不一致：一些受试者看到了幻觉纹理而不是禁色。其次，禁色很难描述。克莱恩和皮安塔尼达试图通过让艺术家描述颜色来解决这个问题。但这没有帮助。第三，实验很难复制。克莱恩发明了他们特殊的眼动追踪器，它既昂贵又难以使用。最后，研究人员没有理解该结果的理论基础。我们深信这是关键的障碍——不符合现有范式的事物很难思考。克莱恩和皮安塔尼达猜测他们绕过了视觉系统中负责色彩对立的部分，并激活了一种感知填充机制，但他们没有发展这个想法。
我们的发光想法
几年前，我们两人对克莱恩和皮安塔尼达观察者的不同感知有了一个潜在的解释。我们知道，除了图像稳定之外，还有另一个实验条件会导致类似的边界强度损失：即当两个相邻的颜色具有相等的亮度时。亮度与感知亮度相似但不完全相同。如果非常快速地切换两种颜色，则对于观察者来说，这两种颜色是等亮度的，产生的闪烁感最弱。
当受试者盯着两个相邻的等亮度颜色区域时，他们会看到颜色之间的边界减弱并消失，使颜色可以相互流入——红绿色或黄蓝色对除外。我们知道，当观察者最大限度地减少眼球运动时，这种边界崩溃效应最强。也许等亮度和稳定化的效果会协同结合，导致边界崩溃和颜色混合足够强大，即使对于对立色也能持续发生。为了检验这个想法，我们与我们空军研究实验室的同事杰拉尔德·A·格里森中校合作，他研究眼球运动。
我们使用下巴托或咬棒将我们的受试者固定在格里森的眼动追踪器上，以最大限度地减少头部运动。我们决定不使用艺术家和其他非专业人士作为受试者。对于这个实验，我们想要接受过色彩理论教育的视觉研究人员，他们对赫林哲学中未曾梦想过的颜色持怀疑态度，并且能够用丰富的“视觉语言”速记来描述他们的观察结果——当你在咬紧牙关喃喃自语你的观察结果时，这很重要。我们想要可信的受试者，他们可以向我们难以置信的同事证明。因此，我们招募了七位具有正常色觉的视觉研究人员（包括比洛克和格里森）。
由于人们对不同颜色的亮度感知各不相同，我们首先测量了我们的受试者对红色、绿色、黄色和蓝色的反应。然后，我们向每位受试者展示并排的红色和绿色或黄色和蓝色区域，这些颜色的定制使其看起来要么是等亮度的，要么是强烈非等亮度的。
等亮度和图像稳定化的结合非常有效。对于等亮度图像，我们的七位观察者中有六位看到了禁色（第七位观察者的视觉每次都立即变灰）。两种颜色之间的边界会消失，颜色会流过边界并混合。有时，结果看起来像一个渐变，例如，从左边的红色到右边的绿色，中间有每种可能的绿红色和红绿色阴影。有时，我们看到红色和绿色区域在同一位置但在不同深度，就好像透过另一种色调看到一种色调，而它们都没有变色。我们经常看到一种漂亮的、均匀的红绿色或蓝黄色填充整个区域。
有趣的是，两位受试者报告说，在练习之后，他们可以在他们的想象中看到红绿色和黄蓝色，尽管这种能力并没有持续下去。因此，我们可以回答哲学家大卫·休谟在1739年提出的问题：是否有可能感知到一种新的颜色？这是可能的——但我们看到的引人注目的新颜色是熟悉颜色的化合物。
我们的观察结果促使我们开发了一个模型，说明色彩对立如何在不依赖硬连线减法的情况下在大脑中产生。在我们的模型中，神经元群体竞争开火权，就像两个动物物种竞争相同的生态位一样——但失败的神经元会沉默，而不是灭绝。这种竞争的计算机模拟很好地再现了经典的色彩对立——在每个波长下，“红色”或“绿色”神经元可能会获胜，但不能两者都获胜（黄色和蓝色也是如此）。然而，如果竞争被关闭，例如通过抑制神经元群体之间的连接，那么以前交战的色调可以共存。
大脑上的老虎条纹
在我们的实验中，当红绿色或黄蓝色区域的亮度差异显着时，我们和其他受试者没有看到禁色。相反，我们看到了纹理，例如红色区域上的绿色闪光或黄色区域上的蓝色条纹，正如克莱恩和皮安塔尼达对他们的一些受试者报告的那样。他们可能使用了对某些受试者来说是等亮度，但对其他受试者来说是显着非等亮度的彩色图像。
我们看到的这些虚幻的斑点和条纹图案非常有趣。在其他背景下研究这些类型的模式有着悠久的历史。这种模式出现在某些反应化学物质的混合物中，其中化学物质以不对称或不同的速率扩散。英国数学家和计算先驱艾伦·图灵将这些反应扩散系统作为值得研究的数学系统引入，它可以模拟在斑马皮、豹皮和各种其他生物现象中看到的模式——特别是幻觉。
涉及几何图案的视觉幻觉是由多种触发因素产生的：药物、偏头痛、癫痫发作以及——我们最喜欢的——一种称为空场闪烁的视觉刺激。大卫·布鲁斯特（万花筒的发明者）在1830年代调查了闪烁引起的幻觉，据报道，他通过闭着眼睛冲过阳光照射的高高的栅栏来体验它们，这在他的眼睑背面的空白画布上产生了快速的明暗闪烁（“闪烁”）。今天，通过闭上眼睛，坐在沿着绿树成荫的街道行驶的汽车中，或者更好的是，通过看着闪烁的电脑显示器，可以更容易——也更安全——地复制这种效果。
闪烁产生的常见几何幻觉包括扇形、同心圆、螺旋形、网状和蜂窝状。1979年，芝加哥大学的杰克·D·考恩和他的博士生G·巴德·厄门特劳特（现任匹兹堡大学）注意到，所有这些图像都对应于初级视觉皮层中条纹状神经元模式的兴奋，初级视觉皮层是大脑后部参与视觉处理的区域。例如，当一个人看着同心圆的真实图像时，初级视觉皮层中的垂直条纹神经元会被激活。扇形图案，例如车轮的辐条，会激发水平行的神经元。螺旋线激发倾斜的条纹。
因此，如果视觉皮层能够自发地产生条纹状的神经活动模式以响应闪烁，那么厄门特劳特和考恩就可以解释许多报告的几何幻觉。2001年，考恩和其他合作者扩展了该模型，以解释更多复杂的模式。然而，这些发现并没有为如何诱导任何特定的幻觉以进行详细研究提供秘诀。事实上，闪烁引起的模式既不可预测又不稳定，可能是因为每次闪烁都会扰乱先前引发的幻觉。拥有一种诱发特定稳定幻觉以进行长期观察的技术将非常有帮助。视觉幻觉和图灵的模式形成数学可能会为人类视觉系统的动力学提供一个窗口。
为了试图稳定闪烁引起的模式，我们两人从其他自发模式形成系统中获得了灵感，这些系统可以通过引入适当的偏向来变得可预测。例如，想象一个浅油锅，从下面加热，从上面冷却。如果温差足够大，上升的热油和下降的冷油会自组织成水平圆柱体的模式，从上方看起来像条纹。每个圆柱体都绕其轴旋转——流体在一侧上升，在另一侧下降。如果相邻的圆柱体像齿轮一样沿相反方向旋转，则该模式是稳定的。
通常，圆柱体的方向（“条纹”的方向）是在模式形成时偶然决定的，但是如果你沿着特定的方向注入流体的上升流，那么圆柱体的模式就会演变成与它对齐。幸运的是，受到这种类比的误导，我们决定看看在闪烁的空白区域旁边呈现一个图案是否会稳定人们看到的幻觉。在实验中，我们在空白区域周围以快速闪烁的光显示小的圆形和扇形设计，并以恒定的照明显示。物理图案会激发一个人视觉皮层中特定方向的条纹，我们预计闪烁区域引起的兴奋会通过添加平行条纹来扩展图案。因此，我们认为我们的受试者会看到圆形图案和扇形扩展到周围的闪烁区域。
圆形和扇形
令我们非常惊讶的是，我们的受试者看到了相反的效果。小的物理圆形总是被幻觉扇形包围，幻觉扇形以大约每秒一转的速度旋转。相反，在小的物理扇形周围闪烁会引发圆形图案的幻觉，圆形图案偶尔会跳动。当物理图案包围闪烁的空心中心时，也会出现类似的结果。在所有情况下，幻觉都局限于闪烁区域——只有当我们使物理图案与空白区域的光同步闪烁时，它才会穿过物理图案延伸。
回想起来，这个结果本不应该令人惊讶。五十年前，伦敦国王学院的唐纳德·M·麦凯表明，当在闪烁的光线下观看扇形时，可以看到覆盖在扇形上的微弱同心环图案，反之亦然。麦凯的结果可以解释为源于一种对立性。要理解这一点，请考虑如果你看到明亮的红色闪光会发生什么：你会看到绿色后像，绿色是对红色而言的对立色。如果视觉系统将扇形和同心圆处理为对立的几何形状，那么在麦凯的幻觉中看到的微弱图案可能是闪烁之间黑暗时刻存在的几何后像。
我们的新幻觉也有一种颜色类似物：红色区域可以使相邻的灰色区域看起来呈绿色。在正确的动态条件下——我们的闪烁设置——几何图案会在旁边的空白区域中诱导出对立的几何图案。换句话说，麦凯的幻觉涉及在时间上分离的几何对立（也就是说，扇形和圆形在不同的时刻出现），而我们的效果是在空间上分离的几何对立（扇形和圆形位于相邻区域）。
尽管将禁色和有偏见的几何幻觉视为客厅把戏可能是很自然的，但它们说明了关于视觉和感知对立本质的重要观点。禁色揭示了色彩对立——它一直是所有感知对立的模型——并不像心理学家想象的那样僵化和硬连线。诸如我们的竞争模型之类的软连线机制可能是充分理解大脑如何处理对立色所必需的。
稳定几何幻觉的实验表明，尽管这些幻觉具有奇异的外观，但它们的行为却惊人地类似于涉及颜色的熟悉视觉效果。几何对立性的神经性质也非常有趣。对立模式涉及视觉皮层中垂直条纹的兴奋神经元——这个特征可能是神经连线如何产生对立性的线索吗？为了回答这个问题和其他问题，研究人员将不得不提出新的方法来将视觉系统推向其崩溃点及以上。
注意：这个故事最初以标题“看到禁色”印刷