大脑如何处理图像

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点

无论我们身处何方，在哪里长大，或者早餐吃了什么，我们的大脑处理信息的方式与世界上其他人几乎相同。这很有道理——我们的基因组有 99.6-99.9% 是相同的，这使得我们的大脑也几乎相同。看风景或城市景观，您的大脑中发生的计算与来自其他背景或国家的人的大脑中发生的计算是相似的。

想想我最近在中国张家界国家森林公园的漫步，这里是詹姆斯·卡梅隆的《阿凡达》的灵感来源。我们进入公园的第一步是在百龙电梯中上升1070英尺，这是世界上最高的户外电梯。拥挤的车厢里挤满了来自日本、印度、中国、美国和韩国的游客。

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无论我们来自哪里，武陵源的景观都没有让我们失望：高耸的红色和绿色岩层冲向天空，仿佛在反抗重力。当我们的大脑皮层兴奋地工作时，惊叹和敬畏是我们共同的语言。

大约 3000 根石英砂岩柱，具有不寻常的红色和绿色对比，使我们的视觉中心着迷，吸引了我们的注意力。

大脑最早的视觉处理中心之一 V1 位于我们头部的后部中间。 V1 识别简单的形式，例如对比强度的垂直、水平和对角边缘或线条。 看一条垂直线，对垂直线敏感的神经元会更快地放电； 看一条水平线，我们的水平神经元就会嗡嗡作响。

下游的视觉中心（方便地称为 V2、V3、V4）将这些基本的视觉形式编织在一起，以创建视觉图景的开端。 组装了更复杂的形状，如正方形和圆形； 运动和颜色被添加到画面中。

视觉信息的内容（例如，线条的密度和方向）决定了视觉刺激抓住我们注意力的程度。研究表明，例如，高密度的线条会以所谓的自下而上的定向方式抓住我们的注意力。

大脑的定向网络从我们看到、听到和触摸到的东西中选择重要的、与行为相关的信息。想象一下在凉爽的夜晚走在上海的外滩。当我们凝视着浦东新区发光的摩天大楼时，我们选择将注意力从一栋摩天大楼转移到另一栋摩天大楼。这称为目标导向或自上而下的定向。

将这种有意识的注意力转移与反射性的、几乎是被迫的注意力转移进行对比，当凝视天际线时，一辆摩托车出租车鸣笛，要求我们承认挡了他的路。这称为刺激驱动或自下而上的定向。

具有繁忙、纵横交错线条的视觉场景通过吸引刺激驱动的定向网络来抓住并保持我们的注意力——这些线条神经元的放电速度足够快，可以收集他们的一片意识。 明亮、大胆或对比鲜明的颜色也会产生同样的效果。

高耸的垂直线条和超凡脱俗的荧光灯的结合是外滩夜间魅力的实质，吸引了全球各地的游客——游客们报以赞许的微笑或若有所思的目光。

白天，上海的M50艺术区也值得关注。其中一位艺术家司马青似乎特别关注线条。

无论是他画的在风中飘动的树木、“迷失”的废弃建筑物，还是沼泽中的芦苇（他还在其中隐藏了一个长方体），他的作品都强烈地以几何形状和线条为特色。 在一些作品中，他用线条的影子戏弄你，迫使你的大脑随意将它们拼凑在一起。

在过去的 12 年里，司马青反复描绘了上海最具戏剧性的线条建筑展示：金茂大厦。 金茂大厦于 1999 年竣工，在外层纵横交错的铝管骨架中捕捉了传统的中国建筑和现代设计。在它的一系列画作中，司马青详细描述了金茂大厦近 1380 英尺的令人兴奋的线条。

当我问司马青如何计划每个项目时，他告诉我，在每幅画作之前，他都会在塔楼外标出位置并拍一张照片作为参考。 他最喜欢的角度是从一个面大约 45 度角的位置。

“这个角度非常重要。 我拍照片是为了保持我的视角。 我非常小心，就像科学家一样，”他笑着告诉我，“但我凭眼、凭感觉、凭经验来做。我使用照片来减少细节，以专注于我的线条并赋予我视角。 去掉一些细节可以让我表达情感，使其更加抽象。”

司马青的技巧是模糊上边缘，并将塔楼设置在强烈的纯蓝色、黄色或红色背景中，从而唤起敬畏、动荡和激情。 通过减少细节并添加一丝非典型的颜色，司马青取得了他的目标。

站在司马青的半地下工作室里，我在想，感知行为，从不完整的信息中进行推断是否构成了情感的实质，情感网络是否真的是外推或推理回路，是进化为修补处理而提供的快速解决方案。 事实上，虽然线条的组合是强大的注意力捕捉器，但那些不祥或在情感上具有挑衅性的场景才是最有效的诱惑。

司马青选择的纯色、浓烈的颜色与密集的线条组合让我着迷。 在百度翻译应用程序的帮助下，我们讨论了约翰霍普金斯大学神经科学家对视觉注意力的经典研究。研究人员想知道颜色、强度（平均 RGB 亮度）和线条方向等图像特征是否会影响自下而上的注意力。他们使用眼动追踪任务来测量每个特征吸引参与者眼睛的程度，并发现，在城市景观中，颜色强度和线条方向在吸引参与者大脑注意力方面最重要。

“很酷吧？” 我说。 我们笑着说，司马青的画在很大程度上是一个神经科学实验。

司马青指着他的头回答说：“大脑一样。”

关于注意力的延伸阅读

巴伦 DS，卡斯特利亚诺斯 FX（印刷中）。 “注意力网络”。 在：Pfaff DW, Volkow N, Calderon DP（编辑）《21 世纪的神经科学》第 2 版。施普林格出版社。关于神经科学家如何研究注意力系统以及为什么将注意力分为定向、警觉和执行网络的入门读物。 还强调了病变缺陷、行为和神经影像数据可以告诉我们关于大脑的什么以及如何。

Corbetta, M., & Shulman, G. L. (2011)。 空间忽视和注意力网络。 《神经科学年度评论》，34, 569–599。doi:10.1146/annurev-neuro-061010-113731。对注意力网络及其如何与中风的影响相关的深入且高度可读的评论。

Petersen, S. E., & Posner, M. I. (2012)。 人脑的注意力系统：20 年后。《神经科学年度评论》，35(1), 73–89。doi:10.1146/annurev-neuro-062111-150525。对大脑注意力系统的更深入的评论，重点是最新的研究。