“看”也需要练习吗
迈克·梅(Mike May)三岁半时失去了视力。化学爆炸弄伤了他的眼角膜,使他的眼睛接触不到光子。他是个盲人,但在生意上取得了成功,还依靠声音标记来识别斜坡,成为残奥会的滑雪冠军。
在失明40多年后,迈克听说有一种开拓性的干细胞治疗法,可以修复眼睛的物理损伤。他决定接受手术,毕竟,他失明是因为角膜受损,而解决方案一目了然。
但意料之外的事发生了。他手边的摄像机记录下了他的眼睛解开绷带的那一刻。医生剥开纱布时,迈克描述了自己的体验:“光呼啸而来,影像轰炸着我的眼睛。突然之间,视觉信息的洪水开闸了。真是势不可当。”
感觉传导
听觉
触觉
味觉
嗅觉
视觉
人们通过生物学研究已经发现了许多把外部世界的信息转化成电化学信号的方法。这里只列举几种你自己就拥有的“翻译机”:内耳的毛细胞,皮肤上的若干种触觉感受器,舌头上的味蕾,嗅球里的分子受体,眼睛后部的光感受器。
将环境信号转换成由大脑细胞携带的电信号,这是大脑接触身体外部世界信息的第一步。眼睛将光子转换成电信号。内耳的机制把空气密度振动转换成电信号。皮肤上和身体内的受体把压力、伸展、温度和有害化学物质转换成电信号。鼻子转换漂浮的气味分子,舌头转换味道分子。在一座有着来自世界各地的游客的城市,外国货币必须先转换成通用货币,才能进行有意义的交易。大脑里的情况也是一样的。它基本上就是一座大都会,欢迎来自不同地方的旅客。
神经科学里有一个叫作“结合问题”的未解之谜:既然视觉信息在大脑的一个区域处理,听觉信息在一个区域处理,触觉信息在另一个区域处理,那么,大脑是怎样产生出单一统合的世界景象的呢?虽然这个问题现在仍然没能解决,但答案的核心一定在于神经元之间的“通用货币”,以及它们庞大的互联互动。
迈克获得了新角膜,能正常地接收和聚集光线。但他的大脑无法理解接收到的信息。在摄像机里,迈克看着自己的孩子,冲他们微笑。但内心里,他吓呆了,因为他无法判断他们长什么样,或者哪个孩子是哪个。
“我根本无法识别面孔。”他回忆说。
从手术的角度看,移植非常成功。但从迈克的角度看,他所体验到的东西不能叫视力。他概括道:“我的大脑就要爆炸了。”
在医生和家人的帮助下,迈克走出观察室,走出走廊,把目光投向地毯、墙上的照片、门廊。所有的这一切,他都无法理解。他坐进回家的车,眼睛盯着汽车、建筑、嗖嗖走过的路人,他想要理解自己看到的事情,却劳而无功。在高速公路上,他蜷缩起来,因为在他看来车似乎要撞到眼前的一块巨大矩形上。结果,那是高速公路的标识牌,他们从标识牌的下边通过了。他对物体没有概念,也没有深度感。事实上,手术之后,迈克发现滑雪比他失明时还困难。由于无法感知深度,他一时之间难以判断人、树、阴影和洞孔之间的区别。对他而言,它们全都是雪地上的深色物体。
麦克的经历带来的教训是,视觉系统并不像摄像头。“看”并不像是取下镜头盖那么简单。要想得到视觉,你不光需要一对能正常运作的眼睛。
就麦克而言,失明40年意味着,他的视觉系统区域,也就是我们通常所称的视觉皮质,已经被听觉和触觉等其余感官接管了。这影响了他大脑整合所有所需信号来构建视觉的能力。如我们所见,视觉来自数十亿个神经元合作演奏的一支复杂的交响曲。
如今,接受手术已经15年了,迈克仍然难以阅读书面文字、识别人脸上的表情。如果他需要更好地理解自己不甚完美的视觉感知,他会用自己的其他感官来交叉校验信息:触摸、掂量、倾听。当我们年纪很小,大脑刚开始理解世界的时候,也会进行这种感官之间的交叉比较。
婴儿伸手触摸眼前之物,不仅是为了了解纹理和形状。这些行动对学习怎样看必不可少。视觉发育竟然也需要身体的运动,这个概念虽然听起来有点奇怪,让人想象不到,但早在1963年,人们就利用两只猫对此做了清楚的演示。
麻省理工学院的两位研究员,理查德·赫尔德(RichardHeld)和艾伦·海因(Alan Hein)把两只小猫放进了一个圆筒内,圆筒内壁上画着竖条纹。两只小猫都在圆筒内部绕圈运动,由此得到了视觉输入。但它们的体验中存在一点关键的区别:第一只小猫是自己走的;第二只小猫则被放在与柱体中心轴相连的小盒子里。按照这种设置条件,两只小猫看到的东西完全相同:竖条纹跟自己同时运动,且速度相同。如果视觉仅是光子击中了眼睛,那么,它们的视觉系统应该发育相同。但结果令人惊讶:只有靠自己身体运动的小猫发育出了正常的视力。坐在小盒子里的小猫始终没能学会怎样正常地看:它的视觉系统未能正常发育。
圆筒内壁有竖条纹,一只小猫自己走,另一只由小车载着走。两只小猫得到的视觉输入完全相同,但只有那只自己走的小猫,也就是能将自己的运动与视觉输入变化相匹配的那一只,学会了正常地看。
视觉并不仅仅是视觉皮质方便快捷地对光子做出了阐释。相反,它是一种全身体验。只有经过训练,进入大脑的信号才能被理解,这就需要交叉参照我们的活动和感觉输入提供的信息。只有这样,大脑才得以阐释视觉数据真正的含义。
如果你一出生就无法通过任何方式跟世界互动,不能通过外部反馈梳理感官信息的含义,那么从理论上说,你就永远不具备“看”的能力。婴儿碰到婴儿床的栏杆,咬自己的脚趾,拿着积木玩,他们不单单是在探索,也是在训练自己的视觉系统。他们那置身于黑暗当中的大脑正在学习对外部世界发出的行为(如转动脑袋、推动这个、放开那个等)是怎样改变返回的感官输入的。在大范围的尝试之中,视觉得到了训练。
“看”似乎是个毫不费力的行为,这让我们很难理解大脑为了构建它投入了多大的努力。为了稍许揭秘这个过程,我飞到了加利福尼亚州的欧文市,以看看如果我的视觉系统未能接收到预期信号,会是什么样的情形。
加利福尼亚大学的阿莉莎·布鲁尔(Alyssa Brewer)很想了解大脑的适应能力。为此,她给受试者戴上了将世界左右颠倒的棱镜双目镜,研究他们的视觉系统会怎么应对。
在一个美丽的春日,我戴上了棱镜双目镜,世界就翻转了——本来在右边的东西,出现在了我的左边,左边的东西则出现在了右边。当我判断阿莉莎站在哪儿的时候,视觉系统告诉我一个位置,听觉系统却告诉我另一个位置。我的感觉不再匹配。当我伸手去拿东西,我看到自己手的位置,跟肌肉告诉我的不一样。戴了两分钟棱镜双目镜之后,我汗流浃背,头晕目眩。
棱镜双目镜翻转了视觉世界,使如倒饮料、抓物体、不碰到门框穿过一道门等简单的任务一下变得极其困难。
尽管我的眼睛照常发挥着作用,接收着来自外部世界的信息,可这些视觉数据跟其他数据并不吻合。这给我的大脑带来了艰巨的工作负担,就好像我正在从头学习怎样“看”一样。
不过,我也知道,戴着棱镜双目镜看世界不会一直这么艰难。另一位参与者布赖恩·巴顿(BrianBarton)同样戴着棱镜双目镜,而且戴了整整一个星期。布赖恩似乎并不像我一样濒临呕吐边缘。为比较我们的适应程度,我邀请他参加烘焙比赛。比赛要求我们把鸡蛋打进碗里,倒入杯糕原料里搅匀,接着把面糊倒进蛋糕模具,再把模具放进烤箱。
我俩的竞争,压根不叫比赛:拿出烤箱时,布赖恩的蛋糕看起来很正常,而我的面糊不是黏在台面上,就是倒在了烤盘各处。布赖恩可以不怎么费力地在他的世界里穿梭,我却变成了一个废物,做每一个动作都要费尽心思。
戴上棱镜双目镜,让我体验到了平常隐藏在视觉处理过程背后的努力。那天早些时候,戴上棱镜双目镜之前,我的大脑能够利用它多年来的经验应对世界。但仅仅翻转了一种感官输入,它就没辙了。
为进步到布赖恩的熟练程度,我知道自己还需要再这样跟世界多互动几天:伸出手去拿物体,顺着声音的方向走,关注自己四肢的位置。等完成足够多的练习,在感官之间持续的交叉参照之下,我的大脑就能得到充分训练,在过去的7天,布赖恩的大脑就是如此。通过训练,我的神经网络会弄清楚不同的数据该怎样跟其他数据匹配起来并进入大脑。
布鲁尔报告说,戴几天棱镜双目镜,人们就能培养起一种新的内在左右感,知道如何区分新的左边和旧的左边,新的右边和旧的右边。戴一个星期,他们可以像布赖恩那样正常行动,同时丧失对新旧左右的概念。他们的世界空间地图改变了。戴上两个星期,他们可以流利地读写、走路、伸手拿东西,就跟没戴棱镜双目镜的人一样。在这短短的一段时间内,他们驾驭了颠倒的视觉输入。
大脑并不真正关心输入的细节,它只专注于弄清楚该怎样最有效地在世界里行动,得到它需要的东西。处理低水平信号的一切辛苦工作,大脑都帮你做好了。如果你有机会戴戴棱镜双目镜,不妨试试看。它揭示了大脑要付出多大的努力,才能看似毫不费力地生成视觉。