|
薛定饿了么（ID：xuedingeleme） 扩展猫粮 当我们看到世界时，眼睛发生了什么？界时，眼睛发当我们看当我们看到世界时，眼 “诸位的眼睛，可以观赏你们喜爱的任何一幕戏。而我不知道，到底会有多少人在观看一幕戏、一场电影或任何一个场面时，意识到让你们可以享受到色彩、美景与动感的视觉是个奇迹，并对此抱有感激之情呢？” ——《假如给我三天光明》 [美国] 海伦·凯勒 视觉是我们与外部世界互动最重要的通道。相比于其他感觉（味觉、触觉等），视觉提供的信息是最丰富的。但是正如海伦·凯勒这段文字所表达的那样，我们对于这种丰富的视觉体验已经习以为常，就像呼吸一样的简单自然。你有没有想过，为什么人眼就能看到丰富多彩的世界？为什么蓝藻这样的原核生物，对外界就没有那么复杂的感知？ 其实古希腊时期的人类就想过这个问题。当时的哲学家柏拉图和数学家毕达哥拉斯、欧几里得提出了一个“发射说”。他们认为我们能看见物体，是因为我们的眼睛能发射某种火光或射线，到达物体后产生了某种可以被眼睛感知的信号，之后反射回到我们的眼睛，让我们的眼睛感知到这些物体。 这个理论听着虽然炫酷，但是经不起推敲。就比如说，在黑暗中人眼可是什么都看不清的，并不能通过主动发光将黑暗中的物体照亮。而且如果人眼真的能主动发光、发出火焰，那么一大群人盯着你看的时候，你岂不是要被群众的眼睛烤死了？ 后来，人们通过人体和动物解剖，知道眼睛的前方有一块圆圆的、像放大镜一样中间厚周围薄的透明物质——晶状体。 1644 年，法国哲学家笛卡尔在《哲学原理》一书提出了他想象的眼睛光学模型：光线进入眼睛，被放大镜（晶状体）折射和聚焦后，在眼睛背后的小荧幕（视网膜）上呈现一副倒立的、缩小的、但却完整无缺的图像，从而被人脑感觉到。 这个模型尽管接近真实，但是没有回答一个基本的问题，也就是小荧幕（视网膜）上的那幅图像是怎么被人脑“感知”到的。 发现了视网膜上的神秘物质！ 我们知道，视网膜也和人体的其他器官一样，是由许多细胞组成的，那么问题就变成了这些组成视网膜的细胞是如何“知道”光线的存在的呢? 1877 年，一位体弱多病的年轻德国科学家弗朗兹·鲍尔发现，新鲜解剖出来的青蛙视网膜是鲜艳的红色，在日光放一段时间就会褪色，但是如果把已经褪色的视网膜在黑暗中放一段时间，它又会重新变成红色。 鲍尔猜想，视网膜里一定有一种会变色的物质，它能随着光照而褪色，也能在黑暗中变红，这种物质也许就是我们身体里的“光线接收器”，当它从红色变成无色时，我们就知道“光来了”。 可惜的是，体弱多病的鲍尔还没来得及对这个发现进行进一步探索，就不幸英年早逝。鲍尔去世之后，另一位德国科学家威利·库恩尼在此基础上继续研究，终于有了可喜的新进展（鲍尔的在天之灵，也能感到安慰了吧。）！ 这个新进展就是：库恩尼从青蛙视网膜中把这种“变色物质”成功提取出来了，这种物质在接受光照时会发生一种化学反应，不但会产生颜色的变化，还会产生微弱但清晰的电流！库恩尼将这种变色物质命名为视紫质。就这样，外界的光信号，就以视紫质为“中介”，变成了一种能被大脑感知的电信号。 鲍尔和库恩尼发现了人眼感光的原理，但是从“知道有光”到“看见东西”，还有非常遥远的距离。毕竟，蓝藻和草履虫这种单细胞生物同样是有感光能力的，而人这种高等动物的视觉系统可没有这么简单，我们不但要“知道有光”，还要能看到这大千世界的多姿多彩，了解天敌的模样和方位，辨别前进的道路，阅读文字……这样才能作为智慧生物生存下来。 那么，人脑和视网膜是如何强强联合，办到这一切的呢？ 虐猫搭档的“意外收获” 出生于 20 世纪初的视网膜研究大师斯蒂芬·库福勒关于视网膜上的细胞有一个特别重要的发现，每一个视网膜感光细胞，都只对特定位置的光有反应。换句话说，就是每个视网膜细胞的感光反应，不但包含了“是否有光”这个信息，还已经自动知道了光线的“坐标”。 那么我们的视网膜上就像有无数个草履虫细胞一样，每个细胞都能检测光线是否存在以及光线来自哪里，那么收获了无数个这样的信息之后，大脑是怎么将它们“总结”出一幅幅生动的图画的呢？ 库福勒把这个艰巨的研究课题交给了他的两个得意门生——也就是我们视频里的两位男主角——大卫·休伯和图斯坦·威瑟。这对日后获得了诺贝尔奖的黄金搭档，把“毒手”伸向了猫的大脑。 话说，猫猫辣么可爱，为什么要拿猫猫做实验呢？ 这是因为猫具有极敏感的神经系统，是脑神经生理学研究的绝好实验动物啊！ 他们的研究思路是这样的：既然导师库福勒已经研究出：每一个视网膜感光细胞都只对特定位置的光有反应。以此类推，位于大脑内的各种视觉细胞，应该也是在处理不同位置的光信号时存在类似的一一对应关系吧…… 于是他们一边用一台幻灯机，在猫的面前展示各种不同形状和不同位置的光斑，一边把微型电极在猫的大脑里各种扎来扎去，企图找出能对光信号产生反应的脑细胞——这个工作并不简单，大脑中的细胞数量算得上是天文数字了，而且绝大多数的脑细胞功能也不是处理视觉信号的，能扎到一个对光信号有反应的细胞可以说是大海捞针。 当然，功夫不负有心人，他们总算扎到了一些对幻灯机上的光斑有反应的脑细胞，他们对这些“目标细胞”如获至宝，抓着它们继续找寻规律，比如变化光斑位置和强弱，看看这些细胞有没有新的反应。可惜这些脑细胞根本毫无反应或反应很弱，让研究毫无进展。 这两个人也是很抓狂，心想坑爹么这不是，你们这些装神秘的视觉细胞！我拿各种光斑变着花样给你看，你们倒是给点反应啊！ 事情终于有了进展，有一天，他们在对猫的一个脑细胞展示幻灯片时，原本死气沉沉的脑细胞，居然噼里啪啦地产生了强烈的电信号！宛如早上七点睡眼朦胧赖床不起的你，听到女朋友说要看看你的手机一样，瞬间变得兴奋又暴躁。 两位科学家赶紧一探究竟，原来，是因为刚刚插入幻灯片时操作不当，幻灯片和卡槽之前出现了一道细细的光条。而这个光条，就是猫的脑细胞突然兴奋的原因！ 原来，大脑细胞并不像视网膜细胞那样，会对某个特定点的光信号而兴奋，它们的工作是在同时接受到一组视网膜细胞传来的光信号以后，对这些信息进行处理和整合，然后将它们“理解”成一个有意义的图案。就是为什么猫的脑细胞对幻灯机上的光斑光点无感，却对“光条”这种特定形状产生了反应。 你可以换个角度感受一下这件事，让你单独看这几个字母，“m”、“o”、“n”、“e”、“y”，每个字母你都认识。他们作为独立字母存在时，似乎毫无意义。但当这几个平平无奇的字母放在一起，变成了一个熟悉的单词，你脑中立刻就对这个词产生了反应。 休伯和威瑟给猫看光斑的做法，就相当于给你看单独的字母一般，大脑会觉得压根没什么卵用。 从“要有光”到“看到世界” 休伯和威瑟的这个发现，让他们获得了 1981 年的诺贝尔医学生理学奖。人们从而意识到大脑在处理视觉信息时的工作过程，或许是一个不断迭代、不断抽象的过程。 这个发现不但在当年成为生理学研究的一座里程碑，也为当今的计算机人工智能技术带来了很多灵感。 对于人脑来说，光点是没有意义的，但人脑可以把这些点连接成边缘，边缘相对点来说就变成了相对有意义的概念；边缘进而形成球形，球形然后到气球，又是一个抽象的过程，大脑最终就知道看到的是一个气球。 就这样，仅仅能够感受光点的视网膜细胞，最终在大脑中构造出一个充满各种信息量的视觉世界。别看我们睁开眼睛看到世界的过程连 0.01 秒都不到。大脑可是在这么短的时间内进行了一层一层的认知迭代呢。 如果要用机器模拟人脑，我们就要用计算机对这个抽象和迭代的过程进行建模，把信息从最细琐的像素级别，不断抽象迭代出一个人类可以理解的概念。如果机器的深度学习真的可以准确还原这个过程，那么人工智能在进行视觉信息处理时，就有希望媲美真正的人脑了吧。
一个视错觉的经典例子：在图中，正方形的轮廓线并没有被直接描画出来，但是人眼能够立刻从背景中识别出一个白色的正方形形状。这个例子说明，视觉信息的处理绝非简单的感受物体发射或者反射的“光线”，而是存在复杂的后期信号处理，从而产生了原本并不存在的视觉“信息” 了解了视觉的工作原理，我们还可以猜测，在听觉和嗅觉的世界里，是不是也和视觉信息整理的原理类似？我们还可以更大胆地猜测，宇宙中是不是还存在其他的感知维度？那些人类大脑无法获取和利用的信息，也许能够被其他“有接收器”的生物所利用，产生人类无法想象的美妙体验。 在那些生物眼中，我们人类大概就是“对牛弹琴”这个成语中的“牛”吧。 ........................... 这期的视频和猫粮参考自王立铭老师的科普书籍《生命是什么》。 来源：薛定饿了么 |
|
|
