一边刷手机,综合视觉感知的节奏性脑活动

原标题:一边工作,一边刷手机?别太自责了,这其实是一种进化优势

作者:文/虞子期

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俗话说,专注带来成功。但事实上,研究人员发现,注意力更像是明暗不定的聚光灯,而不是始终如一的激光束。

众所周知,我们的一切行为都由大脑进行支配,但是,你可知视错觉和大脑活动的规律波动之间存在怎样的关系,以及这些视觉特征又是如何在大脑的整合下成为了可能?平日里那些看到或看不到的、曾在我们眼前闪现的复杂图像,都是通过大脑活动的节奏波实现的。当这些图像在我们眼前闪烁的时候,并且已经同时成为了脑波的低点闪烁,这个图像于我们而言几乎是不可见的状态。但我们可以选择合适的时候按下按钮,通过简单的自愿动作重置脑波节奏。

科学家们进行了一项强有力的实验,表明人类的脑电波会对地球磁场的变化做出反应。据加州理工学院和东京大学的科学家称,许多人能够无意识地探测到地球磁场的变化。

这项针对人类和猕猴的研究显示,我们的专注力是爆发式的,而非连续的。例如,你似乎在专心阅读本文,但实际上,你的注意力每秒钟都会在集中与不集中之间过渡四次。

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这项研究由加州理工学院的地球科学家Joseph Kirschvink (BS, MS '75)和神经科学家Shin Shimojo以及东京大学的神经工程师Ayu Matani领导,提供了实验证据,证明人类的脑电波对地球磁场的控制变化有反应。Kirschvink和Shimojo说这是人类新感知的第一个具体证据:磁接收。

这项研究由普林斯顿大学和加州大学伯克利分校的科学家联合开展,研究结果发表在《神经元》杂志上。研究人员发现,在注意力爆发的间隙,我们其实处于分心状态。在分心期间,大脑会暂停手头工作,检查周围环境,看看在注意力的主焦点之外,有没有什么东西可能更加重要。如果没有,大脑会重新聚焦于你正在做的事。

综合视觉感知的节奏性脑活动

有人问:“许多动物都有磁感受器,那么我们为什么没有呢?”例如,蜜蜂、鲑鱼、海龟、鸟类、鲸鱼和蝙蝠利用地磁场来帮助它们导航,狗也可以通过训练来定位埋在地下的磁铁。长期以来,人们一直认为人类可能具有类似的能力。然而,尽管在80年代有大量的研究试图对它进行测试,但它从未得到最终的证明。地球生物学教授Kirschvink说“亚里士多德将五种基本感觉描述为包括视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉,然而,他没有考虑重力、温度、疼痛、平衡以及其他一些我们现在知道是人类神经系统一部分的内部刺激。我们的动物祖先认为,地磁传感器也应该在那里,而不是代表第六感,但可能是第10或第11人类的感觉被发现。”

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在着名的东京大学,有相关研究人员进行了视觉感知测试实验,准备了四张有意思的图像,而这些图像中的任何两个,都会在屏幕上短暂闪烁,观众必须识别光强度和图像的方向。但是,就在志愿者按下按钮开始测试之后,图像便出现一些让测试者不曾预测到的感受。

为了确定人类是否能感知磁场,Kirschvink和Shimojo建立了一个隔离的射频屏蔽室,让参与者静坐一个小时,完全黑暗。在这段时间里,他们通过放置在受试者头部64个位置的电极,无声地改变了房间周围的磁场,测量了受试者的脑电波。这项测试由34名来自不同种族、不同年龄的人参与。在一个特定的实验过程中,参与者有意识地体验到没有什么比独自坐在黑暗中更有趣的了。然而,在许多参与者中,他们脑电波的变化与周围磁场的变化有关。具体地说,研究人员跟踪了大脑中的阿尔法节律,它发生在8到13赫兹之间,是一种衡量大脑是处于忙碌状态,还是处于休息或“自动驾驶”模式。当人的大脑处于空闲状态时,阿尔法能量就会很高。当某物有意识或无意识地引起它的注意时,它的阿尔法能力就会下降。其他几种感官刺激,如视觉、听觉和触觉,已知会在刺激后的最初几秒钟内引起阿尔法波振幅的突然下降。

“大脑无法同时处理周围环境中的所有状况。”普林斯顿大学神经科学研究所副研究员、上述论文的合著者伊安·菲贝尔科恩(Ian Fiebelkorn)说,“于是,大脑发展出了过滤程序,在专注于某些信息的同时,忽略掉其他信息。”

新的研究结果来自通过视错觉来理解人类视觉的科学专家们,其实,人类的视力涉及到的不止眼睛,还有大脑中的活动。我们可以通过自己复杂的视觉系统,通过技巧将任何部分都形成视错觉。Isamu Motoyoshi是东京大学的副教授,也是研究人员之一,他表示:这是第一个记录,首次实现了综合视觉感知的节奏性大脑活动。

实验表明,在一些参与者中,阿尔法能量在磁场刺激后立即开始从基线水平下降,在几百毫秒的时间里下降了60%,然后在刺激几秒钟后恢复到基线水平。Gertrude Baltimore实验心理学教授、加州理工大学天桥和Chrissy Chen神经科学研究所的附属教授Shimojo说:“这是一个经典的、经过充分研究的对感官输入的脑电波反应,被称为事件相关的去同步化,或阿尔法- erd。”

我们之所以意识不到那些间隙,是因为大脑欺骗了我们,让我们对现实的感知如同连续播放的电影。“这是一项重要发现,让我们想到了以往的争论,即感知是否是连续性的。”普林斯顿大学神经科学研究所的心理学教授、这项研究的负责人萨宾·卡斯特纳(Sabine Kastner)说,“我们感知周围环境的方式似乎是连续的。但我们的发现表明,这只是主观感受。其实,我们的感知会有节律性的变化。”

图片 4大脑背景扫描如何帮助集中注意力" style="width:60%;margin:1rem auto">

测试进一步显示,大脑似乎在积极处理磁性信息,并拒绝“非自然”的信号。例如,当磁场的垂直分量在实验中稳步向上时,脑电波没有相应的变化。由于磁场通常指向北半球,大脑似乎忽略了明显“错误”的信号。Kirschvink认为,该研究的这一组成部分可以通过在南半球复制该实验得到验证,而南半球的模式应该正好相反。

100多年前,普鲁士精神病学家汉斯·伯格(Hans Berger)曾经发现了这种大脑节律的存在。贝格尔从军期间,收到妹妹的一封信,说梦见他从马上跌落,摔断了腿。结果事情真的发生了。

{"type":1,"value":"当我们对某个事物集中注意的时候,实际上是因为我们的视觉和脑电路执行了常规背景扫描,从而使得神经元可用并专注。正是这样的定期视觉扫描为大脑提供了一个基线,而后转化成了必要的运动、又或是运动行为。简而言之,这种扫描功能可以解释:为何在开车时我们能够具有突然做出反应的心理能力。因为这种背景扫描活动可以释放认知功能,一旦有人走在车前的情况发生,我们神经元就会专注于新的行动。

“阿尔法- erd是一种强大的神经信号,用于感知和由此引起的注意力转移。事实上,我们看到它是对简单的磁旋转的反应,就像我们转动或摇头时所经历的一样,这是人类接受磁的有力证据。在人类进化和现代生活影响方面,我们发现的巨大个体差异也很有趣,”Shimojo说。“至于下一步,我们应该试着把它变成有意识的意识。”

伯格认为这是心灵感应,于是匆匆赶往实验室开始做实验。他发明了脑电图,直接从头皮记录脑电活动。第一幅脑电图显示,脑电波的模式的确具有节律性。虽然科学家知道节律反映了大脑内部的电脉冲,但他们仍不清楚引起节律的原因究竟是什么。

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早期测试人类磁接收能力的挑战之一是,很难确保这些脑电波的变化确实与磁场有关,而不是与其他混淆效应有关。例如,如果线圈产生的磁场在房间周围产生了可听到的嗡嗡声,这可能足以触发参与者的阿尔法功率的变化。

如今,普林斯顿大学神经科学研究所的研究首次证明,这些节律对应着大脑两种不同状态之间的交替。一种状态是专注,另一种状态是分心。在脑电波的波峰,我们的知觉敏感度处于最低水平,而在脑电波的波谷,我们的专注力处于最高水平,此时我们处理环境信息并作出反应的能力最强。

就大脑的功能而言,节奏是其中很重要的一个方面。为了更好地理解和这种注意力扫描相关的大脑节律,科学家们对被训练猴子的视觉关联皮层中的许多脑细胞活动进行了记录,更由此发现:猴子的反应时间是按照θ的节奏来检测目标,这与人类在这些任务中所显示的相同。科学家表示,相信激发和抑制的这种平衡意味着,如果大脑需要对环境的变化做出反应,那么就有神经元存在。当神经元在一起交替进行工作,当其中一个神经元变得兴奋时,它的邻居就不会那么活跃了。

为了解决这些问题,本研究中使用的腔体不仅是漆黑和隔离的,用来改变磁场的铜线也被包裹起来并粘接在一起:每个线圈都有一对电线,而不是一条单线。当电流以相同的方向通过这些导线对时,室中的磁场就会改变。然而,电流以相反的方向通过成对的导线会抵消它们的磁场,同时产生相同的电加热和机械伪影。计算机完全控制实验并记录数据。结果自动处理与交钥匙计算机脚本,没有主观步骤。通过这种方式,研究小组能够证明,人类的大脑确实会对磁场做出反应,而不仅仅是线圈本身的能量。

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与θ节律相似的Gabor模式错觉

“我们的研究结果排除了电磁感应和磁感的‘量子罗盘’假说,”Kirschvink说,并指出了解释磁接收机制的两种可能性。Kirschvink认为,这一结果表明生物磁铁矿是人类接受磁场的感觉剂。1962年,海因茨·a·洛温斯坦(Heinz a . Lowenstam)发现,一种天然的磁性矿物——磁铁矿存在于软体动物的牙齿中。从那时起,人们发现生物磁铁矿存在于从细菌到人类的各种生物体中,并与其中许多生物体的地磁感觉有关。Kirschvink希望这项研究能为其他有兴趣复制和扩展这项研究的研究人员提供一个路线图。“鉴于已知的高度进化的地磁导航系统存在于动物王国的各个物种中,我们可能会保留至少一些功能正常的神经元件,这或许并不令人惊讶,尤其是考虑到我们并不遥远的祖先的游牧狩猎采集生活方式。”这种遗传的全部范围还有待发现,”他说。

“我们的发现具有突破性意义,因为它们提供了大脑节律与行为结果息息相关的确凿证据。”卡斯特纳说。

Motoyoshi和他的同事们,近期一直在研究Gabor模式错觉的相关内容,经过一段时间的观察,他们发现其中有一个平滑移动的圆圈,似乎会跳过屏幕。早在之前的研究中,科学家们就发现注意力每秒的波动区间是在6到8次,并将其称为θ节律。简而言之,不管幻觉的实际速度是多少,观众都以相对恒定的节奏看到跳跃,而视错觉中的跳跃的节奏,正好跟注意力相关的脑电波的θ节律具有很高的相似性情况。

那么,大脑为什么要让我们经历如此快速的注意力脉冲?研究人员认为,这相当于一种进化优势。菲贝尔科恩说,“以前的生存环境更加危险,你必须时刻保持警惕,始终留意周围是否有猛兽出没。”

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而在现代生活中,大脑的这种特点可以让我们在过马路时,意识到有车辆靠近。从这个意义上来说,不管是以前还是现在,聚光灯般的注意力都对我们的生存至关重要。

在这些测试中,参与者的theta节律脑电波通过EEG测量(概念性地用橙色线表示),同时在他们的眼睛之前闪现图像,他们看到的图像则更有可能被正确地报告。如果图像在他们的注意力脑波的高点同时闪烁,在相似的时间发生脑波的高点和正确的答案,这是科学家们想要更详细地研究注意力和视觉感知的节奏。

不止是人类拥有这样的特征。对猕猴的研究得出了几乎完全一致的发现,这说明,其他很多动物的注意力也许都存在这种节律模式。

在整个实验过程中,参与者被要求在自己准备好了之后,再按下开始按钮。当在一个难以预测的等待时间之后,会有两个图像在计算机屏幕上一个接一个的快速闪烁,然后参与者将自己看到的图像汇报出来。参与者需要同时识别出图像左边或右边对角线的方向,还需要识别白色或黑色的光强度。科学家表示,这看似简单的一个小测试,同时也是一项高认知负荷任务。

卡斯特纳认为,这项研究的结果或许还有助于治疗注意力缺陷多动症(ADHD)患者。她推测,大脑节律和注意力相关疾病之间也许存在关联。

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“正常的大脑会在专注和分心这两个状态之间交替,但不管是专注型ADHD还是分心型ADHD,这两个状态之间不会产生交集。”她说,“原因可能是因为,受到ADHD影响的大脑不能在两种注意力状态之间保持平衡,而是陷入其中一种状态无法自拔。”

视觉系统如何保持对相关物体的注意

虽然ADHD药物的具体疗效机制尚不清楚,但此类药物或许有利于平衡大脑节律。卡斯特纳说,这项研究开启了一扇大门,今后也许可以利用非常简单的节律疗法,来重新训练ADHD患者的大脑。

人们经常关注视觉场景中的一些重要物体,即使在进行眼睛运动以监视周围环境时也是如此。就像移动相机显示器内物体的位置一样,每个眼球运动都会移动视网膜上的视觉场景。光线进入眼睛并落在视网膜上。在那里,它被转换成神经活动,由大脑解释以提供视觉感受。同时,他们也对场景的重要部分保持关注。

菲贝尔科恩则预见到了这项研究将会给企业带来的好处。“企业有可能对脑电波进行分析,预测一个人什么时候更容易分心。”他说,“营销人员可以利用我们的注意力波动,让我们分心,去观看他们的广告或者网页。”

为了测量单个神经元的活动,科学家们将比人类头发更薄的电极插入猴子的大脑中,并记录下了神经元的电活动。对动物来说,这种电极的插入是无痛的。通过从被称为MT的猴子大脑区域中的单个神经元进行记录,科学家们能够证明,注意力增强确实以快速和扫视同步的方式,从第一组神经元切换到第二组神经元。研究结果也表明,即使在经常进行眼球运动的情况下,灵长类大脑也能够在理想情况下继续关注相关物体。它支持视觉注意系统和眼球运动系统,以同步、协调的方式操作的想法。

在这个假消息泛滥、各种网络现象充斥的时代,这听起来或许令人不安,但也给了你一个好借口,来解释你为什么在工作时会分心去看最新的Netflix电影推荐。不妨把它视为进化优势所产生的不可避免的副作用吧。

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翻译:于波

视觉感知和意识复杂性之间的关系

校对:李莉

在相关测试中,志愿者们进行的个人实验累积超过了2000次,在按钮被按下和图像闪烁之间的等待时常大约在50到800毫秒之间,仅仅是在这段时间里,theta节奏脑波的波动就达到了4到7次之多。参与者在不同情况下给出的答案可以是正确的,也可以是错误的。当他们的图像在闪烁的同时,并且处于注意力脑波高点的时候,所看到的图像更有可能是正确的。

编辑:颖仔

相反,当注意力脑波的低点和图像同时出现的时候,参与测试的人员给出的答案错误的可能性便很高。虽然在某些条件下,需要注意力实现统一感知。但是,总有一个特定的大脑区域,并没有把注意力看得很重要。相反,研究人员认为新的故事是视觉感知和注意力,都需要大脑活动的周期性节奏波。就理论而言,当图像随着theta节奏注意脑电波的低点闪现时,就会从功能上变得不可见。科学家们希望正在进行的视觉感知研究,可以继续揭示意识的复杂性。

来源:Wired

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