腦智前沿科普｜眼睛探測世界的奧秘

你有沒有思考過你是怎麼看到東西的呢？為了看到環境中的物體，大腦首先需要來自眼睛的資訊。一旦有了這些資訊，就能用它在腦海中勾勒出一幅周圍環境的影象。在很大程度上，我們認為自己非常清楚地看到了周圍環境的細節，我們的視覺體驗似乎是平滑而連續的。但是，我們很容易忽略眼睛和大腦為創造這種體驗所付出的努力。事實上，我們的眼睛一直在移動，為大腦提供周圍世界的新資訊。但為什麼這是必要的呢？在這篇文章中，我們將探索眼睛是如何運動的、為什麼會運動，以及大腦是如何透過眼睛捕捉到的快照來創造視覺體驗的。

01為什麼我們需要移動眼睛？

關於人類視覺，有一個令人驚訝的事實：儘管世界對我們來說是一樣的，但我們收集到的視覺資訊的清晰度在眼睛的不同部位並不相同。你可以觀察一下這個現象：首先，盯著圖1中的紫色圓圈，這時你無需移動眼睛就可以輕鬆讀出圓圈周圍的字母和數字；現在盯著藍色方塊，你可以用餘光看到紫色圓圈，但可能無法再讀出它周圍的數字和字母。你的眼睛只能收集有限的資訊，視野模糊的部分稱為外圍(periphery)，視野中心最清晰的部位稱為中央凹(fovea)。中央凹位於眼睛重要的內層-視網膜的中心。中央凹由一種叫做感光細胞的特殊細胞組成，這是視網膜能收集視覺資訊的一個非常重要的原因。

圖1. 視覺清晰度在眼睛的不同部位都不相同

將頁面保持在正常閱讀距離，當你能直接看紫色圓圈時，你可以輕鬆讀取它周圍的數字和字母；當你盯著藍色方塊時，仍然可以看到眼角的紫色圓圈，但無法再讀取數字和字母。當你看眼角的東西時，你正在使用你的外圍。當你直視物體時，你的視野最好，這是因為你的中央凹位於眼睛的中心，可以讓你看得最清楚。

當光線進入眼睛時，它首先穿過角膜，這是眼睛前方的透明圓頂(見圖2)；然後進入瞳孔-眼睛中心的黑色開口；接著光線繼續進入晶狀體，這是眼睛中幫助正確聚焦光線的一部分；最後光線穿過眼睛內部稱為玻璃體的主要部分，這個腔室充滿了一種叫做玻璃體液的凝膠狀物質。穿過玻璃體的光聚焦在視網膜上，呈現出清晰的影象。位於視網膜上的光感受器將光資訊轉化為大腦理解的神經資訊。

圖2. 眼睛的內部結構(側面)

光線首先穿過角膜—眼睛前方的透明圓頂，然後穿過瞳孔—虹膜中間的一個黑色的開口。當光透過眼睛內部稱為玻璃體的部分後，晶狀體將光聚焦在視網膜上。中央凹是視網膜中心的一個小區域，在那裡有許多特殊的感光細胞，這些細胞幫助你看得更清楚。

光感受器有兩種。視杆細胞是對低水平的光敏感的光感受器，即使在環境相對較暗的情況下它也能幫助我們看到周圍的環境；視錐細胞是攜帶顏色資訊並在明亮的環境中形成非常清晰的視覺的光感受器。中央凹是視網膜中心的一個小空間，有許多視錐細胞緊密排列在一起。遠離中央凹的區域具有較少的視錐細胞。視錐細胞排列在中央凹的方式解釋了為什麼我們的視野中心是最清晰的。但這種排列也存在一個問題！因為中央凹很小，它只能傳遞關於世界有限區域的大腦資訊。但是我們的注意力經常被周圍的東西吸引，中央凹不能同時集中在一個以上的區域。

為了彌補中心凹的有限尺寸，研究人員進行了許多稱為眼跳的快速眼球運動[1]。眼跳是由雙眼做出的短暫、不平穩的動作，它改變了從一個地方到另一個地方凝視的方向。凝視包含你的眼睛看向哪裡以及你的頭部位置在哪裡。當重新定向你的視線時，中央凹可以專注於一個新的位置，併為大腦提供有關視覺環境中的物體的清晰資訊。例如，當你檢視此頁面時，你正在閱讀的文字(以及它周圍的一些詞)位於中央凹提供的清晰區域中。為了繼續閱讀文章，你的眼睛需要進行小型跳動，以便對新區域(文字)聚焦。因為你經常需要移動中央凹的位置來清楚地看到你想要看的東西，你的眼睛必須每秒做三次眼跳。這意味著你的眼睛比你的心臟跳動更頻繁！

雖然你可以在一天內進行成千上萬個眼跳，但是眼跳並不是眼睛表現的唯一一種行為。在每次眼跳之間是一段短暫的休息，稱為固定。固定使眼睛有機會專注於正在看的內容，以便你可以清楚地看到。在固定期間，眼睛向大腦傳送有關環境細節的資訊。大腦可以一點一點地利用這些資訊繪製出周圍世界的全貌。想要親自觀察固定和眼跳，你可以嘗試下面這個遊戲：找一個夥伴站在鏡子前面。首先看看你自己的映象，當你的眼睛休息時，你可以看到自己的臉；現在將眼睛轉移到臉部的不同部位。你看不出自己的眼睛在移動！但是，如果你在同伴移動他/她的眼睛時看著他/她的映象，你就能夠觀察到你朋友的眼睛會產生許多快速且不穩定的眼跳。

如果你的眼睛經常快速移動，你為什麼注意不到它發生了？在眼跳期間世界看起來不應該模糊嗎？即使你的眼睛不斷地進行短暫快速的運動，你的大腦也會構建一個流暢而穩定的環境表徵形式。當你的眼睛移動時，你不會有意識地識別進入大腦的視覺資訊。這使你可以清楚、穩定地看到世界，但這並不意味著不存在任何資訊。雖然這個過程尚未被很好地理解，但科學家們認為在眼跳期間收集的視覺資訊存在於大腦皮質區域。大腦皮質可以儲存眼跳期間收集的資訊，但它不是大腦中涉及眼睛運動的唯一區域。

眼跳的神經控制

眼跳和固定共同作用，為大腦提供構建世界影象所需的資訊，但大腦參與控制眼睛下一步移動的位置。大腦需要告訴眼睛應該移動多遠以及向哪個方向移動。當某些東西吸引你的注意力並引導你將中心凹朝向它時，兩個對告訴眼睛何時以及如何移動非常重要的大腦結構是上丘和額葉視區。

稱為上丘的大腦區域從眼睛、耳朵和其他感官獲取資訊，並使用資訊將眼睛移向引起你注意的事物[2]。例如，如果你在學校或在房間的角落聽到火災警報響起，你甚至想都不想，眼睛可能就會朝著那個聲音的方向移動。上丘告訴你的眼睛什麼時候移動以及向哪移動，它也能幫你控制轉動頭部和肩部的方式。這很重要，因為有時候你想看的東西可能超出了你的眼球運動範圍。例如，如果噪音從你身後吸引你的注意力，你需要移動更多的身體而不僅僅是你的眼睛才能看到造成噪音的原因。

大腦另一個稱為額葉視區的區域，對幫助你將眼睛移向你想要觀察的區域非常重要[3]。根據目標和環境中物體的視覺特徵，大腦的這一部分為眼睛制定計劃，以便知道如何移動以及向哪移動。額葉視區繪製出環境的視覺特徵(例如形狀，大小或顏色)以及它們的重要性或顯著性。如果你正在尋找一個圓形時鐘，額葉視區將形狀標記為重要特徵。它也可能將一個區域標記為重要特徵，如果這個區域非常引人注意，比如在棕色桌子上的粉紅色咖啡杯。被認為是最重要的區域將是你的眼睛下一步要移動的地方。現在你已經對眼球運動的原理有了一定的瞭解，讓我們來看看科學家們為什麼以及如何研究眼球運動。

02科學家如何研究眼球運動

眼動追蹤是一種允許計算機計算眼睛指向位置的技術。這可以讓科學家測量你的眼睛所做的眼跳和固定。有幾種不同型別的眼動儀，有些眼動儀要求你坐在電腦螢幕前，頭部放在下巴託中（見圖3a），而其他眼動儀可以貼在眼鏡架或護目鏡上，以便你可以四處走動。眼動儀通常使用一種小型裝置，將紅外線（一種人類無法看到的光）投射到你的眼睛。紅外光導致角膜上的小反射。位於眼睛前方的相機可以檢測到這種角膜反射，並用它來測量眼球運動。

圖3. 眼動追蹤

(a) 在眼動追蹤實驗中，參與者將頭部放在下巴託中看著電腦螢幕。眼睛跟蹤裝置由攝像頭和紅外照明器組成，位於螢幕和參與者之間，記錄眼球運動。(b) 在視覺搜尋實驗期間參與者的視線可能在螢幕周圍遊走的路徑的示例，這個實驗需要參與者尋找鈴鐺。圓圈代表固定，線條代表眼跳。在視覺搜尋過程中，知道一個人在看什麼可以告訴科學家這個人的注意力在哪裡。

眼球運動對科學家來說很有意思，因為一個人在看什麼和那個人在想什麼之間存在很強的關係[4]。通常，當你檢視環境中的物件時，你的注意力也會集中在該物件上。例如，你看向窗外是因為你聽到一隻鳥在唱歌，你想看看它的樣子。你的注意力集中在鳥兒身上，你可能也在想鳥兒的歌是多麼令人愉快，或者它的羽毛是一種漂亮的藍色。雖然凝視和注意力並不總是這樣聯絡在一起，但人們普遍認為你要注意你所看到的物體。

由於眼球運動和注意力之間的密切關係，想要研究注意力如何工作的人經常使用眼動追蹤。例如，想要知道產品應該放在哪個位置的店主可能會使用眼動追蹤來確定人們在購物時最常檢視的區域。眼動追蹤的另一個用途是探索人們如何在他們的環境中尋找特定物體，這個研究領域被稱為視覺搜尋。在視覺搜尋實驗中，研究人員會要求參與者在一些干擾影象中尋找出目標(特定圖片或影象)影象。透過使用眼球追蹤器來研究視覺搜尋，科學家們可以研究人們在尋找目標時如何選擇要注意什麼(圖3b)。

研究眼球運動不僅幫助科學家們瞭解眼睛和大腦如何協同工作來觀察世界，而且瞭解了注意力等心理活動的運作方式。眼睛(以及它們的運動)幫助人們收集他們理解環境所需的視覺資訊。每次我們移動眼睛，我們都會為大腦提供有關世界事物的重要新資訊; 簡而言之，我們得到了一個關於周圍每個區域內發生的事情的新“快照”。諸如物件的形狀，顏色，紋理和邊緣等資訊。大腦使用這些資訊來幫助我們瞭解周圍的世界。例如，我們面前的蓬鬆的橙色的紋理屬於我們需要避免踩踏的貓，我們看到的尖銳邊緣是我們需要避免碰撞的桌角。透過研究眼球運動，我們可以看到即使是最小和最簡單的運動也會對我們的生活產生重大影響。