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20140604读书-讨论奇妙的视觉-01

来源:李小姐 发布时间:2014-8-30 12:55:18
北京-坤山:这次讨论的主题是比较偏科学的,所以先做一个开场白啊。咱们这个群是学习国学为主的,可能有些同修对科学有点儿抵触情绪。这个也是可以理解的,毕竟现代科学的很多观点都和传统文化有些矛盾的。不过呢,话也说回来,科学100-200年还是处于一个突飞猛进的阶段。我们看看周围的人,大部分人无论是否承认,基本上都是“科学教”的成员。也就是说西方科学的一些基本观点已经深入人心了。
所以我个人觉得作为一个修行人,了解一些现代科学的知识,也会有两方面的好处。一方面就是可以用这些知识接引一些科学教的朋友。另一方面,科学真正深入了,其实对于修炼和了悟也是有间接的一些帮助的。
好,我们开场白简单结束,后面进入正文。我会粘一些我准备的讲义过来,作为我们讨论的主线。大家有想法和疑问可以随时提出来。咱们主要是讨论的形式为主,不是我一个人在这说,大家听着,感觉这样效果可能会比较好。
中国人有句俗话:“耳听为虚,眼见为实”。由此可见人们对于视觉所见的真实性有多确信。如果有人说我们看到的世界其实都是视觉系统所投射出来的内容,相信大部分人会觉得这是在胡说八道。人们的直觉是我们所见的世界是客观存在的。我们看不看它,它都是这个样子的。即使是修行人,相信佛说的“凡所有相,皆是虚妄”,也一样很容易受到视觉所见的影响,因为视觉实在是离我们太“近”了。在我们睁开眼的瞬间,还没有任何念头的时候,一个缤纷多彩的世界已经呈现在眼前了。
那么视觉的本质到底是什么?为什么我们感觉这么真实的视觉体验,佛却说是虚妄的色蕴?俗话说:它山之石,可以攻玉。我们就从西方科学的一些研究成果入手,来剖析一下视觉这个奇妙的现象。
西方科学在研究外界世界的时候取得过一些巨大的成功,以至于有好几次,西方科学家都相信宇宙的真理可能很快就要被完全掌握了。
美国-扶风:关键是我们现在只能以西方科学的形式讨论问题,其它的不会了。
北京-坤山:比如牛顿的时代,后面麦克斯韦的时代,再后来量子力学和相对论的时代,都有过这种乐观情绪。霍金在《时间简史》中也表达过这种乐观情绪。这些乐观情绪其实是有根据的,因为这些时期,科学理论已经到了一个基本上可以解释所有现象的时候。就像当时科学家说的,在科学的天空中只剩下最后一两朵乌云了。
山西-阳光之旅:西方科学家都相信宇宙的真理可能很快就要被完全掌握了?
北京-坤山:是的,阳光。尤其是大科学家。但是比较有意思的是,往往是这最后几朵乌云,导致了整个科学体系的革命。
美国-扶风:在“科学”划出来的世界里,的确可以这么说。
北京-坤山:好几次都是这样的。
李海榕:是的,科学一直在进步。一个有一个疑团被打开。
新疆-边际:不仅是知,还可以行。
山西-阳光之旅:都有过这种乐观情绪,这种乐观情绪可以解释所有现象的时候是理论携带实验的结果?
浅浅:跳出一个圈,结果发现还有一个更大的圈。
北京-坤山:嗯,就像浅浅说的,很像是一个轮回的感觉。这背后的原因是什么?
山西-阳光之旅:这就是扶风老师前面说孙猴子永远飞不出如来的手掌心一样。
美国-扶风:孙悟空想研究如来佛,线条想研究那张白纸,父子的关系搞错了,夏虫不可以语冰。
山西-阳光之旅:人在宇宙中诞生在研究诞生我们的宇宙。
北京-坤山:嗯,各位说得都靠谱。不过从科学自身反省的角度讲,就是科学家在研究外界世界的时候,忘记把自己也考虑进去了。
美国-扶风:对呀,一“考虑”,定是他者。
浅浅:把自己旁观,不是更能看清本质了么?
北京-坤山:科学家和我们每个人一样,都是带着“有色眼镜”看世界的。如果对这个有色眼镜不知不觉,那么研究的效果就可能大打折扣了。所以近年来很多西方科学家把视线转向了自身。
山西-阳光之旅:忘记把自己也考虑进去了。向外观望忘我的精神这种忘我的精神是毁灭性。
北京-坤山:我以前见过美国宇航局的一个前负责人。他在从宇航局退休后,跑到加州的一个大脑研究中心去了。我问他为什么,他说宇宙和大脑是当今科学的两个最前沿,而大脑相比宇宙来说,好像还要复杂的多。所以我们的讨论从视觉开始,也算是选择了一个西方科学的前沿话题,同时也是我认为可能产生新的突破点的地方。
好的,我们继续视觉的内容。
060401.jpg
这个是视觉系统的一个示意图,两个球是我们的眼球,后面的虚线代表视觉神经,再后面的V1,V2,V4这些是我们的视觉中枢,在眼球的眼底上有我们的视网膜。在这里光信号被转换为电信号。
视网膜,又称为外周脑,从起源来说与大脑相同,是大脑与外界有直接联系的部分。
光打到视网膜上后,通过视网膜上的三层神经元的协作转换为电信号。第一层是视细胞层,专司感光,它包括锥细胞(Cone)和柱细胞(干细胞,Rod)。人的视网膜上共约有1.1~1.3 亿个柱细胞,有600~700万个锥细胞。柱细胞主要在离中心凹(对应视觉中心的区域)较远的视网膜上,而锥细胞则在中心凹处最多。第二层叫双极细胞(Bipolar Cell),约有10到数百个视细胞通过双极细胞与一个神经节细胞(Ganglion Cell)相联系,负责联络作用。第三层叫节细胞层(Ganglion),专管电子信号的传导。
060402.jpg
这个是视网膜的一个示意图。左侧是眼底,光从右侧入射到左侧。
我们一般理解外界的现象通过眼球的晶状体在眼底成像,然后这个成像再被上面说的三层神经细胞,转换为神经上可以传输的电信号。
视网膜本身就具备一定的信号处理功能,一般理解它的主要功能是完成对于外界信号中的边缘的对比度增强功能。视网膜处理后的信号通过视神经传输到大脑后侧的视觉中枢。就是上面图中的黑色的线,写着Optic Nerve Fiber的那个。这个视神经是所有的节细胞的输出,“打起捆来”,向大脑视觉中枢传输的“电线”。这捆电线需要穿透眼底向大脑传输,这个穿透的地方就是我们后面要讨论的盲点。这个穿透的区域没有感光细胞。
视网膜处理后的信号通过视神经传输到大脑后侧的视觉中枢。人的主视觉神经中枢V1(第一层视觉中枢)在宏观组织上也保留了视网膜的两维拓扑结构(即影像信息的几何关系),不过有变形,对应中心凹的V1区域比较大。但在微观层面上,V1层神经元开始体现出复杂的信息处理分工。下图是V1在微观层面上的一个解剖示意图,其中一个功能柱(hypercolumn)的大小大约是0.5到1个平方毫米。对应视线中心2度范围内的V1区域的大小在2100平方毫米左右。
060403.jpg
这个功能柱其实就是一小块大脑皮层,也就是说视觉中枢的大脑皮层从功能上看,是分成一小块一小块的。每块的功能都差不多。每块内部,包括处理左眼视力的区域和右眼视力的区域。每个区域中有些神经元是表达纹理的,有些神经元是表达边缘的,等等。这样不同的物体出现在眼前的时候,这个区域的不同神经元细胞就会被相应的激活。
V1层神经元的主要分工有:
-Blobs:这个区域中的神经元表达大范围表面纹理信息(低空间分辨率);
-Blob的周边部分的神经元表达边缘信息(高空间分辨率);
-occularity是左右眼分工的区域;
-orientation表示神经元所表达(检测)的边缘的不同取向,即不同区域的神经元对于不同取向的边缘信号敏感。
换句话说V1已经开始提取视网膜成像信息中的纹理,边缘,方向等信息,然后把这些信息输送给V2,V3和V4处理层。在后续的这些视觉中枢层中,纹理,边缘等信息获得进一步的处理:如边缘被组合起来,加上不同纹理信息,被识别为不同物体等等。详细的处理过程非常复杂,我们不再进一步深入。
山西-阳光之旅:纹理的,边缘的,如何理解?
北京-坤山:我们先说边缘吧。比如视野中的一个铅笔吧,这个铅笔在视网膜上会形成为类似一个线性的影像。
时照:这些先期的铺垫是必要的,而且往往听不懂,以后慢慢的会一点点的懂了。
北京-坤山:这个影像会被转换为电信号,并传输到V1层,基本上保持线性的几何形状。因为功能柱的大小很小,所以这个铅笔的影像会覆盖非常多的功能柱。每个功能柱都会看到这个影像的一小部分。而这一个小部分中可能会包含一些边缘,也就是颜色和光线强度变化的地方。那个功能柱中的不同神经细胞会对不同方向的边缘敏感。
060404.jpg
也就是如果不同方向的边缘出现在这个功能柱的视野里面,相对于的一些神经元就会被激活。纹理也是类似的。
这样说清楚吗,阳光?
山西-阳光之旅:有点懂还是不太清晰。
美国-扶风:只能听着,不能说懂。
武汉观众:太专业了,讲结论吧。
山西-阳光之旅:这个功能柱的概念不清晰。
北京-坤山:呵呵,那就没意义了,主要是这个过程有意义。
李海榕:从来没接触过,没基础。要完全理解视觉的微观机制,有困难。
北京-坤山:说点儿具体的问题怎么样?
武汉观众:这个过程有什么奥妙呢?
北京-坤山:这个东西还是要有点儿不搞懂不罢休的态度的,否则后面越听越没劲了。
时照:我想知道被边缘激活的神经元,之后会是什么状态呢?
空谷幽兰:结论是不是说经科学证明人对外界的反应确实不同。
北京-坤山:结论不重要的。
山西-阳光之旅:边缘可不可以这样说:就好比好多的镜子只是位置不同返照的物体部位不同只是为了让视觉都得到物体的全貌。
时照:是,还是处于边缘化,还是呈现这个神经元的所有功能,就是全图展现视物?
美国-扶风:
060405.jpg
这个的意思是每个细胞只对一个东西感兴趣吗?
北京-坤山:是的,扶风老师。
美国-扶风:单个细胞只管一样,并没有哪个是统一综合全景的。
北京-坤山:是的。
山西-阳光之旅:岗位不同各负其责达到全面系统的视觉享受。
北京-坤山:首先眼底成像,然后光电转化这部分没有问题吧?
武汉观众:高层次的细胞是对低层次的细胞德总结,更高层次的细胞也是这样---这样理解对吗?
北京-坤山:嗯,基本上是对的。
光电转换其实还是一个影像的几何图形,这个图形会被传输到大脑皮层的视觉中枢,还是基本上保持这个几何形状的。所以可以想象是一个图片映射到V1层上面。
浅浅:分工协作,单个处理,综合成像。
北京-坤山:然后想象V1层被分为很多个功能柱,就是小网格。
时照(:我知道了,这是一个集团成像系统。
北京-坤山:每个功能柱只有1个平方毫米这么大。
李海榕:和光学底片的工作原来类似吗?
郑州-极光:像显示器成像吧。
北京-坤山:嗯,是的。类似于底片,其实更像是数码相机的传感器,和显示器也是类似的,都是网格状的。
060406.jpg
这个图是放大后的4个网格。对应大概1-2个平方毫米的大脑皮层。
每个功能柱内部又有大量的神经元,也就是每个网格内部。这些神经元对已网格上面出现的局部影像的不同特征敏感。有的神经元对于纹理敏感,有的神经元对于45度角的边缘敏感。有的神经元对于90度角的边缘敏感。。。。
山西-阳光之旅:就好比人对于行业也是各有所好。
北京-坤山:没错,神经元都是专业分工的。
李海榕:每个功能柱包含的神经元都一样吗?
北京-坤山:基本上都一样。
换句话说V1已经开始提取视网膜成像信息中的纹理,边缘,方向等信息,然后把这些信息输送给V2,V3和V4处理层。在后续的这些视觉中枢层中,纹理,边缘等信息获得进一步的处理:如边缘被组合起来,加上不同纹理信息,被识别为不同物体等等。详细的处理过程非常复杂,我们不再进一步深入。
时照:也就是当神经元接触到物体的边缘的时候,被激活的都是这个神经元独立的功能,各个神经元各负其责,组成一个完整的图像。这样我反思不少问题,事后和你请教。
北京-坤山:嗯,您说的是对的。
山西-阳光之旅:后续看来更有意思。
北京-坤山:神经元都是专业分工的,协同起来完成认知的功能。
每当我们睁开双眼,看到五彩缤纷的世界的时候,上面描述的复杂的大脑神经信号处理过程都是自动化的在瞬间完成的。如果静下来睁开双眼,仔细体会一下这个复杂的处理过程。。。。。。也许我们会从“眼见为实”的直觉中暂时跳出来一会儿,开始怀疑我们眼前所看见的景象,到底是不是世界真实的样子?这幅逼真的画面中,有多少来自于外面的世界?有多少来自于我们的眼睛和大脑的信息处理?
美国-扶风:关键是,没有谁去“负责”合成一个“完整图像”。
北极州:也就是说是多个不同种类的神经元在控制着你,而不是你控制它是么。
北京-坤山:是的,扶风老师说的也很对。
美国-扶风:这个就是《失控》用五百页表达的概念。
北极州:不可控。
李海榕:如实反映,没有控制或选择。
揽云:其实按照唯识来讲,眼识只是摄取实色,具体是什么形状,是接着跟过来的五俱意识(还不带名言的)率尔心。
北京-坤山:我们回顾一下上面的神经系统的物理结构,就会很奇怪这个视觉是怎么产生的。大家先暂时别发散,想想这些复杂的神经细胞中的电信号和我们的视觉是啥关系?
浅浅:不可控的话  和机器一样啦?
北极州:不仅仅是视觉、味觉、嗅觉、动能都很玄妙。
北京-坤山:我们一般直觉是我们的视觉就像是一面镜子,反应外面的现象。但是从这个结构看,完全不是这么回事儿。
浅浅:睁开眼的话,是接受成像,可定是有支配。
北京-坤山:好的,我们继续啊。
060407.jpg
北京-坤山:这个是视网膜的一个照片,中央凹就是对应我们视线中心的区域。
山西-阳光之旅:真妙,妙不可言只能感知他的存在,谁在控制没有可控事物,只是万物循环的一个系统各自管控着自己的职责达到相应的实相。
北京-坤山:大家先别抽象啊,咱们先具体啊。盲点刚才介绍过了。
山西-阳光之旅:我喜欢更近一步的了解这个盲点,这个盲点很不简单。
北京-坤山:
060408.jpg
从视网膜的情况看,上面有很多个遮挡物(血管),以及一个漏洞(盲点)。所以V1层接受到的信号,其实是有很多残缺的。但是很奇怪的就是,我们感觉不到这些残缺的地方。
山西-阳光之旅:这就是人们说的找不见自己的根源。
北京-坤山:闭上左眼,用右眼对准十字,一边看着十字,一边用余光注意黑点,调整你和屏幕的距离,直到黑点消失,你看到你的盲点了吗?
山西-阳光之旅:太微妙了。
北京-坤山:
060409.jpg
060410.jpg
060411.jpg

这四个盲点的实验都可以试试。
哈尔滨-瑛紫:黑点消失的时候,那也看不到加号了呀。
韩子:看到了,黑点消失了,能看到加号。
山西-阳光之旅:我在调整视觉前后距离的时候让我感觉真实现实生活的盲点也是不差秋毫。
北京-坤山:可以看到加号,但是黑点会消失,要盯着十字,用余光看黑点。
韩子:这个盲点直径不小啊。
北京-坤山:是的。
时照:对了,没了,但是有一个黄圈圈,在飘。
韩子:眼睛位移一段,黑点保持消失。
美国-扶风:那条长线是干什么用的。
北京-坤山:时照老师的实验不能作为参考。
北极州:盲点,所以两只眼睛一起看就没有盲点了么?
山西-阳光之旅:就好比我们开车的时候我们手中的方向盘要时时调整才能达到安全的行驶状态。
北京-坤山:这四个实验黑点消失后,感觉一下那个区域里面的内容是什么?
时照:为什么我的不能啊。
哈尔滨-瑛紫:黑点变远了。
北京-坤山:盲点区域里面的内容。
时照:我知道这个原理了。
北京-坤山:黑点消失后,盲点区域里面的内容是什么?
北极州:视觉盲点是周围的像素扩散,内容就是白色的一片。
豆子:除了黑点什么都在。
北京-坤山:第一个是白色的一片,第二个呢?
哈尔滨-瑛紫:像光似的。
北京-坤山:第三个呢?第二个应该是黄色一片吧。
山西-阳光之旅:离的越近黑的呈现从右边开始,离的越远黑点的呈现从左边开始。
北京-坤山:第三个应该是绿色一片吧。
豆子:第二个是黄色,第三个绿色。
韩子:第二个黄色,第三个绿色。
哈尔滨-瑛紫:是。
豆子:最后黄色中有根黑线。
北京-坤山:是的。
韩子:第四个黄里一条线,线没有明显的断迹。
北极州:所以盲点是的内容是盲点周围的像素的补充于扩散。
美国-扶风:当感觉不了的时候,就自动填补。
北京-坤山:当右侧黑点进入盲点时,我们并不是看到一个黑洞或者白洞,我们看到是一种“填充”效果,就好像大脑根据盲点周边的视觉信息,帮助我们填补了这个盲点的内容一样。对于确认眼见为实的人来说,这种现象很有一种震撼的效果。
浅浅:像折叠的。
北极州:自动填充,盲点周围的像素。
山西-阳光之旅:补不足就是在这里。
美国-扶风:即是说眼不见,但心想见的呀,也能“填补”出事实来?
北京-坤山:换句话说:我们看不见我们看不见。
美国-扶风:不是补不足,是补妄。
北京-坤山:大家体会一下这句话:我们看不见我们看不见。
时照:对,我们看不见我们看不见,我们不知道我们不知道。
哈尔滨-瑛紫:我们不知道我们不知道。
北极州:所以人天生是两只眼睛互补。
山西-阳光之旅:这是视像的全美点。
北京-坤山:当然对于固执的唯物主义的维护者,可能会这样解释上面的盲点实验:大脑这种填补应该也是生物进化后的一种功能,我们看到的外界的画面虽然不完整,经过了大脑的一些修补,但是还是外界事物的比较真实的反应。不能因为一个盲点而否定非盲点区域的视觉信息的真实性。这种观点无可厚非,而且也得到了主流人群的认同。人类的视觉盲点就这样很轻易的被重新放入到了盲点之中。
北极州:不过有的人天生散光,两只眼睛的盲点也很大。
北京-坤山:而一部分比较开放的西方研究者则开始探索另外一种可能性:也许我们所看到的世界是大脑创造出来的一种“幻觉”。毕竟,从纯科学的角度看,如果我们给人类的大脑提供它所需要的所有的电子信号,它是很难区分出自己是活在一个虚拟的现实当中,还是活在一个真实世界当中的。这也是为什么《黑客帝国》这部电影在美国的哲学宗教领域掀起了一次讨论热潮的原因。电影中的Matrix所完成的主要功能就是为人类提供一个虚拟现实的生存环境,而生活在其中的绝大部分人类对此不知不觉。从柏拉图时代开始,西方哲学家们就在研究到底客观现实是否真的存在。
美国-扶风:这跟物理的眼球没有太大关系。
时照:人类的视觉盲点就这样很轻易的被重新放入到了盲点之中。心灵亦是。
北极州:跟视觉中枢的神经元有关系。
北京-坤山:当然从电影院出来,我们都能意识到整个人类被圈在一个大型虚拟现实系统中当电池的可能性不大。但是视觉到底怎么回事儿,却变得更加扑朔迷离。无论是“眼见为实”的唯物主义观点,还是“虚拟现实”的建构主义,都没有回答最根本的一个问题。
北极州:我有一个同学是远视眼,带的是凹透镜,近视眼是凸透镜。
北京-坤山:当我们掀开视觉神经系统的面纱,看到的只是一些神经元和电信号。这些电信号虽然携带着我们所看到的视觉影像的信息,但是其中有大量的扭曲,转换,缺失和填补。许多视觉神经系统的研究者,在搞清楚这些电信号的各种复杂处理流程后,还是回答不了为什么这些电信号的处理就可以形成我们所感受到的视觉体验?
哈尔滨-瑛紫:我的眼镜,一个远视,一个近视。
北京-坤山:换句话说,如果我们用机器模仿人类的眼睛和大脑建立一个光电信号的处理系统,这个机器是否也能看到东西?
北极州:能。
时照:是的,坤山说的对。
北极州:像照相机,摄影机,不但能看到还能记录。
北京-坤山:觉知的本质到底是什么?这是一个困惑西方科学家的根本性的问题,也是视觉真正的奇妙所在。
时照:所以杨振宁和牛顿等诸多科学家都把目标转向宗教。谢谢坤山老师,今天对我很受益。
北京-坤山:下一次讨论周五的。


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