4.3　视觉器官的结构和作用方式

为了了解周围发生的事情，人们首先使用自己的视觉器官。视觉器官的重要作用在日常用语中就能体现出来。比如，人们把特别聪明的人称为“聪明的”脑袋，而且可能断定他们拥有“辉煌的”思想；如果在困难的情况下找不到出路，人们会说“在黑暗中摸索”；如果最终突然想到一种有成功希望的办法，人们就会说“恍然大悟”。鉴于视觉器官对人类的突出作用，所以选择它，并以它为例来揭示眼睛接收到的物理能量最终变成视觉的、涉及“看”这种功能的感觉印象的过程。



4.3.1　电磁波是视觉感觉印象的基础


光波是电磁波谱中的一小段  。人的视网膜上的接收器能以特殊形式辨别电磁能量的方位，我们将这种能量称为光，它是视觉的、与“看”有关的感觉的基础。除此之外，如插图4.5表明的，还存在其他电磁波，比如电磁波方面还有X射线波、雷达波和无线电波，当然，在人类没有接收这些方面的电磁波的器官。对于物理学家而言，光是在波长和强度方面不同的电磁波。


插图4.5　可见光是电磁波谱中的一小段

光的两个物理特征：强度和波长  。观察看到的光的亮度，取决于光的强度。与聚光灯相比，烛光的强度微乎其微。人类可看见的光的波长是380－760纳米（一纳米等于一米的十亿分之一）。英国物理学家伊萨克·牛顿（1643—1727）1704年在剑桥大学的研究中发现，照进他房间的阳光可以用棱镜进行分解，阳光穿过棱镜后形成一个色谱，这个色谱宛如人工的彩虹。而每一种可感觉到的颜色都与特定的波长相吻合（人们往往喜欢用波长，而不是频率这个概念，二者之间有着固定的关系：频率越高波长越短）。380纳米的波长在观察者看来是蓝色的，而700纳米的波长他就会感觉是红色的。眼睛经常看到的大多数颜色是由多种波长组成的。纯粹的红色或蓝色具有很高的饱和度。如果一种颜色由多种波长组成，那么它的饱和度就很低。



4.3.2　接受物理能量并转化为神经搏动


眼睛具有与照相机类似的结构  。照相机的结构在很多方面都很像人的眼睛，当然二者之间也有区别，因为人进入“视觉世界”毕竟是通过一个器官实现的。眼睛自身的感觉器官（接收器）位于视网膜（Retina）上。在光线到达接收器之前，要经过多个“组件”，它们为保护眼睛内部的敏感部位，控制光线射入的强度，并负责在视网膜上形成清晰的图像。从插图4.6可以看到光束反射的路径：它先像一个向上的箭头反射，然后到达眼睛。


插图4.6　人的眼睛的横截面

光线最先到达眼睛的透明角膜（Cornea）。角膜要完成两个任务：一是要保护位于角膜后面的易受伤的部位，二是要第一次折射光束线，以便在视网膜上形成一个清晰的图像。在眨眼时反射性地分散在眼睛上的泪液可以改善角膜的光学特性。角膜后面紧挨着的是虹膜（Iris），它把颜色告诉眼睛（通常是蓝色或褐色）。虹膜是不透明的。到达眼睛内部的光束必须经过一个口子，即瞳孔，它借助肌肉的力量可以放大或缩小，以便调节光线的强度。眼睛的这一部位可以完成类似于照相机光圈的任务。接着开始工作的是晶状体，它也很像照相机中的某个元件，但是它不必到处移动，而是可以在肌肉的影响下放大或缩小自己的直径，以便能够在眼睛的后壁（视网膜）上投射清晰的缩小的映像。

接收器位于视网膜上，它将电磁能量转化为神经系统的语言。需要注意的是，光线经过晶状体是头足倒置的。不过，这种180度的倒转不会使人感觉到困难，因为人们对此早已习惯了。就像尝试带反射镜的人一样，持续使用最多一周以后，感觉映像就会重新颠倒过来，佩戴者会因此而——至少在某种程度上——找回空间的方位感。（Stratton，1897）上个世纪20年代中期，在因斯布鲁克，行人看到一些骑摩托的人也许很吃惊：他们戴着奇怪的眼镜骑着摩托车招摇过市。他们戴的是反光镜！显然，他们已经习惯了这个“颠倒的世界”，以致能够在繁忙的道路上有惊无险地穿行。（Kohler，1956）

两种接收器：视锥细胞和视杆细胞  。视网膜上有两种接收器：视锥细胞和和视杆细胞。视锥细胞大约有600万个，主要集中在视网膜中心，所谓的视网膜中央凹（Foveacentralis），负责辨色。视杆细胞约有1.2亿个，主要位于视网膜的边缘，不在视网膜中央凹。如果在一个黑夜里看向星空，就能感觉到这两种接收器的不同位置。因为只有当头部稍为偏离不太亮的星星的时候，才能看到它。当人们直接看它时，也就是说，它的映像投射在视网膜的中心，即中央凹时，它就从感觉中消失了。视锥细胞是专门对付强光的，微弱的光线不足以刺激它。只要做一个小试验（如下），我们就会相信，外缘——因为没有视锥细胞——是不能辫色的。

因为视杆细胞不能辫色，而视锥细胞只能对强光作出反应，所以人们在一个黑暗的房间里——除了黑色——仅能看见不同层次的灰色。但是，因为视杆细胞在30分钟或者更长的时间后就会完全适应黑暗，所以在光线不足的环境里要过一段时间才能辨明方向。

启动自我体验

为了通过小实验证明视网膜外边缘是不能辨色的，您需要几支不同颜色的铅笔，但是要一样粗细、一样长短。请您闭着眼睛抽取一支铅笔，先把铅笔放在脑后。然后睁开眼睛，缓慢地把铅笔从脑后转到眼前。当您第一次，也就是还很模糊地看到它时，您几乎很难分辨它的颜色。



4.3.3　中枢神经系统处理和传递视觉信息


加工视网膜上的视觉刺激  。我们可以认为，每个接收器是与大脑直接相连的。然而，这是不正确的，因为视神经大约只有100万个轴突，即通往大脑的通道。因此，远不是每个视锥细胞和每个视杆细胞都有“直接的接口”的。插图4.7以极其简化的方式表明，视网膜的哪些组成部分和横向联接负责加工来自接收器的光学信息（这些信息起初质量很差），最终将这些信息传递给能力相对较低的视神经。

光线绝不是首先到达接收器，更确切地说，它必须先穿过多个细胞层（也必须给它们供血），才能到达视锥细胞和视杆细胞。光线在接收器内引起化学过程，从而产生搏动，而搏动首先被传递到两极细胞（神经细胞有两个极：一个轴突和一个树突），然后传递到神经节细胞，神经节细胞再用它们长长的神经轴突把信息传递给大脑。其他的细胞（比如所谓的水平细胞）在视网膜的中间层负责不同两极细胞间的信息交流。这个复杂的网络可以进行非常简单的加工处理。


插图4.7　眼睛视网膜的横截面

大多数两极细胞从多个接收器接收信息。这是通过被称为聚合（会聚）的过程实现的。聚合主要发生在视网膜的边缘部位，那里有许多视杆细胞，而很少发生在视锥细胞集中的中央凹。在许多接受器只与少量两极细胞对接的地方一定会丢失必要的信息。因此，视网膜中央的视敏度要比边缘部位高得多。


插图4.8　不同亮度对比图。图中的哪个正方形最暗，哪个最亮？

在观看插图4.8中各种灰色正方形时所产生的感觉印象，也要归因于已在视网膜中进行的加工过程。图中哪个正方形最暗，哪个最亮？

在评价一个正方形的亮度时还可能受到环境的影响。环境越暗，正方形看起来就越亮。根据感觉印象灰色正方形的亮度从左到右越来越暗。但是，如果用一张纸剪出四个大小合适的洞，透过小洞只露出内部的正方形，那么人们就会看到，所有正方形都是一样亮的。这种错觉的产生可能是水平细胞在起作用。水平细胞会强化差别。两个接收器接收的往往是不一样多的光线。当二者之间出现差别时，这种差别在连接细胞的帮助下会扩大，因为源自受到弱刺激的接收器的搏动会额外受到阻碍。因此，大脑会以夸张的方式接收到关于接收器的不同强度的刺激的信息。这种夸张对于一个想要熟悉房间环境的人来说非常有好处。物体的棱角和边缘对观察者来说显得很突出，因为它们分别投射出了各个从明到暗的过渡。通过视网膜中的上述过程，棱角显得更加对比鲜明，因而更容易辨别。

视网膜上的盲点  。神经节细胞的轴突集合成为视神经，视神经把在某种程度上已经加工的视觉信息从视网膜内部传导出来。因为在视神经的出口没有感受器，所以就形成一个盲点，参照插图4.9很容易证明这个盲点。人们只需闭上右眼，然后用左眼距离约30厘米看那颗星花。左边的文字是模糊的，因为是在视野的边缘看到它们的。只要慢慢往前缩小观看的距离，这些文字一旦进入盲点上，就看不见了。在日常生活中，人们不会意识到这个盲点，因为感觉系统合理地弥补了视野中缺失的这一部分。（Rolls  ＆  Deco，2002）


插图4.9　自我尝试证明盲点图示左边的文字不见了

视神经交叉  （Chiasma  opticum）。神经节细胞的轴突不是直接通往大脑的。两个视网膜的视神经相遇并通过视觉交叉（Chiasma  opticum）相互连接在一起。视神经的鼻子部分（源自两个视网膜的各一半，位于鼻子附近）相交以后，通往两个脑半球的只是相应的视网膜面。（见第27页插图1.5）如果没有这样的分隔，就不可能观察脑半球分裂的病人。（参看信息框1.2）至于视觉刺激经过的其他的站点，这里不再叙述。还要说明的是，来自视网膜接收器的信息被投射到大脑皮层后侧的两个部位（视觉皮层）上，在那里进行深度加工。这种加工的结果——在下面的章节中叙述——最终形成感觉印象。