一臺眼動儀多少錢（腦智前沿科普）

你有沒有思考過你是怎么看到東西的呢？為了看到環(huán)境中的物體，大腦首先需要來自眼睛的信息。一旦有了這些信息，就能用它在腦海中勾勒出一幅周圍環(huán)境的圖像。在很大程度上，我們認(rèn)為自己非常清楚地看到了周圍環(huán)境的細(xì)節(jié)，我們的視覺體驗(yàn)似乎是平滑而連續(xù)的。但

你有沒有思考過你是怎么看到東西的呢？為了看到環(huán)境中的物體，大腦首先需要來自眼睛的信息。一旦有了這些信息，就能用它在腦海中勾勒出一幅周圍環(huán)境的圖像。在很大程度上，我們認(rèn)為自己非常清楚地看到了周圍環(huán)境的細(xì)節(jié)，我們的視覺體驗(yàn)似乎是平滑而連續(xù)的。但是，我們很容易忽略眼睛和大腦為創(chuàng)造這種體驗(yàn)所付出的努力。事實(shí)上，我們的眼睛一直在移動，為大腦提供周圍世界的新信息。但為什么這是必要的呢？在這篇文章中，我們將探索眼睛是如何運(yùn)動的、為什么會運(yùn)動，以及大腦是如何通過眼睛捕捉到的快照來創(chuàng)造視覺體驗(yàn)的。

01為什么我們需要移動眼睛？

關(guān)于人類視覺，有一個令人驚訝的事實(shí)：盡管世界對我們來說是一樣的，但我們收集到的視覺信息的清晰度在眼睛的不同部位并不相同。你可以觀察一下這個現(xiàn)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松讀出圓圈周圍的字母和數(shù)字；現(xiàn)在盯著藍(lán)色方塊，你可以用余光看到紫色圓圈，但可能無法再讀出它周圍的數(shù)字和字母。你的眼睛只能收集有限的信息，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)。中央凹位于眼睛重要的內(nèi)層-視網(wǎng)膜的中心。中央凹由一種叫做感光細(xì)胞的特殊細(xì)胞組成，這是視網(wǎng)膜能收集視覺信息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(dāng)你能直接看紫色圓圈時，你可以輕松讀取它周圍的數(shù)字和字母；當(dāng)你盯著藍(lán)色方塊時，仍然可以看到眼角的紫色圓圈，但無法再讀取數(shù)字和字母。當(dāng)你看眼角的東西時，你正在使用你的外圍。當(dāng)你直視物體時，你的視野最好，這是因?yàn)槟愕闹醒氚嘉挥谘劬Φ闹行模梢宰屇憧吹米钋宄?/p>

當(dāng)光線進(jìn)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)；然后進(jìn)入瞳孔-眼睛中心的黑色開口；接著光線繼續(xù)進(jìn)入晶狀體，這是眼睛中幫助正確聚焦光線的一部分；最后光線穿過眼睛內(nèi)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(zhì)。穿過玻璃體的光聚焦在視網(wǎng)膜上，呈現(xiàn)出清晰的圖像。位于視網(wǎng)膜上的光感受器將光信息轉(zhuǎn)化為大腦理解的神經(jīng)信息。

圖2. 眼睛的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(側(cè)面)

光線首先穿過角膜—眼睛前方的透明圓頂，然后穿過瞳孔—虹膜中間的一個黑色的開口。當(dāng)光通過眼睛內(nèi)部稱為玻璃體的部分后，晶狀體將光聚焦在視網(wǎng)膜上。中央凹是視網(wǎng)膜中心的一個小區(qū)域，在那里有許多特殊的感光細(xì)胞，這些細(xì)胞幫助你看得更清楚。

光感受器有兩種。視桿細(xì)胞是對低水平的光敏感的光感受器，即使在環(huán)境相對較暗的情況下它也能幫助我們看到周圍的環(huán)境；視錐細(xì)胞是攜帶顏色信息并在明亮的環(huán)境中形成非常清晰的視覺的光感受器。中央凹是視網(wǎng)膜中心的一個小空間，有許多視錐細(xì)胞緊密排列在一起。遠(yuǎn)離中央凹的區(qū)域具有較少的視錐細(xì)胞。視錐細(xì)胞排列在中央凹的方式解釋了為什么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?yàn)橹醒氚己苄。荒軅鬟f關(guān)于世界有限區(qū)域的大腦信息。但是我們的注意力經(jīng)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(qū)域。

為了彌補(bǔ)中心凹的有限尺寸，研究人員進(jìn)行了許多稱為眼跳的快速眼球運(yùn)動[1]。眼跳是由雙眼做出的短暫、不平穩(wěn)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里以及你的頭部位置在哪里。當(dāng)重新定向你的視線時，中央凹可以專注于一個新的位置，并為大腦提供有關(guān)視覺環(huán)境中的物體的清晰信息。例如，當(dāng)你查看此頁面時，你正在閱讀的文字(以及它周圍的一些詞)位于中央凹提供的清晰區(qū)域中。為了繼續(xù)閱讀文章，你的眼睛需要進(jìn)行小型跳動，以便對新區(qū)域(文字)聚焦。因?yàn)槟憬?jīng)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(nèi)進(jìn)行成千上萬個眼跳，但是眼跳并不是眼睛表現(xiàn)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(jī)會專注于正在看的內(nèi)容，以便你可以清楚地看到。在固定期間，眼睛向大腦發(fā)送有關(guān)環(huán)境細(xì)節(jié)的信息。大腦可以一點(diǎn)一點(diǎn)地利用這些信息繪制出周圍世界的全貌。想要親自觀察固定和眼跳，你可以嘗試下面這個游戲：找一個伙伴站在鏡子前面。首先看看你自己的鏡像，當(dāng)你的眼睛休息時，你可以看到自己的臉；現(xiàn)在將眼睛轉(zhuǎn)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/她的鏡像，你就能夠觀察到你朋友的眼睛會產(chǎn)生許多快速且不穩(wěn)定的眼跳。

如果你的眼睛經(jīng)常快速移動，你為什么注意不到它發(fā)生了？在眼跳期間世界看起來不應(yīng)該模糊嗎？即使你的眼睛不斷地進(jìn)行短暫快速的運(yùn)動，你的大腦也會構(gòu)建一個流暢而穩(wěn)定的環(huán)境表征形式。當(dāng)你的眼睛移動時，你不會有意識地識別進(jìn)入大腦的視覺信息。這使你可以清楚、穩(wěn)定地看到世界，但這并不意味著不存在任何信息。雖然這個過程尚未被很好地理解，但科學(xué)家們認(rèn)為在眼跳期間收集的視覺信息存在于大腦皮質(zhì)區(qū)域。大腦皮質(zhì)可以存儲眼跳期間收集的信息，但它不是大腦中涉及眼睛運(yùn)動的唯一區(qū)域。

眼跳的神經(jīng)控制

眼跳和固定共同作用，為大腦提供構(gòu)建世界圖像所需的信息，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(yīng)該移動多遠(yuǎn)以及向哪個方向移動。當(dāng)某些東西吸引你的注意力并引導(dǎo)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(jié)構(gòu)是上丘和額葉視區(qū)。

稱為上丘的大腦區(qū)域從眼睛、耳朵和其他感官獲取信息，并使用信息將眼睛移向引起你注意的事物[2]。例如，如果你在學(xué)校或在房間的角落聽到火災(zāi)警報(bào)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么時候移動以及向哪移動，它也能幫你控制轉(zhuǎn)動頭部和肩部的方式。這很重要，因?yàn)橛袝r候你想看的東西可能超出了你的眼球運(yùn)動范圍。例如，如果噪音從你身后吸引你的注意力，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(qū)的區(qū)域，對幫助你將眼睛移向你想要觀察的區(qū)域非常重要[3]。根據(jù)目標(biāo)和環(huán)境中物體的視覺特征，大腦的這一部分為眼睛制定計(jì)劃，以便知道如何移動以及向哪移動。額葉視區(qū)繪制出環(huán)境的視覺特征(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(qū)將形狀標(biāo)記為重要特征。它也可能將一個區(qū)域標(biāo)記為重要特征，如果這個區(qū)域非常引人注意，比如在棕色桌子上的粉紅色咖啡杯。被認(rèn)為是最重要的區(qū)域?qū)⑹悄愕难劬ο乱徊揭苿拥牡胤健，F(xiàn)在你已經(jīng)對眼球運(yùn)動的原理有了一定的了解，讓我們來看看科學(xué)家們?yōu)槭裁匆约叭绾窝芯垦矍蜻\(yùn)動。

02科學(xué)家如何研究眼球運(yùn)動

眼動追蹤是一種允許計(jì)算機(jī)計(jì)算眼睛指向位置的技術(shù)。這可以讓科學(xué)家測量你的眼睛所做的眼跳和固定。有幾種不同類型的眼動儀，有些眼動儀要求你坐在電腦屏幕前，頭部放在下巴托中（見圖3a），而其他眼動儀可以貼在眼鏡架或護(hù)目鏡上，以便你可以四處走動。眼動儀通常使用一種小型設(shè)備，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(dǎo)致角膜上的小反射。位于眼睛前方的相機(jī)可以檢測到這種角膜反射，并用它來測量眼球運(yùn)動。

圖3. 眼動追蹤

(a) 在眼動追蹤實(shí)驗(yàn)中，參與者將頭部放在下巴托中看著電腦屏幕。眼睛跟蹤設(shè)備由攝像頭和紅外照明器組成，位于屏幕和參與者之間，記錄眼球運(yùn)動。(b) 在視覺搜索實(shí)驗(yàn)期間參與者的視線可能在屏幕周圍游走的路徑的示例，這個實(shí)驗(yàn)需要參與者尋找鈴鐺。圓圈代表固定，線條代表眼跳。在視覺搜索過程中，知道一個人在看什么可以告訴科學(xué)家這個人的注意力在哪里。

眼球運(yùn)動對科學(xué)家來說很有意思，因?yàn)橐粋€人在看什么和那個人在想什么之間存在很強(qiáng)的關(guān)系[4]。通常，當(dāng)你查看環(huán)境中的對象時，你的注意力也會集中在該對象上。例如，你看向窗外是因?yàn)槟懵牭揭恢圾B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么令人愉快，或者它的羽毛是一種漂亮的藍(lán)色。雖然凝視和注意力并不總是這樣聯(lián)系在一起，但人們普遍認(rèn)為你要注意你所看到的物體。

由于眼球運(yùn)動和注意力之間的密切關(guān)系，想要研究注意力如何工作的人經(jīng)常使用眼動追蹤。例如，想要知道產(chǎn)品應(yīng)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查看的區(qū)域。眼動追蹤的另一個用途是探索人們?nèi)绾卧谒麄兊沫h(huán)境中尋找特定物體，這個研究領(lǐng)域被稱為視覺搜索。在視覺搜索實(shí)驗(yàn)中，研究人員會要求參與者在一些干擾圖像中尋找出目標(biāo)(特定圖片或圖像)圖像。通過使用眼球追蹤器來研究視覺搜索，科學(xué)家們可以研究人們在尋找目標(biāo)時如何選擇要注意什么(圖3b)。

研究眼球運(yùn)動不僅幫助科學(xué)家們了解眼睛和大腦如何協(xié)同工作來觀察世界，而且了解了注意力等心理活動的運(yùn)作方式。眼睛(以及它們的運(yùn)動)幫助人們收集他們理解環(huán)境所需的視覺信息。每次我們移動眼睛，我們都會為大腦提供有關(guān)世界事物的重要新信息; 簡而言之，我們得到了一個關(guān)于周圍每個區(qū)域內(nèi)發(fā)生的事情的新“快照”。諸如對象的形狀，顏色，紋理和邊緣等信息。大腦使用這些信息來幫助我們了解周圍的世界。例如，我們面前的蓬松的橙色的紋理屬于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。通過研究眼球運(yùn)動，我們可以看到即使是最小和最簡單的運(yùn)動也會對我們的生活產(chǎn)生重大影響。

END

術(shù)語表外周(Periphery)：視網(wǎng)膜在中央凹之外的區(qū)域。與中央凹相比，該區(qū)域的視錐細(xì)胞較少，因此這里的視覺較為模糊。

中央凹(Fovea)：視網(wǎng)膜中央的小區(qū)域，由于該區(qū)域有大量的視錐細(xì)胞，形成非常清晰的視覺。

眼跳(Saccade)：兩只眼睛做出的一種短暫的、不平穩(wěn)的動作，將注視點(diǎn)從一個位置移動到另一個位置。

凝視(Gaze)：眼睛指向的位置和頭部在空間中的位置的組合。

固定(Fixation)：眼跳之間眼睛休息時的時間段。