這些藝術家沒學過腦科學，但他們把腦科學用到了極致

視覺系統的部分功能缺陷讓世界上多了一種藝術。

撰文 | 顧凡及（復旦大學生命科學學院）

視錯覺往往給觀眾造成視覺震撼，像魔術表演一樣，會引起觀眾的無比好奇，同時給他們以美的享受。

除了一般公眾，神經科學家對視錯覺也特別關注。諾貝爾生理學或醫學獎得主克里克（Francis Crick）說：“看是一種主動構建過程。大腦可根據以往的經驗以及眼睛所提供的有限而模糊的信息做出最好的解釋。進化可確保大腦在正常情況下非常成功地完成此類任務。但情況并非總如此。心理學家之所以熱衷于研究視錯覺，就是因為視覺系統的這種部分功能缺陷，恰恰能為揭示該系統的組織方式提供某些有用的線索。” [1]

驚人的假說

[英] 弗朗西斯?克里克

湖南科學技術出版社 2018

其實早在神經科學家對視錯覺感興趣之前，畫家作畫時就有意無意地利用過視錯覺。繪畫和照相不一樣，并非把外界景物“忠實”地投影在二維屏幕上，而是畫家頭腦里根據由進化所形成的先天機制和過往經驗建立起來的內部模型，對外界刺激進行重建后再將之表現出來，因此，畢加索說“繪畫是一種欺騙”。

美國二戰時的征兵廣告。圖片來自網絡

以美國二戰時的經典征兵廣告“美國軍隊需要你”（I Want You for U.S. Army）為例，征募者指著觀看者的手的大小看似正常，但如果把它想象成一張由觀看者拍攝的照片，征募者的手和他的臉相比就會顯得不成比例地大了許多。這是因為拍照時征募者指向鏡頭的手與鏡頭的距離要比他的臉與鏡頭的距離小得多，所以前者落在觀看者視網膜上的像也要大得多。這是一幅廣告畫，畫的并非征募者落在畫家視網膜上的像，實地觀看時的深度線索使畫家傾向于維持大小恒常性，在做了視覺補償之后，他看到的是一個正常人，而非巨手小頭的怪人。因此，畫家作畫時，錯覺元素在有意無意地起作用，而對視錯覺的特意使用又使其多了一種表現手段，得以達到意想不到的藝術效果。藝術史上有許多善于利用視錯覺創作的畫家，本文要介紹的就是這類藝術家的代表作及其背后的神經機制。

稀世奇才達芬奇不僅是偉大的科學家和發明家，也是一位名垂千古的藝術家。他的畫作，如《蒙娜麗莎》和《最后的晚餐》，早已成為難以逾越的經典作品。但是，這樣一位天才也曾感嘆，畫布依然有其局限性，難于表達運動和立體視覺。不過，近世的錯覺藝術在這兩方面都有所突破，這恐怕是達芬奇當年始料未及的吧！雖然許多人認為錯覺藝術難登大雅之堂，不過它深受公眾喜愛。一些經典畫作也因利用了視錯覺元素而聞名，如《蒙娜麗莎》的“神秘的微笑”。始于19世紀下半葉的點彩畫派也是利用了視錯覺元素，使其畫作的色彩更為絢麗多彩，變幻多姿。

歧義圖：魔鬼還是天使？

荷蘭畫家埃舍爾（Maurits Cornelis Escher）畫了許多精彩絕倫的歧義圖。所謂歧義圖，就是對于同一張圖，大腦可以做出兩種及以上不同的解釋，但每次只能看到其中之一。有多種原因導致歧義的產生，埃舍爾經常使用的一種方法是把兩類不同的對象天衣無縫地鑲嵌在一起，它們的大小差不多，因此既可以被腦認為是目標，也可以被認為是背景，關鍵是當時腦的注意點落在哪一個目標上（把黑色部分當成目標的可能性稍大一些，正所謂“白紙黑字”）。以埃舍爾的作品《圓圈極限IV》為例。

埃舍爾的《圓圈極限 IV》? M.C. Escher圖片引自：SCHATTSCHNEIDER D, EMMER M. M. C. Escher's Legacy:A Centennial Celebration[M]. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2003

如果把注意點落在黑色圖案上，那么你看到的就是一大群蝙蝠。在西方，蝙蝠是不受歡迎的，而“非典”和新冠則使原本因“福”的諧音對蝙蝠印象不錯的國人現在也未免談蝠色變，因此這幅圖可以被看作“群魔亂舞”。但是如果你把白色圖案當成目標仔細去看，看到的則是“天使舞蹁躚”。

達利的《奴隸市場和消失的伏爾泰半身像》?Salvador Dali圖片引自WikiArt. Org

西班牙超現實主義畫家達利（Salvador Dali）也畫了不少歧義圖。他的畫作《奴隸市場和消失的伏爾泰半身像》是“整體—細節”的歧義圖。觀看者可能首先注意到的是圖中央的一個明亮的“頭像”，形似伏爾泰的半身像（或許你并不知道伏爾泰長什么樣，但反正是個老頭像）。
注意到某個與眾不同的對象是一種自下而上的注意機制。另外，鑒于人臉在社會活動中的重要性，這一元素特別能吸引腦的注意，人們也經常從破舊的墻壁和煙云等中看到“人臉”。美國神經科學家馬丁內茨-康德（Susana Martinez-Conde）從另一個稍微不同的角度來解釋這種錯覺：“我們的腦感知的是一個粗糙、大致接近真實的世界。由于無法處理外部每一件事物的信息，因此腦只能對感知到的信息做簡化處理，只收錄最關鍵的現場信息，如邊緣、拐角和輪廓線。對于圖像模糊的地方，腦會把原來儲存的記憶和腦預期的信息補插進去，從而完成‘完整’的圖像。就像（《奴隸市場和消失的伏爾泰半身像》中）伏爾泰的耳朵、頸部的細節全部都缺失了，需要觀眾用不同的方式去補充，這樣的圖像很容易顯得模棱兩可。” [2]

“整體—細節”在神經科學領域也是一個爭論不休的問題：腦是先“看到”整體，還是先“看到”細節？上面這個例子似乎更傾向于支持“先整體后細節”的觀點。但是，神經生理學領域有許多實驗證據表明，腦會先提取某些最簡單的特征，例如邊框及其朝向、顏色、深度、運動方向等，還有許多證據支持腦對刺激的處理依賴層級組織——先抽取簡單特征，再逐步抽取越來越復雜的特征，直至最后識別特定目標，即“先細節后整體”。這兩種觀點似乎水火不容。不過在筆者看來，“先細節后整體”講的是感覺過程，“先整體后細節”講的則是知覺過程，感覺是知覺的基礎，先感覺后知覺，感覺到并不等于知覺到，所以兩者并不矛盾。問題在于如何把感覺過程對刺激所做的分析整合起來，進入意識層面進行識別。這是至今還沒有完全解決的問題，被稱為“綁定問題”（binding problem）。

無法到達的頂峰：埃舍爾筆下的不可能立體圖

瑞典藝術家雷烏特斯韋德（Oscar Reutersv?rd）專注于創作各種“不可能圖形”（impossible figures），即能在畫布上呈現但在真實三維世界中不可能存在的三維結構。早在1934年，他就創作出了“不可能的三角形”（impossible triangle），但在當時并不廣為人知。著名科學家羅杰 · 彭羅斯（Roger Penrose）在1954年參加了一個埃舍爾的演講會，深受啟發，在不知道前人工作的情況下也獨立開發了兩張圖，并在1958年和他的父親萊昂內爾 · 彭羅斯（Lionel Penrose）共同在《英國心理學雜志》（British Journal of Psychology）上發表了這一結果。因此，人們也常常將這兩張圖像稱為彭羅斯階梯和彭羅斯三角形。

彭羅斯三角形。圖片由本文作者所繪

后來，埃舍爾又把彭羅斯階梯嵌入他的畫作《登高與下坡》中，呈現了出人意料的藝術效果。這個作品里，樓頂上畫的就是彭羅斯階梯，可以看到有些人一直在繞著圈，向上爬著樓梯，但永遠無法到達頂峰。這倒有點像是一個隱喻：我們不斷追求完美，卻永遠也達不到！同時，畫中有人在不斷地下樓梯，但同樣永遠無法到達谷底。這或許是另一種隱喻：人生不如意事十有八九，想想底下還有人，也就“知足常樂”了。

埃舍爾的《登高與下坡》?M. C. Escher 圖片引自：RAMACHANDRAN V S,ROGERS-RAMACHANDRAN D. Paradoxical Perceptions: How does the Brain Sort outContradictory Images?[J]. Scientific American, 2008, 18(2) : 70—73

利普森（Andrew Lipson）和修（Daniel Shiu，音譯）仿照《登高與下坡》用樂高積木搭了一個模型，并從不同角度拍照，發現只有從特定的角度才能拍出作品的效果，如果從其他角度看，就會發現樓梯在轉角處實際上并不銜接在一起，而出現很大的起落。[3]這種錯覺依然是由于試圖用二維平面的投影圖來確定三維物體的真實構型的不確定性引起的。

靜止的“運動”：歐普藝術的運動錯覺圖

20世紀60年代興起了一場藝術運動——歐普藝術（Optical Art，簡寫作Op Art），旨在創作使觀眾產生錯覺的圖像，這些創作往往使觀眾產生圖像在運動、閃爍、振動、膨起或變形等錯覺。這種藝術形式在歐美和日本一時廣受歡迎，也引起了視覺科學家的極大興趣。
歐普藝術的代表作之一是日本京都立命館大學（Ritsumeikan University）心理學家北岡明佳（Akiyoshi Kitaoka）創作的一系列被稱為“旋轉蛇”（Rotating Snakes）的運動錯覺圖像。

北岡明佳創作的“旋轉蛇”。圖片引自：RAMACHANDRAN V S, ROGERS-RAMACHANDRAN D. A Moving Experience: Illusionsthat Trick the Brain[J]. Scientific American, 2008, 18(2) : 53—55

當你用余光去看這一系列的圖時，會感到圖中的圓圈仿佛在旋轉，特別是當你的目光在圖中來回移動時，這種旋轉感就更為強烈。一旦凝視這些“旋轉的”圓圈，旋轉感就消失不見了。如果你沒有看到圖像的運動，也不必為此緊張，因為有些視覺功能正常的人就是看不到這種“運動”。
同一時期，歐普藝術在歐美也掀起風潮。1964年，《時代》（Time）雜志正式提出了Op Art這一名詞。1965年，紐約現代藝術博物館（MoMA）舉辦了一場名為“眼睛反應”（The Responsive Eye）的展覽，大受歡迎，觀眾超過18萬人。在展覽中，藝術家們試圖用作品探索視覺感知的許多方面，如幾何形狀之間的關系、各種各樣在現實中“不可能”實現的表現三維立體的二維圖，以及涉及亮度、顏色和形狀感知的錯覺，尤以運動錯覺最受關注。

蒙娜麗莎的神秘微笑：空間頻率成分的巧用

達芬奇的《蒙娜麗莎》中，蒙娜麗莎似笑非笑的神態令無數觀眾為之傾倒。美國神經生物學家利文斯通（Margaret Living stone）在仔細研究這幅畫作之后注意到，當她直視蒙娜麗莎的嘴時，其笑容并不明顯。然而，當她把目光移開后，蒙娜麗莎的微笑就出現了，把她的目光又吸引回嘴部。這時，笑容又消失了。也就是說，你必須用眼角的余光去看，才能看到蒙娜麗莎的那一絲微笑。

達芬奇的《蒙娜麗莎》。圖片引自WikiArt.org

繪于蒙娜麗莎嘴角邊的一抹陰影是使其微笑顯現的主要因素（陰影區使兩邊的嘴角顯得微微上翹），而陰影主要是低空間頻率成分，也就是空間變化緩慢的成分，只有當低空間頻率占主導地位時，也即當觀者移開目光時，才能看到那抹微笑。為了證實這一觀點，她對《蒙娜麗莎》進行了低通濾波和高通濾波處理，發現在通過低通濾波后，微笑比原始圖像更明顯——即使你直視蒙娜麗莎的嘴部，也能看到。然而，在經過高通濾波后，即使你把目光從嘴部移開，也看不到笑容。只有將兩幅圖像放在一起，才可以還原出最初的杰作和那抹難以捉摸的微笑。蒙娜麗莎的“神秘的微笑”得以實現，不僅有達芬奇的匠心獨運，還需要觀眾神經系統的積極配合！

“變色龍”：流光溢彩的點彩畫派

在繪畫的各種流派中，“點彩畫派”以其絢麗多彩的風格獨樹一幟，從不同距離觀看其作品的色彩都會發生變幻。這一畫派的奠基人之一、法國畫家修拉（Georges Seurat）相信，所有顏色都是由不同比例的三原色（黃色、紅色和藍色）及其補色生成的，因此他常常在畫布上涂上大量不同顏色的斑塊。

修拉的《觀看表演》，遠看顏色非常豐富多彩和逼真，近看卻只有有限的幾種顏色的色點。圖片引自：WOLFE J M，KLUENDER K R，LEVI D M，et al. Sensation & Perception[M].Sunderland. MA：Sinauer Associates Inc，2006

當你近距離細看修拉的作品時，看到的是幾種顏色的斑點；如果你把圖像直立起來，逐步后退，你看到的畫面的顏色也會跟著變化。這是因為視網膜上有三種視錐細胞——管色覺的感光細胞，它們對不同波長的光的吸收程度的敏感度曲線不同，也就是說，對于同樣的光刺激，它們的反應強烈程度不一樣。我們知覺到的顏色就取決于這三種視錐細胞的反應比例。視錐細胞并不直接把其輸出發送到腦，而是在視網膜中首先通過一些中間神經元會聚到神經節細胞。每一個神經節細胞只接收視網膜上位于其特定區域中的感光細胞的輸出，這個區域就叫作該神經節細胞的感受野。圖片和視網膜的距離不同，投射到特定感受野的圖片區域也不同，距離越大，區域就越大。對點彩畫來說，區域中包含的色斑也就越多。當觀賞的相對位置發生變化，特定感受野中接收到的色斑光的成分也會不同，神經節細胞所綜合的三種視錐細胞的反應比例隨之改變，我們知覺到的顏色也就隨之而變。這就是點彩畫的色彩會隨觀賞位置而變的原因。

立體錯覺藝術

一些藝術家利用透視、顏色、加亮、陰影等使其畫作看似實物，甚至到了以假亂真的程度。藝術史上不乏這樣的趣聞逸事。宙克西斯（Zeuxis）和帕拉西烏斯（Parrhasius）是古希臘的兩位名畫家，他們都以寫實著稱，難分伯仲。為了一決雌雄，兩人決定各帶一幅包裹起來的代表作進行競賽。到了競賽現場，宙克西斯打開他的畫作，這是一幅葡萄寫生，畫上的葡萄看上去就像真的一樣，甚至有飛鳥從空中撲下來啄食，這使他覺得勝券在握，就動手去打開帕拉西烏斯的包裹。但是他輸了，因為他所要解開的包裹正是由帕拉西烏斯所繪！

吉斯伯蘭茨的《畫家的特質》。圖片引自：MARTINEZ-CONDE S, MACKNIK SL. The Neuroscience of Illusion: How Trickingthe Eye Reveals the Inner Workings of theBrain[J]. Scientific American, 2008, 20(1) : 4—7

這種把畫畫得像實物一樣的風格始于文藝復興時期，盛行于17世紀的荷蘭。畫家吉斯伯蘭茨（Cornelius N. Gisbrechts）的代表作《畫家的特質》，畫的是畫家自己的工作室：墻上布滿了藝術家的作畫工具，畫框上的畫布脫落了一角，釘在墻上的一幅素描草圖卷起了角。這種高超的錯覺藝術手法要求畫家盡量不露出作畫的痕跡，甚至畫家的簽名也悄悄地藏在了調色刀上折起的紙條中。

羅馬圣依納爵教堂的“穹頂”。圖片引自：MARTINEZ-CONDE S, MACKNIK SL. The Neuroscience of Illusion: How Tricking theEye Reveals the Inner Workings of the Brain[J].Scientific American, 2008, 20(1) : 4—7

羅馬圣依納爵教堂（St. Ignatius of Loyola Church）的穹頂是巴洛克錯覺藝術的經典范例。教堂的建筑師格拉西（Orazio Grassi）本打算造一個穹頂，卻在教堂完工之前不幸撒手西去，建造穹頂的錢也被移作他用。30年后，也即1685年，宗教藝術家波佐（Andrea Pozzo）受邀在該教堂圣壇頂的天花板上畫一個假穹頂。雖然波佐早就以透視藝術聞名，但是他繪制的假穹頂的效果依然令人難以相信，甚至直到今日，許多游客依然為這一穹頂只是一種錯覺而驚嘆不已！

參考文獻

[1] 克里克. 驚人的假說: 靈魂的科學探索[M]. 汪云九, 等譯. 長沙: 湖南科學技術出版社, 1998.[2] 林鳳生. 名畫在左, 科學在右[M]. 上海: 上海科技教育出版社, 2023.[3] RAMACHANDRAN V S, ROGERS-RAMACHANDRAN D. Paradoxical Perceptions: How does the Brain Sort out Contradictory Images?[J]. Scientific American, 2008, 18(2): 70-73.

本文經授權轉載自微信公眾號“信睿周報”，原題為《錯覺藝術背后的神經機制》。

特 別 提 示

1. 進入『返樸』微信公眾號底部菜單“精品專欄“，可查閱不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關注公眾號，回復四位數組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。