Черная дыра апокалипсиса — в глазах смотрящего

До этого исследования было две основные теории, объясняющие такие иллюзии:

1. Теория ассимиляции и контраста Геринга. Как объясняют авторы работы, согласно этой теории, "зрительная система усиливает или ослабляет локальные контрасты на основе окружающих элементов, что приводит к восприятию движения или эффектам глубины.
   В иллюзии расширяющейся дыры постепенный радиальный градиент яркости к более темной центральной области может вызывать ощущение глубины или движения через эффекты контраста”. То есть наша зрительная система группирует похожие элементы, усиливает различия между контрастными областями, а это приводит к тому, что статичный градиент воспринимается как движение.
2. Теория Чангизи о восприятии настоящего из прошлого. Эта теория предполагает совершенно другое объяснение. Она исходит из того, что нашему мозгу требуется время на обработку визуальной информации. И чтобы компенсировать эту задержку, мозг постоянно пытается предсказать, что произойдет в следующий момент.
   В случае с иллюзией расширяющейся дыры, как пишут авторы исследования: "Затемняющийся центр, окруженный градиентной тенью, может интерпретироваться как движение по направлению к наблюдателю. Теория Чангизи предполагает, что иллюзия возникает из предиктивного ответа, когда мозг интерпретирует градиентный паттерн как движение вперед в ожидании того, где бы находился наблюдатель, если бы изображение было действительно динамическим". Проще говоря, мозг видит темный центр и градиент вокруг него, такой паттерн часто встречается при движении вперед (например, когда мы входим в тоннель), а мозг "предполагает", что мы движемся, и создает соответствующее ощущение.

Та и другая теория вроде бы неплохо объясняли иллюзию. Вот только ни одна из них не справлялась с ее физиологическими эффектами. Почему при взгляде на картинку, например, расширяются зрачки? Из-за этого авторы нового исследования и решили попробовать найти другое объяснение. Ведь здесь могут работать более фундаментальные механизмы зрительной системы, чем те, что мы знаем сейчас. Поэтому вместо того чтобы фокусироваться на высокоуровневых когнитивных процессах, они обратили внимание на самые ранние этапы обработки визуальной информации — работу сетчатки глаза.

"Последние физиологические исследования значительно расширили наше понимание ганглионарных клеток сетчатки и их функционального разнообразия. Исследования показали, что как сетчатка, так и зрительная кора млекопитающих используют стратегии многомасштабного представления и обработки информации", пишут авторы исследования.

То есть разные клетки обрабатывают информацию на разных уровнях детализации, одни клетки реагируют на мелкие детали, другие анализируют более крупные паттерны. В итоге характеристики обработки меняются в зависимости от того, куда именно на сетчатке попадает изображение.

Интересно, что ранее ученые уже подозревали, что все намного сложнее. И иллюзия не совсем в мозге разыгрывается. "Хотя раньше считалось, что избирательность к ориентации ограничена корой головного мозга, было обнаружено [в последующих исследованиях - прим. SciOne], что определенные клетки сетчатки также проявляют избирательность к ориентации, подобную корковым клеткам", объясняют сами авторы работы. Это означает, что уже на уровне сетчатки вероятно происходит довольно сложная обработка визуальной информации, а не просто передача сигналов в мозг.

Чтобы разобраться, как именно это может работать, они построили довольно хитрую компьютерную модель, которая повторяла эту механику. Если очень грубо, то представьте, что у вас есть две кисточки разного размера: маленькая кисточка создает легкое размытие, а большая кисточка создает сильное размытие.

Что с ними делает программа? Она берет картинку и размывает её маленькой кисточкой. Затем берет ту же картинку и размывает большой кисточкой. Сравнивает эти два размытия и находит разницу между ними. Это помогает выделить важные детали изображения - примерно как наш глаз выделяет контуры и границы объектов.

То есть, говоря уже без метафор, модель имитировала работу рецептивных полей ганглиозных клеток сетчатки. Это очень важный момент. Рецептивное поле – это участок сетчатки, при освещении которого конкретная нервная клетка меняет свою активность.

Так вот рецептивное поле ганглиозной клетки сетчатки имеет особую структуру "центр-окружение". Центральная область клетки может возбуждаться светом, окружающая область при этом оказывает тормозящее действие. Или наоборот: центр тормозится светом, а окружение возбуждается. Вот это и воспроизвели на компьютере с помощью алгоритмов и математических формул.

Получившаяся модель применила к изображению фильтр (гауссовский), получив тем самым размытую версию картинки. Затем модель вычитала одну размытую версию из другой. В результате получается что-то вроде полосового фильтра, который выделяет определенные пространственные частоты в изображении.

А взяли исследователи для анализа две картинки: черная дыра на светлом фоне (классическая иллюзия), и версия наоборот — белая дыра на темном фоне. В итоге для черной дыры: программа показала, что центральная часть как будто расширяется - точно так же, как это видит человек. Для белой дыры: программа показала обратный эффект - центр как будто сжимается.

И это не субъективные ощущения. На деле в эксперименте, когда модель обрабатывала картинки иллюзии, алгоритм составлял "карту краев" (Edge-Map). Это математическое представление того, как сильно меняется контраст в разных частях изображения. Причем в разных масштабах.

Так что программа не "видела" расширение или сжатие в привычном нам смысле, а измеряла конкретные математические параметры — как меняются значения контраста на разных масштабах анализа изображения. Эти измерения показали разные паттерны активации для черной и белой версий иллюзии, что соответствует различным физиологическим реакциям, наблюдаемым у людей (например, расширение или сужение зрачков).

Тем самым модель смогла объяснить не только субъективное восприятие движения, но и физиологические реакции, такие как расширение зрачков. Это, как считают авторы, подтверждает, что иллюзия возникает на самых ранних этапах обработки визуальной информации, а не является результатом более поздней интерпретации мозгом.

Теперь авторы исследования хотят проверить свои выводы на живых людях в нейрофизиологических экспериментах. А значит, — прямое наблюдение за работой сетчатки. Это важно потому, что сейчас мы видим только конечный результат работы модели, но не имеем прямых доказательств того, что реальные клетки сетчатки работают именно так, как предполагает модель. Да и можно было бы нащупать физиологическую связь с другими иллюзиями, которые задействуют похожие механизмы или имеют схожие эффекты.

Исследование: https://arxiv.org/pdf/2501.08625