你的眼睛為何如此貧窮

人類的視覺從精細度、色彩感、立體感上看,至少在哺乳動物中似乎居於上流。然而,從硬件配置上看,人眼就不能算高端了。比如我們的視錐細胞比例較低,意味著我們的精確視力和色彩感知並不如我們以為的那樣好。


人類其實是靠硬件巧妙地組合,加上控制、反饋系統提高性能。這頗有點像iPhone:他們的硬件配置從來都不是最先進的,卻總是在綜合性能上勝出。



-文字稿-

人類的眼睛雖然存在一些通用缺陷,但瑕不掩瑜,其精巧的構造和高效能,常常被拿來與高端鏡頭和攝像機做比較。不過,實際上人類眼睛的配置堪稱貧窮,更加不可能有傳說中幾億甚至幾百億像素的精度。


你的眼睛為何如此貧窮


首先是貧窮的感光細胞。我們都知道視錐細胞負責顏色和細節,視杆細胞負責探知微弱光線。視覺夠不夠精細、色彩是否豐富,主要與視錐數量有關。但在人類的單隻眼睛中,它們分別有6百萬和1億2500萬個左右。僅從數量上看,你會懷疑人類其實是一種色覺低下的夜行動物。

你的眼睛為何如此貧窮


人類的解決方案是,在靠近視網膜中央建立了一個只有高密度視錐細胞存在的特殊區域,其直徑約1.55毫米,在視野中的範圍大概是5度,也就相當於伸直手臂後兩個大拇指那麼寬。


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這被稱為中央凹(fovea),也就是正常人 中心視力的所在。只有在這一小塊區域,人們才能真正看清楚東西的細節以及豐富的色彩。在更外圍的視野中,視杆細胞佔據著主導地位,雖然也能看見東西,但根本看不清。不過也不用擔心,因為神經系統會自行腦補,告訴你不要在意這些細節。


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如果想看清稍大一點的東西,就要辛苦眼球自己動一動,在極短時間內用中心視力把目標掃描一遍。好在眼球跳視(saccade)的角速度高達每秒鐘900度,響應時間只有20到200毫秒,定位更是異常精準,因而你幾乎不會察覺到畫面其實是依次拼貼起來的。


你的眼睛為何如此貧窮


整個視網膜的配置都透露出一股貧窮的氣息,為了節省一點點資源費盡心機。但是這還不算完。

在視網膜上有一層神經節細胞,是它們的軸突形成視覺神經纖維,最終傳遞了視覺信息。神經節的編制嚴重不足,平均一百多個感光細胞才能對應一個神經節,其信號質量可想而知。


你的眼睛為何如此貧窮


解決的辦法還是那個,優先供給中央凹,讓這裡的視錐細胞獲得一對一傳輸的待遇。為了不影響唯一完好的視力區域,在中央凹最核心的區域裡,甚至不允許出現血管,這裡的細胞只能依靠視網膜另外一側的脈絡膜(Choroid)來獲取氧氣和葡萄糖。


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至於其他地方,不論是視網膜內側的血管影響透光性,還是神經節密度太低影響信號精度,都算不上問題。

當然,貧窮也能激發細胞的潛力。在感光細胞和神經節之間,還存在大量不同類型的神經細胞。它們通過複雜的連接方式,以及各自不同的信號激發模式(感知野),和神經節一起對原始的視覺信號進行了批量預處理,從某種程度上減少了帶寬不足的帶來的信息丟失問題。


你的眼睛為何如此貧窮


更加出色的是,兩隻眼睛的神經纖維又各自分出一半,左眼左半側和右眼左半側前往大腦左側,左眼右半側和右眼右半側前往大腦右側,也就是所謂的視交叉。實際上,我們的左側大腦負責右側視野,右側大腦負責左側視野,剛好對調。

你的眼睛為何如此貧窮


視交叉一方面讓兩側大腦都可以同時獲得兩隻眼睛的視覺信息,增強了我們的立體感。另一方面,又增強了手眼協調能力。因為不論需要控制哪隻手,都可以就近獲得同側大腦的立體視覺協助,而不需要跨越半球通訊。

你的眼睛為何如此貧窮


可以說這個「設計」既經濟又高效,大大緩解了大腦資源緊張的問題;就和我們眼睛一樣,在貧窮中透著一股智慧,體現著自然演化的精髓:

節省、湊活、夠用,就這樣吧。

參考資料:

Kimble, Daniel Porter. Biological psychology. Holt McDougal, 1988.

Kolb, Helga. "Simple anatomy of the retina by Helga Kolb." Webvision: The Organization of the Retina and Visual System (2011).

Larsson, Matz. "The optic chiasm: a turning point in the evolution of eye/hand coordination." Frontiers in zoology 10.1 (2013): 41.

Peichl, Leo. "Diversity of mammalian photoreceptor properties: adaptations to habitat and lifestyle?." The Anatomical Record Part A: Discoveries in Molecular, Cellular, and Evolutionary Biology: An Official Publication of the American Association of Anatomists 287.1 (2005): 1001-1012.

Zeki, Semir. A vision of the brain. Blackwell scientific publications, 1993.

素材來源:

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schematic_diagram_of_the_human_eye_zh-hans.svg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Retina-diagram.svg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cone_cell_eng.png

NationalEyeInstitute@https://www.flickr.com/photos/nationaleyeinstitute/24912842829

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Human_photoreceptor_distribution.svg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Macula.svg

https://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=QeVnnT2ZQi0

https://www.youtube.com/watch?v=owkuI0020Sk

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File%3AThis_shows_a_recording_of_the_eye_movements_of_a_participant_looking_freely_at_a_picture.webm

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Saccades_and_Microsaccades.jpg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fundus_photograph_of_normal_right_eye.jpg

Lab of Joshua Sanes, Harvard @http://alliance.nautil.us/article/220/creating-a-census-of-human-cells

http://ucd-advance.ucdavis.edu/sites/main/files/imagecache/lightbox/main-images/fovea.jpg

https://i.stack.imgur.com/FUeS8.jpg

https://webvision.med.utah.edu/book/part-i-foundations/simple-anatomy-of-the-retina/

Dr. Keunyoung Kim@https://www.nikonsmallworld.com/galleries/2016-photomicrography-competition/mouse-retinal-ganglion-cells

https://www.youtube.com/watch?v=ewEdR5_V-v0

https://www.youtube.com/watch?v=nXo4GZxUkaE

https://www.youtube.com/watch?v=NnMfOeb0OmI


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