大家好，我很高兴能到中国美院跟各位做这样一个分享。今天报告题目是:Art from a Neuroscience Perspective，从脑神经科学的视角看艺术。

 

 

Figure1 《艺术三万年》

 

这是我今年刚译完的一本书，是英国的费顿公司（PHAIDON）的《艺术三万年》（30000 Years of Art），这是一本按编年史方式编写的世界艺术史。本书介绍的第一件作品是三万年前在德国一个叫Hohlenstein-Stadel的洞穴中发现的猛犸象牙狮头人身雕刻。

 

Figure2  德国Hohlenstein-Stadel狮头人身猛犸象牙雕刻

 

第二件作品是一个彩绘的石灰石维纳斯雕像，来自奥地利的Willendorf，距今大概两万五千年。

 

 

Figure3  奥地利的Willendorf彩绘石维纳斯石雕

 

全书共介绍了世界各地的600个作品，时间从三万年前一直跨越到20世纪末。下图是书中的部分作品。

 

Figure 4 《艺术三万年》作品

 

第一排的作品最古老，第一、第二个就是上面介绍的德国猛犸象牙雕和维纳斯石雕，第三个是公元前15000年前西班牙的Altamira洞穴壁画，第三个是公元前5000年前的罗马尼亚赤陶雕塑，第四个是公元前5000年伊拉克的Samarra彩碟，最后一个是公元前3500年前意大利的十字架型女性雕塑，非常抽象写意，材料是大理石。

 

中间这层也很古老，第一个是公元前2450年前埃及的一个石灰岩雕塑，即便以现代标准看也算很具象和写实。第二个是现藏于纽约的一个希腊大理石雕刻作品，时间是公元前585年。下一个是公元前540年前希腊的彩陶黑像画，再下一个是公元前400年前塔吉克斯坦用黄金制作的二轮战车，最后一个是公元前100年意大利的亚历山大马赛克壁画。

 

第三排是较为近代的作品，第一个是文艺复兴时期的宗教绘画（《哀悼基督》，意大利，公元1303年），第二个是伊朗的建筑马赛克装潢艺术米哈拉布神龛（公元1354年）抽象作品。后面三个作品，实际上在探求艺术的科学问题，特别是最后的那个光谱艺术（Fall, Bridget Riley, 1963），研究是人类视觉真实性问题。

 

从三万年以来的宏观艺术史演化角度来看，“什么是艺术？”，这是每一位艺术工作者都应该思考的一个问题。

 

Figure5  Fountain,Marcel Duchamp, Dada, 1917, France

 

如果我们用“美”来定义艺术，那么，杜尚的作品《泉》可以算作艺术么？它显然已经不能用“美”来定义了，该作品已然成为现代观念艺术的代表。

 

我们来看看下面这张图片，这是艺术么？

 

Figure6  HCP 大脑神经连接

 

这是一张经过染色处理的大脑核磁共振图片，展示的是人的大脑神经白质结构，即大脑信息传递的高速公路。下一组图是美国“人类大脑神经连接组项目”（The Human Connectome Project, HCP）的图片，从大脑神经连接网络的各个角度拍摄而得:

 

Figure 7  TheHuman Connectome Project, HCP： 大脑神经连接组

 

在我看来，这些都非常艺术，是种很独特的艺术。

 

艺术与科学之间真有巨大而不可跨越的鸿沟么？同一物体给人以物质还是艺术的观感其实取决于我们的观察角度。比如大脑切片会给你非常物质的观感，但大脑的神经网络却会给人以十分艺术的观感，如下面这两张图。

 

Figure 8  大脑的物质性和艺术性

 

左边的非常物质，右边的十分艺术，所以不仅是艺术中有科学，科学中同样也有艺术，两者之间其实没有严格的鸿沟。

 

对艺术和科学的感知与人类大脑左右半球的分工很有些联系。RogerWolcott Sperry先生是一位美国神经心理学家，他与另外两位重要的脑神经科学家David Hubel和Torsten Wiesel（下面会专门介绍）共享了1981年的诺贝尔生理学医学奖。他的贡献就是关于大脑左右半球功能差异的研究。简单说，人的左右半球是有分工的，右脑更多与情感、艺术和创造性关联，而左脑更多与推理、数字和科学思维关联，如下图所示。

 

Figure9  大脑左右半球功能差异

 

最近上海大学林风生老师出了本书，叫《名画在左，科学在右》，也是研究科学和艺术间的关系。

 

艺术的物理生物层面都包括哪些要素？大约就是下图中的颜色，构形、线条、对比、形状和运动等。

 

 

 

Figure10  艺术6要素

 

而这些要素恰恰也是脑神经科学家所关心的东西。他们要研究视觉、颜色背后的机制究竟是什么？线条、形状在大脑中是如何被建构的？动感在大脑中是如何形成的？简而言之，科学和艺术所研究的对象都是相同的。

 

举个例子说，下面这张图是16世纪意大利画家Giuseppe Arcimboldo的一个作品，看上去似乎就是个普通的鲜花水果篮子，但如果我们把它调转180度，就会发现它原来是一幅人物肖像画：

 

  

Figure11 Giuseppe Arcimboldo: Reversals

 

从这个例子中，我们会发现一个重要的脑神经学的图像识别机制，即图像识别其实与我们的观看角度有关。对于图像识别而言，并不是有了相同的信息就可以得出相同的图像感知，信息相同，但如果这些信息的呈现方式不同（比如转动一个角度），那么大脑对信息的建构方式就会不同，就会得到不同的图像。这种建构机制，其实与艺术审美关系极大。
 

1980年纽约大学心理学教授Peter Thompson发现，同一张照片正着放和倒置放对人会产生完全不同的心理观感，他的研究可以用“撒切尔效应”来概括，即人们对撒切尔夫人的照片正放和反放会产生全全然不同的心理感受。

 

Figure12  撒切尔效应

 

这是一张前几年风行网络的图片。图中这个叫Adele的女孩的脸一个朝上，一个朝下，两者含有的信息完全一致，但颠倒了180度。显然，这两张图片所引起美、丑感受是截然不同的。单看左边这张图，你心想这一定是位美女，但倒过来一看，你一定会被吓着。实际上图像识别并不简单，并不是在二维平面上含有的信息点相同，就能构成唯一的图像识别。图像识别与角度关系密切，下面会详细介绍。

 

美国哥伦比亚广播公司节目“60分钟”的著名女主持Lesley Stahl于2012年做过一期有趣的节目,内容是脸盲现象。脸盲症（prosopagnosia，又称面部识别缺失症，在美国大约有2%的人群在不同程度上患有此病）病人丧失了或具有较低的人脸识别能力，他们甚至无法识别自己的亲人。这个现象是在二战期间发现的，当时有些士兵从前线回家后，竟然认不出自己家人。

 

 

Figure13  脸盲症

 

当Lesley采访脑神经科学家Sacks博士时，Sacks博士给她看了一组倒置的人物照片，大多是美国人人皆知的各界名人，可Lesley一个也认不出。当Sacks博士将把照片反转过来后，Lesley才发现她个个都认识，其中有一个竟然还是她的女儿。可见面部识别的背后大有学问。

 

脑神经科学家已经弄清了大脑中负责面部识别的功能区，这个区域叫“梭状回”（fusiform），请见下图中黄色箭头所指区域，这是一个梭型体，专门负责大脑的视觉识别。

 

Figure14  梭状回 Fusiform

 

《艺术三万年》中介绍了一位英国光效艺术家Bridget Louise Riley，她和另一位艺术家Harry Thubron一起专门研究美学的形式要素，特别是眼睛如何感知空间形式。她对什么是“视觉真实”极为关心，创作了许多能让人产生视幻觉的图像，这些图像乍看是静止的，但是随着眼睛在画面上的下意识运动会产生动态的感觉。下面是她的两幅作品。

 

Figure 15  Bridget Louise Riley Op Arts

 

这些艺术家其实在探讨人类视觉的大脑神经学机制，不过他们的研究手段与脑神经科学家很不同，他们虽没有办法像科学家那样用科学实验的方式去研究，但是的确付出了许多努力。脑神经科学家现在已经弄清了负责视觉动感的大脑神经区域叫中颞视觉区（MT visual area）。

 

其实，对同一对象完全可以有不同的呈现方式，这就叫建构。下图是《艺术三万年》中的另一幅作品，是艺术家Jasper johns于1961年创作的一个作品，名字叫《地图》，看上去很像一幅美国地图。

 

Figure16  Jasperjohns：Map

 

有评论家认为，这不是真正的“地图”，而是对“美国地图”的一种艺术表现，描绘的对象是地图而非地球。可Jasper说，我表现的不是地图而就是美国，我的作品本身就是一幅地图。传统地图制作者的呈现方式与我的方式间并没有本质区别，他们制作的地图是对地球的一种呈现，而我的艺术作品也是对地球的一种呈现。同一个对象可以用不同方式来呈现，我和他们不过是处于不同的精神（脑神经）状态。所以，这些不同的描述方法本质上都是对客观现实的呈现。地图本是一种科学呈现手段，但在Jasper那里，艺术呈现和科学呈现是等价的。

 

现在我们来看一个相反的情形。有位名叫Greg Dunn同学于2011年读完美国宾州大学脑科学博士后，开始尝试一种全然不同的生涯。当他的同学们正忙着在显微镜下试图弄清脑神经细胞的内部结构时，他却试图用画笔在画布上去表现这些脑神经结构，试图以其独特方式来展现脑神经网络的美。

 

Figure17  GregDunn: 大脑神经元结构

 

上面这幅图是他绘制的脑神经元结构，有树突、轴突以及神经元之间的连接突触。有意思的是，他还在图中左下角模拟中国国画盖了个印章。这虽是脑神经科学家的创作，但其艺术性并不比许多艺术作品低。

 

科学跟艺术之间的互动，在国际上已经发展出一门专门的学问，叫神经美学（Neuroaesthetics）。在这个领域有两位先驱人物。一位是英国伦敦大学的SemirZeki教授，另一位是加州圣地亚哥大学的印度籍美国人Ramachandran教授。

 

Figure  18 Prof.Semir Zeki  

 

Figure19  Prof.Ramachandran

 

他们写了不少专业文章，也出了一些书，其中的两本著作如下：   

 

Figure20 Inner Vision by Semir Zaki and The Tell-Tale Brain by Rmachandran

 

神经美学所研究的问题，实际上是要搞清楚大脑各个区域的结构及其所对应的脑功能。他们想知道，是否能够从各个艺术门类中提炼出美学的普适规则？审美经验是否能用某种公式来表现？此外，我们在审美中获得了快感是如何产生的，它们与大脑演化过程中的刺激反应回馈系统有什么关系？比如，吃到美食时会产生愉悦感，避开敌人后会感觉很开心，神经递质在其中扮演了什么角色？所有这些是否与我们的审美有关？

 

神经美学研究者还研究很多脑损伤病历。研究脑损伤是脑神经科学家研究大脑的重要途径之一。大脑在受到损伤后会改变脑神经网络的连接方式，会导致患者产生许多奇妙的变化。有些患者在大脑受到创伤后可能会变成所谓的“学者症候群患者”（savant syndrome），记忆力突然变得超强，特别是情景记忆能力，如像相机一般，看一边就能记住。其中最著名的一位，是电影《雨人》中主人翁的原型人物Kim Peek，他出生时因巨头畸形导致小脑受损，导致胼胝体发育不全，链接两个大脑半球的神经束完全缺失，但这反而使得他获得了非凡的记忆力。据说他读书时每页只需要约10秒钟，而且可以将读到的东西都记下来，其内容从历史、文学、地理、数字到体育、音乐和年代。在他的记忆中存储着约1.2万本书，对125年内的文献资料了如指掌。

 

我们再回过头来谈Zeki教授，他的一句名言是：“...the artist is in asense, a neuroscientist, exploring the potentials and capacities of the brain,though with different tools.”（艺术家在此意义就是神经科学家，他们在探索大脑的能力和潜力，不过使用的工具有所不同。）

 

脑神经美学研究者所使用的工具有多种，最常用的手段包括脑电极图、MIR（核磁共振）和大脑损伤研究。

 

他还说，“引起审美经验的机制只能从脑神经科学中获得根本的理解，我们现在已经获得了这种理解能力。”他讲大脑的视觉有两个重要的能力，一个是所谓“不变性”（Constancy），另一个是所谓“抽象性” (Abstraction)。前者是说大脑具有一种把握事物稳定特性而忽略易变成份的能力，后者是讲大脑对外界信号刺激具有一种根据实用原则抽取认知规则的能力。其实这两者说的基本是一回事，不过角度不同。他还说，即所谓艺术就是把大脑里的抽象过程外置化，将其表现在媒介上。或者说，艺术就是大脑里的不变性的外部投射。他的这个讲法我看有些偏颇，这对抽象艺术也许成立，但对于具像艺术而言并不适用。艺术表现的方面很多，并不只是把大脑的思维抽象物表现出来，或仅仅为了表示不变性或对外部刺激进行抽象。他倒是问了一个很好的问题：当我们在观看抽象艺术和观看具象艺术时，我们的大脑神经行为模式到底有什么不同？（后来还真的有人做了这个实验）

 

他对模糊性所做的分析也很有意思。什么叫模糊性？我们先来看看下面这个图：

 

Figure 21  NeckerCube

 

这就是著名的内克多面体。中间这个立方块可以处于两种状态：一个是左边的状态，即从正前方看过去的状态，另一个是右边的状态，即从右上方往左下方观看的状态，也就是说，内克立方体具有两种不同的状态，或者说具有某种“模糊性”。

 

可是按照Zeki的说法，脑神经科学家所理解的模糊性跟字典中说的模糊性并不是一回事。对脑神经科学家而言，被观察物的状态取决于你的意识状态，当某种意识状态占据你的意识舞台时，被观察物就呈现A状态，当另一种意识占据你的意识舞台时，被观察物就会呈B状态。其实A、B两种状态都是很确定的状态，并不存在什么“模糊性”。换言之，同一被观察物可以具有多个确定状态。这听上去很象量子观测的情形。

 

加州圣地亚哥大学的拉马钱德伦（Ramachandran）教授是神经美学研究的另一位先驱。他是位非常博学和风趣的教授。他将神经美学归纳成8个法则。第一个是所谓峰移效应（Peak shift）。例如在训练老鼠吃食时，在老鼠前面装两个按纽，一个方形，一个长方形，按方形的不出食，按长方形出食，老鼠很快就掌握了窍门，每次都按长方形的按纽。下一步把方形按纽拿走，换成一个比现有长方形按钮更加“长方”的按钮，结果老鼠不去按早先记住的按纽，而是按那个新的更为长方的按纽。也就是说，老鼠在学习过程中学到的，并不是具体那个长方形按纽，而是学到了“长方性”。这就是老鼠按新按钮找食吃的原因。峰移法则的另一个例子可以用下面这幅尼克松主题的漫画来说明，漫画家将尼克松面部的某些特征加以放大，增加了漫画的艺术性。

 

 

Figure22  Nixon Cartoon

 

第二个法则是“抽取法则”（Isolation），即将物体的特征提取出来进行描绘而非对物体进行写实性的具象描绘，比如对物体的轮廓勾画就比一张彩照更具艺术性。第三个法则是“要素组合法则”（Grouping），意思是说，好的艺术作品要能给观者以想象力空间，能让观者通过想象把画面上的相关要素进行有意义的组合。第四个法则是“对比法则”（Contrasting），说的是大脑视皮层对同质均匀的色彩的反应远不如对有色彩梯度差异的反应强烈，所以好的艺术作品应该具有良好的色彩梯度对比。省略第5、6、7三个法则，说说第八个“对称法则”。在生物演化中，非对称大多与疾病和伤残有关，自然会让人产生不愉悦的感觉。匈牙利画家T.K. Csontvary1902年创作了一幅油画叫《老渔夫》 （The Old Fisherman），见下图：

 

 

Figure23   T.K.Csontvary Old Fishman, 1902

 

该作品中的人物性格非常复杂，经分析，渔夫的左脸和右脸其实是不对称的，如果我们分别取左右半边脸做镜像对称后合成一张脸，我们就会得到以下两幅画：

 

 

 

可见，左脸的镜像看上去是位非常温和的老人，而右脸的镜像看上去却是相当阴险。这里是利用了人脸的不对称性来表现人物复杂的内心世界。

 

上个世纪的30年代有位叫Maksymilian Faktorowicz（绰号Max Factor Sr.）的美容师利用对称性大做生意，设计了一个叫美容千分尺（beauty micrometer）的装置，套在头上测量脑袋和脸蛋哪里不对称，算是把这个美的“对称性法则”运用到了极致。见下图：

 

Figure24  MaxFactor Sr.的美容千分尺

 

某些神经科学家更加前卫，他们试图在大脑里面找到美的模块。有些脑神经科学家干脆试图找到大脑中与审美创造性有关的神经网络（包括内侧前额叶皮质、后扣带回皮层、楔前叶（Precuneus）和颞顶联合区）。他们通过实验（大脑功能造影）发现画家在观看艺术品时大脑中相关区域的活动程度明显比常人要高（见2016年Nicola De Pisapia等人的《大脑视觉创造功能网络》研究, https://www.nature.com/articles/srep39185）

 

Figure25  比较行家和普通观众观看艺术时的大脑响应

 

Figure26  后扣带回皮层和楔前叶的位置

 

神经科学家甚至在想，能不能根据大脑对美和丑的反应进行定量分析并画出曲线？Semir Zeki和Tomohiro Ishizu在2011年就做了这样一个研究，他们观察艺术家在进行艺术创作时大脑中一个名为内眶额皮质区（mOFC）受到激发的情况，并用曲线把其表现出来。

 

Figure27  内眶额皮质区对美丑的响应

 

当然，艺术性其实与美丑之间并没有正相关性。一个典型的例子是下面两幅画的对比。

 

Figure28  大宫女（Grande Odalisque）

 

这是现藏于卢浮宫的法国画家安格尔1814年创造的一副油画，画的是拿破仑的妹妹。给人无限美好遐想。另一幅画是著名精神分析学家弗洛伊德的孙子卢西安-弗洛伊德（Lucian Michael Freud）1995年创作的Benefits Supervisor Sleeping。

 

Figure29  Benefits Supervisor Sleeping
 

这第二幅作品虽然在常人看来犯恶心，但居然在2015年拍卖了5600万美元，可见其艺术性并不仅仅与美丑相关。作品的观念价值在后现代社会中尤其显著。
 

为了弄清各类视觉刺激与大脑皮层各区域的关联，加州伯克利大学Gallant实验室做过一个非常有趣的实验。他们使用功能核磁共振成像技术来记录实验对象在观看电影时，对各种场景、物体和人物对象的反应。他们将大脑分为160个功能区，给实验对象观看2000多种不同的物体例如人物、老虎、大象、树木时，或是在受到抽象概念，如战争、股票等外界刺激时，这160个功能区究竟如何反应。他们用核磁共振成像将大脑受刺激后的活动情况记录下来，然后再用机器学习和大数据方法对其进行处理，找出物体、观念与大脑不同功能区的对应关系，如下图。

 

 

Figure30  fMRI Brain Mapping

 

从以上介绍可看出，人类的视觉感受与我们的大脑息息相关，或者说，对大脑的认识是我们理解视觉的一把钥匙，所有的视觉现象和艺术观感皆可归结于我们的大脑神经结构和状态。

 

高度概括地说，大脑是生物数十亿年演化的结果，所以有必要简略介绍一下人类大脑演化史。地球的历史大约为45亿年，而地球上的生命大约有35亿年的历史，现存的物种在陆地上有600多万种，在水里有200多万种。

 

 

Figure31  Treeof Evolution: 3.5 Billion Years

 

我们来看看下面这张图，这是大脑演化过程，我们依据这个过程来介绍大脑的几个重要演化阶段：

 

 

Figure32  大脑演化过程

 

生命的神经系统自打生命初期的单细胞生物就开始了。34亿年前的细菌就有了离子通道和可以导电的膜蛋白，这就是最早神经系统的雏形。省去中间过程，让我们快进到3亿5千万年前，那时出现了爬行动物，如蜥蜴那样的古老生物。爬行动物的大脑和人类相比虽然简单，但经过几十亿年的演化，已经变得非常复杂了，变得能够控制生物的基本生存调节功能，如心跳、呼吸、出汗、体温以及血糖和荷尔蒙水平等。又过了1亿多年到了2.5 - 2亿年前，出现了哺乳动物。哺乳动物的大脑更加复杂，它在老的“爬行脑”之上又演化出了一个所谓“边缘系统”（Limbic system）。爬行脑是非情感的，也就是说，爬行动物不会有恐惧感，也不会感到悲伤或高兴。可是哺乳动物除了会有恐惧感（其实是对危险一种预测能力）、悲伤和高兴外，还会有性欲、压力感、焦虑感和群体安全感。哺乳动物大脑的差异极大，从早期的鸭嘴兽（见下图左侧下方）等初等哺乳动物一路演化到灵长类动物大脑，又经历了大约2亿年的时间（见红线指示）。灵长类动物大脑的结构已经和人类相当接近了，也有复杂的具有6层结构的新皮层（neocortex）。

 

 

Figure33  哺乳动物大脑演化

 

大约20万年之前，出现了所谓智人（Homo Sapiens），其标志就是大脑的新皮层比哺乳类动物更加复杂和发达。新皮层也可称为理智脑。如果说边缘脑（情感脑）是在爬行脑之上建立起来的某种反馈控制机制的话，那么同理可以说，新皮层是在边缘脑之上建立起来的某种更为高级的反馈控制机制。边缘脑使得大脑更加复杂，不仅可以进行生物基本调节，还可以预感危险和强化繁殖欲望，让生物获得更强的演化优势。同理，理智脑的出现，使得生物的行为更为复杂，可以进行深度计算而不仅凭模糊的感情冲动行事，这就进一步强化了生物的竞争优势。这是近代人类能够快速演化最重要的驱动力。

 

以此看来，人的大脑按演化的历史来看，其实是分前后相关的三个层级的，从下到上逐级复杂并密切相关，三者之间有着复杂的互动依存关系。美国脑神经科学家Paul D. MacLean将这个大脑的演化过程归纳成下面这个图，称为三重脑（Thetriune brain）：

 

 

 

 

Figure34  三重脑

 

 

 

理解这个三重脑，对于艺术家的艺术创作很有启发左右。艺术作品究竟是与我们大脑的哪个部分在进行对话？我们的艺术在诉诸理性概念还是在与情感脑沟通，或是在直接刺激人类的深层本能？以不同的方式和大脑的不同部分进行对话构成了不同的艺术形式。

 

 

 

为了下面关于视觉的讨论，有必要介绍一下大脑的基本结构和性质。人类大脑是世界上最复杂的存在。先贴张图：

 

 

 

 

 

Figure35  海马体

 

 

 

这是大脑中的海马体，只有手指头这么点大，功能是管理记忆。大脑其实并不是太重，不到1.5公斤，但它含有大约860亿个神经元，而每个神经元大约与1万到1.5万个神经元连接，这些连接点被称为突触（synapse）。大脑里的突触数目达到了惊人的10的15次方这个数量级。这样复杂的结构，最终能演化出很多复杂的情感和观念，还能演化出意识以及对意识的意识。我们把新皮层，也就是大脑最外层的那部分称作灰质（grey matter），其中包括神经元的树突（Dendrite）与轴突（Axon）。轴突的功能是用来传递信息，树突的功能是用来接受信息。轴突相当于大脑中的信息高速公路，它的外层被一层白色酯类物质包裹，所以被称为白质（White Matter）。大脑中不同区域的信息传递就是靠这些成束的白质，可以用核磁共振成像显示成绚丽的图案，如图7所示。

 

 

 

大脑中的800亿个神经元和10的15次方个突触构成了一个超级复杂系统，其中的连接方式和刺激、反馈关系是目前的脑科学研究最前沿的内容。脑科学家将这个超级复杂系统称为“脑神经连接组”MIT的科学家Sebastian Seung几年前写过一本书就叫Connectome。这书很值得读读，它不是用技术性语言写的，算是有点烧脑的科普读物。

 

 

 

 

 

Figure36  Sebastian Seung: 《脑神经连接组》

 

 

 

他在TED的演讲中说过两句话，第一句是：“我就是我的大脑连接组！”（Iam my Connectome!） 意思是说，我之所以是我，每个人的大脑连接组是独一无二的，所以可以用大脑连接组来定义个人。 第二句话是：“我大于我的基因”（I am more than my genes），意思是说，基因并不能完全解释大脑连接组，或者说，大脑连接组产生还有基因之外的原因。基因只能作为部分的解释，但不能解释全部。大脑连接组的某些东西并不是基因决定的，也不是所有的东西都是遗传性的。除了基因之外，大脑神经的连接方式有不少是后天经验决定的，这个后面再谈。

 

 

 

目前人类唯一能弄清楚的Connectome是秀丽虫（C.elegans）的。这个秀丽虫只有1毫米长，仅有302个神经元，构成7千种连接，就这么简单一个生物，科学家还用了几十年时间才把它的神经元及其连接方式画出来。

 

 

 

 

 

Figure37  Connectome of C. elegans，White el al, 1986 

 

 

 

我们自然会想问：那么什么时候能够把人类的Connectome做出来呢？那个还太早，现在正在进行的是试图做出老鼠的Connectome。哈佛大学有里奇曼实验室（Lichtman Lab atHarvard），他就在做老鼠大脑的脑连接组。这个工作要比上面谈到的秀丽虫的Connectome困难太多倍。老鼠的大脑尽管跟人比只有千分之一，但也有7千万个神经元，是秀丽虫的20多万倍。老鼠的大脑很软，没有办法做切片，就用树脂类的东西把它硬化，之后从中取出1毫米见方的立方体，将它切成33000多片，再高像素相机摄影，进行数字化处理，每张的像素为25000×25000，即每张图片的信息量是62.5G，你用62.5G×33000片，总信息量是多少？是2000T，即一立方毫米的大脑皮层就有2000T（的信息数据）。如果想把整个老鼠大脑的Connectome做完，需要很多年。做完之后，就会得到一个老鼠大脑完整的Connectome数字模型，清清楚楚地看出神经元的连接方式。

 

 

 

 

 

Figure38  Lichtman Lab at Harvard

 

 

 

这还是老鼠的大脑，再往下做人的大脑，是老鼠的1000倍，把人的Connectome做出来，可能需要几十上百年，工作量非常巨大。但是这个工作很有意义，我自己的体会是，研究一个对象，当无法直接观察对象时，理论就特别多，真正能看清楚的东西往往不需要什么理论。比如说日心说和地心说争来争去，后来伽利略用望远镜一看，发现木星的卫星并不绕着地球转，地心说一下就破产了，也不需要什么理论了，直接看到了嘛，没什么好争的了。再比如细菌的发现也是这样，当时关于致病的原因大家纷争不已，后来列文虎克（Leeuwenhoek）用自制了高倍显微镜，弄滴水一看，发现了微生物和细菌。实际上很多难题随着科学手段的发展，就自然迎刃而解了。说这些的用意是，当我们看清了大脑的连接方式并对其工作机制了解清楚后，我们今天的许多困惑，如记忆、判断、意识以及情感等都会有更好的解释。当我们对大脑的结构和功能有更清晰的了解后，会不会增加我们对艺术的理解？我想应该会的。

 

 

 

介绍完大脑，该介绍下眼睛了，这才是重点。作为一个艺术家，对所有的色彩、线条等视觉要素的了解，不能停留在直观层面，而应该在理论层面有更深的理解。眼睛的演化种类也是无奇不有，我们可以数出来几百种眼睛的形态。

 

 

 

 

 

Figure39  眼睛百态

 

 

 

眼睛是种极为古老的器官，最早的原始眼从5.4亿年之前就出现了，从眼点到视杯，从针孔眼到复杂眼，再到我们人类今天具有三种视锥细胞的眼睛，有着漫长而有趣的演化过程。

 

 

 

 

 

Figure40  眼睛的演化过程

 

 

 

但如果我问：视觉是什么？有谁能说清楚呢？大脑中有面镜子吗？里边住着一位小人吗？视觉的器官是什么？视觉在大脑中究竟是如何形成的？如果你回答说，我们是用眼睛在观看，这是常识啊！不过这个回答只对了一小半。准确的说法是，我们是用大脑在观看，视觉器官主要是你的大脑，而不是眼睛（所谓Mind’s eye）。也可以说，你的眼睛只是大脑的外延。

 

 

 

 

 

Figure41  眼睛只是视觉系统的外延部分

 

 

 

神经科学家Torsten Wiesel说： 眼睛和大脑并不像传真机那样工作，大脑中也没有什么小人看着进来的信号。（The eye and brain are not like a fax machine, nor are there littlepeople looking at the images coming in）。

 

 

 

给大家讲个故事来解释为什么说视觉的器官是大脑。美国上世纪50年代有个盲人叫迈克尔（Michael May），他在3岁时因事故而损伤了眼睛角，失去了视力。在他46岁之时，干细胞技术已经发展到可以做角膜替换手术让盲人重见光明。医生劝他做这个手术，他开始十分犹豫，说已经很习惯没有视觉，生活一点不受影响，比如他在1984年的残奥会上获得了三枚铜牌，速滑速度是时速108公里。不过后来还是做了手术，之后神奇的事情就发生了：眼睛重见光明给他带来了很多麻烦，恢复的视觉不仅没有给他带来便利，反而成了一种骚扰。医生发现迈克尔的眼睛对他来说已经没有意义了，并不是眼睛不能感受到光信号，而是外界光信号对他来说已经失去意义。他大脑中的视觉信号解释系统彻底坏掉了，虽然眼睛视网膜上的感光细胞还在，虽然光信号也可以传到视皮层，但是视皮层已经完全无法解读这些信号了。比如说在他面前放一个立方体，放一个圆球，问他哪个是圆球，哪个是立方体，他必须拿手去摸，摸完以后才知道，用眼睛反而无法判断。所以我们说，眼睛这个器官只是视觉系统在外部的延伸而已，真正的解释功能都在大脑中。

 

 

 

笛卡尔也研究视觉，他认为大脑中的视觉器官是松果体。他认为物质实体（Res Extensa）与思维实体（Res Cogitans）之间是不可约化的。他无法解释外部的视觉刺激是如何变成脑内的思维形象的，于是干脆就认为两者之间根本没有任何关系，这样就变成了二元论者。这说法其实还是有矛盾，如果干脆没有关系，你还说松果体是视觉器官有何意义呢？松果体在两者之间到底扮演什么角色？随着现代脑神经科学的进展，我们知道他把视觉与松果体联系起来的说法是错误的。我认为已经不需要这种二分法了，二元论过时了，这两者间的鸿沟是可以被弥合的。

 

 

 

 

 

Figure42  笛卡尔的二元论：思维实体 vs. 广延实体

 

 

 

我们先来看看眼睛的结构。光线穿过角膜、瞳孔和晶体才能到达眼底。这眼底本身就是个复杂结构。简单说，眼底上有一层感光细胞，上面有1亿2千万个感知亮度的视柱细胞和600多万个三类感知色彩的视锥细胞，见下图。

 

 

 

 

 

Figure43  眼睛结构及视网膜结构

 

 

 

外界物体的影像通过光线进入瞳孔后，并不是像传真机那样完整地将这些信息映射到眼底的视网膜上，而是一个经历了一个非常复杂的过程才到达眼底的视网膜上。脊椎动物的眼睛在几亿年的演化过程中，眼睛的视网膜发生过180度反转。本来的结构很合理，即视网膜（感光细胞）在前，视神经在后，结果反转后变成视神经在前而感光细胞跑到后面去了。这样一来，外界物体信息就被这些血管和视神经给遮挡住了，当物体的光线到达视网膜时，其实已经残缺不全，成了非连续的破碎信息，就像阳光穿过一个树林那样。

 

 

 

 

 

Figure44  视网膜结构：光线从左侧进入，先经过四种视神经细胞后到达右侧黄色的视网膜

 

 

 

如图可见，视网膜的结构很复杂，里面有好几层，本身也是分立的。 视锥细胞（C）和视杆细胞（R）接受到光信号后，并不直接传入大脑，而是经过一系列复杂的排列组合后再传入大脑。视觉信号C和R先经过水平细胞（H）进行组合，然后由双极细胞（B）往下传，这些双极细胞又被无长突细胞（A）进行组合后传给神经节细胞（G），再从这里通过视神经传入大脑。G传出的是什么？就是以上经过无数复杂组合后的动作电位（action potential），根本不是一幅图像。所以不难想象，外界物体的信息只有部分被感知了，你所获得的只是物体的信息片段。可是神奇的是，你并没有破碎的感觉，这个我后面再解释。

 

 

 

 

 

Figure45  人类视觉的三原色组合

 

 

 

我们人类的眼睛中的三种视锥细胞对应于三种感色细胞，分别对光谱中的红（564纳米）、绿（534纳米）和兰（420纳米）3个波段进行响应。 这三色的组合让人类可以感知100万以上的不同颜色。所以人类被称为三原色生物（Trichromates）。类人猿和旧大陆猴也属于这类。

 

 

 

不过大多数动物都不是三原色的，大多数胚胎类哺乳动物是二元色（Dichromat）的，如猫狗等，它们的色彩世界要单调许多，只能感知大约1万种色彩。也有不少动物是四原色的（Tetrachromats），多了一种视锥细胞，可以感知445纳米的波段，如金鱼和一些鸟类。人类也有声称可以感知四原色的，特别是女性。有一位澳大利亚的女画家Concetta Antico，声称自己的视觉是四原色的，她的绘画看上去是这样的：

 

 

 

 

 

Figure46  四原色画家Concetta Antico的作品

 

 

 

不同动物眼中，世界的色彩甚至空间形式都是不同的。比如狗是两原色动物，壁虎在夜晚能看到色彩鲜艳的世界。当然，这些说法所基于的假设是问题的，似乎色彩世界的丰富程度仅仅取决于视网膜上视锥细胞的多少和种类。但视觉形象并不仅仅取决于眼睛的构造和视锥细胞类型的多少，视觉成像更多地取决于大脑皮层中的视皮层性质和功能，所以上面的说法只有比喻和借鉴的意义。

 

 

 

世界上最为复杂的眼睛可能要数一种叫螳螂虾的生物，它能感知16种元色，甚至还可以感知偏振光。它的两个复眼顶在两个独立操作的眼杆上，像这样：

 

 

 

 

 

Figure47  螳螂虾有着世界上最复杂的眼睛

 

 

 

所以说，视觉世界对于每种生物都是不同的。是生物的视觉器官（眼睛加上视皮层）决定了它们的视觉世界。或者说，视觉世界并没有什么绝对性，它仅仅与具体的生物结构相对应。我们人类的视觉器官虽有个体差异，但却是高度同构的，我们不能因为这种同构的眼睛感知世界差不多，就认为世界有个客观的样子。其实世界在不同的生物眼中是可以非常不同的。举几个例子：

 

 

 

狗是二原色动物，它的视觉世界应该是这样的：

 

 

 

 

 

Figure48  狗的视觉世界是灰暗的

 

 

 

壁虎的夜视功能要比人类强很多倍，它们在夜晚的视觉会很鲜艳明亮：

 

 

 

 

 

Figure49  壁虎的夜晚视觉比人类要明亮鲜艳

 

 

 

马的左右两眼视场没有重合部分，所以视场是独立的两部分，也没有景深3D的视觉能力：

 

 

 

 

 

Figure50  马的视觉世界是断开的

 

 

 

变色龙的视觉世界中，甚至空间也是弯曲的：

 

 

 

 

 

Figure51  变色龙的视觉空间弯曲

 

 

 

所以，色彩并不是一种绝对独立的东西，它因接收者不同而不同（Coloris in the eyes of the beholder），如下图所示。

 

 

 

眼睛的结构也多种多样，无奇不有。例如复眼是一种由很多单眼构成的视觉器官，数目从数千到数万个，例如蜻蜓的复眼中含有近3万个单眼。复眼对于运动物体非常敏感，是人的5-6倍，但对色彩感知能力差，聚焦能力也差。我常疑惑，如果人类是复眼，艺术创作会是什么样的？

 

 

 

另一个有关视觉的流行误解是以为我们的眼睛能同时看清视野中的物体，这是因为不了解眼睛的视网膜结构和我们“看”的方式。

 

 

 

 

 

 

 

先说视网膜的结构。我们之所以能看清物体是因为视网膜上有个叫做中心凹（Fovea）的区域，这个区域的直径虽然只有1.5毫米，但人眼600多万感知颜色的视锥细胞绝大部分都聚集这里，这部分提供了所谓的“中心视觉”，（见下图中心部分）。

 

 

 

 

 

 

 

Figure52  中心凹（Fovea）及两类感光细胞分布

 

 

 

那1亿2千万个感知亮度的视柱细胞都分布在视网膜的其它部分，提供了所谓“周边视觉”（peripheral visions）。视觉其实就是这个中心视觉与周边视觉的组合。 人眼分辨物体的能力主要靠中心视觉，看的清楚不清楚，有无色彩，全部取决于中心视觉，它覆盖的区域很小，用视角来测度的话也就是中心那不超过5度的区域，如果你把手臂伸直，拇指两侧与眼睛构成的夹角差不多就是5度。你看到的世界实际上是这样的，只有眼窝中心5度是清晰的，其余部分都是模糊而无色的，如下图：

 

 

 

 

 

Figure53  中心视觉

 

 

 

也就是说，你在每一瞬间感知到的清晰区域就是那么一点点。以阅读为例，实际发生的情形大约是这样的：

 

 

 

 

 

Figure54  阅读只有局部清晰

 

 

 

阅读的清晰部分随着你的眼睛转动而变，眼睛从左到右，每次只有局部是清晰的。那么为什么你会觉得外部世界是清晰的呢？这就与人“看”的方式有关。“看”也是个极为复杂的事，有5种以上的不同“看”法。

 

 

 

第一种“看”法叫做眼跳，也称扫视（Saccades），就是说眼睛看物体、场景时并不是稳定的凝视，而是每秒2-3次到处跳动不断寻求关注点，找到关注点后立即进入所谓凝视（fixation）状态。凝视时眼睛也在不停的运动，它其实是三种眼动的组合，一种是快速眼颤（tremor），第二种是所谓眼飘（drift），第三种是微眼跳（microsaccades），所谓“看”，就是以这种眼跳和凝视的组合方式不断进行采样，然后根据采样的结果在大脑中构成图像。

 

 

 

 

 

Figure55  眼跳和微眼跳

 

 

 

比如我们看这个人脸时，我们的关注点在脸上跳着取样，找到关注点后就进入微眼跳。你可能会问，凝视就凝视好了，为什么需要微眼跳？因为人眼有一个很重要的特性，即眼睛对稳定的成像并不敏感，如果图像稳定，那么视觉很快就消失了，只有通过不断的微眼跳才能保持图像的存在。动物的本能从一开始就是这样，动的东西有威胁，静止的东西没有威胁，所以人眼对静止的东西不反应。比如我们看下面这个图中的A字，靠的就是微眼跳，否则A就不能稳定地呈现在那里：

 

 

 

 

 

Figure56  微眼跳和图像识别

 

 

 

我们的阅读其实也是这种眼跳和微眼跳的组合，大致像这样进行：

 

 

 

 

 

Figure57  阅读中的眼跳和微眼跳组合

 

 

 

我们在路上开车时，眼睛也是在进行不断的眼跳，然后对关注点进行微眼跳采样，像这样：

 

 

 

 

 

Figure58  开车时视觉的采样方式

 

 

 

眼跳还有一个有趣的特点，即眼跳从A点到B点的运动并不是自己能够控制的，一旦眼跳启动，就无法停止，最有趣的是，人脑对眼跳从A点到B点的过程完全不记录不反应，也就是说，跳的过程中什么都看不见的，相当于没有视觉。有人做过计算，说一个人一天大约有40分钟是处于无视觉状态，哪怕你整天睁着眼，你还是丢失了40分钟的历史。

 

 

 

问题来了，如果视觉并不是连续而是间断的，那么为什么我们并没有间断的感觉反而觉得是连续和清晰的呢？原来我们的大脑有种图像重构的能力，虽然外界的信息是我们的眼睛到处跳动一块一块采样采出来的，但大脑可以根据生物的实用目的将其进行重新构造，用预测或类似插值这类方式将不连续、不清晰之处的信息填补上，让你得到所谓“连续清晰”的画面。你以为你看到的场景物体是连续平滑的，但其中含有大量想象，连续平滑是大脑构造出来的。

 

 

 

这方面最典型的一个例子是人眼的盲点。前面说过，人的眼睛演化实际上走了一个弯路，视网膜发生过一次180度的反转。反转的结果使得视神经跑到了视网膜的前面去了，那么视神经要进入大脑就不得不在视网膜上扎一个洞，这个洞就是盲点，这个地方是没有感光细胞的。不过你的日常生活种并感觉不到盲点，这正是大脑的图像填充功能将盲点给补上了。你看到的所谓完美的世界是你的想象，它的缺失部分都被大脑打上补丁了。

 

 

 

传入大脑的信号去了哪里？它们先是经过一个叫丘脑（Thalamus）的中继站，这里有个神经核叫外侧膝状核（LGN），从这里再传入大脑后部一个叫枕页（Occipital Lobe）的区域，这里有块专门负责处理视觉初级信号的皮层，叫初级视皮层（Primary Visual Cortex）。这个过程可以用下图表示：

 

 

 

 

 

Figure59  视通道、LGN和初级视皮层

 

 

 

我们无法在这里详细介绍视皮层的结构和特性，但是我不得不提视皮层的一个重要特性，即视觉信号的方向选择性。这对我们理解视觉的意义极为重要。简单点说，视皮层由许多功能柱构成，而每个功能柱只接受特定方向的光信号。这个特性被称为神经调谐（neuronal tuning）。这个特性的发现要归功于两位著名的美国脑科学家DavidHubel和Torsen Wiesel的研究，这是人类视觉科学的重大里程碑之一。他俩因此与另一位脑科学家Roger Sperry（就是前面介绍的研究左右大脑功能差异的那位）获得了1981年的诺贝尔生理学和医学奖。

 

 

 

他俩在1959年做了个非常著名的实验。他们把猫的脑袋固定，给脑袋插上电极，然后观察猫的某类神经元对不同的光刺激如何反应，像下图这样：

 

 

 

 

 

Figure60  神经调谐实验，1959年

 

 

 

他们的实验有个重大发现，即随着光信号方向的调整，猫的神经元响应强度会随之发生变化。比如在此图中，当光信号是水平条时，猫的这组神经元完全不反应，只有当光条斜到一定程度时，神经细胞才开始反应，当处于垂直状态时，神经细胞反应最强。其它类型的神经元则对垂直信号不反应，只对水平方向的刺激有反应，如此等等。这是很有意思的，说明两件事，第一，视皮层上的神经元是有分工的，每类只接受特定方向的光信号刺激，第二，是视觉神经的反应特性决定了我们如何感知世界。世界以什么样的方式呈现，和观察者的视神经组成和类型有极大关系。世界是什么样子，取决于生物的视神经，世界存在还是不存在，或以什么方式存在，得看视神经如何响应，就像收音机一样，只有调谐到某个频道，存在才有意义，而那些不响应的东西可以视为不存在。

 

 

 

我们的初级视神经上的细胞就是这么呆板和简单，无怪乎这些细胞也被称为“简单视细胞”（Simple Cells）或边识别细胞（Edge Detector）。经过它们处理的信号会传给所谓复杂细胞（complex cells），它们是由一组同类的简单细胞构成的，具有更为复杂的视觉功能，如下图：

 

 

 

 

 

 

 

复杂细胞还可以继续组合成超级复杂细胞（SuperComplex Cells），完成更为复杂的视觉功能，比如下图中A、B这两个字母先通过简单细胞获得“边”信息，然后通过复杂细胞和超复杂细胞的处理进行后续处理，如下图所示：

 

 

 

 

 

Figure61  简单、复杂、超复杂视觉细胞

 

 

 

总之，视觉功能是通过大脑中视觉系统中分工不同的视细胞通过层层传递组合而实现的。视觉的形成是逐级进行的，从简单的到复杂的图形，包括动感，都在大脑不同的区域由不同类型的视细胞来完成的，这个系统大致可以用下图来表示：

 

 

 

 

 

Figure62  视觉感知的复杂过程

 

 

 

这个系统是如此复杂，我无法在这里详细解释，只是想贴张图让大家有个直观的感受：

 

 

 

 

 

Figure63  Fellemanand Van Essen's (1991) 视觉模型

 

 

 

这是Felleman和Van Essen1991年做的一个猴子大脑视觉系统分析，图中右侧是大脑皮层展开图，上彩的部分均与视觉系统有关，牵涉到皮层中30多个区域，而这些区域所组成的互动网络（左侧）的复杂度令人瞠目结舌。

 

 

 

由于时间原因，我今天不得不略去另外几个非常重要的话题，即“视觉填充”（visual filling-in）、“突触修剪”（synapse pruning）、认知框架（perception framework）和大脑塑性（brain plasticity）。这些内容看似偏离了对艺术本身的讨论，但如果我们想要回答“什么是艺术真实”这个问题的话，就不得不深入了解人眼和大脑的工作机制。今天的讨论如果用一句话来概括的话，就是：真实相对生物结构而存在，它是大脑的建构。

 

 

 

说起艺术和真实，我最后想提一个画家MaurizioCattelan，他是艺术界的反叛人物，他说过一句话，“艺术与其说能够让我们发现真实，毋宁说能够让我们发明真实。”（ Art doesnot lead to the discovery of truth, but rather allows it to be invented）。对他来说，所有的真实都是艺术家的发明。

 

 

 

其实，所有的认知都与我们的感官发育和神经系统演化有关，“真实”对应着我们的特定感官结构和大脑认知特性。只有在发明中我们才能获得自由。艺术的核心就是用不同的方式和角度去感悟和呈现外界，这就是所谓艺术创造性。是艺术的创作自由，让艺术获得了真正的价值。

 

 

 

 

 

Figure 64  La Nona Ora by  Maurizio Cattelan