Brain Sciences：环境光照条件、现象对比与远近物体的意识知觉
Brain Sciences：环境光照条件、现象对比与远近物体的意识知觉
论文标题：Environmental Lighting Conditions, Phenomenal Contrast, and the Conscious Perception of Near and Far
论文链接： https://www.mdpi.com/2076-3425/14/10/966
期刊名： Brain Sciences
期刊主页： www.mdpi.com/journal/brainsci
一、引言
环境光照水平变化导致的视觉适应变化对有意识的视觉感知具有重要影响。光线条件及其由此产生的视觉适应水平调节高阶大脑活动并影响视网膜与皮层处理通路相互作用的假说，回溯到了赫尔森 1964 年出版的开创性著作中已有的观点。近年来，系统神经科学的新研究方向显示，光线条件可以改变广泛的高阶大脑活动，功能相互作用起源于受体层面，其中一些在所有后续处理阶段，包括意识知觉的基础阶段，都得以保留。本研究的目标是探讨三种不同视觉适应条件：（1）暗适应视觉，（2）正常日光视觉，以及（3）持续明亮光线（诱导杆状体饱和）在多大程度上影响外在诱发的现象对比和同化，以及“更近”的意识感觉。本研究呈现了纯无色差信号输入的试验块，以及两种强制选择任务，测试现象对比/同化以及“更近”的意识感受。对称性或其缺失是否会影响对二者的意识知觉尚不清楚，但已有研究强调，视觉场景中结构规律性的存在至关重要。多表面构型分别位于中央注视点的左右两侧，帮助观察者保持注意力，它们包含完全相同的结构规律性，但在几何上并非镜像对称。
二、材料与方法
测试在配备鼠标设备和高分辨率彩色显示器的 PC 电脑上进行。通过分光光度计对生成刺激颜色的选择性组合进行校准。参与者舒适地坐在距离屏幕 75 厘米的控制台前，头部舒适地靠在头部和下巴的支撑上。测试在一个没有窗户的房间内进行，采用三种不同的视觉适应条件。
在受试者适应特定光照条件后，利用计算机控制的“二选一强制选择”程序，向健康的年轻受试者随机展示分组与未分组的视觉构型。该程序要求受试者在最短时间内做出判断：在呈现消色差对比的特定构型中，哪一个背景图案看起来更亮，或者哪一个前景图案看起来更突出（即仿佛更靠近观察者）。
实验图案如下 （在浅灰色和深灰色背景上，由较亮和较暗图案元素构成的空间模式配置。较亮和较暗的图案元素会使其紧邻的背景在现象上显得更暗或更亮，尽管在某一给定显示中，这两个背景实际上具有完全相同的物理亮度。这些配置以未分组（左）和分组（右）的形式呈现在黑色总背景上。在一个配置中，较亮和较暗图案元素位于左侧或右侧的相对位置在不同呈现中随机变化。需要注意的是，在某一给定试次中，这些配置总是成对出现，其中一个呈现在注视点左侧，另一个呈现在右侧。如下图所示，配置1总是与配置3配对；配置2总是与配置4配对。）：
三、研究分析与结果
现象性对比任务的反应概率被输入方差分析（三因素ANOVA），采用3×2×2×2的分析方案，包含三个适应水平（适应因素）、两个图案背景水平（背景因素）和两种空间配置类型（分组因素）。由于两个图案位置（“左”和“右”）经过随机化和平衡处理，这一变异来源被平均化处理。结果显示，适应水平具有统计学显著效应（F(2,23) = 20.73；p < 0.001）。该效应及其标准误绘制于下文图1中。统计分析进一步表明，适应水平与分组因素对反应概率存在显著的交互效应（F(2,23) = 4.73；p < 0.05）。分组（配置）因素和背景因素（亮背景对暗背景）均未产生统计学显著的主效应。事后检验（Holm–Sidak）得以确定适应水平与分组因素之间交互作用中哪些比较具有显著性。结果显示，在适应水平因素的白昼条件下，分组配置与未分组配置的反应概率之间存在显著差异（t(1,1) = 2.71；p < 0.05）。该比较的效应及其标准误同样展示于下文图1中。结果清楚地表明，在暗适应条件下“对比”的概率显著更高，而在白昼条件下“同化”的概率显著更高（图1，上方）。在白昼条件下，“同化”与“对比”之间的差异在未分组配置中显著更强，此时存在三个空间上分离的背景场，而非分组条件下显示的两个。使视杆细胞饱和并未改变这一分组效应。
图1. 反应概率及误差棒，反映了视觉适应水平对现象性对比和同化的统计学显著效应（上图）。注：二者是测量该现象时互补的因变量；因此，对于同一个因素水平，两个反应概率之和（P“对比” + P“同化”）始终为1，但跨因素水平则不是。在白昼条件下，主观对比与配置之间统计学显著交互作用的反应概率及误差棒展示于下方（下图）。
在特定显示中，较亮图案元素被看作“更近”的反应概率（现象性深度任务数据）也被输入方差分析（三因素ANOVA），采用相同的3×2×2×2分析方案。该分析显示，适应水平具有显著效应（F(2,23) = 12.67；p < 0.001），分组也具有显著效应（F(2,23) = 13.71；p < 0.01），但因素之间没有显著交互作用，背景亮度也没有显著效应。适应水平对相对深度反应概率的影响展示于下文图2（上图），分组效应或配置效应展示于下方（图1，下图）。这些结果清楚地表明，在暗适应条件下，显示中较亮图案元素被知觉为“更近”的概率显著更高（图2，上图），而正是在该条件下发现了“对比”的统计学最高概率（图1，上图）。在未分组配置中，较亮图案元素在统计学上更可能突出表现为“更近”，此时存在三个空间上分离的背景场，而非分组条件下显示的两个。
图2. 反应概率及误差棒，反映了视觉适应水平对深度现象的统计学显著效应（上图），以及配置的显著效应（下图）。适应水平与配置对主观深度的效应之间不存在显著交互作用。
如引言中所解释的，局部亮度对比的极性/强度与意识感知的现象性对比/同化之间并不存在简单的线性关系。为突出不同适应水平对每种物理对比配置下这些现象的影响，我们绘制了每种迈克尔逊配置下“对比”、“同化”和“更近”的反应概率。请注意，在给定试次中，这些配置总是成对出现，一个呈现在注视点左侧，另一个呈现在右侧。这些图展示于图3。在暗适应条件下，较亮的图案元素最可能被看作更靠近观察者，并伴有非矛盾性的强ON–OFF介导现象性对比效应（图3）。虽然产生最强现象性对比和“更近”知觉的配置确实是具有最强（物理）迈克尔逊对比的配置，但配置2的效应同样强；然而，配置2的物理对比强度仅为配置1的一半，且物理强度低于配置2。这一结果与Shapley和Gordon在无彩色图案中观察到的深刻非线性无彩色现象性对比完全一致。在此处的白昼条件下，与暗适应条件相比，较亮的图案元素较不可能被看作更靠近观察者。白昼条件下“更近”的最高可能性与最强的ON–OFF介导同化同时出现；意识知觉总体上变得更加模糊。在视杆细胞饱和条件下，反应概率表明对现象性对比和深度的意识知觉完全矛盾。人们或许会预期白昼和视杆细胞饱和条件下结果大致相似；然而，这两种条件对现象性对比/同化和深度的影响不同。在白昼条件下，对二者的意识知觉矛盾性较小。由于此处刺激的空间范围基本上是中央凹的，白昼条件下视网膜周边视杆细胞的任何贡献都极小。近期系统神经科学表明，灵长类大脑中存在含黑视素的视网膜投射，通向参与图像相关视觉处理的皮层区域。光敏黑视素对此处白昼条件下效应的贡献，或许可以解释白昼与视杆细胞饱和条件之间结果的差异。
图3. “更近”、“对比”和“同化”的反应概率，作为每种迈克尔逊配置下适应水平的函数，配置标注为“1”、“3”、“2”和“4”。
四、讨论
研究表明，在复杂无彩色刺激中观察到的现象性对比和同化，显著依赖于视觉适应水平。二者都是意识知觉的互补方面，表达出从视网膜到皮层的ON和OFF通路在处理空间对比时复杂且看似矛盾的拮抗效应。暗适应条件下“对比”的反应概率显著更高，这与较亮前景图案被知觉为“更近”的概率显著更高相关，从而验证了对比作为深度线索的假说，该假说已在暗适应/中间视觉条件下被反复证明。在白昼条件下，对比深度线索的有效性减弱；在视杆细胞饱和的视觉适应下则完全消失。
五、结论
这些发现为无彩色平面图案中模糊的现象性对比和同化的意识知觉提供了新的启示。此处表明，现象性对比在暗适应下显著更可能出现，而同化在白昼条件下更可能出现。这可以通过ON–OFF通道对多个明/暗比率的差异性汇聚来解释。这种汇聚影响相对表面大小，因此在未分组条件下二者的相对效应更强，此时配置中存在三个空间上分离的表面。相对表面大小影响作为空气透视基础的知觉分组原则，正如在对比–深度线索假说背景下所讨论的。这至少可以部分解释为什么对不同光照条件的适应会影响亮度对比–深度线索假说，该假说预测平面配置中物理上更亮的图案区域会被意识观察者知觉为更近。正如这里所证明的，这一预测仅限于暗适应条件下强烈的现象性对比意识知觉。这些发现可能对实验室和临床环境中基于2D屏幕和/或虚拟现实的视觉空间能力测试设计具有高度相关的意义。
引用格式：
Dresp-Langley, B.; Reeves, A.J. Environmental Lighting Conditions, Phenomenal Contrast, and the Conscious Perception of Near and Far. Brain Sci. 2024 , 14 , 966. https://doi.org/10.3390/brainsci1410096
Brain Sciences (ISSN: 2076-3425) 是一个专注于神经科学研究的国际性开放获取期刊，由来自美国匹兹堡大学的Stephen D. Meriney 教授担任主编。期刊主要发表神经科学领域相关论文，包括但不限于认知神经科学、发育神经科学、分子与细胞神经科学、神经工程学、神经影像学、神经语言学、临床神经科学、系统神经科学、理论与计算神经科学、环境神经科学、教育神经科学、行为神经科学等多个分类和领域次级学科。
主编：Prof. Dr. Stephen D. Meriney
Department of Neuroscience, University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA 15260, USA
2025 Impact Factor：3.4
2025 CiteScore：6.0
Time to First Decision：16.8 Days
Acceptance to Publication：2.3 Days