Ілюзія колеса

Всі мабуть помічали у фільмах, коли машина розганяється, колеса крутяться вперед і все виглядає нормально, але в певний момент нам починає здаватись, що вони ніби крутяться назад. (Дивіться коротке відео з прикладом.) Машина їде вперед, а колеса назад. Як же так? Це ж неможливо. І де розгадка? Такий «розворот» колес називається ілюзією колеса (wagon wheel illusion), про що і піде мова.

У випадку з роликом на youtube пояснення дуже просте. Камера знімає 24 кадри в секунду. Кожні 40 мс, камера захоплює зображення. Якщо за 40мс колесо повернулось зовсім трохи (наприклад, на 10 град), то все нормально, і ми сприймаємо рух вперед (на відео видно, що колеса крутяться вперед). Але, якщо за 40 мс колесо робить більший оберт(наприклад, 60град), то на відео здається, що воно прокрутилось назад на -15град. Див. мал.

Ця ілюзія цікава через те, що трапляється і в реальному житі, а не тільки на відео. Мабуть, ви, будучи пасажиром, нудно дивлячись у вікно, інколи бачили таку саму ілюзію колеса у машини, що проїжджала поруч. Як таке пояснити? Де камера, де кадри?

Може, це мозок … грає роль камери? Так спробували пояснити 20 років назад [1]. Почали шукати аналогії, дивитись як працює зір, як мозок сприймає зображення. І висунули теорію, що, оскільки в мозку є альфа, бета, гама і т.д. ритми (частоти синхронної активності нейронів в корі мозку), то сприйняття теж відбувається ритмами(кадрами). Тобто, схоже як у камері йде нарізка картинки з очей і мозок все складає у відео з 40 кадрами в секунду (частота гама ритму).

Але не все так добре в цій теорії. Відмітили, що коли дивишся на колесо у відео і просто так, то ілюзія не така сама. В реальності ж:

• ілюзія не стабільна, здається, що колесо крутиться то назад, то вперед. І цікаво, що в різних людей ілюзія виникає не одночасно, в когось через 20 секунд в когось через кілька хвилин. Може й бути, що ілюзія взагалі не виникне
• ніколи не здається, що колесо зупиняється, а на відео таке часто буває

Пізніше зібралась інша група людей, яка хотіла розібратись в цих відмінностях [2]. Їм не подобалась теорія нарізки картинками і вони зробили наступний експеримент. Вони просто біля колеса поставили дзеркало і побачили, що ілюзія виникає тільки для одного колеса(чи то справжнього, чи то віддзеркалення). Цей факт заперечує теорію нарізки картинками, бо інакше, мала б бути ілюзія для двох колес одночасно.

Натомість, вони висунули свою теорію. Нейрони, які кодують правильний рух колеса, з часом адаптуються, і активність нейронів, які кодують зворотній рух, може переважити і перейти до свідомості.

У сітківці ока є клітини, які спеціально реагують на рухомі стимули. Такі детектори руху утворюються через асиметричність зв’язків між гангліозною клітиною в сітківці(та що відправляє сигнал далі в мозок) і амакриновою, яка регулює, що саме відправляти.

Фото додається [3]. Деталі,кому цікаво. [Гангліозна – червона, амакринова – зелена. Амакринові клітини формують гальмівні синапси з гангліозними клітинами. Справа вони сильніші і їх більше ніж зліва. Якщо рухомий стимул рухається справа наліво (як показано стрілкою), то гангліозна клітина активується і посилає сигнал далі в мозок, якщо зліва направо, то амакринова клітина пригнітить через сильніші синапси гангліозну, сигнал не попрямує далі і детектор не спрацює. Це простий приклад детектора руху справа наліво].

В корі головного мозку теж знайшли нейрони, які заточені на детекцію рухомих стимулів, тільки вже більш складних, наприклад, рух тільки лінії, і тільки зверху вниз. Так от, коли ви дивитесь на колесо, що крутиться, то активуються нейрони, які кодують саме цей (правильний) рух. Але й також, значно слабкіше активуються нейрони, які відповідають за зворотній рух (через те, що при певній частоті обертів лінії колеса можуть накладатись на вибраний стимул таких нейронів).

Все було б нормально, якби нейрони не звикали до стимулів. Нейрони, що кодують рух колеса вперед, адаптуються до цього стимулу і їх активність знижується. І може так знизитись, що активність нейронів, що кодують зворотній рух переважить, і це підхопиться таламусом і перейде у свідомість. Тим самим пояснюється змінність напрямків руху колеса. Коли адаптуються нейрони, що кодують рух назад, починають переважати «нейрони руху вперед.»

Схожий випадок адаптування нейронів ви можете побачити просто зараз. Подивіться 1хв відео (треба дивитись на точку в центрі).

Довго дивлячись і не зводячи погляд, нейрони, які кодують жовтий колір(небо у відео), адаптуються. Коли показується знов сірий колір неба, то він однаково стимулює і «жовті» і «сині» нейрони, тільки «жовті» вже адаптувались, і в результаті активність «синіх» вища і переходить до свідомості синій колір, хоча й на малюнку сірий.

Також випадок змагання груп нейронів видно з цього малюнку. Ви не можете одночасно бачити і вазу і обличчя, тільки або те, або те.

Повертаючись до ілюзії колеса. Хоча й друга теорія здається більш правдоподібною, ще жодна не дала вичерпного пояснення як виникає така ілюзія. Мабуть, тільки глобальна теорія роботи мозку вирішить це питання.

Взагалі, на ілюзії не тільки просто цікаво подивитись. Коли задумуєшя чому сприймається те, чого немає, починаєш краще розуміти як працює мозок. Будучи ще в школі мені подобалась історія про Цезаря, який міг одночасно говорити, слухати і писати (чи як там). Я подумав «от було б класно теж так вміти». Але зараз я вже розумію, що це неможливо. Архітектура нашого мозку це не передбачає. Не можна свідомо сприймати кілька речей одночасно, не можна свідомо мати дві думки, можливі тільки швидкі переходи між ними. Не можна бачити рух колеса вперед і назад, вазу і обличчя, тільки або те, або інше. Але те, що не потрапило у свідомість не зникає, воно падає на глибоке-глибоке дно підсвідомості.

Посилання

1. PURVES, D. The wagon wheel illusion in movies and reality. Proc. Natl. Acad. Sci. … (1996).

2. Kline, K., Holcombe, A. O. & Eagleman, D. M. Illusory motion reversal is caused by rivalry, not by perceptual snapshots of the visual field. Vision Res. (2004).

3. Wei, W., Feller, M. B. Organization and development of direction selective circuits in the retina. Trends Neurosci. (2011).

Кому цікаво тут є класні ілюзії з поясненнями (від автора першої теорії): http://purveslab.net/see-for-yourself/