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基本信息

Title:High-fidelity but hypometric spatial localization of afterimages across saccades

發(fā)表時(shí)間：2026.3.13

發(fā)表期刊:Science Advances

影響因子：12.5

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研究背景

我們?nèi)祟惖难劬γ棵腌姸紩?huì)進(jìn)行多次快速的掃視，這會(huì)導(dǎo)致視網(wǎng)膜上的圖像發(fā)生劇烈的移動(dòng)和重組。想象一下，如果你拿著一臺(tái)攝像機(jī)快速且頻繁地左右搖晃，拍出來(lái)的畫面一定會(huì)讓人頭暈?zāi)垦！?/strong>然而，在我們主觀的視覺(jué)體驗(yàn)中，外部世界卻是出奇的穩(wěn)定和連續(xù)的，這就是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中經(jīng)典的“視覺(jué)穩(wěn)定性”現(xiàn)象。

但在我們這套堪稱完美的視覺(jué)防抖系統(tǒng)中，存在一個(gè)迷人的“系統(tǒng)Bug”：視網(wǎng)膜后像。當(dāng)你在暗處注視一束強(qiáng)光后移開(kāi)視線，視野中會(huì)留下一個(gè)光斑；當(dāng)你轉(zhuǎn)動(dòng)眼球時(shí)，現(xiàn)實(shí)世界靜止不動(dòng)，但這個(gè)后像卻會(huì)跟隨著你的視線在空間中移動(dòng)。在完全黑暗的無(wú)視覺(jué)輸入環(huán)境中，這種后像的移動(dòng)只能是由非視覺(jué)信息驅(qū)動(dòng)的。目前學(xué)界普遍認(rèn)為，正是大腦向眼部肌肉發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令時(shí)產(chǎn)生的“傳出副本”，為這種視覺(jué)定位提供了信號(hào)。

然而，一個(gè)核心的未解之謎是：大腦基于運(yùn)動(dòng)指令對(duì)視覺(jué)后效進(jìn)行的“內(nèi)部預(yù)測(cè)”到底有多精確？為了回答這個(gè)問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)極其巧妙的心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)：在完全黑暗的房間中，利用高精度眼動(dòng)儀追蹤被試的眼球運(yùn)動(dòng)，并讓他們定位視網(wǎng)膜后像與瞬間閃爍的視覺(jué)探針之間的相對(duì)位置。通過(guò)將后像作為直接讀取大腦內(nèi)部前饋預(yù)測(cè)模型的“探針”，研究人員以前所未有的精度量化了這種感覺(jué)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。

Fig. 1. Tracking afterimages across saccades (session 1).

研究核心總結(jié)

一、高保真但“縮水”的空間更新

研究表明，掃視引發(fā)的后像移動(dòng)與真實(shí)的眼球運(yùn)動(dòng)之間存在著驚人的一致性，但這種空間更新并不是完美的。數(shù)據(jù)分析顯示，后像移動(dòng)的幅度系統(tǒng)性地小于眼球?qū)嶋H轉(zhuǎn)動(dòng)的幅度，研究者將其稱為“幅值不足”現(xiàn)象。在模型擬合中，將眼球運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為后像運(yùn)動(dòng)的傳感器運(yùn)動(dòng)增益約為0.94。這意味著，大腦在預(yù)測(cè)眼球運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的視覺(jué)變化時(shí)，其預(yù)估的偏移量略微且穩(wěn)定地小于真實(shí)的運(yùn)動(dòng)量。

Fig. 2. Modeling eye movement-- contingent afterimage position with the Gain Model.

二、獨(dú)立于視覺(jué)反饋與運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的“硬核”預(yù)測(cè)

大腦是否會(huì)利用外界的視覺(jué)反饋來(lái)修正這種預(yù)測(cè)誤差？結(jié)果出人意料：無(wú)論在掃視后是否提供短暫的視覺(jué)參考標(biāo)記，或者提供錯(cuò)誤的視覺(jué)反饋，被試對(duì)后像的空間定位都絲毫不受影響。更令人驚訝的是，即使研究人員通過(guò)經(jīng)典的“掃視適應(yīng)”范式人為誘導(dǎo)被試縮小掃視幅度，眼球運(yùn)動(dòng)與后像移動(dòng)之間的比例依然保持剛性不變。這有力地證明了，后像的運(yùn)動(dòng)完全是由眼動(dòng)指令的純粹前饋預(yù)測(cè)（傳出副本）驅(qū)動(dòng)的，它直接與運(yùn)動(dòng)命令本身掛鉤，而不受即時(shí)感覺(jué)反饋的干擾。

Fig. 3. Validation of the Gain Model.

三、揭示感覺(jué)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的“反比例”機(jī)制

該研究進(jìn)一步揭示了大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)深層機(jī)制：被試的掃視增益（眼球?qū)嶋H運(yùn)動(dòng)與目標(biāo)距離的比例）與后像運(yùn)動(dòng)增益之間，存在著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。從計(jì)算機(jī)制上解釋，大腦包含一個(gè)“逆向模型”（將視覺(jué)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)指令）和一個(gè)“前向模型”（預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)指令帶來(lái)的視覺(jué)后果）。為了在面對(duì)自身運(yùn)動(dòng)時(shí)維持物理世界穩(wěn)定，這兩個(gè)模型會(huì)在個(gè)體內(nèi)進(jìn)行相反方向的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。因?yàn)槿祟惖膾咭曁焐菀壮霈F(xiàn)幅度不足的誤差，大腦為了確保視覺(jué)穩(wěn)定性，其前向模型會(huì)保守地“低估”運(yùn)動(dòng)指令的視覺(jué)后果。

Fig. 4. Analysis of potential influences of head-- centered eye position.

研究意義

該研究為“頭中心空間（Head-centered space）”的視覺(jué)定位提供了一個(gè)優(yōu)美且可計(jì)算的解釋框架。它表明，我們?cè)谘蹌?dòng)過(guò)程中之所以能維持周圍世界的穩(wěn)定感，本質(zhì)上依賴于大腦內(nèi)部對(duì)自身運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)性重映射（Predictive Remapping），而視網(wǎng)膜后像的移動(dòng)，正是大腦前向預(yù)測(cè)模型運(yùn)作時(shí)留下的絕佳物理快照。

Fig. 5. Afterimage position and postsaccadic visual feedback (session 2).

Fig. 6. Afterimage position in adapted saccades (session 3).

Fig. 7. The relationship between saccade gain and model-- estimated afterimage-- movement gain.

Fig. 8. Understanding afterimage movement in terms of prediction error.

Abstract

Humans typically perceive their visual world as stable and continuous, despite frequent shifts of the retinotopic reference frame caused by saccades. This perceptual stability is paralleled by afterimage movement across saccades: Although retinotopically stable, afterimages appear to move in egocentric space wherever the eye moves. To investigate the mechanisms underlying this phenomenon, we tasked human observers to localize afterimages relative to briefly flashed probes in complete darkness. This psychophysical tracking of afterimages was accompanied by eye tracking, allowing us to fit a dedicated computational model to accurately predict afterimage movement based on the size of eye movements. The gain of afterimage movement was significantly hypometric, remained unaffected by postsaccadic visual feedback and saccadic adaptation, and was inversely related to saccade gain. Assuming a parsimonious framework of head-centered localization, afterimage movement is driven by efference-based, feedforward predictions of visual consequences of saccades, demonstrating the phenomenon’s usefulness for studying perceptual stability.

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