你怎麼看到幻覺的形狀？！ - PanSci 泛科學

V1是主要視覺區，接收眼睛傳輸過來的刺激，並根據刺激的主要屬性分類，包含方向、顏色、空間位置…等等，並把這些資訊傳往不同的兩條途徑，分別是往背側的 ... 000文字分享友善列印000生命奧祕精神心理你怎麼看到幻覺的形狀？！JackyHsieh・2013/10/03・1312字・閱讀時間約2分鐘・SR值515・六年級＋追蹤上圖左側的這個logo是1984年洛杉磯奧運的標誌，裡頭包含一個紅色、白色和藍色的星形，不過其實白色的星形並不存在。

同樣的道理，像是右上方的USANetwork的「S」或是右下方的家樂福商標裡的「C」都是不存在的，但是我們也都「看到」了。

其實這是因為當大腦看到零碎的部分畫面，通常會自動把他組成一個完整的形狀與畫面。

這也是我們在魔術表演時，看到「斷頭」的畫面時格外驚奇（如下圖），就是因為你真實所見到的畫面，與你大腦自動組成的畫面大相逕庭。

美國范德彼爾大學（VanderbiltUniversity）心理系助理教授AlexanderMaier所帶領的研究團隊便想對此問題深入了解，究竟哪個腦區負責這樣的幻覺輪廓（illusorycontours）？他們的研究發現，視覺皮質中的V4在我們看到不存在的幻覺輪廓時會大量活化。

這個研究發表在《PNAS》上。

過去有諸多研究指出，有許多種類的生物，包括猴子、貓、貓頭鷹、金魚，甚至蜜蜂都可以看到這樣的幻覺輪廓。

因此，科學家便認為會看到幻覺輪廓，是因為大腦要盯著樹叢後的掠食者或獵物，這可是一種生存關鍵能力！雖然科學家一世紀之前就已經了發現幻覺輪廓，但在近三十年才有更深入的研究，揭露了大腦內部究竟是如何解譯這些感覺的神經機制。

在哺乳類動物中，視覺刺激從眼睛輸入後會先傳到枕葉的視覺皮質，目前視覺皮質中已經主要區分出五個區域，從V1到V5。

V1是主要視覺區，接收眼睛傳輸過來的刺激，並根據刺激的主要屬性分類，包含方向、顏色、空間位置…等等，並把這些資訊傳往不同的兩條途徑，分別是往背側的dorsalpathway，又稱為「何處」路徑（Wherepathway），與腹側的ventralpathway，也稱為「什麼」路徑（Whatpathway）。

「何處」路徑從V1通過V2、V3往V5（或稱middletemporal），顧名思義，這條途徑主要辨識物體的位置；而「什麼」路徑V1通過V2往V4，則主要辨識這是什麼物體。

過去實驗結果顯示，V4主要參與了物體辨識與視覺注意力，所以這個研究主要想探討，當我們看到幻覺形狀時，是不是與V4有關。

首先，研究者先定位出恆河猴的視網膜與V4上對應的位置，接著讓恆河猴盯著Kanizsa正方形看，並觀察V4的活化情形。

Kanizsa正方形由四個3/4圓組成（上圖左），而正方形就是我們看到的幻覺影像。

研究者發現，當恆河猴盯著Kanizsa正方形看時，中間的方形幻覺區域對應到V4的區域明顯的活化了（下圖上）；但如果將這四個3/4圓缺口朝外放時（上圖右），我們看中間的方形幻覺消失，而恆河猴對應到V4的區域則沒有活化（下圖下）。

Maier說：「基本上，大腦扮演是一個偵查者的角色，他對環境中的刺激做反應，並做將這些刺激做組合與最佳的臆測。

然而這些幻覺，就是大腦做出了錯誤結論的情況。

」研究原文：ReceptivefieldfocusofvisualareaV4neuronsdeterminesresponsestoillusorysurfaces–PNAS[2013-9-30]資料來源：Findingtheplacewherethebraincreatesillusoryshapesandsurfaces–VanderbiltUniversity[2013-9-30]圖片來源：各商標取自網路、「斷頭」魔術照片採創用CC授權引用自作者為DarlingWang來自科學玩具柑仔店(Darlingの優)部落格、Kanizsa正方形由作者繪製、V4神經元活化圖取自資料來源VanderbiltUniversity網站我要跟泛科學說「　　　」！參加泛科學網站體驗調查，提供意見還能拿禮卷！如何打造科學家的房間！科學實驗室EP.6—會動的AR繪本利用阿基米德浮力原理，當玻璃小球浮起時測量氣溫～伽利略溫度計交換禮物大賞！QUALY醉愛北極熊酒瓶塞數學好無聊、不實用，到底為什麼要學數學？給大人玩的理財桌遊，從此航向財富自由！交換禮物首選、推理迷必買！台灣推理作家協會20週年限定週邊相關標籤：大腦幻覺視覺皮質錯覺熱門標籤：量子電腦BNT疫苗珊瑚諾貝爾獎前列腺文章難易度剛好太難所有討論 0登入與大家一起討論JackyHsieh57篇文章・ 0位粉絲＋追蹤中大認知所碩士。

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圖片來源：Pixabay在湖邊散步時，有時會看到鴨子家族在水中遨遊。

若是仔細觀察，會發現小鴨們並不僅僅是跟在母鴨的後面，而是以整齊的隊列前進著。

是鴨子們的家教甚嚴，還是背後有什麼其他的原因驅使牠們這樣做呢？生物特殊的行為，背後通常都有其獨特的意義，才會在漫長的演化中被保留下來。

如果被問到小鴨子為什麼要緊跟在母鴨後面游泳，我們腦中可能冒出數個解釋：也許是母鴨可以保護小鴨？或形成隊列可以幫助小鴨們省力？…等。

自行車競賽中，騎手們會形成一個隊伍，第一位選手負責破風，使得後方的選手可以受到較小的空氣阻力，節省力氣；大雁在長距離遷徙時，也會形成V字形，讓後方的雁可以較為省力。

我們不難想像，小鴨子跟在母鴨後方游泳，很有可能也是為了省力。

這個猜測在經過研究者測量後，得到了證實。

但是為什麼鴨子是形成直排，而雁則是V字型；若是可以省力，又可以節省多少力呢？這些問題在9月流體力學領域著名的《流體力學期刊》中出現的一篇論文，研究者藉由簡化的數學模型，進行了詳細的研究。

首先，鴨子游泳和自行車、大雁等運動，有一個明顯的差異：後兩者的運動是發生在空氣中，而鴨子們則是在「空氣-水」交界面。

當母鴨在水中游動時，會在後方形成水波，就如同一艘船行駛時，後方會出現的「尾波」。

小鴨子們藉由處在水波的正確位置，便有機會獲得向前的推力，大幅減少跟上母鴨需要耗費的能量。

因此若是要在腦中進行類比，比起腳踏車騎士，小鴨子們其實更像是在衝浪！尾波衝浪（Wakesurfing）利用的是船隻的尾浪，衝浪手如果能維持在尾浪上的正確位置，就會自然而然被推著向前，小鴨也是用相同的技巧在省力。

圖／Pexels「衝浪」的鴨子們接下來，讓我們看看母鴨子引起的水波，是如何幫助小鴨子們省力前進的。

要能省力，代表小鴨子會受到一個向前推的力，因此，我們從鴨子在水中受到的作用力來開始分析。

圖一（a）是一隻鴨子在靜止水面所受到的力。

在水中主要力的來源是水壓力，它會與水深成正比，且方向垂直於物體的表面。

我們可以看到，對於一隻對稱的鴨子來說，此時受力前後抵銷，只留下一個向上的力，也就是水給鴨子的浮力。

那如果鴨子遇到水波時會如何呢？圖一（b）、（c）分別對應到鴨子處於水波不同的位置，我們可以發現，在（b）中，除了向上的浮力，還有一個向後的拉力，也就是此時水波傾向阻止鴨子前進；在（c）中，情況則相反，合力向前，會給予鴨子向前的推力。

因此，當領頭的母鴨在水中前進時，會在後方形成水波，如果小鴨子們可以處在水波中正確的「加速相位」（如c的情況），那不就可以搭上這個「順波車」了嗎！圖一、鴨子在不同水面受力示意圖（綠色線：水面位置；藍色小箭頭：壓力方向示意；淡藍色粗箭頭：合力方向。

）(a):靜止水面下，鴨子受向上之合力。

(b)、(c)在有水波的情況下，由於水面改變，使得合力可能向前或向後，給予鴨子阻力或推力。

圖／Case科學報從上述描述，我們了解到「加速相位」的存在，與領頭鴨子產生的波關係十分密切。

因此，我們先來了解一下，一個物體在水中運動時，會在那些地方產生波動。

讀者們坐船或是看到水中移動的物體時，可能也有留意過。

以一艘船為例，形成的波大致上可以被分為兩個區域：在前方以及側邊的船首波（又稱弓形波，BowWaves），以及船後的尾波（Wake）（如圖二）。

因此加速相位其實不只存在母鴨的後方，小鴨也可以乘上前方或側邊的波浪。

但這兩個位置，有各自的問題：首先，在側邊的波由於左右不對稱，因此小鴨子在這裡受到的力，除了前後方向，還會有左右的作用力，使得小鴨子容易被推離出合適的加速位置；在前方雖然沒有左右的作用力，但由於只有在非常靠近母鴨的位置，才有水波的產生，因此小鴨必須非常靠近母鴨才有辦法享受到省力的效果，再加上生物傾向於將幼體保護於成熟個體後方的習性，母鴨前方也不是個好位置。

綜合以上考量之下，小鴨們最適合的選項便是母鴨正後方的波了！圖二、移動物體產生水波示意圖。

(a)在航行小艇的側方以及後方可以看到明顯的波浪產生。

(b)加拿大鵝在水中游泳，母鵝的前方及側邊（淡黃色虛線處）以及後方（白色虛線處）有水波產生。

圖片來源：筆者後製於Pixabay公開圖片。

圖／Case科學報研究者藉由電腦模擬計算發現，在母鴨後方的第一個加速相位效果最好，和自己游泳相比，除了原本受到的水阻力可以被完全抵消，還能夠獲得額外約60%的推力。

距離母鴨愈遠的位置，由於水波的振幅逐漸減小，因此加速的效果會逐漸降低。

那會不會排在最後面的小鴨子，就非常吃虧呢？研究者發現排在前頭的小鴨子，並不只是躺著享受向前的推力，牠們在水中運動會產生的水波和母鴨的水波疊加在一起，綜合起來的效果便可以幫助母鴨將產生的波動「傳遞下去」，如此形成一個整齊的鴨子隊列！有趣的是，本篇論文的作者中有著不少船舶工程的專家，在論文結尾處提到本研究對於船體的省力設計也許能激發不同的創意。

大自然經過了數十億年的演化，形成了許多看起來「理所當然」的現象，但這其中其實藏有非常多值得人類學習的巧思與創意，等著我們更深入的探索。

參考資料[1] Here’sthephysicsofwhyducklingsswiminarowbehindtheirmother.[2]Zhi-MingYuan,et.al.,J.FluidMech. 928,R2,2021.“Wave-ridingandwave-passingbyducklingsinformationswimming.”我要跟泛科學說「　　　」！參加泛科學網站體驗調查，提供意見還能拿禮卷！如何打造科學家的房間！科學實驗室EP.6—會動的AR繪本利用阿基米德浮力原理，當玻璃小球浮起時測量氣溫～伽利略溫度計交換禮物大賞！QUALY醉愛北極熊酒瓶塞數學好無聊、不實用，到底為什麼要學數學？給大人玩的理財桌遊，從此航向財富自由！交換禮物首選、推理迷必買！台灣推理作家協會20週年限定週邊相關標籤：加速相位排列流體力學游泳鴨子熱門標籤：量子電腦BNT疫苗珊瑚諾貝爾獎前列腺所有討論 0登入與大家一起討論ntucase12篇文章・ 5位粉絲＋追蹤CASE的全名是CenterfortheAdvancementofScienceEducation，也就是台灣大學科學教育發展中心。

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