运动学规律将眼动与高速感知极限联系起来

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运动学规律将眼动与高速感知极限联系起来

显示作者 Nature Communications volume 16, Article number: 3962 (2025) Cite this article

摘要

感知需要对环境进行主动采样。 物理世界的哪个部分可以被感知，受到感觉系统生物物理设置的限制，但可能进一步受到用于获取感觉信息的运动行为的运动学界限的限制。 在这里，我们测试了人类最快和最频繁的行为——扫视性眼动——的这一基本思想，这种眼动包含偶然的感觉后果（即快速的视网膜运动），这种后果在自然视觉中很少达到意识层面。 使用高速视频投影，我们展示了快速移动的刺激，这些刺激忠实地再现或偏离了扫视的速度、持续时间和幅度的合法关系。 对于每种刺激，观察者都会执行感知任务，其中表现取决于有意识地看到刺激的运动轨迹。 我们发现刺激运动的可见性可以很好地通过扫视的特定运动学及其感觉运动的偶然性来预测，甚至反映了个体观察者之间的差异。 计算模型表明，早期视觉处理期间的时空整合可以预测在生物学上合理的参数的紧密范围内这种合法关系。 这些结果表明，视觉系统在省略动作的偶然感觉后果时会考虑运动运动学，从而保持对高速物体运动的视觉灵敏度。

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简介

对人类和整个动物王国的研究表明，感觉输入取决于主动行为。 诸如胡须拂动和嗅探、触摸和观看等采样动作控制着信息流向大脑1,2,3,4,5,6,7。 因此，感觉过程最好在相应感觉器官的持续运动的背景下理解8,9,10。 事实上，当采样动作频繁且产生特定的、可靠的感觉后果时，感知系统可能会专门用于处理这些动作施加在感觉表面上的信息9,10。 在极端情况下，感觉系统访问物理世界的界限可能不仅受生物物理约束的限制，还进一步受到获取感觉信息的运动行为的运动学界限的限制。 缺乏对感知极限的这种动作依赖性的结论性论证，但一个关键的预测是，即使在没有伴随动作的情况下，感知过程也应该针对动作的典型感觉相关性进行调整11,12,13。 在这里，我们证实了人类视觉中基本感知过程的这一预测：我们证明了一个共同的规律将感知高速运动刺激的极限与快速眼动的感知后果联系起来。 人类视觉是动作和感知之间紧密耦合的一个典型例子。 称为扫视的快速眼动将高分辨率的中央凹移动到视觉场景中的新位置，从而在下一个注视期间访问该位置的精细视觉细节。 扫视为感知的动作依赖性提供了一个理想的测试案例：它们是人体最频繁的运动，每个醒着的小时发生约 10,000 次，并且它们具有可靠的、刻板的运动学14，这会对视网膜表面施加系统的感觉后果10,15。 最突出的是，主序列 描述了扫视速度和持续时间与运动幅度的合法关系：运动的峰值速度和持续时间都随着眼睛移动的距离有系统地增加16（图 1a）。 这种关系是合法的，因为相关的运动学变量（幅度、峰值速度和持续时间）在数学上相互关联17,18,19，并且它适用于所有已知的进行扫视运动的物种（甚至包括果蝇20）。 关键的是，眼睛相对于世界的每一次运动都会产生世界投射到视网膜上的瞬时、相等且相反的运动。 因此，扫视会带来视网膜图像的快速移动，这些移动遵循相同的主序列关系：随着幅度的增加，扫视将导致视网膜图像的更大移动和更高速度（图 1b）。 即使视觉处理在扫视期间仍然可以运行21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31，但在自然视觉中，这种扫视引起的视网膜运动在主观上是不可见的——这种现象被称为扫视省略32,33,34。 对于这种可靠的感知扫视感觉后果的缺失，已经提出了各种解释10,35,36，包括机械37,38,视网膜22,22,39,40,和视网膜外机制29,41,42。 虽然有持续的证据表明扫视锁定会降低视觉灵敏度（尤其是在低空间频率下42,43,44，这些灵敏度应在高扫视速度下保持可见[