Предложен механизм формирования тактильной иллюзии Вебера

Рис. 1. Примеры известных зрительных иллюзий. 1 — иллюзия движения на неподвижном рисунке. 2 — искажение восприятия цвета (иллюзия с тенью на шахматной доске): создается ощущение, что квадрат A значительно темнее квадрата B, в то время как на самом деле их оттенок одинаков. 3 — перевертыш (фигура Боринга «Жена или теща?»; см. Edwin Boring): одно и то же изображение может быть воспринято мозгом как две совершенно разные картины. 4 — искажение восприятия размера объекта (иллюзия Мюллера-Лайера): в зависимости наконечников, от обрамляющих одинаковые линии, эти линии кажутся короче или длиннее. Изображения с сайтов netlore.ru, wordlesstech.com, illuzi.ru, ru.pinterest.com

Иллюзии могут пугать или завораживать, особенно когда мы мало знаем о причинах их возникновения. Ученые-когнитивисты из Лондона детально изучили основу одной из тактильных иллюзий, состоящей в том, что расстояние между равноудаленными точками на коже ощущается по-разному в зависимости от расположения этих точек на теле. Их теория объясняет эту иллюзию так: мозг оценивает расстояние по тактильным ощущениям посредством подсчета рецептивных полей, которые пересекает отрезок, соединяющий две точки прикосновения.

Работа нашего мозга и органов чувств заточена под окружающую нас обстановку, под задачи, с которыми мы с наибольшей вероятностью встретимся в течение своей жизни — например, определить цвет и размер объекта, расстояние до него (то есть оценить его потенциальную пользу или опасность); скоординировать свои движения с учетом положения всех наших частей тела и т. п. С одной стороны это обеспечивает нам наиболее точное восприятие действительности в большинстве обычных для нас ситуаций, с другой, наоборот, искажает восприятие там, где это необходимо (см. Как человек воспринимает время, «Популярная механика» №6, 2014).

Например, на рис. 1 приведена Иллюзия с тенью на шахматной доске: нам кажется, что квадрат A значительно темнее квадрата B из-за «поправки на тень». В реальной жизни мы оцениваем цвета объектов с учетом окружающей их обстановки, вот и здесь наш мозг учитывает тень и подсказывает нам цвет, который получится, если ее убрать. Квадрат B в нашем восприятии как бы осветляется, так как его «истинный цвет» (без тени), с точки зрения нашего мозга, значительно важнее, чем цвет, который мы непосредственно видим на картинке.

С третьей — искажения восприятия при встрече с необычной ситуацией, не предусмотренной нашим мозгом и органами чувств. Так, неестественно быстрое мигание лампочки (не свойственное природным объектам) остается для нашего зрения незаметным (см. Машинная точность, «Квантик» №3, 2015).

В двух последних ситуациях мы будем говорить о появлении иллюзии. Само это слово имеет много значений, и в некотором смысле всё наше восприятие мира является иллюзией, однако здесь мы будем говорить об иллюзиях как о различиях в восприятии одного и того же стимула (осязания, формы, цвета и т. п.) в разных условиях (V.Hayward, 2008. A brief taxonomy of tactile illusions and demonstrations that can be done in a hardware store). То есть иллюзия — это не просто искажение восприятия по сравнению с реальностью, а изменение ощущений от стимула при смене неких внешних или внутренних условий (без изменения самого стимула). При этом, как правило, речь идет о заметных изменениях, которые приводят наш мозг в замешательство и пугают или удивляют нас.

Какие бывают иллюзии

Некоторые иллюзии возникают в результате отклонений в работе нервной системы и могут быть признаками заболеваний или особых состояний организма (см., например, Шутки природы над венцом творения: аномалия, «Популярная механика» №10, 2011). Другие же иллюзии, о которых мы будем говорить в этой новости, свойственны в большей или меньшей степени каждому здоровому человеку. В зависимости от задействованных в иллюзии органов чувств их подразделяют на зрительные, звуковые, вкусовые, тактильные и т. д. Наиболее просто продемонстрировать зрительные иллюзии, тем более в современном мире интернета: неподвижные картинки, вызывающие иллюзию движения, стереоиллюзии, перевертыши, искажения восприятия цвета или размера объектов известны всем нам с детства (рис. 1).

Разновидностей звуковых иллюзий значительно меньше, но и их можно найти и испытать на себе (например, Тон Шепарда). Значительное количество иллюзий возникает при участии нескольких чувств, поскольку наш мозг учитывает и объединяет информацию, получаемую разным путем. О том, как происходит эта мультисенсорная интеграция, см. За интеграцию слуха и осязания отвечает слух («Элементы», 24.10.2005). Существуют также вкусовые иллюзии, основанные, как правило, на интеграции обоняния, зрения или слуха со вкусом при отсутствии информации от какой-либо одной из этих систем (см. главу Что наш мозг думает о вине? из книги Боба Холмса «Вкус»).

Тактильные или осязательные иллюзии тоже часто основаны на взаимодействии нескольких органов чувств. Например, если поднимать два одинаковых по весу, но различных по объему предмета, то меньший из них будет казаться более тяжелым. Еще один интересный пример — иллюзия резиновой руки, когда через некоторое время одинаковой стимуляции скрытой от глаз руки испытуемого и видимой им резиновой руки человек начинает ощущать резиновую руку как свою собственную. В сходных по сути экспериментах с применением экрана, камер и очков виртуальной реальности можно добиться просто поразительных эффектов — например, заставить человека ощущать себя невидимкой, не узнать себя на фотографии и т. п. (см. статью Телесные иллюзии: феноменология, механизмы, экспериментальные модели).

Есть также иллюзии, одинаковые для разных органов чувств. Так, например, некоторые из зрительных иллюзий ощущаются и слепыми людьми при считывании информации с дисплея Брайля, например показанная на рис. 1 иллюзия Мюллера-Лайера. А момент переключения внимания может на доли секунды создать слепоту как зрительную, так и слуховую или тактильную (см. демонстрацию на ted.com).

Тактильные иллюзии

Однако бывают и чисто тактильные иллюзии. Для демонстрации многих из них необходимы особые хитрые установки (см., например, В мозгу лежит онлайновая карта тела, «Элементы», 26.07.2005). Но есть и такие, которые вы без особых трудов можете испробовать на себе или своих товарищах. И помните, что тактильные иллюзии лучше работают при отсутствии информации от других органов чувств: когда ваши глаза закрыты или когда вы демонстрируете тот или иной эффект на другом человеке, а не на себе.

Иногда осязаемый предмет может раздваиваться или, наоборот, два предмета восприниматься как один. Наиболее известный пример — иллюзия Аристотеля (рис. 2). Если скрестить указательный и средний палец, а затем водить ими по кончику носа или катать между ними горошину, то будет ощущаться два носа (две горошины). Обратная иллюзия Аристотеля состоит в том, что этими же скрещенными пальцами можно касаться внутреннего угла чего-либо — и две поверхности будут ощущаться как одна.

Рис. 2. Иллюзия Аристотеля. A — прямая: должно появиться ощущение двух носов; B — обратная: две поверхности воспринимаются как одна. Иллюстрация из статьи: V. Hayward, 2008. A brief taxonomy of tactile illusions and demonstrations that can be done in a hardware store.

Искажаться может положение предметов. Попробуйте сами или попросите кого-то скривить губы наискосок: поднять один угол губ вверх и опустить другой вниз, насколько это получается, и закрыть глаза. Теперь коснитесь губ вертикально расположенным карандашом или ручкой, и вы почувствуете, будто этот предмет наклонен в направлении, противоположном наклону губ.

Иллюзию так же могут создавать разные свойства поверхности предметов. Например, если на ровной поверхности закрепить три умеренно липкие полоски небольшой толщины, как показано на рис. 3 (подойдут клейкие части стикеров или не очень новый скотч), то в случае А ваш палец почувствует желобок посередине, а в случае В — возвышение, хребет. При этом поверхность на самом деле ровная — во всяком случае, значительно ровнее, чем то, что ощущает палец, когда вы им водите вдоль полосок. Сходный эффект желобка можно получить без клея, если собрать конструкцию, в которой центральная полоска будет свободно ездить относительно двух крайних.

Рис. 3. A, B — иллюзия желоба и хребта. Серым закрашены полоски липкой стороной вверх, а белым — липкой стороной вниз. C — иллюзия расчески («comb illusion»). Стрелками показан характер движения пальца (A, B) или карандаша (C) для создания иллюзии. Иллюстрации из статьи: V. Hayward, 2008. A brief taxonomy of tactile illusions and demonstrations that can be done in a hardware store

А теперь возьмите в руки гребешок с гибкими зубчиками, как показано на рис. 3, и проведите по нему карандашом или ручкой. При равномерном распределении стимулов создается ощущение, что стимул только один и он перемещается. В данном случае вместо поочередного прикосновения каждого из зубчиков, мы ощущаем, как по пальцу вслед за движением карандаша бежит одна единственная точка: будто по пальцу чем-то провели. Этот эффект используется для создания изображений на дисплеях приборов для слепых (нечто подобное дисплею Брайля).

Еще одна тактильная иллюзия связана с неспособностью вслепую отличить прикосновение к внутреннему сгибу локтя от такого же прикосновения на других участках предплечья. Для нее нужно два человека. Попросите своего партнера положить руку на стол или на колени ладонью вверх и закрыть глаза. Его задача будет сказать «стоп» в тот момент, когда вы коснетесь внутреннего сгиба его локтя, только не касайтесь его заранее. А теперь аккуратно (нежно) пошагайте своими пальцами по его коже от запястья к локтевому сгибу, и не торопитесь. Без специальной тренировки большинство людей говорят «стоп» совсем не на точке сгиба, попробуйте это на себе. Кстати, на голени это тоже работает.

Еще одна поразительная иллюзия, для которой тоже нужны два человека, имеет название «иллюзия Пиноккио». Сядьте на стул за своим товарищем, лицом к его спине, и положите одну руку себе на нос, а вторую — ему на нос (рис. 4). Закройте глаза и потрите оба носа синхронно вверх-вниз. Через некоторое время вы почувствуете, будто ваш нос очень длинный.

Рис. 4. «Иллюзия Пиноккио». Изображение с сайта netlore.ru

Другой тип тактильной иллюзии связан с неправильным восприятием места прикосновения. Например, два одновременно пульсирующих сигнала, приложенных на некотором расстоянии друг от друга, ощущаются как один примерно на середине между двумя фактическими. Когда двух точек касаются по очереди, то чем быстрее были прикосновения и чем меньше между ними промежуток времени, тем сильнее эти точки сблизятся (Тау эффект; см. Tau effect). А если сначала несколько раз быстро прикоснуться в одной точке, а затем без паузы несколько раз в другой, появится эффект пробежавшего от первой точки ко второй «кожного кролика» (Cutaneous rabbit illusion). Чаще всего эту иллюзию демонстрируют на предплечье, касаясь сначала запястья, а потом локтевого сгиба, последовательные стимулы как бы распределяются по пространству между этими точками и создают ощущение, что каждый следующий стимул был чуть ближе к локтевому сгибу, чем предыдущий. Если наловчиться, то эти иллюзии можно продемонстрировать на своих товарищах, быстро касаясь их кожи пальцем или тупой стороной карандаша.

Изменчивы бывают и представления нашего тела о расстоянии между двумя точками прикосновения. Во-первых, как правило, любые оценки расстояния между ними в среднем оказываются преуменьшенными (B. G. Green, 1982. The perception of distance and location for dual tactile pressures). Во-вторых, субъективное ощущение размеров и расстояний зависит от уровня чувствительности того участка кожи, к которому мы прикасаемся. Например, языку размер кольца покажется значительно больше, чем ладони и тем более предплечью. Еще одна поразительная особенность состоит в том, что расстояние между двумя точками, к которым мы одновременно прикасаемся, в среднем кажется больше, если отрезок ориентирован поперёк руки или ноги, и меньше, если он ориентирован вдоль конечности. Эти иллюзии носят название иллюзий Вебера.

Пиксельная модель поверхности тела

Для объяснения всех этих искажений восприятия расстояния Федерико Фиори (Federico Fiori) и Мэтью Лонго (Matthew Longo) из Королевского колледжа Лондона и Лондонского университета Биркбек выдвинули свою теорию — пиксельную модель поверхности собственного тела. В роли пикселей выступают так называемые рецептивные поля. Эти поля представляют собой участки кожи, усеянные рецепторами от одной нервной клетки, нейрона. На более чувствительных участках тела эти поля мельче (к примеру, около 10 мм² на пальцах) и их больше, а на менее чувствительных участках поля крупнее, но их меньше. Кроме того, эти поля имеют овальную форму и вытянуты вдоль конечностей. В пиксельной модели расстояние между двумя точками оценивается нашим мозгом по количеству рецептивных полей, лежащих на линии, соединяющей эти две точки. Такая теория объяснила бы разное восприятие размеров на разных по чувствительности участках кожи, а также различия, возникающие в результате разной ориентации линии, соединяющей стимулы.

Для проверки этой модели исследователям необходимо было проследить изменение субъективного ощущения расстояния между двумя стимулами при разных наклонах соединяющей их прямой. Представьте себе поле, усеянное одинаково ориентированными ровными овальными «пикселями» одного размера, и проведите на этом поле множество отрезков одной длины, но разной ориентации. Если посчитать, сколько «пикселей» пересекает каждый из отрезков, то мы обнаружим, что максимальное количество пикселей попадет под наш отрезок только при одной определенной его ориентации, то же происходит и с минимальным количеством «пикселей». При поворачивании нашего отрезка от положения минимума к положению максимума, которые, кстати, перпендикулярны друг другу, мы увидим постепенное увеличение числа пересекаемых «пикселей». Поэтому данная модель требует, чтобы изменение субъективной оценки расстояния (числа пересекаемых «пикселей») происходило плавно, был только один максимум и один минимум: зависимость ощущаемого расстояния от угла наклона описывалась синусоидой.

Кисти и лбы 100 добровольцев (по 25 в каждом эксперименте) были одинаково размечены пересекающимися в центре 8 линиями с разным наклоном, с шагом в 22,5° (рис. 5).

Рис. 5. A — расположение линий под разным углом по отношению к условно выбранной поперечной линии (0°). B — зависимость искажения восприятия расстояния между точками (оценка испытуемого, деленная на реальный размер) от угла наклона. Зеленой вертикальной прямой отмечен максимум. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в PNAS

В первом эксперименте к тыльной стороне левой ладони одновременно прикасались в двух точках, лежащих на выбранной линии, и просили испытуемых с закрытыми глазами оценить расстояние между этими точками в сантиметрах. Реальные расстояния были 2, 2,5, 3, 3,5 или 4 см.

Исследователи обратили внимание на то, что наибольшее расстояние относительно реального ощущается не на строго поперечной линии, а с небольшим наклоном (в среднем 15°) по часовой стрелке — от основания большого пальца к основанию мизинца.

Во втором эксперименте аналогичная процедура была проделана с левой ладонью. Интересно, что усредненные линии «максимальной длины» или линии вытяжения на обеих сторонах кисти расположены одинаково (рис. 6).

Рис. 6. Наклон, при котором ощущаемое расстояние между двумя точками наибольшее относительно реального. C — на тыльной стороне, зелеными линиями показана линия вытяжения каждого из испытуемых. D — на ладони, красным показаны линии вытяжения каждого из испытуемых. Черные линии показывают усредненную линию вытяжения по всем данным. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в PNAS

Кроме того, в связи с большей чувствительностью ладони по сравнению с ее тыльной стороной и в полном соответствии с теорией авторов статьи, кривая зависимости ощущаемого расстояния от угла наклона для ладони более пологая, чем для тыльной стороны кисти (рис. 7 слева).

Рис. 7. Слева — зависимость искажения восприятия расстояния между точками (оценка испытуемого, деленная на реальный размер) от угла наклона во 2-м эксперименте. Зеленый график — для тыльной стороны кисти, красный — для ладони. Справа — зависимость искажения восприятия расстояния от угла наклона в 3-м эксперименте. Зеленый график — для руки в нормальном положении, красный — повернутом на 90°. Вертикальные линии отмечают максимумы графиков, угол наклона линии вытяжения. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в PNAS

В третьем эксперименте ученые сравнили оценки расстояния на тыльной ладони в нормальном положении и в развернутом на 90° по часовой стрелке, то есть когда пальцы левой руки смотрят строго вправо. Сделали это для того, чтобы оценить возможность получения информации каким-либо иным путем, кроме собственно замера расстояния на поверхности кожи, например оценки положения двух точек относительно головы или тела. По результатам и синусоидальная кривая, и наклон линии вытяжения сохранились. Однако кривые зависимости вовсе не идентичны, что говорит о небольшом изменении восприятия руки при ее повороте (рис. 7 справа).

Четвертый эксперимент был призван оценить, применима ли пиксельная модель для каких-либо других частей тела. Был выбран лоб, на нем произвели разметку и опыты, аналогичные первому эксперименту для кисти. Результаты оказались сходными: имеется одна линия вытяжения, по которой отрезки воспринимаются самыми длинными и при повороте относительно которой ощущаемая длина постепенно уменьшается и достигает минимума при перпендикулярном относительно линии вытяжения положении (рис. 8). Кстати, эта линия не оказалась строго горизонтальной, она повернута примерно на 4° против часовой стрелки (для исследователя).

Рис. 8. Слева — зависимость искажения восприятия расстояния между точками (оценка испытуемого, деленная на реальный размер) от угла наклона в 4-м эксперименте. Справа — положение линий вытяжения. Обозначения те же, что и на предыдущих рисунках. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в PNAS

Исследователям удалось показать, что изменение субъективного ощущения расстояния между двумя точками на коже не просто зависит от положения этих точек, но прекрасно описывается пиксельной моделью на основе знаний о строении рецептивных полей нашей кожи.

Источник: Federico Fiori and Matthew R. Longo. Tactile distance illusions reflect a coherent stretch of tactile space. // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2018. 201715123.

Алёна Сухопутова