Science Advances | 眼睛在動，世界為什么不晃？揭秘大腦的“視覺防抖”算法

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基本信息

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

發表時間：2026.3.13

發表期刊:Science Advances

影響因子：12.5

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研究背景

我們人類的眼睛每秒鐘都會進行多次快速的掃視，這會導致視網膜上的圖像發生劇烈的移動和重組。想象一下，如果你拿著一臺攝像機快速且頻繁地左右搖晃，拍出來的畫面一定會讓人頭暈目眩。然而，在我們主觀的視覺體驗中，外部世界卻是出奇的穩定和連續的，這就是認知神經科學中經典的“視覺穩定性”現象。

但在我們這套堪稱完美的視覺防抖系統中，存在一個迷人的“系統Bug”：視網膜后像。當你在暗處注視一束強光后移開視線，視野中會留下一個光斑；當你轉動眼球時，現實世界靜止不動，但這個后像卻會跟隨著你的視線在空間中移動。在完全黑暗的無視覺輸入環境中，這種后像的移動只能是由非視覺信息驅動的。目前學界普遍認為，正是大腦向眼部肌肉發送運動指令時產生的“傳出副本”，為這種視覺定位提供了信號。

然而，一個核心的未解之謎是：大腦基于運動指令對視覺后效進行的“內部預測”到底有多精確？為了回答這個問題，本研究設計了一個極其巧妙的心理物理學實驗：在完全黑暗的房間中，利用高精度眼動儀追蹤被試的眼球運動，并讓他們定位視網膜后像與瞬間閃爍的視覺探針之間的相對位置。通過將后像作為直接讀取大腦內部前饋預測模型的“探針”，研究人員以前所未有的精度量化了這種感覺運動轉換的過程。

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

研究核心總結

一、高保真但“縮水”的空間更新

研究表明，掃視引發的后像移動與真實的眼球運動之間存在著驚人的一致性，但這種空間更新并不是完美的。數據分析顯示，后像移動的幅度系統性地小于眼球實際轉動的幅度，研究者將其稱為“幅值不足”現象。在模型擬合中，將眼球運動轉化為后像運動的傳感器運動增益約為0.94。這意味著，大腦在預測眼球運動帶來的視覺變化時，其預估的偏移量略微且穩定地小于真實的運動量。

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

二、獨立于視覺反饋與運動適應的“硬核”預測

大腦是否會利用外界的視覺反饋來修正這種預測誤差？結果出人意料：無論在掃視后是否提供短暫的視覺參考標記，或者提供錯誤的視覺反饋，被試對后像的空間定位都絲毫不受影響。更令人驚訝的是，即使研究人員通過經典的“掃視適應”范式人為誘導被試縮小掃視幅度，眼球運動與后像移動之間的比例依然保持剛性不變。這有力地證明了，后像的運動完全是由眼動指令的純粹前饋預測（傳出副本）驅動的，它直接與運動命令本身掛鉤，而不受即時感覺反饋的干擾。

Fig. 3. Validation of the Gain Model.

三、揭示感覺運動轉換的“反比例”機制

該研究進一步揭示了大腦感覺運動控制系統中的一個深層機制：被試的掃視增益（眼球實際運動與目標距離的比例）與后像運動增益之間，存在著顯著的負相關關系。從計算機制上解釋，大腦包含一個“逆向模型”（將視覺目標轉化為運動指令）和一個“前向模型”（預測運動指令帶來的視覺后果）。為了在面對自身運動時維持物理世界穩定，這兩個模型會在個體內進行相反方向的動態校準。因為人類的掃視天生容易出現幅度不足的誤差，大腦為了確保視覺穩定性，其前向模型會保守地“低估”運動指令的視覺后果。

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）”的視覺定位提供了一個優美且可計算的解釋框架。它表明，我們在眼動過程中之所以能維持周圍世界的穩定感，本質上依賴于大腦內部對自身運動的預測性重映射（Predictive Remapping），而視網膜后像的移動，正是大腦前向預測模型運作時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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分享人：飯鴿兒

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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