Science Advances | 眼睛在动，世界为什么不晃？揭秘大脑的“视觉防抖”算法

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基本信息

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

发表时间：2026.3.13

发表期刊:Science Advances

影响因子：12.5

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研究背景

我们人类的眼睛每秒钟都会进行多次快速的扫视，这会导致视网膜上的图像发生剧烈的移动和重组。想象一下，如果你拿着一台摄像机快速且频繁地左右摇晃，拍出来的画面一定会让人头晕目眩。然而，在我们主观的视觉体验中，外部世界却是出奇的稳定和连续的，这就是认知神经科学中经典的“视觉稳定性”现象。

但在我们这套堪称完美的视觉防抖系统中，存在一个迷人的“系统Bug”：视网膜后像。当你在暗处注视一束强光后移开视线，视野中会留下一个光斑；当你转动眼球时，现实世界静止不动，但这个后像却会跟随着你的视线在空间中移动。在完全黑暗的无视觉输入环境中，这种后像的移动只能是由非视觉信息驱动的。目前学界普遍认为，正是大脑向眼部肌肉发送运动指令时产生的“传出副本”，为这种视觉定位提供了信号。

然而，一个核心的未解之谜是：大脑基于运动指令对视觉后效进行的“内部预测”到底有多精确？为了回答这个问题，本研究设计了一个极其巧妙的心理物理学实验：在完全黑暗的房间中，利用高精度眼动仪追踪被试的眼球运动，并让他们定位视网膜后像与瞬间闪烁的视觉探针之间的相对位置。通过将后像作为直接读取大脑内部前馈预测模型的“探针”，研究人员以前所未有的精度量化了这种感觉运动转换的过程。

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

研究核心总结

一、高保真但“缩水”的空间更新

研究表明，扫视引发的后像移动与真实的眼球运动之间存在着惊人的一致性，但这种空间更新并不是完美的。数据分析显示，后像移动的幅度系统性地小于眼球实际转动的幅度，研究者将其称为“幅值不足”现象。在模型拟合中，将眼球运动转化为后像运动的传感器运动增益约为0.94。这意味着，大脑在预测眼球运动带来的视觉变化时，其预估的偏移量略微且稳定地小于真实的运动量。

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

二、独立于视觉反馈与运动适应的“硬核”预测

大脑是否会利用外界的视觉反馈来修正这种预测误差？结果出人意料：无论在扫视后是否提供短暂的视觉参考标记，或者提供错误的视觉反馈，被试对后像的空间定位都丝毫不受影响。更令人惊讶的是，即使研究人员通过经典的“扫视适应”范式人为诱导被试缩小扫视幅度，眼球运动与后像移动之间的比例依然保持刚性不变。这有力地证明了，后像的运动完全是由眼动指令的纯粹前馈预测（传出副本）驱动的，它直接与运动命令本身挂钩，而不受即时感觉反馈的干扰。

Fig. 3. Validation of the Gain Model.

三、揭示感觉运动转换的“反比例”机制

该研究进一步揭示了大脑感觉运动控制系统中的一个深层机制：被试的扫视增益（眼球实际运动与目标距离的比例）与后像运动增益之间，存在着显著的负相关关系。从计算机制上解释，大脑包含一个“逆向模型”（将视觉目标转化为运动指令）和一个“前向模型”（预测运动指令带来的视觉后果）。为了在面对自身运动时维持物理世界稳定，这两个模型会在个体内进行相反方向的动态校准。因为人类的扫视天生容易出现幅度不足的误差，大脑为了确保视觉稳定性，其前向模型会保守地“低估”运动指令的视觉后果。

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

研究意义

该研究为“头中心空间（Head-centered space）”的视觉定位提供了一个优美且可计算的解释框架。它表明，我们在眼动过程中之所以能维持周围世界的稳定感，本质上依赖于大脑内部对自身运动的预测性重映射（Predictive Remapping），而视网膜后像的移动，正是大脑前向预测模型运作时留下的绝佳物理快照。

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：饭鸽儿

审核：PsyBrain 脑心前沿编辑部

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