可变幻的幻觉轮廓的形状转变可从持续的脑电信号中在多物体跟踪过程中解码

我们在运动世界中如何保持追踪

当你试图在体育比赛中同时跟踪几名球员，或在拥挤的游乐场里留意你的孩子时，你的眼睛和大脑完成了一项不显山不露水的奇迹：它们能同时跟踪多个移动目标而不会混淆。本文探讨了一个看似简单但关系日常技能的问题：大脑是像在地图上一点点地跟随每个物体，还是也将它们组合成一个更大的、看不见的形状，随着场景滑动和弯曲？通过记录脑活动，作者表明我们的视觉系统确实维持着一个持续的、抽象的轮廓，将被跟踪的对象连接起来——而当这个隐藏的轮廓改变形状时，大脑会作出反应。

用一个无形轮廓跟随点

为了探究我们如何跟踪运动，研究者采用了经典的实验范式——多物体跟踪任务。受试者观看屏幕上八个相同的小方块缓慢漂移。每次试验开始时，其中四个方块短暂闪烁，标记为需跟随的目标，其余为干扰物。方块随后平滑地移动若干秒，彼此保持一定距离且不重叠，参与者需注视中心凝视点并在脑中跟踪这四个目标。试验结束时会高亮显示四个方块，参与者需判断这是否正是他们一直跟踪的四个。这项任务具有挑战性，既往研究显示当物体移动得更快、彼此更近或数量更多时，表现会下降。

从未出现在屏幕上的隐藏形状

同一研究小组早期的工作提示，在此类任务中，大脑不仅将被跟踪的点视为独立位置，还把它们当作一个无形形状的角点。在数学上，总存在一条唯一的“最短”封闭路径，它连接所有四个目标且不自交，形成一种虚幻的多边形。这个轮廓从未真正画在屏幕上，但可以从存储的点位置信息中计算出来。随着目标移动，该多边形平滑地变形——但在某些特殊时刻会发生突发性、质的变化。有时连接点的顺序会骤然反转，轮廓发生“翻转”。另一些时候，形状会从向外凸出（凸）变为出现向内凹陷（凹），或反向变化。这些时刻不仅仅是位置的微小移动；它们改变了形状的基本结构。

从脑波中读取形状变化

在受试者执行跟踪任务时，研究者使用脑电图（EEG）记录其持续的脑活动，这种技术可测量头皮上的微弱电信号。对每次试验，他们用存储的运动轨迹标记出无形多边形在何时发生翻转或从凸到凹、从凹到凸的确切时刻。随后他们检查EEG信号在这些转变时间前后如何变化。初步分析显示，在头后方的视觉区，大脑的反应取决于刚发生的形状变化类型，但仅在多边形经过目标点时出现，而在经过干扰物时没有。这已表明注意力与被跟踪项目的共同构型相关联。

实时解码无形运动

研究组进一步探问是否能够直接从持续的EEG信号推断出这些形状变化，仿佛在读取大脑对幻影多边形的内部监控。他们首先将复杂的32通道信号提取为若干主要成分，并为每种形状转变提取短时“特征”模式。然后将这些特征滑动匹配到其他试验的连续EEG上，衡量在每个时刻匹配的程度，从而产生一个随时间变化的、指示某种转变发生可能性的估计。对于两类转变——翻转和凸到凹的切换——这些相似度度量在目标多边形的真实转变时间附近可靠地达到峰值，而在干扰物多边形处则不然。有趣的是，翻转的信号在转变发生前约150毫秒即可被检测到，而凹陷出现的信号约在转变后150毫秒显现，提示它们可能由不同的底层过程驱动。

这些发现为何关乎日常视觉

最后，研究者根据参与者在任务中的准确率将其分为跟踪表现较好和较差的两组。表现更好的人显示出更清晰、更有区分度的形状转变EEG特征，尤其是在生成凹陷的变化上。这一模式暗示，那些更强烈维持连接目标的无形形状的人在跟踪上更有优势。综上所述，这项研究表明我们的视觉系统并非仅仅在空中抛接几个独立的位置，而是将它们编织成一个单一、不断变化的轮廓，并将注意力分配给该轮廓如何弯曲、翻转和产生凹陷。大脑对这些微妙形状变化的敏感性，尤其是对向内曲线的生成，似乎支持了我们把视觉世界划分为连贯、可追踪单元的方式——帮助我们在快速且杂乱的场景中轻松地跟随动作。

引用: Merkel, C., Merkel, M., Hopf, JM. et al. Shape-transitions of a morphing illusory contour can be decoded during multiple-object tracking from the ongoing EEG. Commun Psychol 4, 48 (2026). https://doi.org/10.1038/s44271-026-00427-6

关键词: 多物体跟踪, 视觉注意, 幻觉轮廓, 脑电图, 形状感知