さまざまな錯視があります。それらを研究する意味は何でしょうか?

人間の幻想だけでなく、動物の幻想も研究する必要がある。

徐子龍（東南大学）著

昔、「誤審はサッカーの一部である」とか「サッカーの魅力の一部である」という諺がありました。もちろん、この発言は後に反論されました。 FIFAは各方面からの圧力に耐えられず、改革を開始した。 2014年ブラジルワールドカップでは、ゴールラインテクノロジーを初めて導入し、ハイテクの「ホークアイ」が審判の判定を支援した。

審判員が信頼できないことがあるのはなぜですか?角度の問題や集中力の問題ではっきりと見えないことはもちろん、ボールが目の前を通過しても、誤った判断を下してしまう可能性があります。信じられないなら、下の写真を見てください。

図 1. フラッシュラグ効果 |出典: Wikipedia

赤い四角が画像の中央に移動すると同時に緑の四角も点滅しますが、緑の四角が点滅すると赤い四角が通り過ぎたように感じます。この錯覚はフラッシュラグ効果と呼ばれます。簡単に言えば、フラッシュラグ効果とは、視覚刺激が連続的な軌道に沿って移動する場合、その軌道に沿って発生する可能性のある突然のイベント（フラッシュなど）に対して、移動する刺激の知覚位置が実際の位置よりも先行することです（図1）[1]。

サッカーの試合では、フラッシュラグ効果[2]により、副審が攻撃側の選手がオフサイドかどうかを判断する際にミスをする可能性があります（図2）。オフサイド判定のシナリオでは、攻撃側チームのパスを受ける選手は継続的に動く赤い四角に相当し、パスする選手のパス動作は突然の出来事（緑のフラッシュ）に相当します。パスの瞬間が副審がオフサイドと判定するタイムマークとなります。フラッシュラグ効果により、副審はパスイベントが遅れていると考え、走っているボールを受ける選手は実際の位置よりもゴールに近いと認識され、フラッグエラー（FE）が発生します。

図2. 副審の誤審の模式図。 ▲攻撃側の選手たち△副審が認識した攻撃側チームの選手の位置●守備側チームの最後から2番目の選手の位置。 ■副審。 （画像は参考文献[2]から改変したもの、クリックすると拡大表示されます）

(a) オンサイドポジションとオフサイドポジションの幾何学的形状の概略図。攻撃側の選手がボールをパスした瞬間、パスを受けた選手と守備側の最後から2番目の選手との相対的な位置がオフサイドかどうかを判断する基準となります。

(B) フラッシュラグ効果がオフサイド判定に与える影響の模式図。図の網掛け部分にいる攻撃側チームの受け手の選手が相手ゴールに向かって走っているとき、パスをしてきた味方選手がボールに触れた瞬間、副審が認識した位置（白抜きの三角形）が実際の位置（黒塗りの三角形）よりもゴールに近くなり、誤審につながる可能性が高くなります。

明らかに、目の錯覚を理解することは、場合によっては審判が無実であることを知るのに役立ちます。人々が避けようとするフラッシュラグ効果の錯覚に加えて、悪い状況を最善にするために使用できる「良い」錯覚もいくつかあります。

たとえば、視覚科学者の観点から見ると、有名な心理投影テストであるロールシャッハ・テストは、錯覚に基づいていると言えます。もっと正確に言えば、私たちの脳は常に、情報量の少ないランダムな構造の中で既知のパターンを探します。この心理現象はパレイドリア[3]と呼ばれています。

図 3. ロールシャッハ・インクブロットテストの例 |出典: Wikipedia

もちろん、火星の人間の顔、月のウサギ、竜巻の中の悪魔/神、雲海の仏像はすべて想像上の錯覚の結果です。

上記の 2 つの例から、視覚は「五感」（視覚、聴覚、嗅覚、味覚、触覚）のうちの単なる「感覚」ではなく、脳が解釈に参加する「知覚」であることがわかります。解釈が偏ると錯覚が生じます。

視覚的錯覚は、視覚的なシーンに対する私たちの視覚システムの最も優れた適応です。これらの適応は私たちの脳に「固定」されており、視覚的なシーンの不適切な解釈につながる可能性があります。医学が患者から人体を研究するのと同様に、心理学と神経科学も視覚の「エラー」を利用して視覚系の構造と機能を明らかにし、視覚（人間または動物）のメカニズムを理解することができます。

錯視は数多く存在しますが、そのほとんどはまだ効果的に説明されていません。明るさやコントラスト、動き、幾何学や遠近法、三次元の解釈（サイズの恒常性とあり得ない画像）、認知効果やゲシュタルト効果などはすべて視覚的な錯覚を引き起こす可能性があることはすでにわかっています。錯視は、その発生メカニズムの観点から、画像自体の構造によって引き起こされる幾何学的錯視、感覚器官によって引き起こされる生理的錯視、心理的な理由によって引き起こされる認知的錯視の3つに大別できます。

01 明るさとコントラストによる錯覚

古典的な「ヘルマン グリッド」は、1870 年代にドイツの生理学者ルディマール ヘルマン (1838-1914) によって発見された目の錯覚です。下の画像の白いグリッドをスキャンすると、白い線が交差する部分に薄い灰色の斑点があることに気付くでしょう。しかし、白い線の交差点を直接見つめると、それらの灰色の斑点は薄れたり消えたりします。

図 4. ヘルマンガー |出典: Wikipedia

もう一つのよく見られる類似の錯視は、1994 年に発見されたきらめき格子錯視です。これは、ヘルマンガー錯視のバリエーションとして見られることが多いです。

図 5. ちらつくグリッド |出典: Wikipedia

これら 2 つの錯覚は非常に似ており、どちらも視覚神経系における同じプロセス、つまり側方抑制が関与しています。

人間の目は高性能なカメラのようなものです。目の底にある網膜は、多数の視神経細胞で構成された感光フィルムのようなものです (図 6 を参照)。

図6.網膜の解剖[4]

図7.網膜層構造[4]

光が網膜に入ると、光信号は神経インパルスに変換され、光受容体→双極細胞→神経節細胞という経路を経て大脳皮質の視覚中枢に伝達されます。視覚ニューロンが光刺激に反応する領域は「受容野」と呼ばれます[4]。

ほとんどの視覚ニューロンの受容野は、中央部分と周囲部分に分かれており（図 7 を参照）、これを「中心周囲受容野」と呼びます。その重要な特徴の一つは、中央部分と周囲の部分が光に対して拮抗的に反応することです。例えば、図 8 では、受容野の周辺部分 (赤) に光が当たると、受容野の中央部分 (青) の光に対する反応が抑制されます。

図8. 中心周囲受容野の模式図[4]

半世紀にわたり、「側方抑制」という古典的な理論がヘルマンガー錯視を説明するために使われてきました。いわゆる側方抑制は水平抑制とも呼ばれ、刺激によって興奮したニューロンが隣接するニューロンの活動を抑制することを意味します。ヘルマンガー錯視で何が起こるのかを詳しく見てみましょう。

図 9 ヘルマンによる側方抑制の説明 |出典: michaelbach.de

図 9 では、赤い円が網膜神経節細胞の受容野を表していると仮定します。受容野が偶然グリッドの交点（左上の円盤の中心）に当たると、その周囲に 4 つの明るい抑制ブロックが現れ、中央が暗く（灰色に）見えるようになります。神経節細胞が「通り」を見ると、その周囲には抑制ブロックが 2 つしかないため (左下の円盤の中央)、十字の交差点にあるニューロンよりも刺激が多くなり、白く見えることになります。

しかし、十字架を直接見ると、受容野は非常に小さくなります (右側の小さな赤い円)。受容野がこのように小さい場合、交差点に位置するかどうかは問題ではありません。

しかし、最新の研究では、上記の古典的な説明には問題がある可能性があることが示されています。グリッド線を少しひねると、錯覚は消えます (下の画像の右側)。これは、視覚皮質が方向選択性、つまりニューロンの方向選択性[5]で情報を処理していることを示しています。

図 10. ヘルマンガー錯視の消失 |出典: Bach, M. Optical illusions、2006 年

02 モーションイリュージョン

図 11. 動きの錯覚 |出典: Bach, M. Optical illusions、2006 年

ディスクがゆっくり回転しているように見える上の画像のように、静止画像がスローモーションで表示されることがあります。動きの錯覚の神経メカニズムはまだ完全には解明されていないが、この錯覚の前提条件は非対称な明るさのレベルであると言える[6]。

明らかに、図 11 のそれぞれの大きな円は、多数の放射状の扇形のストリップ (扇形は非常に狭い) で構成されています。各扇形のバーには一連の色シーケンスが含まれており、図中の色シーケンスの繰り返し単位は「明るい白 - 明るい黄色 - 濃い黒 - 濃い青 - 明るい白」です。

図12. 図11に含まれる色の順序

この錯覚の鍵となるのは、隣接する放射状セクター内の色や明るさのシーケンスの位置がずれていたり、オフセットされていたりすることです[3]。このような画像が突然目の前に現れると、非対称の明るさレベルが視覚システムの動き検出器を作動させ、画像が回転しているように見えます。グループ化すると錯覚が強まりますが、色は必須ではありません。

03 幾何学的錯視と遠近法の錯視

図 13. ツェルナー錯視 |出典: Bach, M. Optical illusions、2006 年

ツェルナー錯視はもう一つの一般的な錯視です。 1860 年、ドイツの天体物理学者ヨハン・カール・フリードリヒ・ツェルナーは、短い線と鋭角に交差する平行線が発散するように見えることを発見しました。図 13 には、短い線と重なり合う一連の斜めの直線があります。これらの線は散在していて、すぐに交差するように見えますが、実際には、9 本の「斜めの直線」はすべて平行です。

同様の錯視には、ポッゲンドルフ錯視、ヘリング錯視、ヘリング錯視とツェルナー錯視の組み合わせなどがあります (図 14)。

図 14. いくつかの一般的な幾何学的錯視と角度錯視: (a) ポッゲンドルフ錯視。 （b）ヘリング錯視（c）ヘリング錯視とゾルン錯視の組み合わせ[6]

研究者たちは、ゾルナス錯視は短い線と長い線の間の角度が奥行き知覚を引き起こすために起こると考えています。遠近法の原理に基づき、長い線と短い線の交差で示される方向が、あたかも紙の「奥行き」であるかのように感じさせます。一方、角度の開きによって示される方向は、あたかも「浅い」場所を指し示しているかのように感じさせます。このとき、私たちの視覚システムは再び自動的に調整し、「深い」部分の 2 つの隣接する平行な長い直線を「近づけ」、また「浅い」部分の平行な斜めの長い直線を「遠ざけ」ます。これにより、近くにあるものは大きく、遠くにあるものは小さく見えるという正しい認識が確保されます。しかし、実際にはすべての線は2次元の紙に描かれており、奥行きがないため、長い直線は平行に見えません。

04 サイズ恒常性機構

恒常性は人間の脳の認知に固有のメカニズムです。物体が私たちから遠ざかるほど、網膜上の像は小さくなりますが、私たちは物体が遠くなったからといって小さくなったとは考えません。これがサイズ恒常性メカニズムの働きです。

物体までの距離が半分になると、物体像の大きさは 2 倍になります。視覚システムは網膜上の投影の大きさを想定距離で乗算し、幾何学的遠近法の影響を受けずに物体の大きさを推定できるようにします。距離情報が無効になると、私たちの視覚システムは「デフォルト設定」にリセットされ、物体のサイズを正しく推定できなくなります。たとえば、写真家がよく使う「月の錯覚」では、月は私たちから遠く離れているため、空の高いところにあるときよりも地平線に近いときの方が大きく見えるとされています。

図 15. ミュラー・リヤー錯視 |出典: ザ・サイエンティスト

ミュラー・リヤー錯視は、1889年にドイツの社会学者フランツ・カール・ミュラー・リヤーによって発見され、視覚の恒常性によって説明できます。この錯覚では、視覚系が奥行きの手がかり、つまり線分の端にある矢印の方向を検出します。 「凸角」とは、部屋の突き出た角など、より近い距離を意味します。 「凹角」は、部屋の凹んだ角など、より遠い距離を意味します。視覚システムは、内側（凹角）を向いた矢印は線分が私たちから遠くにあることを意味すると認識します。外側を向いている矢印（凸角）は、線分が近くにあることを意味します。次に、サイズ恒常性メカニズムが、観察する画像を修正します。つまり、「遠い」（両端の矢印が内側を向いている）線分の長さを増やし、「近い」（両端の矢印が外側を向いている）線分の長さを減らします。その結果、上部（「遠い」）線分が下部（「近い」）線分よりも長いと認識されます。

05 ゲシュタルト効果

図16. カニサ広場[5]

カニッツァ方陣は、1955 年にイタリアの心理学者ガエターノ・カニッツァによって初めて説明されました。誰もが画像内の四角形を認識できますが、その輪郭は、見る人によって自動的に生成された被写体の輪郭です。

ゲシュタルト心理学者は、知覚組織化のゲシュタルト法則の 1 つである閉鎖の法則を使用してこの錯覚を説明します。この法則によれば、グループ化されたオブジェクトは全体の一部として見られる傾向があります。私たちは隙間を無視し、イメージを調和させる輪郭を認識する傾向があります。

ゲシュタルト主義によれば、人々は物体に含まれる隙間に気づくのではなく、物体を完全な全体として認識する傾向があるとされています。画像の一部が欠けている場合、私たちの知覚は自動的にその欠けている部分を補います。研究によれば、知覚システムは周囲の刺激の完全性を高めるためにこれを行っているようです。

図17. 不可能なトライデント、別名「悪魔のフォーク」[1]

図17では、左側の写真の上部が3つの塔のように見えます。下部は湾曲したU字型のバーです。右の図のように線をつなげると「ありえない物体」が現れます。線の延長は、タワー間の空の背景を U 字型の底面に変換するため不適切です。これは、芸術と科学がつながる不思議な感覚を観察者に残します。モーリシャス・エッシャーは、ペンローズが「不可能な階段」の絵画を発表したわずか 2 年後に、有名な「昇り降り」を描きました。

犬は幻覚を見ることができるのでしょうか？創造的な科学者の中には興味深い実験を行った人もいます。

オーストラリアのラ・トローブ大学のサラ・ビオシエールは犬にエビングハウス・ティチェナー錯視を見せた。これは、ドイツの心理学者ヘルマン・エビングハウスとイギリスの心理学者エドワード・B・ティチェナーにちなんで名付けられた相対的な大きさの錯覚です。

図18. エビングハウス・ティチェナー錯視[7]

最も古典的なバージョンでは、同じサイズの 2 つの円が互いに近くに配置されますが、一方はより大きな円で囲まれ、もう一方はより小さな円で囲まれます。 2 つのグループを並べると、大きな円に囲まれた中央の円は、小さな円に囲まれた円よりも小さく見えることがわかります。この錯覚の主な理由の 1 つは、中央のターゲット円と周囲の誘導円の間のサイズのコントラスト効果です。

では、エビングハウス・ティチェナー錯視は犬にとってどのような影響を及ぼすのでしょうか?

ビオシエール氏のグループは、犬が自分の感情を表現できるような装置を設計した。それは、さまざまな錯視を表示するタッチスクリーンを備えた小さなテストルームで、犬は鼻を使ってそれらとやりとりできる。それぞれの犬は、中央の円が大きく見える絵を選ぶために、鼻で画面に触れるように訓練されていました。

図19. エビングハウス・ティチェナー錯視に対する実験犬の反応[8]

実験結果によると、犬もエビングハウス・ティチェナー錯視を経験することがわかりました。しかし！ ！ ！しかし、小さな輪に囲まれた実線の円を大きく見えると認識する人間とは異なり、犬は正反対のことを選択します。

図 20. デルブーフ錯視 |出典: ザ・サイエンティスト

デルブーフ錯視 (図 20) は、1865 年に心理物理学者ジョセフ デルブーフによって考案されました。実際の大きさが同じ 2 つの黒い円が、異なる大きさのリングに囲まれています。通常、人間の視覚では、左側の黒い円は右側の円よりもわずかに小さく見えます。

距離効果はデルブーフ錯視を生み出す重要な要素です。周囲の誘導リングが中央のターゲット サークルに近い場合、中央のターゲット サークルは大きく表示されます。遠くにある場合、中央のターゲット円は小さく表示されます。その結果、右側の中央の円は外側のリングとほぼ同じサイズであるため、そのサイズを誇張し、左側の中央の円は外側のリングよりもはるかに小さいため、そのサイズを過小評価することになります。

デルブーフ錯視は犬にはどのように見えるのでしょうか?

イタリアのパドヴァ大学のクリスチャン・アグリロとその同僚は、円形に包んだドッグフードを使って、さまざまな犬種におけるデルブフ錯視のテストを試みました (図 21 を参照)。

図21. デルブフ錯視に対する実験犬の反応[8]

アグリログループでは、犬1匹につき、1メートル離れたところに2枚の餌皿が与えられました。対照群では、犬は同じ大きさだが内容が異なる2つの皿の中から選択するように求められました。試験群では、犬は同じ内容だが大きさの異なる2つの皿の中から選ぶように求められました。アグリロ氏は、どんな状況であっても、犬は大きいと感じた部分を選ぶだろうと仮説を立てている。したがって、犬にもデルブーフ錯視があったとしたら、犬はテストグループの条件で小さい方の皿を選んだはずであり、小さい皿の中のドッグフードの山は大きく見えたはずだ。

しかし、そうはなりませんでした！対照実験では、犬たちは確かに大きい方の部分に向かいました。テスト実験では、異なるサイズの皿に盛られた同じ量のドッグフードの中から選択しなければならなかったが、「彼らのパフォーマンスは本質的にランダムだった」。しかし研究者らは、この結果は犬がこうした視覚錯覚の影響を受けないことを意味するのか、それとも単にテスト条件がそれを検出するのに適さなかっただけなのかを判断するには不十分だと述べた。また、実験に参加した犬は、どれを選んでも餌が与えられるため、少しだけ大きく見えるものを選ぶ動機がなかった可能性もあります。

しかし、犬と人間は、前述のミュラー・リヤー錯視などの特定の種類の視覚錯視に対して同様の反応を示すようです (図 15)。

数年前、英国リンカーン大学の研究者らは、ミュラー・リヤー錯視を表示するタッチスクリーンを犬に操作させる実験を行った。研究チームは、長い線分を選択するよう訓練された犬は、同じ課題を実行するときに人間が行う傾向があるのと同様に、内側を向いた矢印を選択することが多いことを発見した。このことから、犬と人間はこの特定の錯覚について同じ認識を持っている可能性があるという結論が導かれる。

しかし、研究を実施した研究者による追加の対照実験とデータの詳細な分析により、この結果に対する別の説明が示唆されました。犬は、線分の知覚された長さに基づいて、内向きの矢印を選択するわけではないということです。彼らは全体として最も大きな刺激を選択するでしょう。

興味深いことに、デルブーフ錯視に対する反応など、視覚錯視は魚類でも研究されてきました。魚がこの錯覚をどう認識するかは、魚の種類によって異なるはずです。ある研究によると、スズメダイはデルブーフ錯視に対して人間やイルカと同様に反応するが、グッピーは逆の反応を示すことが分かった。タケザメは通常、偶然性を大幅に上回る選択はしません。[9]

それで、究極の質問に戻りますが、なぜ人間は自分自身の幻想だけでなく、他の動物の幻想についても気にしないのでしょうか?本質は変わらず、結局のところ、私たちは人間の脳に関する疑問に答えなければなりません。

犬と人間が異なる反応を示した場合、犬は人間とは反対の刺激を選択したか、まったく感受性を示さなかったが、これは犬の視覚系が視覚刺激の種類によって異なる反応を示すためであると考えられる。人間は、小さな要素で構成された画像内の全体的なパターンを認識するのが特に得意です。対照的に、犬はそれらの画像内の局所的な刺激を認識する傾向が強い可能性があります。これは、犬がエビングハウス・ティチェナー錯視やデルブーフ錯視に対して人間とは異なる反応を示す理由を説明できるかもしれない。どちらの錯視も、望ましい効果を生み出すには全体的規模での知覚を必要とする。

この種間の違いは、犬と人間における異なる進化圧力を反映しているのかもしれません。それぞれの特定の環境に適応するために、異なる種は異なる生理学的特性と機能を進化させてきました。同じ情報が視覚系に入ると、異なる種はそれを異なる方法で処理し、解釈する可能性があります[10]。現在、科学文献には犬が人間ほど強い全体的刺激の好みを持っていないという証拠がいくつかあるが、このテーマに関する研究はわずかしかない[11]。

シュイナードは、犬と人間の知覚の違いを理解する別の方法を指摘している。それは、動物が類似した刺激をそれらの間の微妙な違いに気づくのではなく、互いに同一であると認識する程度である。研究では、犬は人間よりも類似の刺激間の違いを認識する可能性が低いことが判明した。

06 未来

多くの錯覚はまだ完全には理解されていませんが、その後の実験者や技術開発にとって貴重なリソースとなります。現在では、より洗練された技術的手段を用いて人間の脳を測定し、認知神経科学の観点から錯覚形成の内部メカニズムを探求する最先端技術がいくつか存在します。

プラトンは『洞窟の寓話』の中で、知覚と現実の違いをすでに教えてくれました。振り返って本当の現実を見ることは決してできない可能性が高いですが、それを理解するために最善を尽くすことはできます。幸いなことに、私たちは錯覚を通して視覚の神秘を理解し、それがもたらす芸術的な美しさを理解し、楽しむことができます。

参考文献

[1] バッハ、M. 錯視、2006

[2] MVC Baldo、RD Ranvaud、E. Morya、「サッカーの試合におけるフラッグエラー：現実に持ち込まれたフラッシュラグ効果」、Perception、vol. 31、いいえ。 10、アート。いいえ。 2002年10月。

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Pareidolia

[4] マーク・F・ビー、バリー・W・コナーズ、マイケル・A・パラディソ、王建軍訳。脳を探る神経科学。高等教育出版社。 2004

[5] DM Eagleman、「視覚錯覚と神経生物学」、Nature Reviews Neuroscience、vol. 2、いいえ。 12、アート。いいえ。 2001年12月。

[6] https://michaelbach.de/ot/

[7] B. Roberts、MG Harris、TA Yates、「エビングハウス錯視（ティチェナー円）における誘導物質のサイズと距離の役割」、Perception、vol. 34、いいえ。 7、アート。いいえ。 2005年7月。

[8] https://www.the-scientist.com/infographics/infographic-what-do-dogs-perceive-68288

[9] https://www.verywellmind.com/optical-illusions-4020333

[10] S.-E. Byosiere、P.A. Chouinard、TJ. Howell、および PC. Bennett、「犬 (Canis familiaris) は何を見ているのか? 犬の視覚のレビューと認知研究への影響」Psychonomic bulletin & review、vol. 25、いいえ。 5、アート。いいえ。 2018年5月。

[11] E. ピッテリ、P. モンジーロ、P. カルニエ、および L. マリネッリ、「犬による階層的刺激処理 (Canis Familyis)」、Animal Cognition、vol. 17、いいえ。 4、アート。いいえ。 2014年4月。