大腦是如何感知對稱性的？

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我們都知道，數學上，對稱性是通過某種變換下的規律性來刻畫的。
但是，在我們的實際生活感知中，似乎我們對於對稱性的感知似乎並不遵循那樣的描述過程。
比如，當我們看到一座對稱的建築時，我們並不是先想像它作鏡面反射的樣子，而似乎是直接就能感知出對稱性；
再比如，當我們看到納粹黨章，我們不會在腦海中將它旋轉九十度再判斷；
還有一些更加明顯地反映出感知過程和數學描述過程不同的例子，比如在很多分形的圖片中，其嚴謹的對稱性描述往往難以給出，但是人的感知卻能很快作出判斷：這是具有自相似結構的圖形。

我想問，大腦對於對稱性是否有一些特殊的判斷機制？還是說，大腦的判斷方式和數學描述一樣，只不過是快得難以察覺？

感謝 @劉柯邀請。

首先，大腦對於對稱性的確有著不同尋常的喜好。Beck et al.(2005)就指出，對稱性在人腦以及猴腦中都是有專門區域負責的比如有：V3V4視覺皮層，lateral occipital complex （枕側，infero-temporal (IT)皮層等等。.

我是做face perception的，所以我對人臉對稱性的理解比較多，我可能比較側重於人臉的解釋。

從進化心理學角度來說，我們人現在所有的很多功能，小至抓握反射，大到撫養後代，都是由漫長時間內的選擇而產生的。所以說，人類甚至很多動物對一些很基本的東西，比如對稱，有著很大的渴求。我從人臉的對稱來慢慢說起。

很多實驗都表明人類對某些面部特徵有著異乎尋常的判斷速度。EEG的實驗結果表明，人對面孔有N170這樣一個比較有特點的腦波，更有意思的是J O"Doherty et al.(2003)的實驗暗示，人其實對美麗的臉有著及其快的識別能力，快至100ms左右，文中實驗是在極短時間暴露下（給被試100ms時間看臉）被試能夠比較好的（統計學意義上）判斷出剛才一閃而過的臉中那些比較好看；Olson and Marshuetz (2005)的實驗也用類似方式證明了對於美麗的識別幾乎不費時間。但是，美麗（attractiveness）並不是我們大腦反應最快的，Wills and Todorov (2005)的fMRI實驗表明，對於信賴（trustworthiness）的識別（更確切說是腦部反應）超出他們想像的快，甚至比對於美麗的判斷還快；他們的試驗中表明，被試的杏仁核（amygdala）對於廣泛被認為是可信的人的照片有著及其快的興奮，也就是說杏仁核對trust face反應速度非常快。總而言之，在漫長的進化過程之後，我們作為倖存者擁有著比較強的適應性：對於信賴（判斷對方可不可行，能不能交往）而言正確的判斷能讓我們的祖先更好的社會生活，而對於美麗（好看的人一般有著更好的基因；PS對，就是看臉的社會，幾萬年了）而言正確的判斷可以提高我們祖先的繁衍成功率。所以說這一類的判斷能力就好比附帶在筆記本電腦上的操作系統一樣，「預先安裝」在我們的大腦里。

那麼回到題目上來，對稱和這個好不好看的判斷有毛關係啊？關係很大其實。我們的大腦可不是有一個針對「好看的」判斷系統，就算有這個系統也是非常不經濟的。其實好不好看的判斷是建立在很多細節判斷的基礎之上的，據個例子對稱的臉，合適的膚色，健（xing）美（gan）的身材等等（見Perrett的In your face一書，總結的比較詳細不用翻論文了）。所以說我們對於美麗的識別其實是建立在很多細小的判斷之上的，就比如說對稱就是至關重要的一環。

對稱的「臉」為毛好看呢？首先，臉的對稱性反映了這個人、甚至這個食物（動物植物）的健康狀況、是否受過嚴重壓力損傷、是否被有毒事物傷害，以及對於寄生蟲的抵抗（有寄生蟲病害的一般不對稱）；就好比高中生物里說道的植物生長方向性，由於激素營養的供給不對稱，植物就會有朝向性一樣（不懂生物，輕噴）。其次，對稱性最大程度上讓人臉的一些其餘重要特質鮮明的表現出來比如說面部應該重心偏上（兩眼睛，一鼻一嘴）。總而言之，我們對於事物的喜好塑造了我們的感覺，而對於對稱性而言，我們本身對於對稱性沒有那麼多需求，但是對稱的往往是比較好的，這一點塑造了我們對於對稱性的高度判斷能力。（這一段詳見Perrett,的In your face的第四章，我都商量好了翻譯，沒有出版社啊）。

PS 聖安的D Perrett教授絕對是大師，他是我兩個碩導的博導。很可惜我沒獎學金在他那邊念博。。。。。。。。。。。。。。

Reference

O』Doherty, J., Winston, J., Critchley, H., Perrett, D., Burt, D. M., Dolan, R. J. (2003). Beauty in a smile: the role of medial orbitofrontal cortex in facial attractiveness. Neuropsychologia, 41(2), 147-155.

Beck, D. M., Pinsk, M. A., Kastner, S. (2005). Symmetry perception in humans and macaques. Trends in cognitive sciences, 9(9), 405-406.

Olson, I. R., Marshuetz, C. (2005). Facial attractiveness is appraised in a glance. Emotion, 5(4), 498.

Perrett, D. (2010). In your face: The new science of human attraction. Palgrave Macmillan.

我覺得這個問題太超前了，現在我們連大腦是如何感知圖像、感覺到底是個啥這些基本的問題還不能給出很合理嚴謹的解釋，更不要提解釋如何感知對稱性了。

大腦兩半球功能上的不對稱是人腦結構和認知的主要特徵，生理學上簡稱大腦優勢。扼要闡述了大腦優勢的研究歷史、方法和腦功能不對稱的理論。指出了在此領域研究工作中尚未解決的問題。

大腦兩半球功能上的不對稱，或者說腦的不同功能向一側半球集中是人腦結構和認知的主要特徵，生理學上稱之為大腦半球一側優勢，或簡稱大腦優勢。在98％以上的成年右利手者中，左半球專管對語言的處理和語法表達，如詞語、句法、命名、閱讀、寫作、學習記憶等。而空間技巧與右半球相關，如對三維形狀的感知、空間定位、自身打扮能力、音樂欣賞及歌唱等。右半球還可理解一些口語及印刷的詞。可以認為左半球是科學性的，而右半球是藝術性的。大腦半球一側優勢在成人有，兒童有，嬰兒也有，甚至某些動物也有。

1 大腦優勢的研究歷史

1863年，法國外科醫生皮埃爾·布羅卡(PierreBroca)指出兩個大腦半球的功能有差別，左額葉可能是控制言語的皮層區。而除了左半球言語功能佔優勢外，人們認為兩個半球在感覺和運動功能方面全是對等的。左半球接受身體右半側的感覺傳入，並支配右半側肌肉運動；右半球接受身體左半側的感覺傳入，並支配左半側肌肉運動。

1961年，美國生理心理學家羅傑·斯佩里(RogerSperry)等以切斷了胼胝體的貓及裂腦人為實驗對象，發現了兩半球的功能分離，證實了分離的右半球無語言功能。實驗結果顯示兩半球是獨立活動的，一側半球學會的信息不會傳遞給另一半球，二者之間不會互相交流各自的感知，許多較高級的功能集中在右半球而不是左半球。斯佩里因在大腦一側優勢上取得的成果而榮獲1981年諾貝爾生理學或醫學獎。

2 大腦優勢的研究方法

對大腦優勢的臨床研究，最先始於對裂腦人的實驗觀察。自然腦損傷可造成裂腦，在腦損傷病人身上觀察到，左側腦損傷導致右側腦功能喪失，主要是語言功能的喪失，但不影響右側腦功能；同樣，右側腦損傷導致左側腦功能喪失，患者可表現穿衣失用症，因分不清左右側而穿倒衣服，不能繪製圖表，視覺認識出現障礙，說明左右大腦半球是獨立活動的或功能分離的。裂腦人的主要來源是癲癇病人，為防止發病時左右兩半球間的傳播發作，減弱癲癇發病強度，常採取切斷病人胼胝體的方法，術後病人便成為裂腦人。將圖片在裂腦人的左半視野閃過，病人不能說出圖片上物體的名稱，因為視覺形象投射到了右半球而右半球是不具有說話功能的，但病人可用一些非言語形式表明他們已感知到了物體，比如用手收集和圖片上一樣的物體。說明病人的右側視覺是良好的，更重要的是說明了語言中樞位於左半球。而在正常人，由於胼胝體的作用，使兩側半球功能得以聯繫，因此不論物體出現在哪側視野，都可用詞語說出物體的名稱。

以正常人為實驗對象，則主要通過對那些與左右側大腦認知神經生理學相關的正常行為進行研究來闡明大腦優勢的存在，如側面呈現刺激物的感知實驗，實驗結果提示，當腦的一側對某一認知活動參與越多時，其注意力偏向對側感受野的活動就越大，從而引起感覺不對稱的增加。最近還採用在特殊感知活動期間進行觀察的腦成象技術，如腦局部血流圖和正電子發射斷層掃描術等。這些技術可以指示認知期間神經活動增強的部位，但神經活動增強標誌著什麼至今仍不清楚。研究正常個體，對象易得，個體間的差異如性別、年齡、認知水平、家族史、手偏利等的研究可行，左右大腦差異定量打分使研究半球不對稱的程度成為可能。

3 腦功能不對稱的理論

大腦一側優勢與遺傳有一定關係，但主要是在後天生活實踐中逐步形成的。在2～3歲時，左右側腦損傷的結果相差不多，因為那時尚未建立一側優勢；10～12歲時，如左半球損傷，可在右側半球建立語言中樞；在成年人，左側語言優勢已建立，左半球的損傷導致不可補償的語言障礙。另外，早期腦損傷的功能恢複比晚期腦損傷的功能恢復快，因為在生命早期神經系統的可塑性大，那時大腦半球還未特化或特化不明顯。

從解剖學圖形上看，大腦兩半球並不是鏡映的，這是功能不對稱的基礎。在第一顳回上的表面後部即顳面有著最可靠的形態學不對稱，而這兒正是語言綜合必需的核心部位。左顳面較大，超過右顳面約40％。其他不對稱的部位如左側大腦外側裂較長，仰角水平低，後額頂區較大，枕葉後端較寬等。左右半球功能不對稱的本質是什麼呢？一開始人們用言語-非言語或言語-視覺來區別左右半球的功能分離。這種分類不能解釋一些較新的資料，如在某些具有空間特徵的刺激中，對英文手寫體的識別與右半球的功能相關，而對印刷體和東方國家的表意文字的識別則與左半球相關。再如，感覺那些具有序列和時間順序的非言語刺激更依賴於左半球而不是右半球，而對某些聽刺激如音樂旋律的感覺更多地依賴於右半球。因此，兩半球不對稱的本質差異更準確地被描述為分解-合成或時間-圖形的功能分離。即左半球對不同條目根據時間順序安排的分解刺激加工的信息是特化的，如語言、語法技巧；右半球則對合成刺激加工的信息是特化的，並繼續形成統一的圖象，如對旋律、三維物體的感知。當然，左右半球的功能不對稱存在個體差異，比如在缺乏音樂素養的個體中，旋律感覺往往取決於右半球的作用，但在音樂家中則包括左半球的作用，反映出音樂家能較大地利用大腦的分析過程。

4 目前未解決的問題

兩半球間的差異是絕對的或是相對的？即不清楚每個半球是否具有另一半球所特化的加工信息的能力。雖然兩半球都有處理語言刺激的能力，但並不意味著處理方式完全相同。左半球可能以分析模式進行加工，右半球則以整體模式進行加工。我們只能辯證地認為兩半球間的差異是相對的而不是絕對的，但缺乏充分的實驗證據。另外，我們也不清楚大腦功能不對稱究竟在神經系統的什麼水平存在。

動物腦是否具有功能不對稱性？按傳統概念，語言被認為是大腦功能不對稱的基礎，動物沒有明顯的語言，因此沒有腦功能不對稱。但近年研究表明，動物大腦存在功能不對稱，靈長類的左右半球間存在解剖學和功能上的不對稱。如黑猩猩的左側外側裂比右側裂要長，但二者差異比人類的要小。在發聲動物金絲雀中，左半球損傷對鳴叫的影響比右半球損傷大得多。除靈長類及鳥類外，其它動物如貓、兔、大鼠、小鼠都有腦功能不對稱效應。在猴及鼠還存在爪偏利，與人類手偏利的不同在於其右利及左利的個體數量基本相等，而在人類，右利手者明顯居多。這些觀察對以語言為大腦功能不對稱基礎的傳統理論提出了挑戰。可見，對腦功能不對稱的神經生物學基礎的闡明還僅僅是個開始。

大腦兩半球功能分工

[日期：2005-10-24] 來源：《中國兒童網》作者： [字體：大中小]

??大腦是人體的一個器官，它比世界上最高級的電腦還要複雜和充滿奧秘。人腦重約3磅，它由兩部分構成：左半腦和右半腦。這兩個部分通過胼胝體相連接。胼胝體實際上是一束神經組織，負責協調左、右半腦的工作。它使兩個半腦發生聯繫，使記憶和學習的傳輸活動得以實現。

??人腦的兩個部分：左腦和右腦

??看上去大腦的兩個部分--左半腦和右半腦長得很對稱，就像互相在照鏡子。然而，它們實際上是非對稱組織，換句話說，它們在結構和功能上有著諸多不同。

左腦和右腦的功能分工

運動原皮層分布在左、右半腦的頂部，在結構上呈兩邊對稱。運動原皮層下面是感覺區，同樣有兩邊對稱的結構，負責接收和處理各種信息，這些信息來自皮膚、骨骼、關節、肌肉以及肢體的運動。這一區域有時也被稱為觸覺區。大腦的運動區和感覺區的分工，是很專門化的：每一個特定區域都負責控制身體某一特定部位，左半腦控制右手和右腳，而右半腦則控制身體的左側。

大腦皮層的軀體感覺區和運動區

大腦皮層的這兩個區域的每一個部位都與身體的某一部分發生聯繫。身體的大多數器官和組織都在大腦皮層的相應部位得到顯示。控制身體某一部分的大腦皮層相應區域的大小，與身體這一部分的實際大小無關，而與控制它所需的精密程度成正比。人腦用來控制臉和手的區域比較大，而控制肩、頸、臀、軀幹等的區域相比較小。

枕葉位於後腦緊挨腦幹的上方，是產生視覺的地方。儘管每個半腦都接收來自左、右兩個視野的信息，但左眼發送更多的信息給右半腦，右眼則發送更多的信息給左半腦。每一隻眼睛都有一個相對應的優勢半腦。所謂優勢半腦，是指對信息更多地作出反應或起支配反應的那個半腦。

以上為視覺傳導路示意圖。由視網膜輸出的信息，通過視神經內的神經節細胞軸突，被傳遞到外側膝狀體神經核;大約各有一半的神經節細胞軸突交叉連接到大腦的對側，這樣來自左、右視野的視覺景象被投射到對側半腦的外側膝狀體，然後再發送到這一側大腦皮層的視覺中樞。雖然每隻耳朵受到的刺激被同時傳遞到大腦的兩個半腦，但輸入對側半腦的信息通常更強些。簡單說來，右耳接收的信息首先被發送到左半腦，然後才是右半腦。

如前所述，大腦並非完全對稱。許多專門的功能性中樞似乎主要在大腦的這一半球，或者另一半球。說話中樞和聽覺中樞在大腦左側緊挨耳朵上方的部位(Broca區)。聲音記憶區在聽覺中樞的後面。語言區(即Wernicke區)對大多數人來說是在左半腦，但其實它在兩個半腦中的任何一個都能形成