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Resumen: Un nuevo estudio arroja luz sobre las razones por las que nos engaña una ilusión óptica clásica. Los investigadores descubrieron que las estimaciones de brillo tienen lugar antes de que la información visual llegue a la corteza visual y que probablemente se originan en la retina.
Es una ilusión visual clásica: dos puntos grises aparecen en un fondo que consiste en un degradado de gris claro a negro. Aunque los dos puntos son idénticos, parecen muy diferentes en función de dónde se colocan sobre el fondo.
Los científicos que estudian cómo funciona el cerebro han estado tratando de descubrir el mecanismo detrás de esta ilusión, conocida como contraste de brillo simultáneo, durante más de 100 años. Un estudio dirigido por el MIT sugiere ahora que este fenómeno depende de la estimación del brillo que se produce antes de que la información visual llegue a la corteza visual del cerebro, posiblemente dentro de la retina.
«Todos nuestros experimentos apuntan a la conclusión de que éste es un fenómeno de bajo nivel», dice Pawan Sinha, profesor de visión y neurociencia computacional en el Departamento de Ciencias Cognitivas y Cerebrales del MIT. «Los resultados ayudan a responder a la pregunta de cuál es el mecanismo que subyace en este proceso fundamental de estimación de brillo, que es un componente básico de muchos otros tipos de análisis visuales».
Como parte de su investigación, los científicos estudiaron a niños ciegos en India y descubrieron que eran susceptibles a esta ilusión casi inmediatamente después de que su vista se iniciara después de la cirugía, lo que ofrece evidencia adicional de que las estimaciones de brillo probablemente se basan en un circuito neuronal simple que no requiere que se configure una experiencia visual previa.
Sinha es el autor principal del estudio, que aparece en la edición de Vision Research del mes de agosto. Otros autores del artículo son Sarah Crucilla, quien trabajó con Sinha mientras estaba en la escuela secundaria y ahora es estudiante de Caltech; Tapan Gandhi, miembro de la facultad del Instituto Indio de Tecnología y ex postdoctorado del MIT; Dylan Rose, un reciente doctorado de la Northeastern University; Amy Singh de Google, quien también es un ex postdoctorado del MIT; Suma Ganesh y Umang Mathur del Hospital oftalmológico Charity del Dr. Shroff en Nueva Delhi; y Peter Bex, profesor de psicología en la Northeastern University.
Estimando el brillo
Cuando miramos una imagen, nuestro cerebro percibe un cierto brillo en cada ubicación de la imagen. Sin embargo, sorprendentemente, nuestras percepciones de brillo no siempre son proporcionales a la cantidad de luz que emana de las regiones de imagen, dice Sinha. En cambio, nuestra percepción es el producto del color real del objeto y la cantidad de luz que brilla sobre él.
«Podrías colocar un trozo de tela muy oscuro bajo un foco brillante, y la cantidad de luz que recibirás podría ser la misma o incluso más que la cantidad de luz que pasaría por un trozo de papel blanco bajo luz tenue», dice Sinha. «Al cerebro se le presenta el desafío de descubrir qué tan clara u oscura es una superficie en función de la cantidad de energía que está recibiendo. En esencia, el cerebro tiene que descubrir los dos números que se multiplicaron (nivel de iluminación y oscuridad superficial) para producir el número que está recibiendo (energía entrante), una tarea aparentemente imposible ya que infinitos pares de números pueden producir el mismo producto.»
Algunos científicos, incluido el físico alemán del siglo XIX Hermann von Helmholtz, uno de los primeros pioneros de los estudios de la visión, sugirieron que estimar el brillo es un proceso de «alto nivel». Es decir, el cerebro estima el brillo en función de una comprensión de alto nivel de las condiciones de iluminación, las formas y las sombras en el entorno que está viendo.
Muchas tareas visuales, como identificar caras u objetos, se basan en nuestras experiencias o expectativas previas sobre lo que estamos viendo. Sin embargo, los experimentos que Sinha y sus colegas realizaron en este estudio sugieren que, en el caso de la estimación del brillo, el procesamiento de alto nivel no juega un papel importante.
En su primer conjunto de experimentos, los investigadores crearon una imagen de un cubo que parecía iluminado desde un lado, con una cara que parecía un poco más brillante que la otra. En realidad, utilizando un ingenioso truco que los pintores de cerámica chinos conocieron hace más de 800 años, la cara que parecía más brillante en realidad tenía menos luminosidad que la cara que se veía más oscura. En esta pantalla, los investigadores descubrieron que cuando se colocaban puntos grises idénticos en las dos caras del cubo, el punto que estaba en la cara que parecía estar en la sombra en realidad parecía más oscuro que un punto idéntico colocado en una cara que recibía más luz.
«Esto es lo contrario de lo que sucede en las pantallas de contraste simultáneas estándar, en las que un punto sobre un fondo oscuro parece más brillante que un punto sobre un fondo claro», dice Sinha. «Este resultado va en contra de la idea de que el análisis de alto nivel de las condiciones de iluminación contribuye a la estimación del brillo».
Un equipo de investigación dirigido por el MIT ha obtenido evidencias que una ilusión visual clásica llamada contraste de brillo simultáneo, como el que se ve aquí, se basa en la estimación del brillo que tiene lugar en la retina, no en la corteza visual del cerebro. En esta imagen, los dos discos pequeños parecen tener un brillo diferente a pesar de tener una luminancia idéntica. La imagen se atribuye a los investigadores.
El segundo conjunto de experimentos fue diseñado para localizar los procesos de estimación de brillo. Se basó en el hecho curioso de que la visión unificada del mundo que experimentamos, construida mediante la fusión de imágenes de los dos ojos, se acompaña de una pérdida casi completa de información del «ojo de origen». No sabemos cuáles eran las imágenes originales y de qué ojo provenían; solo somos conscientes de la vista fusionada (a veces llamada la imagen «ciclópea», en honor al monstruo de un solo ojo Cíclope de la mitología griega). Sin embargo, utilizando imágenes especialmente diseñadas y gafas estéreo, los investigadores descubrieron que la estimación del brillo no necesitaba esperar hasta que se fusionara la información de los dos ojos; ya había ocurrido en ese punto.
Este hallazgo sugiere que la estimación del brillo ocurre muy temprano, antes de que la información proveniente de cada ojo se combine en un flujo visual. La combinación tiene lugar en una parte de la corteza cerebral llamada V1 (llamada así porque representa la primera etapa del procesamiento visual en la corteza). Esto impone una fuerte restricción en la ubicación del procesamiento; los investigadores plantean la hipótesis de que lo más probable es que se realice un cálculo significativo del brillo en la retina.
«La implicación de los resultados de los dos primeros conjuntos de estudios fue que, si la estimación del brillo es realmente un proceso de bajo nivel, y los circuitos se ubican en la retina, entonces quizás ésta sea una dispensación innata», dice Sinha. «Esto es algo para lo que el sistema visual se va preparando a hacer, desde el nacimiento».
«Un mecanismo innato»
Los investigadores pudieron explorar esta hipótesis al estudiar a niños ciegos a los que recientemente se les había restaurado la vista. Sinha realiza un esfuerzo en India llamado Proyecto Prakash, cuya misión es tratar a los niños que sufren de ceguera evitable, como las cataratas congénitas. Muchos de los niños tratados continúan participando en estudios científicos del desarrollo visual, aunque el tratamiento no depende de dicha participación.
En este segundo ejemplo de contraste de brillo simultáneo, dos cuboides, apilados uno encima del otro, parecen bastante similares, pero tienen diferentes efectos en puntos idénticos colocados en sus lados. El cuboide superior hace que el punto derecho se vea más brillante, mientras que el inferior hace que el punto izquierdo parezca más brillante. La imagen se atribuye a los investigadores.
«La predicción era que, si la estimación del brillo es realmente un mecanismo innato, justo después de que se inicie la vista en niños con ceguera congénita, deberían ser víctimas de la ilusión de contraste simultánea», dice Sinha.
Eso es exactamente lo que descubrieron los investigadores en un estudio de nueve niños de entre 8 y 17 años de edad, a quienes se les extirparon cataratas quirúrgicamente. Las pruebas realizadas a los niños unas 24 – 48 horas después de que se retiraran los vendajes quirúrgicos, demostraron que todos los niños eran susceptibles a la ilusión.
En un estudio realizado en el 2015, Sinha demostró que los niños con una visión reciente también son susceptibles de forma inmediata a otras dos ilusiones visuales, conocidas como las ilusiones de Müller-Lyer y Ponzo, que implican juzgar la longitud de las líneas en función de las señales visuales.
«El informe que surgió de ese trabajo también parece ser coherente con el que está surgiendo de los estudios sobre el brillo. Es decir, muchos de los fenómenos que somos propensos a atribuir a procesos inferenciales de alto nivel, en realidad pueden ser instanciados a algunos mecanismos de circuito muy simples del cerebro que están disponibles de forma innata”, dice Sinha. «Estos resultados están contribuyendo a la búsqueda de entender cómo nuestro sistema nervioso resuelve el complejo desafío de percibir y comprender el mundo que nos rodea».
Sobre este artículo de investigación en neurociencia:
Fuentes:
MIT
Investigación original: acceso cerrado
“Mechanisms underlying simultaneous brightness contrast: Early and innate”. by Pawan Sinha et al.
Vision Research doi:10.1016/j.visres.2020.04.012
