Under tre resor till London i början av 1900-talet, Claude Monet målade mer än 40 versioner av en enda scen:Waterloo-bron över Themsen. Monets huvudämne var inte själva bron, dock; han var mest fängslad av scenens landskap och atmosfär, med sitt övergående ljus, dimma, och dimma.

Åtta målningar från denna serie av Londondimmor är mittpunkten i Memorial Art Gallerys utställning Monets Waterloo Bridge:Vision and Process. En erkänd mästare i landskapsmålning, Monet var en integrerad grundare av den impressionistiska rörelsen, som omfamnade filosofin att uttrycka de flyktiga sensoriska effekterna i en scen.

Men hur skildrar Monet samma scen vid olika tider på dygnet och under olika förhållanden? Och hur ser en betraktare en konstnärs penseldrag av färg som en sammanhängande bild, och väldigt olika färger som samma bro?

Med var och en av målningarna i serien, Monet manipulerar tittarnas uppfattning på ett sätt som forskare vid den tiden inte helt förstod. I dag, forskning som den som utförs vid University of Rochesters Center for Visual Science, grundades 1963, ger insikt i det visuella systemets komplexitet, belyser Monets processer och krångligheterna i hans arbete.

Hur samverkar våra ögon och hjärna för att vi ska kunna se färg?

Memorial Art Gallery samarbetade med Carnegie Museum of Art och Worcester Art Museum för att analysera färgpigmenten Monet som användes i hans Waterloo Bridges-serie. De fann att Monet använde en mycket begränsad färgpalett i sin Waterloo Bridge-serie, men kunde ändå framkalla ett brett utbud av atmosfärer. Hur gjorde han detta?

Svaret handlar om hur våra ögon tar in våglängder av ljus, som våra hjärnor tolkar, säger David Williams, professor i optik vid Rochester och chef för Rochesters Center for Visual Science. I ögats näthinna, det finns tre typer av kottar:blå, som är känslig för korta våglängder av ljus; grön, som är medelvåglängdskänslig; och rött, som är långvågskänsligt. Dessa trikromatiska signaler "är väldigt enkla, ändå kommer de otaliga färgnyanserna som vi upplever från bara dessa tre, säger Williams, vars laboratorium, på 1990-talet, var den första som avbildade alla tre typerna av kottar i en levande mänsklig näthinna och identifierade hur kottarna är ordnade.

Från näthinnan, signaler färdas längs synnerven till synbarken på baksidan av hjärnan. Signaler överförs sedan fram och tillbaka mellan synbarken och andra delar av hjärnan på högre nivå, inklusive dem som är involverade i uppmärksamhet, minne, erfarenhet, och fördomar. Hjärnans uppgift är att integrera sensorisk information från ögonen i bitar – linjer, former, och djup – och konstruera dem till objekt och scener.

Hur hjärnan ser färg

Hur blev det visuella systemet så komplicerat?

För att illustrera denna komplexitet hos det mänskliga visuella systemet, Duje Tadin börjar ofta sin klass om perception genom att fråga eleverna vad som är svårare:matematik eller vision?

De flesta säger matematik.

"Självklart, det här är en trickfråga, säger Tadin, en professor i hjärn- och kognitionsvetenskap vid Rochester, som studerar de neurala mekanismerna för visuell perception. "Matte är svårare för oss eftersom så lite av vår hjärna är ägnad åt det medan ungefär hälften av hjärnan är ägnad åt perception." Ta datorer, till exempel. Datorseendeprogram ligger fortfarande långt efter vad människor kan göra, ändå kan även de minsta smartphones utföra komplexa beräkningar. "Det beror på att matematik är okomplicerat och det finns alltid ett korrekt svar, " Tadin säger. "Perception är starkt sammankopplad med andra aspekter av hjärnans bearbetning. Dina tidigare erfarenheter, dina förväntningar, hur du uppmärksammar, alla dessa andra saker som inte nödvändigtvis är relaterade till perception påverkar faktiskt hur du uppfattar saker."

Människosyn, sedan, är "en massiv återuppbyggnadsprocess, " säger Woon Ju Park, en tidigare postdoktor i Tadins labb, som hjälpte till att sätta ihop MAG:s följeslagarutställning Seing in Color and Black-and-White. "Detta gör att vår uppfattning ibland skiljer sig från den fysiska världen som finns utanför oss."

Hur uppfattar vi 3D-former på en 2D-duk?

Ett av sätten som en konstnär som Monet utnyttjar perception är att måla en tredimensionell scen på en tvådimensionell duk. Processen liknar vad ögonen och hjärnan gör, Tadin säger:våra ögon är böjda, men i huvudsak projiceras en tredimensionell värld – upp och ner – till en platt näthinna. Hjärnan måste koppla ihop prickarna, vänd bilden med rätt sida uppåt, och extrahera denna saknade tredje dimension. Monet "lurar" en tittares hjärna genom att representera element av ljus, skugga, och kontrast för att måla "illusionen" av en tredimensionell bro.

"Du kanske vet att det är en illusion men din hjärna grupperar automatiskt saker och låter dig veta att det är en tredimensionell scen, " säger Tadin. Monet skildrar saker som är längre bort - som skorstenarna i Waterloo Bridges-serien - som mindre och suddigare för att ge en känsla av djup. Hjärnans grupperingsfunktion gör att vi också kan se formen av en bro, flod, och skorstenar innan vi ser Monets individuella penseldrag av färg.

"Målet med vår visuella uppfattning är inte att ge oss en korrekt bild av miljön omkring oss utan att ge oss den mest användbara bilden, " säger Tadin. "Och det mest användbara och det mest exakta är inte alltid detsamma."

Hur uppfattar vi ljuset i Monets målningar?

Belysningen av ett föremål, till exempel, kan förändra uppfattningen. Det beror på att det som kommer till våra ögon när vi tittar på ett objekt är en kombination av både belysningen som faller på objektet och de inneboende egenskaperna hos själva objektet, säger Williams. "Din hjärna har en riktig utmaning, vilket är att ta reda på vad som är sant om det här objektet även om det som kommer till ditt öga är radikalt olika beroende på hur det är upplyst."

När du tar ett föremål som ett vitt pappersark, det kommer nästan alltid att tolkas som vitt – ett fenomen som kallas färgkonstant – även om ljuset som kommer till ditt öga från papperet kommer att vara anmärkningsvärt olika i färg beroende på hur det är upplyst. Till exempel, om du lägger papperet utanför, det kommer fortfarande att synas vitt i morgonljuset, mitt på dagen, och när solen går ner, tänkte till och med "om vi skulle göra objektiva mätningar av ljuset som kommer in i ditt öga under de olika omständigheterna, de skulle vara väldigt olika, " han säger.

Waterloo-bron själv ändrar aldrig färg, men Monet målar det genom att blanda färgpigment som skiljer sig i ljusstyrka, nyans (en färgs relativa ljushet eller mörker), och intensitet (en färgs mättnad) för att avbilda soluppgången, direkt solljus, och skymning. Hjärnan kan ta in belysningen som sköljer över hela scenen, integrera information, och dra slutsatser. Om alla föremål har en blåaktig färg, till exempel, hjärnan kan dra slutsatsen att det med största sannolikhet är dagtid med en blå himmel. Om föremål har ett rödaktigt stänk, hjärnan drar slutsatsen att solnedgången med största sannolikhet närmar sig, säger Williams. I sista hand, "Monets arbete betonar hur olika samma scen kan vara, beroende på hur den är upplyst. Men varje person med normal färgseende som tittar på den här serien kommer att veta:bron är grå tegel, oavsett vilken tid på dygnet det är, eftersom hjärnan har utvecklat smarta knep för att uppskatta objektens verkliga egenskaper trots det rika utbudet av belysningsförhållanden som vi normalt möter."

Fenomenet färgbeständighet, som synforskare har studerat i många år, fick stor uppmärksamhet för flera år sedan i den ökända klädillusionen, där människor som tittade på samma bild av en klänning såg den som antingen blå och svart eller vit och guld. Även om själva klänningen faktiskt var blå och svart, människor gjorde olika antaganden om hur klänningen var upplyst, som, i tur och ordning, leda till olika uppfattningar om färgen på själva klänningen. "Många forskare hade fram till den tidpunkten antagit att alla med normal färgseende hade mer eller mindre liknande uppfattningar, " säger Williams. "De anmärkningsvärda skillnaderna i människors tolkning av klänningen var verkligen en ögonöppnare, Inget illa menat, för många i visiongemenskapen."

En annan sak att veta om uppfattningen av färg är att den är relativ:en färg förändras när den interagerar med andra färger runt den. Monet applicerar ofta skarpt olika färger sida vid sida, utan att blanda dem, en teknik som utnyttjar samtidig kontrast:samma färg kommer att se annorlunda ut när den placeras bredvid olika färger. De grova penseldragen, sedan, är var och en "som ljusfläckar som stimulerar våra ögon, ", säger Park. "Tittare kan använda sina egna rekonstruktiva processer i hjärnan för att integrera dessa fläckar i sammanhängande objekt som är meningsfulla för dem."

Medan våra ögon och hjärna arbetar för att få ihop en sammanhållen syn på världen, en impressionistisk konstnär som Monet kan göra tvärtom för att dekonstruera en scen till individuella penseldrag, hon säger. "Monet bryter ner sina perceptuella upplevelser i olika grundläggande enheter för visuell bearbetning, "inklusive färg och form, snarare än att fokusera på själva brons objekt.

Hur ser en färgblind person eller person med syn- eller hjärnstörningar på konst?

Ett av de viktigaste sätten att förstå hur människans syn fungerar för att integrera delar i en helhet är att förstå vad som händer när det inte fungerar. Tadin, till exempel, arbetar för att mer exakt behandla och diagnostisera atypiska synfel i samband med autism och schizofreni.

"Vi vet att vid schizofreni, den visuella uppfattningen förändras, " säger Tadin. "En person med schizofreni kan uppleva visuella hallucinationer, men också deras bearbetning av inkommande sensorisk information från ögonen är atypisk, resulterar i olika visuella upplevelser, påverkar hur man uppfattar och skapar konst."

Williams och hans kollegor arbetar med metoder för att återställa synen för blinda, antingen genom att ersätta konens fotoreceptorer som ibland förstörs av näthinnesjukdom eller genom att omvandla andra, oskadade celler i näthinnan – som normalt inte är känsliga för ljus – till ljuskänsliga celler som kan ersätta kottarna. "Färgblindhet kan ses som en mycket mild form av dessa sjukdomar, där en person saknar vanligtvis bara en av de tre kottarna som ansvarar för dagsyn, " säger Williams.

Hur färgblinda ser konst

Det finns tre huvudtyper av färgblindhet:

• En protanop är rödgrön färgblind, saknar röda kottar, och har svårt att skilja på rött, grön, och gul; forskare förväntar sig att färgen på deras värld kommer att variera från blått till vitt till gult utan uppfattning om rött och grönt.
• En deuteranope är rödgrön färgblind, saknar gröna kottar och, som en protanop, forskare förväntar sig att färgen på deras värld kommer att variera från blått till vitt till gult utan uppfattning om rött och grönt. Eftersom de har kottar som är känsliga för rött ljus, röda föremål kommer att se ljusare ut för deuteranopen än protanopen.
• En tritanop är blå-gul färgblind, saknar blå kottar, och har svårt att skilja mellan blått och gult; forskare förväntar sig att deras värld ska se olika nyanser av rött, vit, och grönt.

Fortfarande, vi kan aldrig veta vad en annan person ser, en gåta som också har förbryllat filosofer och som fortsätter att sysselsätta vetenskaplig forskning idag. Medan de flesta av oss tar vision för given som en omedveten process som tillåter oss att ta in och tolka information, Tadin säger, "det är mycket svårare för oss att studera saker som är lätta för oss."