Глаз и образ: как работает зрение?

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Почему все мыслимые столы объединены в нашем сознании образом «стол»? А все мыслимые деревья с образом «дерево»? Как человек узнает то, что видит? Исследователи доказали, что зрительный аппарат передает в память некий обобщенный образ предмета, отрешенный буквально от всех индивидуальных признаков: размера, цвета, контраста и т. п. Стало ясно, что обобщенный образ как раз и есть то самое, что позволяет мозгу назвать стол столом. Иными словами, обобщенный образ — это абстракция стола.

Но как же он выглядит, как передается этот образ? Играющая в шахматы кукла может приводиться в действие и хитроумным механизмом, и спрятавшимся внутри шахматистом. Чтобы вывести окончательное суждение, надо вскрыть оболочку и посмотреть.

Нужно выйти на уровень клетки и ассоциации клеток — проникнуть в мозг. И тогда открывается, что обобщенный образ есть не что иное, как топографическая запись картинки. Что память, восприятие и опознавание построены на принципах голографии. И вот исследователи получили реальные доказательства. А попутно установили еще несколько важных подробностей работы зрительной системы.

Стоит заметить, что более глубокое понимание механизмов работы нашего зрения поможет найти более эффективные средства лечения различных глазных заболеваний. И тогда работа офтальмологов, лечащих глаза в заведениях вроде https://www.cvz.ru/child-vision/ может стать чуточку легче.

Кошка смотрит «кино»

Кошке сделали трепанацию черепа. Кошки переносят операцию завидно хорошо; к вечеру уже прыгают. Но эта лежит неподвижна. В вену ей мелкими каплями подают кураре — тот самый таинственный яд, которым южноамериканские воины смазывали свои стрелы и копья. Кураре, словно магический выключатель, останавливает движения мышц. Чрезвычайно удобно для физиологов: кошка, не вертит глазами. Они направлены строго в одну точку, а глазами здесь, понятно, интересуются больше всего.

Тихо шуршит аппарат искусственного дыхания. Кошка лежит на теплой грелке и, не исключено, блаженствует. Во всяком случае, не сердится и не искажает своей злостью результатов опыта.

Перед ней экран. По нему проплывает светлая полоска: проекционный фонарь показывает кошке своеобразное кино. Сейчас полоску сменила «зебра» — две полоски с черным промежутком между ними, а то и по команде экспериментатора появятся четыре, пять, или бежит и вдруг застывает яркая точка…

В кошачий мозг введен микроэлектрод. Работающая клетка напоминает миниатюрный генератор электрических импульсов разной частоты и формы. Импульсы — это своеобразные «слова», благодаря которым клетки обмениваются информацией.

Наивно было бы думать, что в мозгу имеется некая фотопластинка, на которую «отражается» видимый глазом мир, а там ее, эту пластинку, рассматривает другая, маленькая «кошечка», живущая в черепе. Привыкнем к мысли, что в мозгу нет «образов» в обыденном смысле этого слова, нет «картинок», а бегают от клетки к клетке электрические импульсы, и больше ничего нет. (К слову порой даже детская глазная клиника в Москве может прибегать к подобным способам исследования глаз)

Атомы света — фотоны — проникли сквозь зрачок и отдали свою энергию фоторецепторам сетчатки, этому первому, внешнему слою клеток сетчатки. От него к другим слоям клеток пошли сигналы. Но они идут не в мозг. Им еще предстоит долгий путь. Они приведут в действие «горизонтальные нейроны», от тех сработают «биополярные нейроны», потом возбудятся «амакриновые клетки», наконец — «ганглиозные клетки». И только пройдя все эти ступени преобразования, информация доберется из сетчатки в мозг. Эти новые сигналы уже совсем не похожи на сигналы фоторецепторов. Да к тому же каждое нервное волоконце зрительного нерва несет сведения в среднем от 130 фоторецепторов.

Когда микроэлектрод проникает в клетку мозга, исследователь оказывается в положении иностранца, не знающего языка, на котором вокруг него разговаривают. И переводчика нет под рукой. Электрические импульсы можно записать на пленку, увидеть на экране осциллографа. Ясно, что она — ответ на картинку, которая проплывает сейчас перед кошкой на экране. Одна полоска — один вид сигналов, две — внешность импульсов изменяется, три — импульсы приобретают новую форму. Но что кроется за этими изменениями? Как работает «переводчик» картинок в импульсы?

«Он» и «офф»

Лягушка — любимый объект исследований физиологов еще со времен знаменитого Луиджи Гальвани. Так что нет ничего удивительного, что американский, физиолог, впоследствии Нобелевский лауреат X. Хартлайн в 1938 году занялся зрительным аппаратом именно лягушки. И она не подвела. Ученый с удивлением обнаружил, что каждое волоконце в ее зрительном нерве имеет свое назначение. Одни волоконца передавали сигнал, когда на связанное с ним скопление фоторецепторов падал луч света, другие — наоборот, когда освещение прекращалось. Первое скопление фоторецепторов Хартлайн назвал «он» по-английски «включено»), второе — «офф» — «выключено»).

Два десятилетия спустя группы «он» и «офф» обнаружили и в глазу кошки. Но, как говорится, это была лишь присказка, а главное и неясное началось потом, когда американцы Д. Хьюбел и Т. Визел в 1959—1961 годах ввели микроэлектрод в кору головного мозга, в ее зрительные области.

Обнаружились клетки, к которым сходилась информация уже не от нескольких сотен фоторецепторов, а от десятков тысяч — от целых «полей» светочувствительных клеток.
«Простые» поля (по терминологии Хьюбела и Визела) реагировали на прямые линии. «Сложные» — различали «прямой край», «угол»; или срабатывали, когда перед глазом появлялся движущийся предмет. Наконец, «сверхсложные» поля отвечали не просто на линию, а линию вполне определенной длины.

Клетка коры, подключенная к соответствующему полю, напоминала лампочку, вспыхивающую, когда на экран — сетчатку проецировали ту или иную картинку. Итак, фоторецепторы собраны в сравнительно небольшие «он» и «офф» группы, ассоциации. А что дальше? Какова следующая ступень сложности? Что такое «поле»? Россыпь групп «он» и «офф», из которых мозг комбинирует все время разные схемы? Или же они просто соединены в некую жесткую схему раз и навсегда? Этого пока никто не знал. Не знали и более простой вещи: как размещены на сетчатке эти самые «он» и «офф». Рассеяны равномерно? Или уже объединены в некоторые, пусть самые простые «поля»?

Как ни ломали голову, все выходило, что эксперименты будут невероятно сложны, с очень слабой гарантией успеха. И тогда решили зайти, так сказать, с черного хода. Сначала построить электрическую модель сетчатки. И попытаться соединить ее клетки так, как соединены они в натуре. А как именно? Критерием истинности схемы будут импульсы, выдаваемые «ганглиозными клетками» модели: если они окажутся похожими на те, которые записали на пленку с живого глаза, значит, все собрано правильно. Ну, а что потом делать, увидим. Сперва построим «электронную сетчатку».

Сети из нервных клеток — нейронов — моделируют сейчас во многих лабораториях. В столь многих, что транзисторные модели нейрона выпускаются уже серийно. Исследователи взяли эти нейроны и построили все слои сетчатки, один за другим. Фотоэлементы, воспринимающие свет, пытались объединять в группы по-разному, создавали разные схемы. Но единственно подходящей оказалась одна: когда ассоциации «он» и «офф» располагались вперемежку, наподобие клеток шахматной доски. «Шахматная доска» давала импульсы, разительно похожие на настоящие. Потом можно было «шахматные доски», из которых состоит сетчатка, комбинировать по-всякому, имитируя «поля» разной сложности. Так получались, к примеру, «поля», умеющие видеть движение предметов. Схема такого «поля» работает очень четко и при этом совершенно не похожа на устройства, обычно применяемые в электронике и автоматике.

Что же доказала эта серия опытов? А вот что. Воспринимающая часть зрительного аппарата построена из одинаковых и сравнительно просто организованных ячеек. Все дальнейшие сложности — следствие обработки полученных данных. И не существует прямой связи «клетка сетчатки — клетка мозга». А ведь раньше думали, что именно на сетчатке имеются все простые и сложные поля, мозг же содержит клетки, раз и навсегда связанные каждая со своим полем.

Зачем глаза все время в движении?

Стало уже штампом, что у преступников глаза «бегают», а у людей честных и волевых — «твердо глядят в одну точку». Но… пусть не обижаются на меня честные и волевые граждане: глаза у них все равно бегают.

Зрачки как бы ощупывают предмет. Глаз наводится, чтобы на самую чувствительную часть сетчатки — центральную ямку — проецировалась интересующая нас деталь картины. Ямка обеспечивает самое четкое зрение; только она способна передать мелкие подробности изображения. И поэтому неподвижный взор — свидетельство полного равнодушия человека к тому, что перед ним находится. Воля здесь ни при чем. Хотя, конечно, каждый способен какое-то время удерживать взгляд на выбранной точке.

И все-таки даже в этом случае глаза неподвижными не станут. Непроизвольное подергивание глазного яблока — саккадическое движение — никаким усилием воли не затормозить. Три—пять раз в секунду взор совершает еле заметный скачок. Для чего?

…Перед экраном осциллографа сидят студенты. На экране луч чертит прямую линию, только в одном месте на ней пульсирует острый выброс — словно горная вершина в чистом поле. Ее видят все, кроме одного испытуемого: «автора» вершины, того, кто эту вершину генерирует биотоками своего глаза. Физиолог, проводящий опыт, подключил к мышцам его глаз тонкие проволочки (для этого достаточно наклеить проволочки в нужном месте на кожу). Каждое сокращение мышц, вызывающих саккадическое движение, дает еще и электрический сигнал. Проволочки, словно антенны, ловят их, передают на усилитель, и на экране появляется горная вершина. Движение — вершина, движение — вершина. А тот, по чьей милости они возникают, их не замечает, и убедить его в том, что пики существуют, нет никакой возможности. «Перестаньте меня мистифицировать!»— сердится он.

Выходит, когда глаз движется, мы ничего не видим, мы слепы! Вот вам и новая загадка. К чему человеку (да и любому иному существу) пять раз в секунду слепнуть? Ответа до самого последнего времени физиологи не знали. Его нашли сотрудники лаборатории В. Д. Глезера.

Зрительный сигнал, прежде чем попасть из сетчатки в кору головного мозга, проходит через мозговое же образование, называемое наружным коленчатым телом (НКТ). Ясно, что прохождение это непременно должно иметь какой-то смысл. Но какой?

Опустив в НКТ микроэлектрод, мы видим, что в эту область как бы проецируются «шахматные доски» фоторецепторов сетчатки. Проецируются, и все? Не может быть, чтобы природа вот так, ни с того ни с сего занялась «повторением пройденного». Вся история физиологии свидетельствует, что казавшиеся ненужными детали живого организма исполняют (как только начинаешь глубже изучать проблему) чрезвычайно важные функции. И ученые взялись за НКТ.

Не буду утомлять описанием подробностей опытов, сообщу прямо результат. Было установлено, что спроецированная в НКТ «шахматная доска» стала там пульсирующей! И пульсация эта идет с частотой саккадических подергивании глазного яблока!

Сразу после скачка диаметр ячеек «доски» весьма велик, потом они начинают уменьшаться, и через 0,04—0,06 секунды превращаются в маленькую точку. В таком виде ячейка «он» или «офф» существует еще несколько сотых секунды и вдруг быстро возрастает в размерах; растет, растет, так, что, в конце концов, ее границы становятся расплывчатыми, неопределенно большими — и глаз после этого не видит ничего. Не видит ничего до новой остановки глаза, после очередного скачка.

Выходит, в первый момент глаз различает лишь самые общие контуры. Потом — все более мелкие детали, вплоть до самых мелких. Когда же из изображения извлечен максимум информации, восприятие прекращается. По-видимому, в этот момент происходит передача полученных данных в область кратковременной памяти и вообще идет разнообразная внутренняя обработка их.

Степень «стягивания», уменьшения размеров ячеек «доски» зависит от яркости картинки. Чем больше яркость, тем больше сужается ячейка. Поэтому мелкие детали изображения при недостаточной освещенности глаз принципиально не может воспринять. Вот вам и объяснение, почему часовщики, ювелиры, радиомонтажники стараются иметь у себя на столе лампу поярче. Думаю, что найдутся и другие особенности нашего зрения, которые можно будет объяснить с позиций пульсирующей «шахматной доски». И напоследок стоит заметить проблемы с глазами лучше лечить смолоду, в этом поможет в том числе и детская глазная клиника больше о которой можно узнать по ссылке.

Автор: В. Демидов.