Око та образ: як працює зір

Чому всі мислимі столи об’єднані в нашій свідомості образом «стіл»? А всі мислимі дерева з образом «дерево»? Як людина впізнає те, що бачить? Дослідники довели, що зоровий апарат передає в пам’ять якийсь узагальнений образ предмета, відчужений буквально від усіх індивідуальних ознак: розміру, кольору, контрасту і т. п. Стало ясно, що узагальнений образ як раз і є те саме, що дозволяє мозку назвати стіл столом. Іншими словами, узагальнений образ — це абстракція столу.

Але як же він виглядає, як передається цей образ? Граюча в шахи лялька може приводитися в дію і хитромудрим механізмом, і схованим всередині шахістом. Щоб вивести остаточне судження, треба розкрити оболонку і подивитися.

Потрібно вийти на рівень клітини і асоціації клітин — проникнути в мозок. І тоді відкривається, що узагальнений образ є не що інше, як топографічний запис картинки. Що пам’ять, сприйняття і розпізнавання побудовані на принципах голографії. І ось дослідники отримали реальні докази. А попутно встановили ще кілька важливих подробиць роботи зорової системи.

Кішка дивиться «кіно»

Кішці зробили трепанацію черепа. Кішки переносять операцію завидно добре; до вечора вже стрибають. Але ця лежить нерухома. У вену їй дрібними краплями подають кураре — ту саму таємничу отруту, якою південноамериканські воїни змащували свої стріли і списи. Кураре, немов магічний вимикач, зупиняє рухи м’язів. Надзвичайно зручно для фізіологів: кішка, яка не крутить очима. Вони спрямовані строго в одну точку, а очима тут, зрозуміло, цікавляться найбільше.

Тихо шарудить апарат штучного дихання. Кішка лежить на теплій грілці і, не виключено, блаженствує. У всякому разі, не сердиться і не спотворює своєю злістю результатів досліду.

Перед нею екран. По ньому пропливає світла смужка: проекційний ліхтар показує кішці своєрідне кіно. Зараз смужку змінила «зебра» — дві смужки з чорним проміжком між ними, а то і по команді експериментатора з’являться чотири, п’ять, або біжить і раптом застигає яскрава крапка…

У котячий мозок введений мікроелектрод. Працююча клітина нагадує мініатюрний генератор електричних імпульсів різної частоти і форми. Імпульси — це своєрідні «слова», завдяки яким клітини обмінюються інформацією.

Наївно було б думати, що в мозку є якась фотопластинка, на яку «відбивається» видимий оком світ, а там її, цю платівку, розглядає інша, маленька «кішечка», яка живе в черепі. Звикнемо до думки, що в мозку немає “образів” в повсякденному сенсі цього слова, немає “картинок”, а бігають від клітини до клітини електричні імпульси, і більше нічого немає.

Атоми світла – фотони – проникли крізь зіницю і віддали свою енергію фоторецепторам сітківки, цьому першому, зовнішньому шару клітин сітківки. Від нього до інших шарів клітин пішли сигнали. Але вони йдуть не в мозок. Їх ще чекає довгий шлях. Вони приведуть в дію “горизонтальні нейрони”, від тих спрацюють “біополярні нейрони”, потім збудяться “амакринові клітини”, нарешті – “гангліозні клітини”. І тільки пройшовши всі ці ступені перетворення, інформація добереться з сітківки в мозок. Ці нові сигнали вже зовсім не схожі на сигнали фоторецепторів. Та до того ж кожне нервове волоконце зорового нерва несе відомості в середньому від 130 фоторецепторів.

Коли мікроелектрод проникає в клітину мозку, дослідник опиняється в положенні іноземця, що не знає мови, якою навколо нього розмовляють. І перекладача немає під рукою. Електричні імпульси можна записати на плівку, побачити на екрані осцилографа. Ясно, що вона — відповідь на картинку, яка пропливає зараз перед кішкою на екрані. Одна смужка — один вид сигналів, дві — зовнішність імпульсів змінюється, три — імпульси набувають нову форму. Але що криється за цими змінами? Як працює «перекладач» картинок в імпульси?

«Он» та «офф»

Жаба — улюблений об’єкт досліджень фізіологів ще з часів знаменитого Луїджі Гальвані. Так що немає нічого дивного, що американський фізіолог, згодом Нобелівський лауреат X. Хартлайн в 1938 році зайнявся зоровим апаратом саме жаби. І вона не підвела. Вчений з подивом виявив, що кожне волоконце в її зоровому нерві має своє призначення. Одні волоконця передавали сигнал, коли на пов’язане з ним скупчення фоторецепторів падав промінь світла, інші — навпаки, коли освітлення припинялося. Перше скупчення фоторецепторів Хартлайн назвав «он» по-англійськи «включено»), друге — «офф» – «вимкнено»).

Два десятиліття по тому групи «он» та «офф» виявили і в оці кішки. Але, як кажуть, це була лише приказка, а головне і неясне почалося потім, коли американці Д. Хьюбел і Т. Візел у 1959-1961 роках ввели мікроэлектрод в кору головного мозку, в її зорові області.

Виявилися клітини, до яких сходилася інформація вже не від кількох сотень фоторецепторів, а від десятків тисяч — від цілих «полів» світлочутливих клітин. «Прості» поля (по термінології Хьюбела і Візела) реагували на прямі лінії. «Складні» — розрізняли «прямий край», «кут»; або спрацьовували, коли перед оком з’являвся рухомий предмет. Нарешті, «надскладні» поля відповідали не просто на лінію, а лінію цілком певної довжини.

Клітина кори, підключена до відповідного поля, нагадувала лампочку, що спалахує, коли на екран-сітківку проектували ту чи іншу картинку. Отже, фоторецептори зібрані в порівняно невеликі «он» та «офф» групи асоціації. А що далі? Яка наступна ступінь складності? Що таке «поле»? Розсип груп «он» та «офф», з яких мозок комбінує весь час різні схеми? Або ж вони просто з’єднані в якусь жорстку схему раз і назавжди? Цього поки ніхто не знав. Не знали і більш простої речі: як розміщені на сітківці ці самі «он» та «офф». Розсіяні рівномірно? Або вже об’єднані в деякі, нехай найпростіші “поля”?

Як не ламали голову, все виходило, що експерименти будуть неймовірно складні, з дуже слабкою гарантією успіху. І тоді вирішили зайти, так би мовити, з чорного ходу. Спочатку побудувати електричну модель сітківки. І спробувати з’єднати її клітини так, як з’єднані вони в натурі. А як саме? Критерієм істинності схеми будуть імпульси, що видаються «гангліозними клітинами» моделі: якщо вони виявляться схожими на ті, які записали на плівку з живого ока, значить, все зібрано правильно. Ну, а що потім робити, побачимо. Спершу побудуємо “електронну сітківку”.

Мережі з нервових клітин — нейронів — моделюють зараз у багатьох лабораторіях. У настільки багатьох, що транзисторні моделі нейрона випускаються вже серійно. Дослідники взяли ці нейрони і побудували всі шари сітківки, один за іншим. Фотоелементи, що сприймають світло, намагалися об’єднувати в групи по-різному, створювали різні схеми. Але єдино підходящою виявилася одна: коли асоціації «он» та «офф» розташовувалися упереміж, на зразок клітин шахівниці. “Шахівниця” давала імпульси, разюче схожі на справжні. Потім можна було “шахові дошки”, з яких складається сітківка, комбінувати по-всякому, імітуючи «поля» різної складності. Так виходили, наприклад «поля», які вміють бачити рух предметів. Схема такого «поля» працює дуже чітко і при цьому абсолютно не схожа на пристрої, зазвичай застосовувані в електроніці та автоматиці.

Що ж довела ця серія дослідів? А ось що. Сприймаюча частина зорового апарату побудована з однакових і порівняно просто організованих осередків. Всі подальші складнощі – наслідок обробки отриманих даних. І не існує прямого зв’язку “клітина сітківки-клітина мозку”. Але ж раніше думали, що саме на сітківці є всі прості і складні поля, мозок ж містить клітини, раз і назавжди пов’язані кожна зі своїм полем.

Чому очі весь час в русі?

Стало вже штампом, що у злочинців очі «бігають», а у людей чесних і вольових — «твердо дивляться в одну точку». Проте… нехай не ображаються на мене чесні і вольові громадяни: очі у них все одно бігають.

Зіниці як би обмацують предмет. Око наводиться, щоб на саму чутливу частину сітківки — центральну ямку — проектувалася цікава нам деталь картини. Ямка забезпечує самий чіткий зір; тільки вона здатна передати дрібні подробиці зображення. І тому нерухомий погляд – свідчення повної байдужості людини до того, що перед нею знаходиться. Воля тут ні при чому. Хоча, звичайно, кожен здатний якийсь час утримувати погляд на обраній точці.

І все-таки навіть в цьому випадку очі нерухомими не стануть. Мимовільне сіпання очного яблука – саккадичний рух – ніяким зусиллям волі не загальмувати. Три-п’ять разів на секунду погляд робить ледве помітний стрибок. Для чого?

…Перед екраном осцилографа сидять студенти. На екрані промінь малює пряму лінію, тільки в одному місці на ній пульсує гострий викид — немов гірська вершина в чистому полі. Її бачать всі, крім одного випробуваного: “автора” вершини, того, хто цю вершину генерує біотоками свого ока. Фізіолог, який проводить дослід, підключив до м’язів його очей тонкі дротики (для цього досить наклеїти дротики в потрібному місці на шкіру). Кожне скорочення м’язів, що викликають саккадичний рух, дає ще й електричний сигнал. Дротики, немов антени, ловлять їх, передають на підсилювач, і на екрані з’являється гірська вершина. Рух — вершина, рух — вершина. А той, за чиєю милістю вони виникають, їх не помічає, і переконати його в тому, що вершини існують, немає ніякої можливості. «Перестаньте мене містифікувати!» — сердиться він.

Виходить, коли око рухається, ми нічого не бачимо, ми сліпі! Ось вам і нова загадка. До чого людині (та й будь-якій іншій істоті) п’ять разів на секунду сліпнути? Відповіді до самого останнього часу фізіологи не знали. Її знайшли співробітники лабораторії В. Д. Глезера.

Зоровий сигнал, перш ніж потрапити з сітківки в кору головного мозку, проходить через мозкове ж утворення, зване зовнішнім колінчастим тілом (ЗКТ). Ясно, що проходження це неодмінно повинно мати якийсь сенс. Але який?

Опустивши в ЗКТ мікроелектрод, ми бачимо, що в цю область як би проектуються «шахові дошки» фоторецепторів сітківки. Проектуються, і все? Не може бути, щоб природа ось так, ні з того ні з сього зайнялася «повторенням». Вся історія фізіології свідчить, що деталі живого організму, які здавалися непотрібними виконують (як тільки починаєш глибше вивчати проблему) надзвичайно важливі функції. І вчені взялися за ЗКТ.

Не буду втомлювати описом подробиць дослідів, повідомлю прямо результат. Було встановлено, що спроектована в ЗКТ «шахівниця» стала там пульсуючою! І пульсація ця йде з частотою саккадичних посмикувань очного яблука!

Відразу після стрибка діаметр осередків “дошки” вельми великий, потім вони починають зменшуватися, і через 0,04-0,06 секунди перетворюються в маленьку точку. У такому вигляді осередок «он» або «офф» існує ще кілька сотих секунди і раптом швидко зростає в розмірах; росте, росте, тому, що, зрештою, його кордони стають розпливчастими, невизначено великими – і очі після цього не бачать нічого. Не бачать нічого до нової зупинки ока, після чергового стрибка.

Виходить, в перший момент очі розрізняють лише найзагальніші контури. Потім – все більш дрібні деталі, аж до найдрібніших. Коли ж із зображення витягнуто максимум інформації, сприйняття припиняється. Мабуть, у цей момент відбувається передача отриманих даних в область короткочасної пам’яті і взагалі йде різноманітна внутрішня обробка їх.

Ступінь «стягування», зменшення розмірів осередків «дошки» залежить від яскравості картинки. Чим більше яскравість, тим більше звужується осередок. Тому дрібні деталі зображення при недостатній освітленості око принципово не може сприйняти. Ось вам і пояснення, чому годинникарі, ювеліри, радіомонтажники намагаються мати у себе на столі лампу яскравіше. Думаю, що знайдуться й інші особливості нашого зору, які можна пояснити з позицій пульсуючої «шахової дошки».

P. S. Также стоит заметить, что более глубокое понимание механизмов работы нашего зрения поможет найти более эффективные средства лечения различных глазных заболеваний. Хотя уже сегодня благодаря таким исследованиям медицина современности значительно продвинулась. К слову если вам нужно узнать про атрофию зрительного нерва у детей лечение этой болезни, то переходите по ссылке.

Автор: В. Демидов.