A látás élettana. Az emberi szem fejjel lefelé látja a tárgyakat Képzeletbeli fordított kép keletkezik a szem retináján

A szem ősidők óta a mindentudás, a titkos tudás, a bölcsesség és az éberség szimbóluma. És ez nem meglepő. Végül is a látásnak köszönhetjük, hogy a legtöbb információt a minket körülvevő világról kapjuk. A szem segítségével értékeljük a tárgyak méretét, alakját, távolságát, egymáshoz viszonyított helyzetét, élvezzük a színek sokféleségét és megfigyeljük a mozgást.

Hogyan működik a kíváncsi szem?

Az emberi szemet gyakran a fényképezőgéphez hasonlítják. A szaruhártya, a külső héj átlátszó és domború része, olyan, mint egy objektív. A második héjat - a vaszkulárist - az írisz képviseli, amelynek pigmenttartalma határozza meg a szem színét. Az írisz közepén lévő lyuk - a pupilla - erős fényben szűkül, gyenge fényben kiszélesedik, szabályozza a szembe jutó fény mennyiségét, mint egy membrán. A második lencse egy mozgatható és hajlékony lencse, amelyet egy ciliáris izom vesz körül, amely megváltoztatja annak görbületét. A lencse mögött az üvegtest található - egy átlátszó kocsonyás anyag, amely megőrzi a szemgolyó rugalmasságát és gömb alakú formáját. Az intraokuláris struktúrákon áthaladó fénysugarak a retinára esnek - az idegszövet legvékonyabb héjára, amely a szem belsejét szegélyezi. A fotoreceptorok a retina fényérzékeny sejtjei, amelyek a fotófilmekhez hasonlóan képet rögzítenek.

Miért mondják, hogy az aggyal "látunk"?

Pedig a látószerv sokkal bonyolultabb, mint a legmodernebb fényképészeti berendezések. Hiszen nem csak javítjuk, amit látunk, hanem felmérjük a helyzetet, és szavakkal, tettekkel, érzelmekkel reagálunk.

A jobb és a bal szem különböző szögekből látja a tárgyakat. Az agy a két képet összekapcsolja, aminek eredményeként megbecsülhetjük a tárgyak térfogatát és egymáshoz viszonyított helyzetét.

Így az agyban kialakul a vizuális észlelés képe.

Miért nézünk ebbe az irányba, amikor megpróbálunk mérlegelni valamit?

A legtisztább kép akkor jön létre, ha a fénysugarak elérik a retina központi zónáját - a makulát. Ezért, ha megpróbálunk valamit alaposabban megvizsgálni, a megfelelő irányba fordítjuk a tekintetünket. Minden szem szabad mozgását minden irányban hat izom munkája biztosítja.

Szemhéjak, szempillák és szemöldökök – nem csak szép keret?

A szemgolyót a szemüreg csontos falai, az üregét borító lágy zsírszövet és a szemhéjak védik a külső hatásoktól.

Hunyorogva próbáljuk megvédeni szemünket a vakító fénytől, a hervadó széltől és a portól. A vastag szempillák egyidejűleg bezáródnak, védőréteget képezve. A szemöldököt pedig úgy tervezték, hogy felfogja a homlokból kifolyó izzadságcseppeket.

A kötőhártya vékony nyálkahártya, amely a szemgolyót és a szemhéjak belső felületét borítja, több száz apró mirigyet tartalmaz. Olyan "kenést" állítanak elő, amely lehetővé teszi a szemhéjak szabad mozgását zárt állapotban, és megvédi a szaruhártyát a kiszáradástól.

Szemszállás

Hogyan alakul ki kép a retinán?

Ahhoz, hogy megértsük, hogyan jön létre a kép a retinán, emlékeznünk kell arra, hogy az egyik átlátszó közegből a másikba való átjutás során a fénysugarak megtörnek (azaz eltérnek az egyenes vonalú terjedéstől).

A szem átlátszó közege a szaruhártya, amelyet könnyfilm borít, a vizes humor, a lencse és az üvegtest. A szaruhártya rendelkezik a legnagyobb törőképességgel, a második legerősebb lencse a lencse. A könnyfilm, a vizes humor és az üveges test törőereje elhanyagolható.

Az intraokuláris médiumon áthaladva a fénysugarak megtörnek és a retinán konvergálnak, tiszta képet alkotva.

Mi az a szállás?

A tekintet eltolására tett kísérlet a kép defókuszálásához vezet, és a szem optikai rendszerének további beállítását igényli. Ezt az alkalmazkodás miatt hajtják végre - a lencse törőképességének változása.

A mozgatható és rugalmas lencse a csillóizomhoz csatlakozik a cinkszalag rostjai segítségével. Távollátásnál az izom ellazul, a zinnszalag rostjai feszült állapotban vannak, ami megakadályozza, hogy a lencse domború formát vegyen fel. Amikor megpróbálja megvizsgálni a közeli tárgyakat, a ciliáris izom összehúzódik, az izomkör szűkül, a cinkszalag ellazul és a lencse domborúvá válik. Így megnő a törőereje, és a közeli tárgyak a retinára fókuszálnak. Ezt a folyamatot akkomodációnak nevezik.

Miért gondoljuk azt, hogy „a kezek rövidebbek az életkorral”?

Az életkor előrehaladtával a lencse elveszíti rugalmas tulajdonságait, sűrűsödik, és alig változtatja meg a törőképességét. Ennek eredményeként fokozatosan elveszítjük az alkalmazkodási képességünket, ami megnehezíti a közeli munkavégzést. Olvasás közben igyekszünk távolabb helyezni az újságot, könyvet a szemünktől, de hamarosan a karok nem elég hosszúak ahhoz, hogy tiszta látást biztosítsanak.

A konvergáló lencséket a presbyopia korrekciójára használják, amelynek erőssége az életkorral növekszik.

látás károsodás

Hazánk lakosságának 38%-a szemüvegkorrekciót igénylő látássérült.

Normális esetben a szem optikai rendszere képes a fénysugarakat úgy megtörni, hogy azok pontosan a retinán konvergálnak, így tiszta látást biztosítanak. Ahhoz, hogy a képet a retinára fókuszálja, a fénytörő szemnek egy további lencsére van szüksége.

Mik azok a látássérültek?

A szem törőképességét két fő anatómiai tényező határozza meg: a szem anteroposterior tengelyének hossza és a szaruhártya görbülete.

Rövidlátás vagy rövidlátás. Ha a szem tengelyének hosszát megnöveljük, vagy a szaruhártya nagy törőerejű, a kép a retina előtt alakul ki. Ezt a látáskárosodást rövidlátásnak vagy rövidlátásnak nevezik. A rövidlátók közelről jól látnak, távolról rosszul. A korrekciót széttartó (mínusz) lencsés szemüveg viselésével érik el.

Távollátás vagy hypermetropia. Ha a szem tengelyének hossza lecsökken, vagy a szaruhártya törőereje alacsony, a kép a retina mögötti képzeletbeli pontban jön létre. Ezt a látássérülést távollátásnak vagy hypermetropiának nevezik. Van egy tévhit, miszerint a távollátó emberek jól látnak a távolba. Nehezen dolgoznak közelről, és gyakran rosszul látnak távolról. A korrekciót konvergáló (plusz) lencsés szemüveg viselésével érik el.

Asztigmatizmus. A szaruhártya gömbölyűségét megsértve a két fő meridián mentén különbség van a törőképességben. A retinán lévő tárgyak képe torz: egyes vonalak tiszták, mások homályosak. Ezt a látássérülést asztigmatizmusnak nevezik, és hengeres lencsés szemüvegre van szükség.

A szem abból áll szemgolyó 22-24 mm átmérőjű, átlátszatlan burkolattal borítva, sclera, az eleje pedig átlátszó szaruhártya(vagy szaruhártya). A sclera és a szaruhártya védi a szemet, és támogatja az oculomotoros izmokat.

Írisz- vékony érlemez, amely korlátozza a tompított sugarakat. A fény ezen keresztül jut be a szembe tanítvány. A megvilágítástól függően a pupilla átmérője 1 és 8 mm között változhat.

lencse egy rugalmas lencse, amely az izmokhoz van rögzítve ciliáris test. A ciliáris test megváltoztatja a lencse alakját. A lencse felosztja a szem belső felületét egy elülső kamrára, amely tele van vizes folyadékkal, és egy hátsó kamrára, amely tele van üveges test.

A hátsó kamera belső felületét fényérzékeny réteg borítja - retina. A fényjelek a retinából az agyba jutnak látóideg. A retina és a sclera között van érhártya, amely a szemet tápláló erek hálózatából áll.

A retinának van sárga folt- a legtisztább látás területe. A makula közepén és a lencse középpontján áthaladó vonalat ún vizuális tengely. A szem optikai tengelyétől felfelé körülbelül 5 fokos szögben tér el. A makula átmérője körülbelül 1 mm, a szem megfelelő látómezeje 6-8 fok.

A retina fényérzékeny elemekkel van borítva: kínai evőpálcikákés kúpok. A rudak érzékenyebbek a fényre, de nem különböztetik meg a színeket, és a szürkületi látást szolgálják. A kúpok érzékenyek a színekre, de kevésbé érzékenyek a fényre, ezért a nappali látást szolgálják. A makula területén a kúpok dominálnak, és kevés a rúd; a retina perifériájára, éppen ellenkezőleg, a kúpok száma gyorsan csökken, és csak rudak maradnak.

A makula közepén van központi mélyedés. A fossa alja csak kúpokkal van bélelve. A fovea átmérője 0,4 mm, a látómező 1 fok.

A makulában a kúpok többségét a látóideg egyes rostjai közelítik meg. A makulán kívül egy látóideg rost kúpok vagy rudak csoportját szolgálja ki. Emiatt a fovea és a makula területén a szem képes megkülönböztetni a finom részleteket, és a retina többi részére eső kép kevésbé egyértelmű. A retina perifériás része elsősorban a térben való tájékozódást szolgálja.

A pálcikák pigmentet tartalmaznak rodopszin, gyülekező bennük a sötétben és elhalványul a fényben. A pálcikák fényérzékelése a rodopszinra ható fény hatására végbemenő kémiai reakcióknak köszönhető. A kúpok reagálva reagálnak a fényre jodopszin.

A rodopszin és a jodopszin mellett a retina hátsó felszínén fekete pigment található. Fényben ez a pigment behatol a retina rétegeibe, és a fényenergia jelentős részét elnyelve megvédi a rudakat és a kúpokat az erős fényhatástól.

A látóideg törzse helyén található vakfolt. A retina ezen része nem érzékeny a fényre. A holttér átmérője 1,88 mm, ami 6 fokos látómezőnek felel meg. Ez azt jelenti, hogy egy személy 1 m távolságból nem látja a 10 cm átmérőjű tárgyat, ha a képét holttérre vetítik.

A szem optikai rendszere a szaruhártyából, a vizes folyadékból, a lencséből és az üvegtestből áll. A szem fénytörése főként a szaruhártya és a lencse felületén történik.

A megfigyelt tárgy fénye áthalad a szem optikai rendszerén, és a retinára fókuszálva fordított és redukált képet képez rajta (az agy „elfordítja” a fordított képet, és azt közvetlennek érzékeljük).

Az üvegtest törésmutatója egynél nagyobb, ezért a szem gyújtótávolsága a külső térben (elülső gyújtótávolság) és a szem belsejében (hátsó gyújtótávolság) nem azonos.

A szem optikai teljesítményét (dioptriában) a szem hátsó fókusztávolságának méterben kifejezett reciprokaként számítják ki. A szem optikai ereje attól függ, hogy nyugalmi állapotban (58 dioptria normál szemnél) vagy maximális akkomodációban (70 dioptria) van-e.

Szállás A szem azon képessége, hogy világosan meg tudja különböztetni a különböző távolságra lévő tárgyakat. Az akkomodáció a lencse görbületének megváltozása miatt következik be a ciliáris test izmainak feszültsége vagy ellazulása során. A ciliáris test megfeszítésekor a lencse megnyúlik, és görbületi sugarai megnőnek. Az izomfeszültség csökkenésével a lencse görbülete növekszik a rugalmas erők hatására.

Normál szem szabad, feszültségmentes állapotában a végtelenül távoli tárgyak tiszta képei születnek a retinán, és a legnagyobb akkomodáció mellett a legközelebbi tárgyak láthatók.

Annak a tárgynak a helyzetét, amely éles képet hoz létre a retinán a nyugodt szem érdekében, ún a szem távoli pontja.

Egy objektum helyzetét, ahol a lehető legnagyobb szem igénybevételével éles kép jön létre a retinán, nevezzük a szem legközelebbi pontja.

Amikor a szem a végtelenségig alkalmazkodik, a hátsó fókusz egybeesik a retinával. A retinán a legnagyobb feszültségnél egy körülbelül 9 cm távolságra lévő tárgy képe keletkezik.

A legközelebbi és távoli pont távolságának reciprokjai közötti különbséget ún a szem alkalmazkodási tartománya(dioptriában mérve).

Az életkor előrehaladtával a szem alkalmazkodóképessége csökken. 20 évesen az átlagos szemnél a közeli pont körülbelül 10 cm távolságra van (az akkomodáció tartománya 10 dioptria), 50 évesen a közeli pont már körülbelül 40 cm távolságra van (az akkomodációs tartomány 2,5 dioptria), 60 évesen pedig a végtelenbe megy, vagyis leáll a szállás. Ezt a jelenséget életkorral összefüggő távollátásnak, ill távollátás.

A legjobb látási távolság- Ez az a távolság, amelynél a normál szem a legkevesebb stresszt tapasztalja, amikor a tárgy részleteit nézi. Normál látás mellett átlagosan 25-30 cm.

A szemnek a változó fényviszonyokhoz való alkalmazkodását ún alkalmazkodás. Az adaptáció a pupillanyílás átmérőjének változása, a retina rétegeiben lévő fekete pigment mozgása, valamint a rudak és kúpok eltérő fényreakciója miatt következik be. A pupilla összehúzódása 5 másodperc alatt következik be, teljes tágulása 5 percet vesz igénybe.

Alkalmazkodás a sötéthez a magas fényerőről az alacsonyra való átmenet során fordul elő. Erős fényben a kúpok működnek, de a rudak „elvakulnak”, a rodopszin kifakult, a fekete pigment behatolt a retinába, elzárva a kúpokat a fénytől. A fényerő éles csökkenésével a pupilla nyílása kinyílik, és nagyobb fényáramot enged át. Ezután a fekete pigment elhagyja a retinát, a rodopszin helyreáll, és amikor elég van belőle, a rudak elkezdenek működni. Mivel a kúpok nem érzékenyek az alacsony fényerőre, először a szem nem különböztet meg semmit. A szem érzékenysége 50-60 perc sötétben tartózkodás után éri el maximális értékét.

Fényadaptáció- ez a szem alkalmazkodási folyamata az alacsony fényerőről a magasra való átmenet során. Eleinte a rudak erősen irritáltak, "elvakulnak" a rodopszin gyors bomlása miatt. A fekete pigmentszemcsékkel még nem védett kúpok is túlságosan irritáltak. 8-10 perc elteltével a vakság érzése megszűnik, és a szem újra lát.

rálátás a szem meglehetősen széles (125 fok függőlegesen és 150 fok vízszintesen), de csak egy kis részét használják az egyértelmű megkülönböztetéshez. A legtökéletesebb látómező (amely a központi foveának felel meg) körülbelül 1-1,5 °, kielégítő (a teljes makula területén) - körülbelül 8 ° vízszintesen és 6 ° függőlegesen. A látómező többi része a durva térbeli tájékozódást szolgálja. A környező tér megtekintéséhez a szemnek folyamatos forgómozgást kell végeznie a pályáján 45-50°-on belül. Ez a forgatás különféle tárgyak képeit hozza a foveába, és lehetővé teszi azok részletes vizsgálatát. A szemmozgásokat a tudat részvétele nélkül hajtják végre, és általában az ember nem veszi észre.

A szem felbontásának szöghatára- ez az a minimális szög, amelynél a szem két fényes pontot külön-külön megfigyel. A szem felbontásának szöghatára körülbelül 1 perc, és a tárgyak kontrasztjától, a megvilágítástól, a pupilla átmérőjétől és a fény hullámhosszától függ. Ezenkívül a felbontás korlátja növekszik, ahogy a kép távolodik a foveától és vizuális hibák jelenléte esetén.

Vizuális hibák és javításuk

Normál látás esetén a szem távoli pontja végtelenül távol van. Ez azt jelenti, hogy a relaxált szem fókusztávolsága megegyezik a szem tengelyének hosszával, és a kép pontosan a retinára esik a fovea régiójában.

Az ilyen szem jól megkülönbözteti a tárgyakat távolról, és megfelelő elhelyezéssel - a közelben is.

Rövidlátás

Rövidlátás esetén a végtelenül távoli tárgyból érkező sugarak a retina elé fókuszálnak, így a retinán elmosódott kép képződik.

Leggyakrabban ez a szemgolyó megnyúlása (deformációja) miatt következik be. Ritkábban a myopia normál szemhosszúságnál (körülbelül 24 mm) fordul elő a szem optikai rendszerének túl nagy optikai teljesítménye miatt (több mint 60 dioptria).

Mindkét esetben a távoli tárgyakról származó kép a szem belsejében van, és nem a retinán. Csak a szemhez közeli tárgyak fókusza esik a retinára, vagyis a szem távoli pontja véges távolságra van előtte.

a szem távoli pontja

A rövidlátást negatív lencsékkel korrigálják, amelyek egy végtelenül távoli pont képét alkotják a szem távoli pontjában.

a szem távoli pontja

A myopia leggyakrabban gyermekkorban és serdülőkorban jelentkezik, és a szemgolyó hosszának növekedésével a rövidlátás növekszik. A valódi rövidlátást általában az úgynevezett hamis myopia előzi meg - az akkomodációs görcs következménye. Ebben az esetben lehetséges a normál látás helyreállítása olyan eszközökkel, amelyek tágítják a pupillát és enyhítik a ciliáris izom feszültségét.

távollátás

Távollátás esetén a végtelenül távoli tárgyból érkező sugarak a retina mögé fókuszálnak.

A távollátást a szem gyenge optikai ereje okozza a szemgolyó adott hosszában: vagy normál optikai teljesítmény mellett rövid szem, vagy normál hosszúságú szem alacsony optikai teljesítménye.

Ahhoz, hogy a kép a retinára fókuszáljon, folyamatosan meg kell erőltetnie a ciliáris test izmait. Minél közelebb vannak a tárgyak a szemhez, annál távolabb kerül a kép a retina mögé, és annál nagyobb erőfeszítést igényel a szem izmai.

A távoli szem távoli pontja a retina mögött van, vagyis ellazult állapotban csak a mögötte lévő tárgyat látja tisztán.

a szem távoli pontja

Természetesen a szem mögé nem helyezhetsz tárgyat, de pozitív lencsék segítségével oda vetítheted a képét.

a szem távoli pontja

Enyhe távollátás esetén a távoli és közeli látás jó, de előfordulhatnak fáradtságra, fejfájásra panaszok munka közben. Átlagos fokú távollátás esetén a távollátás jó marad, de a közeli látás nehézkes. Erős távollátás esetén a látás mind távolra, mind közelre gyengül, mivel a szemnek minden lehetősége kimerült, hogy a retinára fókuszáljon, akár távoli tárgyakról is.

Újszülöttnél a szem vízszintes irányban enyhén összenyomódik, ezért a szem enyhe távollátással rendelkezik, amely a szemgolyó növekedésével eltűnik.

Ametropia

A szem ametropiáját (rövidlátás vagy távollátás) dioptriában fejezzük ki, mint a szem felszíne és a távoli pont közötti távolság méterben kifejezett reciproka.

A rövid- vagy távollátás korrigálásához szükséges lencse optikai ereje a szemüveg és a szem távolságától függ. A kontaktlencsék a szemhez közel helyezkednek el, így optikai erejük az ametropiával egyenlő.

Például, ha myopia esetén a távoli pont a szem előtt van 50 cm távolságra, akkor -2 dioptria optikai teljesítményű kontaktlencsék szükségesek a korrekcióhoz.

Gyenge fokú ametropia tekinthető legfeljebb 3 dioptria, közepes - 3-6 dioptria és magas fok - 6 dioptria felett.

Asztigmatizmus

Asztigmatizmus esetén a szem gyújtótávolsága eltérő az optikai tengelyén áthaladó különböző szakaszokon. Az egyik szem asztigmatizmusa egyesíti a rövidlátás, a távollátás és a normál látás hatásait. Például egy szem lehet vízszintes szakaszban rövidlátó, függőlegesen pedig távollátó. Ekkor a végtelenben nem fogja tudni tisztán látni a vízszintes vonalakat, és egyértelműen megkülönbözteti a függőlegeseket. Éppen ellenkezőleg, közelről egy ilyen szem jól látja a függőleges vonalakat, és a vízszintes vonalak homályosak lesznek.

Az asztigmatizmus oka vagy a szaruhártya szabálytalan alakja, vagy a lencse eltérése a szem optikai tengelyétől. Az asztigmatizmus leggyakrabban veleszületett, de műtét vagy szemsérülés eredménye lehet. A vizuális észlelés hibái mellett az asztigmatizmust általában szemfáradtság és fejfájás is kíséri. Az asztigmatizmust hengeres (kollektív vagy divergáló) lencsékkel korrigálják gömblencsékkel kombinálva.

A látórendszer segédberendezései és funkciói

A vizuális szenzoros rendszer egy komplex segédberendezéssel van felszerelve, amely magában foglalja a szemgolyót és három izompárt, amelyek biztosítják a mozgását. A szemgolyó elemei a retinába jutó fényjel elsődleges átalakítását hajtják végre:
a szem optikai rendszere a képeket a retinára fókuszálja;
a pupilla szabályozza a retinára eső fény mennyiségét;
A szemgolyó izmai biztosítják folyamatos mozgását.

Képképzés a retinán

A tárgyak felületéről visszaverődő természetes fény diffúz, azaz. a tárgy egyes pontjaiból származó fénysugarak különböző irányokba áradnak ki. Ezért a szem optikai rendszerének hiányában a sugarak a tárgy egy pontjából ( a) a retina különböző részeit érintené ( a1, a2, a3). Egy ilyen szem képes lenne megkülönböztetni a megvilágítás általános szintjét, de a tárgyak körvonalait nem (1A. ábra).

Ahhoz, hogy a környező világ tárgyait lássuk, szükséges, hogy a tárgy egyes pontjaiból érkező fénysugarak csak a retina egy pontját érjék, pl. a képet fókuszálni kell. Ezt úgy érhetjük el, hogy a retina elé gömb alakú törőfelületet helyezünk. Egyetlen pontból kiinduló fénysugarak ( a), az ilyen felületen történő fénytörés után egy ponton összegyűlik a1(fókusz). Így tiszta fordított kép jelenik meg a retinán (1B. ábra).

A fénytörés a két különböző törésmutatójú közeg határfelületén történik. A szemgolyó 2 gömb alakú lencsét tartalmaz: a szaruhártya és a lencse. Ennek megfelelően 4 fénytörő felület létezik: levegő/szaruhártya, szaruhártya/szem elülső kamrájának vizes folyadéka, vizes folyadék/lencse, lencse/üvegtest.

Szállás

Akkomodáció - a szem optikai berendezése törőerejének beállítása a kérdéses tárgytól bizonyos távolságban. A fénytörés törvényei szerint, ha egy fénysugár egy törő felületre esik, akkor a beesési szögtől függő szöggel eltér. Amikor egy tárgy közeledik, a belőle kiinduló sugarak beesési szöge megváltozik, így a megtört sugarak egy másik pontban gyűlnek össze, ami a retina mögött lesz, ami a kép „elmosódásához” vezet (2B. ábra). ). Az ismételt fókuszáláshoz növelni kell a szem optikai berendezésének törőképességét (2B. ábra). Ezt a lencse görbületének növekedésével érik el, ami a ciliáris izom tónusának növekedésével következik be.

A retina megvilágításának szabályozása

A retinára eső fény mennyisége arányos a pupilla területével. Felnőtteknél a pupilla átmérője 1,5 és 8 mm között változik, ami körülbelül 30-szoros változást biztosít a retinára eső fény intenzitásában. A pupillareakciókat az írisz két simaizomrendszere biztosítja: amikor a gyűrű alakú izmok összehúzódnak, a pupilla szűkül, a radiális izmok összehúzódása esetén pedig kitágul.

A pupilla lumenének csökkenésével a kép élessége nő. Ennek az az oka, hogy a pupilla szűkülete megakadályozza, hogy a fény elérje a lencse peremterületeit, és ezáltal kiküszöböli a szférikus aberráció miatti képtorzulást.

szemmozgások

Az emberi szemet hat szemizom mozgatja, amelyeket három agyideg – okulomotoros, trochleáris és abducens – beidegz. Ezek az izmok a szemgolyó kétféle mozgását biztosítják - gyors görcsös (saccade) és sima követő mozgásokat.

Görcsös szemmozgások (saccade) álló objektumok figyelembevételekor merülnek fel (3. ábra). A szemgolyó gyors fordulatai (10-80 ms) váltakoznak egy ponton (200-600 ms) rögzített tekintetrögzítés időszakaival. A szemgolyó elfordulási szöge egy saccade alatt több ívperctől 10°-ig terjed, egyik tárgyról a másikra nézve pedig elérheti a 90°-ot. Nagy eltolási szögeknél a szakkádokat a fej elfordítása kíséri; a szemgolyó elmozdulása általában megelőzi a fej mozgását.

Sima szemmozgások kíséri a látómezőben mozgó tárgyakat. Az ilyen mozgások szögsebessége megfelel a tárgy szögsebességének. Ha ez utóbbi meghaladja a 80°/s-ot, akkor a követés kombinálttá válik: a sima mozdulatokat szakkádok és fejforgatások egészítik ki.

nystagmus - a sima és görcsös mozgások időszakos váltakozása. Amikor egy vonatozó ember kinéz az ablakon, szeme simán végigkíséri az ablakon kívül mozgó tájat, majd tekintete egy új rögzítési pontra ugrik.

Fényjel átalakítás fotoreceptorokban

A retina fotoreceptorainak típusai és tulajdonságaik

A retinában kétféle fotoreceptor található (rudak és kúpok), amelyek szerkezetükben és élettani tulajdonságaikban különböznek egymástól.

Asztal 1. A rudak és kúpok élettani tulajdonságai

Kettős látás elmélete

A fényérzékenységben eltérő két fotoreceptor rendszer (kúpok és rudak) jelenléte biztosítja a változó környezeti fényszinthez való igazítást. Elégtelen megvilágítás esetén a fény érzékelését rudak biztosítják, míg a színek megkülönböztethetetlenek ( scototopikus látás e). Erős fényben a látást elsősorban kúpok biztosítják, ami lehetővé teszi a színek jól megkülönböztetését ( fototopikus látás ).

A fényjel átalakításának mechanizmusa a fotoreceptorban

A retina fotoreceptoraiban az elektromágneses sugárzás (fény) energiája a sejt membránpotenciáljának ingadozásának energiájává alakul. Az átalakítási folyamat több szakaszban zajlik (4. ábra).

Az első szakaszban a látható fény egy fotonját, amely egy fényérzékeny pigment molekulájába esik, elnyeli a konjugált kettős kötések p-elektronja 11- cis-retinális, míg a retina átmegy transz-alak. Sztereomerizáció 11- cis-retina konformációs változásokat okoz a rodopszin molekula fehérje részében.

A 2. szakaszban aktiválódik a transzducin fehérje, amely inaktív állapotában szorosan kötött GDP-t tartalmaz. A fotoaktivált rodopszinnal való kölcsönhatás után a transzducin a GDP molekulát GTP-re cseréli.

A 3. szakaszban a GTP-tartalmú transzducin komplexet képez az inaktív cGMP-foszfodiészterázzal, ami az utóbbi aktiválódásához vezet.

A 4. szakaszban az aktivált cGMP-foszfodiészteráz intracellulárisan hidrolizál GMP-ből GMP-vé.

Az 5. szakaszban a cGMP koncentráció csökkenése a kationcsatornák bezárásához és a fotoreceptor membrán hiperpolarizációjához vezet.

A jelátvitel során foszfodiészteráz mechanizmus erősödik. A fotoreceptor válasz során egyetlen gerjesztett rodopszin molekula több száz transzducin molekulát képes aktiválni. Hogy. a jelátvitel első szakaszában 100-1000-szeres erősítés következik be. Minden aktivált transzducin molekula csak egy foszfodiészteráz molekulát aktivál, de az utóbbi több ezer molekula GMP-vel történő hidrolízisét katalizálja. Hogy. ebben a szakaszban a jel további 1000-10 000-szeresére erősödik. Ezért, amikor egy jelet egy fotonról a cGMP-re továbbítanak, több mint 100 000-szeres erősödés léphet fel.

Információfeldolgozás a retinában

A retina neurális hálózatának elemei és funkcióik

A retina neurális hálózata 4 típusú idegsejtet tartalmaz (5. ábra):

ganglion sejtek,
bipoláris sejtek,
amakrin sejtek,
vízszintes cellák.

ganglionsejtek - neuronok, amelyek axonjai a látóideg részeként kilépnek a szemből és a központi idegrendszer felé haladnak. A ganglionsejtek feladata, hogy a retinából a központi idegrendszerbe vezessenek a gerjesztést.

bipoláris sejtek összeköti a receptor és a ganglionsejteket. A bipoláris sejt testéből két elágazó folyamat indul ki: az egyik folyamat több fotoreceptor sejttel, a másik több ganglionsejttel alkot szinaptikus kapcsolatot. A bipoláris sejtek feladata a gerjesztés a fotoreceptoroktól a ganglionsejtekig.

Vízszintes sejtek csatlakoztassa a szomszédos fotoreceptorokat. A vízszintes sejt testéből számos folyamat nyúlik ki, amelyek szinaptikus érintkezést képeznek a fotoreceptorokkal. A horizontális sejtek fő funkciója a fotoreceptorok oldalirányú kölcsönhatásának megvalósítása.

amakrin sejtek a vízszintesekhez hasonlóan helyezkednek el, de nem fotoreceptorral, hanem ganglionsejtekkel érintkezve jönnek létre.

A gerjesztés terjedése a retinában

Ha egy fotoreceptort megvilágítanak, akkor receptorpotenciál alakul ki benne, ami hiperpolarizáció. A fotoreceptor sejtben keletkezett receptorpotenciál egy mediátor segítségével szinaptikus kontaktusokon keresztül jut át ​​bipoláris és horizontális sejtekbe.

A bipoláris sejtben depolarizáció és hiperpolarizáció is kialakulhat (további részleteket lásd alább), amely szinaptikus érintkezés révén a ganglionsejtekre terjed. Ez utóbbiak spontán aktívak, i.e. folyamatosan akciós potenciálokat generál egy bizonyos frekvencián. A ganglionsejtek hiperpolarizációja az idegimpulzusok gyakoriságának csökkenéséhez, a depolarizáció - annak növekedéséhez vezet.

A retina neuronjainak elektromos válaszai

A bipoláris sejt receptív mezője fotoreceptor sejtek gyűjteménye, amelyekkel szinaptikus kapcsolatokat alakít ki. A ganglionsejt receptív mezején a fotoreceptor sejtek összességét értjük, amelyekkel ez a ganglionsejt bipoláris sejteken keresztül kapcsolódik.

A bipoláris és ganglionsejtek receptív mezői kerekek. A receptív mezőben megkülönböztethető a központi és a perifériás rész (6. ábra). A receptív mező központi és perifériás része közötti határ dinamikus, és a fényszint változásával eltolódhat.

A retina idegsejtjeinek reakciói a befogadó mező központi és perifériás részének fotoreceptorainak megvilágítására általában ellentétesek. Ugyanakkor a ganglionos és bipoláris sejteknek több osztálya is létezik (ON -, OFF -sejtek), amelyek különböző elektromos reakciókat mutatnak a fény hatására (6. ábra).

2. táblázat. A ganglion- és bipoláris sejtek osztályai és elektromos válaszaik

Vizuális információ feldolgozása a központi idegrendszerben

A látórendszer érzékszervi pályái

A retina ganglionsejtek myelinizált axonjai két látóideg részeként kerülnek az agyba (7. ábra). A jobb és a bal látóideg egyesül a koponya alján, és létrehozza az optikai chiasmát. Itt az idegrostok az egyes szemek retinájának mediális feléből az ellenoldali oldalra, a retina laterális feléből pedig ipszilaterálisan folytatódnak.

A keresztezés után a ganglionsejtek axonjai az optikai traktusban az oldalsó geniculate testekhez (LCB) következnek, ahol szinaptikus kapcsolatot alakítanak ki a központi idegrendszeri neuronokkal. Az LKT idegsejtjeinek axonjai részeként az ún. vizuális sugárzás éri el az elsődleges látókéreg neuronjait (Brodmann szerint 17-es mező). Továbbá az intrakortikális kapcsolatok mentén a gerjesztés átterjed a másodlagos látókéregre (18b-19 mezők) és a kéreg asszociatív zónáira.

A látórendszer érzékszervi útjai aszerint szerveződnek retinotop elv - a szomszédos ganglionsejtek gerjesztése eléri az LCT és a kéreg szomszédos pontjait. A retina felszíne mintegy az LKT és a kéreg felületére vetül.

A ganglionsejtek axonjainak többsége az LCT-ben végződik, míg a rostok egy része a colliculus superiorba, a hipotalamuszba, az agytörzs pretectalis régiójába és a látóideg magjába jut.

A retina és a colliculus superior közötti kapcsolat a szemmozgások szabályozását szolgálja.

A retina hipotalamuszhoz való vetülete az endogén cirkadián ritmusok és a megvilágítás napi ingadozásainak párosítására szolgál.

A retina és a törzs pretectalis régiója közötti kapcsolat rendkívül fontos a pupilla lumenének és az akkomodációnak a szabályozásában.

Az optikai traktus magjainak idegsejtjei, amelyek a ganglionsejtektől is kapnak szinaptikus bemeneteket, az agytörzs vesztibuláris magjaihoz kapcsolódnak. Ez a vetítés lehetővé teszi a test térbeli helyzetének vizuális jelek alapján történő felmérését, valamint összetett szemmotoros reakciók (nystagmus) megvalósítását is szolgálja.

Vizuális információ feldolgozása az LCT-ben

Az LCT neuronok lekerekített receptív mezőkkel rendelkeznek. Ezen sejtek elektromos válaszai hasonlóak a ganglionsejtekéhez.

Az LCT-ben vannak olyan neuronok, amelyek akkor gerjesztődnek, ha a receptív mezőjükben világos/sötét határ van (kontraszt neuronok), vagy ha ez a határ elmozdul a receptív mezőn belül (mozgásérzékelők).

Vizuális információ feldolgozása az elsődleges látókéregben

A fényingerekre adott választól függően a kérgi neuronok több osztályba sorolhatók.

Egyszerű receptív mezővel rendelkező neuronok. Az ilyen neuronok legerősebb gerjesztése akkor következik be, ha a befogadó mezőjét egy bizonyos orientációjú fénycsík megvilágítja. Az ilyen neuronok által generált idegimpulzusok gyakorisága csökken a fénycsík orientációjának megváltozásával (8A. ábra).

Komplex receptív mezővel rendelkező neuronok. A neuron maximális gerjesztési foka akkor érhető el, ha a fényinger a receptív mező BE zónáján belül egy bizonyos irányba mozog. A fényinger másik irányú mozgása vagy a fényinger kilépése az ON zónán kívül gyengébb gerjesztést okoz (8B. ábra).

Szuperkomplex receptív mezővel rendelkező neuronok. Az ilyen neuron maximális gerjesztése összetett konfigurációjú fényinger hatására érhető el. Ismeretesek például neuronok, amelyeknek a legerősebb gerjesztése a fény és a sötét két határvonal átlépésekor alakul ki a receptív mező BE zónáján belül (23.8 C ábra).

Annak ellenére, hogy hatalmas mennyiségű kísérleti adat áll rendelkezésre a sejtek különböző vizuális ingerekre adott válaszreakcióinak mintázatairól, jelenleg nincs teljes elmélet, amely megmagyarázná az agyban zajló vizuális információfeldolgozás mechanizmusait. Nem tudjuk megmagyarázni, hogy a retinában, az LC-ben és a kéregben lévő neuronok sokféle elektromos reakciója hogyan biztosítja a mintafelismerést és a vizuális észlelés egyéb jelenségeit.

Segédeszköz funkcióinak beállítása

szállásszabályozás. A lencse görbületének megváltoztatása a ciliáris izom segítségével történik. A ciliáris izom összehúzódásával megnő a lencse elülső felületének görbülete, és nő a törőerő. A ciliáris izom simaizomrostjait posztganglionális neuronok beidegzik, amelyek teste a ganglion ciliárisban helyezkedik el.

A lencse görbületi fokának megváltoztatására megfelelő inger a retinán lévő kép homályossága, amelyet az elsődleges kéreg idegsejtjei rögzítenek. A kéreg lefelé irányuló kapcsolatai miatt a pretectalis régióban a neuronok gerjesztésének mértéke megváltozik, ami viszont az oculomotoros mag preganglionális neuronjainak (Edinger–Westphal mag) és a ciliáris posztganglionális neuronjainak aktiválódását vagy gátlását okozza. ganglion.

A pupilla lumenének szabályozása. Pupilla-szűkület akkor következik be, amikor a szaruhártya gyűrűs simaizomrostjai, amelyeket a ganglion ciliáris paraszimpatikus posztganglionális neuronjai beidegznek, összehúzódnak. Ez utóbbi gerjesztése a retinára eső nagy fényintenzitás mellett történik, amelyet az elsődleges látókéreg neuronjai érzékelnek.

A pupilla tágulása a szaruhártya radiális izomzatának összehúzódásával történik, amelyeket a HSP szimpatikus neuronjai beidegznek. Ez utóbbi aktivitása a ciliospinalis centrum és a pretectalis régió irányítása alatt áll. A pupillatágulás ingere a retina megvilágítási szintjének csökkenése.

A szemmozgások szabályozása. A ganglionsejt rostok egy része a colliculus superior (középagy) neuronjait követi, amelyek az oculomotoros, a trochlearis és az abducens idegek magjaihoz kapcsolódnak, melyek neuronjai a szem izomzatának harántcsíkolt izomrostjait beidegzik. A felsőbb gümők idegsejtjei szinaptikus bemeneteket kapnak a vesztibuláris receptoroktól, a nyakizmok proprioreceptoraitól, ami lehetővé teszi a test számára, hogy a szemmozgásokat összehangolja a test mozgásával a térben.

A vizuális észlelés jelenségei

Mintafelismerés

A vizuális rendszer figyelemre méltó képességgel rendelkezik arra, hogy egy tárgyat képének különféle módozataiban felismerjen. Felismerhetünk egy képet (ismerős arcot, betűt stb.), ha egyes részei hiányoznak, ha felesleges elemeket tartalmaz, ha eltérő a térben tájékozódó, eltérő szögméretekkel rendelkezik, más-más oldalról fordul felénk. stb. P. (9. ábra). E jelenség neurofiziológiai mechanizmusait jelenleg intenzíven vizsgálják.

A forma és méret állandósága

A környező tárgyakat általában változatlan formában és méretben érzékeljük. Bár valójában alakjuk és méretük a retinán nem állandó. Például egy kerékpáros a látómezőben mindig ugyanolyan méretűnek tűnik, függetlenül a távolságtól. A kerékpár kerekei kereknek tűnnek, bár a retinán lévő képeik keskeny ellipszisek lehetnek. Ez a jelenség demonstrálja a tapasztalat szerepét a környező világ látásmódjában. Ennek a jelenségnek a neurofiziológiai mechanizmusai jelenleg nem ismertek.

Mélységérzékelést

A környező világ képe a retinán lapos. A világot azonban terjedelmesnek látjuk. Számos olyan mechanizmus létezik, amely a retinán kialakult lapos képek alapján 3 dimenziós tér felépítését biztosítja.

Mivel a szemek egymástól bizonyos távolságra helyezkednek el, a bal és a jobb szem retináján kialakuló képek némileg eltérnek egymástól. Minél közelebb van a tárgy a megfigyelőhöz, ezek a képek annál inkább eltérnek egymástól.

Az átfedő képek a térbeli relatív helyzetük értékelését is segítik. A közeli tárgy képe átfedheti egy távoli tárgy képét, de fordítva nem.

Amikor a megfigyelő feje elmozdul, a megfigyelt objektumok képe a retinán is elmozdul (parallaxis jelenség). Ugyanazon fejeltolódás esetén a közeli tárgyak képei jobban eltolódnak, mint a távoli tárgyak képei.

A tér csendjének érzékelése

Ha az egyik szem becsukása után megnyomjuk az ujjunkat a második szemgolyón, akkor látni fogjuk, hogy a körülöttünk lévő világ oldalra tolódik. Normál körülmények között a környező világ mozdulatlan, bár a retinán lévő kép folyamatosan „ugrik” a szemgolyók mozgása, a fejfordulatok, a testhelyzet változása miatt a térben. A környező tér mozdulatlanságának érzékelését biztosítja, hogy a vizuális képek feldolgozása során figyelembe veszik a szem mozgására, a fej mozgására és a test térbeli helyzetére vonatkozó információkat. A vizuális szenzoros rendszer képes „levonni” saját szem és test mozgását a retinán lévő kép mozgásából.

A színlátás elméletei

Háromkomponensű elmélet

A trikromatikus adalékkeverés elve alapján. Ezen elmélet szerint a három kúptípus (vörösre, zöldre és kékre érzékeny) független receptorrendszerként működik. A háromféle kúpból érkező jelek intenzitásának összehasonlításával a vizuális szenzoros rendszer "virtuális additív torzítást" hoz létre, és kiszámítja a valódi színt. Az elmélet szerzői Jung, Maxwell, Helmholtz.

Ellenfél színelmélete

Feltételezi, hogy bármely szín egyértelműen leírható, ha két skálán jelzi pozícióját - „kék-sárga”, „vörös-zöld”. A skálák pólusain elhelyezkedő színeket ellenfélszíneknek nevezzük. Ezt az elméletet alátámasztja az a tény, hogy a retinában, az LC-ben és a kéregben vannak olyan neuronok, amelyek akkor aktiválódnak, ha receptív mezőjüket vörös fénnyel világítják meg, és gátlást szenvednek, ha a fény zöld. Más neuronok tüzelnek, ha sárgának vannak kitéve, és gátolják, ha kéknek vannak kitéve. Feltételezzük, hogy a "piros-zöld" és a "sárga-kék" rendszerek neuronjainak gerjesztési fokának összehasonlításával a vizuális szenzoros rendszer ki tudja számítani a fény színjellemzőit. Az elmélet szerzői Mach, Goering.

Így mindkét színlátás elméletre vannak kísérleti bizonyítékok. jelenleg mérlegelve. Hogy a háromkomponensű elmélet megfelelően írja le a színérzékelés mechanizmusait a retina fotoreceptorainak szintjén, az ellentétes színek elmélete pedig a neurális hálózatok szintjén írja le a színérzékelés mechanizmusait.

A lehetetlen figurák és a kétértelmű képek nem olyan dolgok, amelyeket ne lehetne szó szerint érteni: ezek az agyunkban keletkeznek. Mivel az ilyen alakok észlelésének folyamata furcsa, nem szabványos utat követ, a megfigyelő megérti, hogy valami szokatlan zajlik a fejében. Ahhoz, hogy jobban megértsük a „látásnak” nevezett folyamatot, hasznos elképzelésünk van arról, hogy érzékszerveink (szem és agy) hogyan alakítják át a fényingereket hasznos információvá.

A szem mint optikai eszköz

A szem (lásd az 1. ábrát) úgy működik, mint egy kamera. A lencse (lencse) fordított, kicsinyített képet vetít a külvilágból a retinára (retina) - fényérzékeny sejtek hálózatára, amelyek a pupillával (pupillával) szemben helyezkednek el, és a szem belső felületének több mint felét elfoglalják. a szemgolyót. Mint optikai műszer, a szem régóta rejtély. Míg a fényképezőgép az objektívnek a fényérzékeny réteghez közelebbi vagy távolabbi mozgatásával fókuszál, a fénytörési képessége az alkalmazkodás során (a szem egy bizonyos távolsághoz való alkalmazkodása) módosul. A szemlencse alakját a ciliáris izom változtatja meg. Amikor az izom összehúzódik, a lencse kerekebbé válik, így a retinához közelebbi tárgyak fókuszált képet hoznak. Az emberi szem rekesznyílása ugyanúgy van beállítva, mint a fényképezőgépeknél. A pupilla szabályozza a lencse nyílásának nagyságát, sugárizmok segítségével tágul vagy húzódik össze, jellegzetes színével színezi a szem íriszét (íriszt). Amikor a szemünk arra a területre mozdul, amelyre fókuszálni szeretne, a fókusztávolság és a pupilla mérete azonnal „automatikusan” igazodik a kívánt feltételekhez.

A retina (2. ábra), a szem belsejében lévő fényérzékeny réteg szerkezete nagyon összetett. A látóideg (a vérerekkel együtt) a szem hátsó falától távozik. Ez a terület nem tartalmaz fényérzékeny sejteket, ezért vakfoltnak nevezik. Az idegrostok elágaznak, és három különböző típusú sejtben végződnek, amelyek felfogják a beléjük jutó fényt. A sejtek harmadik, legbelső rétegéből érkező folyamatok olyan molekulákat tartalmaznak, amelyek a beérkező fény feldolgozása során átmenetileg megváltoztatják szerkezetüket, és ezáltal elektromos impulzust bocsátanak ki. A fényérzékeny sejteket folyamataik alakjában rudak (rudak) és kúpok (kúpok) nevezik. A kúpok színérzékenyek, a rudak viszont nem. Másrészt a rudak fényérzékenysége sokkal nagyobb, mint a kúpoké. Egy szem körülbelül százmillió rudat és hatmillió kúpot tartalmaz, amelyek egyenlőtlenül oszlanak el a retinában. Pontosan a pupillával szemben fekszik az úgynevezett macula lutea (3. ábra), amely viszonylag sűrű koncentrációban csak kúpokból áll. Amikor élesben akarunk látni valamit, úgy helyezzük el a szemünket, hogy a kép a makulára essen. A retina sejtjei között számos kapcsolat van, és százmillió fényérzékeny sejt elektromos impulzusai mindössze egymillió idegrost mentén jutnak el az agyba. Így a szem felületesen leírható, mint egy fényérzékeny filmmel megrakott fotó- vagy televíziós kamera.

A fényimpulzustól az információig

De hogyan is látunk valójában? Egészen a közelmúltig ez a probléma alig volt megoldható. Erre a kérdésre a legjobb válasz a következő volt: van az agyban egy látásra specializálódott terület, amelyben agysejtek formájában képződik a retinából kapott kép. Minél több fény esik egy retinasejtre, annál intenzívebben működik a megfelelő agysejt, vagyis a látóközpontunkban lévő agysejtek aktivitása a retinára eső fény eloszlásától függ. Röviden, a folyamat egy képpel kezdődik a retinán, és egy megfelelő képpel végződik az agysejtek kis "képernyőjén". Ez természetesen nem magyarázza a látást, hanem egyszerűen egy mélyebb szintre helyezi a problémát. Ki látja ezt a belső képet? Ezt a helyzetet jól szemlélteti az 5. ábra, amelyet Descartes „Le traité de l” homme című művéből vettünk.” Ebben az esetben minden idegrost egy bizonyos mirigyben végződik, amelyet Descartes a lélek helyeként képzelt el, és ez a nő. aki látja a belső képet.A kérdés azonban továbbra is fennáll: hogyan működik valójában a „látás”?

A mini-megfigyelő gondolata az agyban nemcsak nem elegendő a látás magyarázatához, hanem figyelmen kívül hagy három olyan tevékenységet is, amelyeket nyilvánvalóan közvetlenül a vizuális rendszer hajt végre. Nézzük például a 4. ábra (Kanizsa) ábráját. Három kör alakú háromszöget látunk a kivágásukkal. Ezt a háromszöget nem mutatták be a retinának, de vizuális rendszerünk találgatásainak eredménye! Ezenkívül szinte lehetetlen úgy nézni a 6. ábrát, hogy ne lássuk a figyelmünkért versengő körkörös minták folyamatos sorozatait, mintha közvetlenül belső vizuális tevékenységet tapasztalnánk. Sokan azt tapasztalják, hogy a látásrendszerüket teljesen összezavarta a Dallenbach-figura (8. ábra), mivel keresik a módját, hogyan értelmezzék ezeket a fekete-fehér foltokat valamilyen általuk értett formában. A fájdalomtól való megkímélés érdekében a 10. ábra egy olyan értelmezést kínál, amelyet vizuális rendszere egyszer és mindenkorra elfogad. Az előző rajzzal ellentétben nem lesz nehéz a 7. ábrán látható néhány tintavonást két beszélgető ember képévé rekonstruálni.

Egy egészen más látásmódot szemléltet például a tübingeni Werner Reichardt kutatása, aki 14 éven át tanulmányozta a házi légy látás- és repülésvezérlő rendszerét. Ezekért a tanulmányokért 1985-ben Heineken-díjat kapott. Sok más rovarhoz hasonlóan a légynek összetett szemei ​​vannak, amelyek sok száz egyedi rúdból állnak, amelyek mindegyike külön fényérzékeny elem. A légy repülésirányító rendszere öt független alrendszerből áll, amelyek rendkívül gyorsan (a reakciósebesség körülbelül 10-szer gyorsabb, mint az emberé) és hatékonyan működnek. Például a leszálló alrendszer a következőképpen működik. Amikor a légy látómezeje "felrobban" (mert a felszín közel van), a légy a "robbanás" közepe felé tart. Ha a közepe futás közben van, automatikusan fejjel lefelé fog fordulni. Amint a légy lábai hozzáérnek a felszínhez, a leszálló "alrendszer" le van tiltva. Repülés közben a légy csak kétféle információt nyer ki a látómezőjéből: azt a pontot, ahol egy bizonyos méretű mozgó folt található (amelynek meg kell egyeznie a 10 centiméteres távolságban lévő légy méretével), és az irányt. és ennek a pontnak a látómezőn áthaladó sebessége. Ezen adatok feldolgozása segíti a repülési útvonal automatikus korrekcióját. Nagyon valószínűtlen, hogy egy légynek teljes képe van a körülötte lévő világról. Nem lát sem felületeket, sem tárgyakat. A meghatározott módon feldolgozott bemeneti vizuális adatok közvetlenül a motor alrendszerbe kerülnek. Így a bemeneti vizuális adatok nem belső képpé, hanem olyan formává alakulnak, amely lehetővé teszi, hogy a légy megfelelően reagáljon a környezetére. Ugyanez mondható el egy ilyen végtelenül összetettebb rendszerről, mint az ember.

Számos oka van annak, hogy a tudósok ilyen sokáig tartózkodnak az alapvető kérdés megoldásától, ahogyan az ember látja. Kiderült, hogy a látás sok más vonatkozását először meg kell magyarázni – a retina összetett szerkezetét, a színlátást, a kontrasztot, az utóképeket és így tovább. A várakozásokkal ellentétben azonban ezeken a területeken a felfedezések nem képesek megvilágítani a fő probléma megoldását. Még jelentősebb probléma volt, hogy hiányzott minden olyan általános koncepció vagy séma, amelyben az összes vizuális jelenséget felsorolnák. A hagyományos kutatási területek viszonylagos korlátai a kiváló T.N. Comsweet a vizuális észlelés témájában, az első és második félév hallgatóinak tartott előadásai alapján. Az előszóban a szerző ezt írja: "Arra törekszem, hogy leírjam azokat az alapvető szempontokat, amelyek annak a hatalmas területnek a hátterében állnak, amelyet véletlenül vizuális észlelésnek nevezünk." A könyv tartalmának tanulmányozása során azonban ezek az "alapvető témák" a retina rudak és kúpok általi fényelnyelés, a színlátás, a szenzoros sejtek azon módozatai, amelyek segítségével növelhetik vagy csökkenthetik a kölcsönös kapcsolat határait. egymásra gyakorolt ​​hatás, az érzékelősejteken keresztül továbbított elektromos jelek frekvenciája stb. Napjainkban az e terület kutatása teljesen új utakon halad, ami a szakmai sajtó megdöbbentő sokszínűségét eredményezi. A látás fejlődésének új tudományáról pedig csak egy szakember tud általános képet alkotni." Csupán egyetlen kísérlet volt arra, hogy több új ötletet és kutatási eredményt a laikusok számára is hozzáférhető módon ötvözzenek. És még itt is felmerültek a "Mi a látás?" és a „Hogyan látjuk?” nem lettek a fő vitakérdések.

A képtől az adatfeldolgozásig

David Marr, a Massachusetts Institute of Technology Mesterséges Intelligencia Laboratóriumának munkatársa volt az első, aki a halála után megjelent "Vision" (Vision) című könyvében egészen más oldalról próbálta megközelíteni a témát. Ebben igyekezett átgondolni a fő problémát, és lehetséges megoldási módokat javasolni. Marr eredményei természetesen nem véglegesek, és a mai napig nyitottak a különböző irányokból történő kutatásokra, de ennek ellenére könyvének fő előnye a logikusság és a következtetések következetessége. Mindenesetre Marr megközelítése nagyon hasznos keretet biztosít, amelyre lehetetlen tárgyakról és kettős alakokról szóló tanulmányokat lehet építeni. A következő oldalakon igyekszünk Marr gondolatmenetét követni.

Marr így írta le a vizuális észlelés hagyományos elméletének hiányosságait:

"Ha csak a neuronok tanulmányozásával próbáljuk megérteni a vizuális észlelést, az olyan, mintha csak a tollait tanulmányozva próbálnánk megérteni a madár repülését. Ez egyszerűen lehetetlen. Ahhoz, hogy megértsük egy madár repülését, meg kell értenünk az aerodinamikát, és csak akkor fog a szerkezet a tollak és a madárszárnyak különféle formái bármilyen jelentéssel bírnak számunkra. jelentése." Ebben az összefüggésben Marr J. J. Gobsonnak tartja az elsőt, aki fontos kérdéseket érintett ebben a látómezőben. Marr véleménye szerint Gibson legfontosabb hozzájárulása az volt, hogy "Az érzékszervekkel kapcsolatban az a legfontosabb, hogy információs csatornák a külvilágból az észlelésünkhöz (...) Feltette a kritikus kérdést: Hogyan érjük el mindannyian ugyanazokat az eredményeket a mindennapi életben való észlelés során - változó környezet? Ez egy nagyon fontos kérdés, amely megmutatja, hogy Gibson helyesen tekintette a vizuális észlelés problémáját, mint az érzékelőktől kapott információkból a külső világban lévő tárgyak „helyes” tulajdonságainak helyreállítását. „És ezzel elérkeztünk az információfeldolgozás területéhez.

Nem lehet kérdés, hogy Marr figyelmen kívül akarta hagyni a látás jelenségére vonatkozó egyéb magyarázatokat. Éppen ellenkezőleg, kifejezetten hangsúlyozza, hogy a látást nem lehet kielégítően megmagyarázni csak egy nézőpontból. A mindennapi eseményekre olyan magyarázatokat kell találni, amelyek összhangban vannak a kísérleti pszichológia eredményeivel, valamint a pszichológusok és neurológusok ezen a területen az idegrendszer anatómiája terén tett felfedezéseivel. Az információfeldolgozás terén az informatikusok arra kíváncsiak, hogyan programozható a vizuális rendszer, mely algoritmusok a legalkalmasabbak egy adott feladathoz. Röviden, hogyan lehet a látást programozni. Csak egy átfogó elmélet fogadható el a látás folyamatának kielégítő magyarázataként.

Marr 1973 és 1980 között dolgozott ezen a problémán. Munkáját sajnos nem tudta befejezni, de szilárd alapot tudott lerakni a további kutatásokhoz.

A neurológiától a vizuális mechanizmusig

A neurológusok a 19. század eleje óta osztják azt a meggyőződést, hogy sok emberi funkciót az agy irányít. Megoszlottak a vélemények abban a kérdésben, hogy az agykéreg egyes részeit használják-e az egyes műtétek elvégzésére, vagy az egész agy részt vesz-e az egyes műveletekben. Napjainkban Pierre Paul Broca francia neurológus híres kísérlete a konkrét helyelmélet általános elfogadásához vezetett. Broca egy beteget kezelt, aki 10 évig nem tudott beszélni, bár a hangszálai rendben voltak. Amikor a férfi 1861-ben meghalt, a boncolás kimutatta, hogy az agy bal oldala deformálódott. Broca azt javasolta, hogy a beszédet az agykéregnek ez a része szabályozza. Elméletét megerősítették az agysérült betegek későbbi vizsgálatai, amelyek végül lehetővé tették az emberi agy létfontosságú funkcióinak központjainak megjelölését.

Egy évszázaddal később, az 1950-es években a tudósok D.Kh. Hubel (D.H. Hubel) és T.N. Wiesel (T.N. Wiesel) kísérleteket végzett élő majmok és macskák agyában. Az agykéreg látóközpontjában olyan idegsejteket találtak, amelyek különösen érzékenyek a látómező vízszintes, függőleges és átlós vonalaira (9. ábra). Kifinomult mikrosebészeti technikájukat később más tudósok is átvették.

Így az agykéreg nemcsak a különféle funkciók ellátására szolgáló központokat tartalmaz, hanem az egyes központokon belül, mint például a látóközpontban, az egyes idegsejtek csak nagyon specifikus jelek vételekor aktiválódnak. Ezek a szem retinájából érkező jelek korrelálnak a külvilág jól meghatározott helyzeteivel. Ma azt feltételezik, hogy az objektumok különböző formáira és térbeli elrendezésére vonatkozó információkat a vizuális memória tartalmazza, és az aktivált idegsejtekből származó információkat összehasonlítják ezzel a tárolt információval.

Ez a detektorok elmélete befolyásolta a vizuális észlelés kutatásának tendenciáját az 1960-as évek közepén. A „mesterséges intelligenciával” kapcsolatban álló tudósok ugyanezt az utat követték. Az emberi látás folyamatának számítógépes szimulációja, más néven "gépi látás", az egyik legkönnyebben elérhető célnak számított ezekben a tanulmányokban. De a dolgok egy kicsit másképp alakultak. Hamar világossá vált, hogy gyakorlatilag lehetetlen olyan programokat írni, amelyek képesek felismerni a fényintenzitás változásait, az árnyékokat, a felületi textúrát és az összetett objektumok véletlenszerű gyűjteményét értelmes mintákká. Ezenkívül az ilyen mintafelismeréshez korlátlan mennyiségű memóriára volt szükség, mivel megszámlálhatatlan számú objektum képét kell a memóriában tárolni a hely és a megvilágítási helyzetek megszámlálhatatlan számú változatában.

A valós világban a mintafelismerés terén további előrelépés nem volt lehetséges. Kétséges, hogy egy számítógép valaha is képes lesz szimulálni az emberi agyat. Az emberi agyhoz képest, ahol minden idegsejtnek nagyságrendileg 10 000 kapcsolata van más idegsejtekkel, az 1:1 számítógépes egyenérték arány aligha megfelelő!

Elizabeth Warrington előadása

1973-ban Marr részt vett Elizabeth Warrington brit neurológus előadásán. Megjegyezte, hogy az általa megvizsgált nagyszámú, az agy jobb oldalának parietális károsodását szenvedő beteg számos tárgyat tökéletesen képes felismerni és leírni, feltéve, hogy ezeket a tárgyakat a szokásos formájukban figyelték meg. Például az ilyen betegek oldalról nézve könnyen azonosítottak egy vödröt, de felülről nézve nem tudták felismerni ugyanazt a vödröt. Valójában még akkor sem akarták elhinni, ha azt mondták nekik, hogy felülről nézik a vödröt! Még meglepőbb volt azoknak a betegeknek a viselkedése, akiknél sérült az agy bal oldala. Az ilyen betegek általában nem tudnak beszélni, ezért nem tudják verbálisan megnevezni a tárgyat, amelyet néznek, vagy leírni a célját. Megmutathatják azonban, hogy a látószögtől függetlenül helyesen érzékelik egy tárgy geometriáját. Ez arra késztette Marr-t, hogy a következőket írja: "Warrington előadása a következő következtetésekre késztetett. Először is, a tárgy alakjának ötlete az agy más helyén tárolódik, ezért vannak elképzelések egy tárgy alakjáról. Másodszor, maga a látás képes belső leírást adni a megfigyelt tárgy alakjáról, még akkor is, ha az adott tárgyat általában nem ismerik fel... Elizabeth Warrington rámutatott az emberi látás leglényegesebb tényére – beszél az objektumok alakjáról, teréről és relatív helyzetéről." Ha ez igaz, akkor a vizuális észlelés és a mesterséges intelligencia területén dolgozó tudósoknak (beleértve a gépi látás területén dolgozókat is) meg kell változtatniuk a Hubel kísérleteiből származó detektorok elméletét egy teljesen új taktikára.

Modulelmélet

Marr kutatásának második kiindulópontja (Warrington munkája után) az a feltevés, hogy vizuális rendszerünk moduláris felépítésű. Számítógépes vonatkozásban a "Vision" fő programunk az alprogramok széles skáláját fedi le, amelyek mindegyike teljesen független a többitől, és más szubrutinoktól függetlenül tud működni. Az ilyen szubrutin (vagy modul) kiváló példája a sztereoszkópikus látás, amely a mélységet a két szem képeinek feldolgozása eredményeként érzékeli, amelyek egymástól kissé eltérő képek. Régebben a három dimenzióban való látáshoz először a teljes képet felismerjük, majd eldöntjük, hogy mely objektumok vannak közelebb és melyek távolabbi. 1960-ban Julesz Béla, akit 1985-ben Heineken-díjjal tüntettek ki, be tudta bizonyítani, hogy a kétszem térérzékelés kizárólag a két szem retinájáról készített két kép közötti kis különbségek összehasonlításával mutatta be. Így az ember ott is érezheti a mélységet, ahol nincsenek tárgyak, és nem is kellene tárgyaknak lenniük. Kísérleteihez Jules véletlenszerűen elhelyezett pontokból álló sztereogramokat dolgozott ki (lásd a 11. ábrát). A jobb szem által látott kép megegyezik a bal szem által látott képpel, kivéve a négyzet alakú középső területet, amely le van vágva és kissé elmozdítva az egyik szélére, majd ismét a háttérhez igazodik. A fennmaradó fehér rést ezután véletlenszerű pontokkal töltöttük ki. Ha a két képet (amelyen nem ismer fel semmilyen tárgyat) sztereoszkópon keresztül nézzük, a korábban kivágott négyzet a háttér felett lebeg. Az ilyen sztereogramok térbeli adatokat tartalmaznak, amelyeket vizuális rendszerünk automatikusan feldolgoz. Így a sztereoszkópia a vizuális rendszer autonóm modulja. A modulok elmélete meglehetősen hatékonynak bizonyult.

A 2D-s retinaképtől a 3D-s modellig

A látás egy többlépcsős folyamat, amely a külső világ kétdimenziós reprezentációit (retinális képeket) a megfigyelő számára hasznos információvá alakítja át. Egy kétdimenziós retinaképpel indul, amely a színlátást egyelőre figyelmen kívül hagyja, de csak a fényintenzitás szintjeit tartja meg. Az első lépésben egyetlen modullal ezek az intenzitásszintek intenzitásváltozásokká, vagy más szóval olyan kontúrokká alakulnak, amelyek a fényintenzitás hirtelen változásait mutatják. Marr pontosan megállapította, hogy ebben az esetben milyen algoritmusról van szó (matematikailag leírva, és mellesleg nagyon összetett), és hogy érzékelésünk és idegsejtjeink hogyan hajtják végre ezt az algoritmust. Az első lépés eredményét Marr "elsődleges vázlatnak" nevezte, amely összefoglalja a fényintenzitás változásait, azok kapcsolatait és eloszlását a látómezőben (12. ábra). Ez azért fontos lépés, mert az általunk látott világban az intenzitás változása gyakran a tárgyak természetes körvonalaihoz kapcsolódik. A második lépés elvezet minket ahhoz, amit Marr "2,5 dimenziós vázlatnak" nevezett. A 2,5-dimenziós vázlat a látható felületek tájolását és mélységét tükrözi a néző előtt. Ez a kép nem egy, hanem több modulból származó adatok alapján épül fel. Marr megalkotta a "2,5-dimenziós" nagyon tág fogalmát annak hangsúlyozására, hogy a megfigyelő szemszögéből látható térinformációkkal dolgozunk. Egy 2,5-dimenziós vázlatra a perspektivikus torzulások jellemzőek, és ebben a szakaszban még nem határozható meg egyértelműen az objektumok tényleges térbeli elrendezése. Az itt látható 2,5D-s vázlatkép (13. ábra) több információs területet szemléltet egy ilyen vázlat feldolgozása során. Ilyen képek azonban nem alakulnak ki agyunkban.

A vizuális rendszer eddig autonóm módon, automatikusan és a külvilágról az agyban tárolt adatoktól függetlenül, több modul segítségével működött. A folyamat utolsó szakaszában azonban lehetőség van a már rendelkezésre álló információkra hivatkozni. A feldolgozásnak ez az utolsó szakasza egy háromdimenziós modellt ad – a megfigyelő látószögétől független, világos leírást, amely alkalmas az agyban tárolt vizuális információval való közvetlen összehasonlításra.

Marr szerint a háromdimenziós modell felépítésében a főszerepet a tárgyak alakzatainak irányító tengelyeinek összetevői játsszák. Azok, akik nem ismerik ezt az elképzelést, valószínűtlennek találhatják, de valójában vannak bizonyítékok, amelyek alátámasztják ezt a hipotézist. Először is, a környező világ számos tárgya (különösen az állatok és a növények) meglehetősen világosan ábrázolható cső (vagy huzal) modellek formájában. Valóban, könnyen felismerhetjük, hogy mi látható a reprodukción a vezetőtengelyek komponensei formájában (14. ábra).

Másodszor, ez az elmélet elfogadható magyarázatot ad arra a tényre, hogy képesek vagyunk vizuálisan szétszedni egy tárgyat alkotóelemeire. Ez tükröződik nyelvünkben, amely egy-egy tárgyrésznek más-más nevet ad. Így az emberi test leírásakor az olyan megjelölések, mint a "test", "kéz" és "ujj", a test különböző részeit jelölik a tengelyek összetevői szerint (15. ábra).

Harmadszor, ez az elmélet összhangban van azzal a képességünkkel, hogy általánosítsuk és egyúttal megkülönböztetjük a formákat. Általánosítunk úgy, hogy az azonos főtengelyű objektumokat csoportosítjuk, a gyermektengelyeket pedig úgy különböztetjük meg, mint egy fa ágait. Marr olyan algoritmusokat javasolt, amelyekkel egy 2,5-dimenziós modellt háromdimenzióssá alakítanak át. Ez a folyamat is többnyire autonóm. Marr megjegyezte, hogy az általa kifejlesztett algoritmusok csak akkor működnek, ha tiszta tengelyeket használnak. Például, ha egy gyűrött papírra alkalmazzuk, a lehetséges tengelyeket nagyon nehéz lenne azonosítani, és az algoritmus nem alkalmazható.

A tárgyfelismerés folyamatában aktiválódik a kapcsolat a 3D modell és az agyban tárolt vizuális képek között.

Itt nagy szakadék van a tudásunkban. Hogyan tárolódnak ezek a vizuális képek az agyban? Hogyan zajlik a felismerési folyamat? Hogyan történik az ismert képek és az újonnan összeállított 3D-s képek összehasonlítása? Ez az utolsó pont, amit Marrnak sikerült érintenie (16. ábra), de hatalmas mennyiségű tudományos adatra van szükség ahhoz, hogy bizonyosságot szerezzünk ebben a kérdésben.

Bár mi magunk nem vagyunk tisztában a vizuális információfeldolgozás különböző fázisaival, sok egyértelmű párhuzam van a fázisok és a különböző módok között, ahogyan az idő múlásával egy kétdimenziós felületen a tér benyomását közvetítettük.

Tehát a pointillisták a retina nem kontúros képét hangsúlyozzák, míg a vonalas képek a kezdeti vázlat stádiumának felelnek meg. A kubista festmények a végső háromdimenziós modell felépítését előkészítő vizuális adatok feldolgozásához hasonlíthatók, bár ez természetesen nem állt szándékában a művésznek.

Ember és számítógép

A téma komplex megközelítése során Marr arra törekedett, hogy megmutassa, meg tudjuk érteni a látás folyamatát anélkül, hogy az agy számára már elérhető tudásból kellene merítenünk.

Ezzel új utat nyitott a kutatók előtt a vizuális észlelés területén. Ötleteivel egyengetheti az utat a vizuális motor hatékonyabb megvalósításához. Amikor Marr megírta könyvét, tisztában kellett lennie azzal, hogy olvasóinak milyen erőfeszítéseket kell tenniük, hogy követhessék elképzeléseit és következtetéseit. Ez nyomon követhető egész munkája során, és a legvilágosabban az utolsó fejezetben, „A megközelítés védelmében” látható. Ez egy 25 nyomtatott oldal polémikus "indoklása", amelyben egy kedvező pillanatot használ fel céljai igazolására. Ebben a fejezetben egy képzeletbeli ellenféllel beszél, aki a következő érvekkel támadja Marrt:

"Még mindig elégedetlen vagyok ennek az egymással összefüggő folyamatnak a leírásával és azzal az elképzeléssel, hogy a részletgazdagság hátralévő része csak leírás. Kicsit túl primitívnek hangzik... Ahogy közeledünk ahhoz, hogy azt mondjuk, hogy az agy egy számítógép, El kell mondanom mindent, amitől egyre jobban félek az emberi értékek jelentőségének megőrzéséért.

Marr érdekes választ ad: "Az az állítás, hogy az agy számítógép, helyes, de félrevezető. Az agy valóban egy nagyon speciális információfeldolgozó eszköz, vagy inkább a legnagyobb közülük. Ha agyunkat adatfeldolgozó eszköznek tekintjük, az nem csökken. vagy tagadja az emberi értékeket. Mindenesetre csak támogatja őket, és végső soron segíthet megértenünk, mik is az emberi értékek ilyen információs szempontból, miért van szelektív jelentésük, és hogyan kapcsolódnak egymáshoz a társadalmi és társadalmi normák, amelyeket génjeink biztosítottak számunkra."