Водителю часто трудно увидеть человека, идущего по обочине дороги ночью, особенно если этот человек одет в темные цвета. Одним из факторов, вызывающих эту трудность, является уменьшение контрастности, из-за чего трудно отделить объект, например человека, от фона.
Ранее исследователи полагали, что функция контрастной чувствительности – минимальный уровень черного и белого, необходимый человеку для обнаружения рисунка, – в основном определяется оптикой глаза и обработкой в мозгу. Теперь, в исследовании, опубликованном в журнале eLife, исследователи, в том числе Мишель Руччи из Университета Рочестера, объясняют, что есть еще один фактор: контрастная чувствительность также зависит от небольших движений глаз, которые человек даже не осознает.
"Исторически эти движения практически игнорировались," говорит Руччи, профессор мозговых и когнитивных наук в Рочестере. "Но, похоже, происходит то, что они способствуют зрению разными способами, включая нашу функцию контрастной чувствительности."
Когда мы фиксируем взгляд на одной точке, мир может казаться стабильным, но на микроскопическом уровне наши глаза постоянно дрожат. Эти небольшие движения глаз, которые когда-то считались несущественными, имеют решающее значение для зрительной системы, помогая нам реконструировать сцену, – говорит Руччи. "Некоторые ученые полагали, что, поскольку они такие маленькие, движения глаз могут не иметь большого влияния, но по сравнению с размером фоторецепторов на сетчатке они огромны, и они изменяют входные данные на сетчатку."
Думайте о сцене или объекте как о компьютерном изображении, состоящем из разных пикселей или точек. Каждая точка имеет разный цвет, интенсивность, яркость и т. Д. Наши глаза воспринимают сигналы от каждой точки и проецируют сигналы на фоторецепторы сетчатки: расположение этих точек создает пространственный узор, который мы воспринимаем как сцену или объект. Но если пространственный узор проецируется как неподвижное изображение, он исчезнет из поля зрения, как только фоторецепторы сетчатки потеряют чувствительность к сигналу – как ученику, которому в классе становится скучно, если учитель повторяет одну и ту же информацию снова и снова.
Исследователям давно известно, что крошечные движения глаз – всегда дрожащие и захватывающие разные точки – постоянно изменяют сигнал, поступающий на сетчатку, и обновляют изображение, чтобы оно не исчезло. Новое исследование, однако, предполагает, что эти движения делают больше, чем просто предотвращают затухание; они являются одним из тех самых механизмов, с помощью которых функционирует зрительная система, говорит Руччи. "То, как визуальная система кодирует информацию, основано на этих временных изменениях. Движение глаз преобразует пространственный узор во временные изменения сетчатки."
Система аналогична системе осязания: чтобы получить информацию о поверхности твердого объекта, мы не просто кладем кончики пальцев на поверхность, но и перемещаем их вдоль объекта. Мы можем воспринимать объект на основе взаимодействия между сенсорным процессом (тактильные рецепторы в наших пальцах) и двигательным процессом (то, как мы двигаем кончиками пальцев). "Поскольку наши глаза никогда не находятся в состоянии покоя, даже когда мы фиксируем точку в визуальной сцене, аналогичный механизм действует и для зрения," говорит Антонино Касиле, исследователь из Istituto Italiano di Tecnologia (Итальянский технологический институт) и соавтор статьи. "Контрастная чувствительность возникает в результате взаимодействия двух процессов: сенсорного процесса – свойств реакции нейронов в ранней зрительной системе – и двигательного процесса."
Чтобы измерить контрастную чувствительность и определить, играют ли движения глаз роль или нет, исследователи показали участникам-людям решетки с черными и белыми полосами. Исследователи постепенно меняли ширину полос, делая их "все тоньше и тоньше, пока участники в конце концов не заявили, что больше не видели отдельных столбиков," Руччи говорит. Ширина полосок называется пространственной частотой. Для каждой пространственной частоты исследователи измерили минимальный уровень черного и белого, необходимый участникам, чтобы увидеть контраст, и в то же время тщательно измерили движения их глаз.
Затем исследователи смоделировали эту задачу в компьютерной модели сетчатки, чтобы увидеть, соответствуют ли ответы нейронов сетчатки контрастной чувствительности людей. "Мы обнаружили, что они совместимы только тогда, когда мы включаем движение глазных движений," Руччи говорит. "Когда мы не включаем этот фактор движения в компьютерную модель, моделируемые нейроны не дают тех же ответов, что и испытуемые."
Зная, что движения глаз действительно влияют на контрастную чувствительность, исследователи могут вводить этот фактор в модели человеческого зрения, обеспечивая большую точность в понимании того, как именно зрительная система обрабатывает информацию – и что может пойти не так, если зрительная система выйдет из строя. По словам Руччи, исследование также подчеркивает, что движение и моторное поведение могут иметь большее значение для зрения, чем считалось ранее. "Зрение – это не просто получение изображения и его обработка с помощью нейронов. Визуальная система использует активную схему для извлечения и кодирования информации. Мы видим, потому что наши глаза всегда движутся, даже если мы этого не знаем."