Занимательная офтальмология. [03] Почему мы видим не то, что видим или оптические мозгодурилки.
Как мне показалось, усложнение тематик глав серии "Занимательная офтальмология" вызвало предсказуемое снижение интереса читателей. Чтобы слегка встряхнуть аудиторию, сегодня постараемся совместить приятное с полезным - поговорим о забавных зрительных иллюзиях и механизмах, которые стоят за ними. Глаза смотрят, глаза видят, а мозг не верит!
Понятное дело, что зрение лишь частично виновато в том, что человек может так легко обманываться. Основной "виновник" обманов - наш мозг, который очень консервативен в своей нейро-физиологической активности. Мозг рационален и упрям. Мозг не хочет и не может воспринимать мир отличным от шаблона с устоявшимися правилами, логичными законами и знакомыми характеристиками. Смотреть в книгу и видеть фигу - вполне нормальное и легко объяснимое явление.
В первой главе, когда мы вкратце рассмотрели функциональное устройство человеческого зрительного органа, я лишь мельком упомянул про связь между раздражением светочуствительных клеток в сетчатке и непосредственным построением картины мира в наших головах. Процесс формирования зрительных образов выходит за рамки функциональной офтальмологии и моей зоны комфорта. Тем не менее, при помощи различных визуальных тестов и оптических иллюзий можно объяснить очень многие странные вещи, происходящие с нашим зрением.
Замечательная толком так и не объясненная иллюзия: невозможно заставить себя поверить, что окружности не вращаются. Забавно, что действие иллюзии распространяется и на животных - см. видео
Формирование общей модели окружающего мира - тяжкий труд, включающий в себя обработку световых потоков, построение изображения, выделение значимых и отбрасывание несущественных признаков объекта, узнавание формы, размера, цветоразличение, формирование объемного изображения и т.п. Все эти действия доступны нам благодаря мощным "вычислительным" способностям нашего центрального процессора, дарованного нам эволюцией. Именно поэтому мы, человеки, воспринимаем мир гораздо более осмысленно, чем морские свинки.
Итак, благодаря оптической системе зрительного органа некое изображение формируется на сетчатке, светочуствительные нейронные клетки "раздражаются" при попадании на них света и преобразуют свое "раздражение" в электрические импульсы, которые передаются по нервным волокнам в мозг. На этой картинке можно увидеть, какой длинный и запутанный путь приходится пройти этим импульсам, прежде чем быть обработанными нашим главным процессором.
Хватит умничать. Давайте лучше позабавимся с некоторыми оптическими иллюзиями и попытаемся хотя бы частично приоткрыть занавес визуальных обманов. Для начала - отличный пример того, как наш мозг пост-процессит видимую нами картинку. На приведенной ниже шахматной доске клетки А и B абсолютно одинакового цвета!
Несмотря на то, что наш глаз объективно принимает на сетчатку отраженные от доски электромагнитные волны (ну, в данном случае, не отраженные от доски, а посланные матрицей монитора), а сетчатка достаточно честно передает информацию о настоящих оттенках серого в помеченных ячейках в мозг, наш главный процессор включает режим распознавания объектов и построения реальности. Мы живем в трехмерном мире, поэтому система распознавания образов мгновенно "видит" объемный цилиндр установленный на доске, а также отбрасываемую им тень. Мозг знает, что светлые объекты в тени выглядят темнее, а темные объекты на свету выглядят светлее, чем они есть на самом деле. Анализируя полученную информацию, он слегка корректирует распознанное изображение, добавляя виртуальной светлости "светлой" клетке в тени, и затемняя "темную, но хорошо освещенную" клетку. В результате, мы на 100% уверены, что клетки А и В разного цвета. Но достаточно взять в руки фотошоп или простой пейнт, чтобы убедиться в обратном.
Приблизительно с теми же аргументами наш мозг обманывает нас, когда мы смотрит на объекты, расположенные на контрастном фоне. Все эти овалы окрашены в одинаковый серый цвет:
Это так называемый эффект одновременного контраста, который объясняется тем, что два цвета (или оттенка), расположенные друг рядом с другом, в нашем сознании оказывают активное влияние друг на друга. Так более темный оттенок серого фона заметно "затемняет" внутренний овал, в то время как более светлый фон визуально "осветляет" овал. В итоге мы имеем два "разноосвещенных" овала одинакового цвета.
Да что там серый? Давайте немного позабавимся с цветными иллюзиями. Вот сколько на этой картинке цветовых оттенков, не считая белого? Четыре? На самом деле, всего два - розовый и зеленый. В этом легко убедиться, рассмотрев увеличенный фрагмент картинки (справа).
А вот это вообще замечательная иллюзия, в которой наши глаза и мозг врут нам, не краснея, но зато зеленея! На данной анимированной гифке достаточно простая картинка - розоватые (фиолетовые?) пятна, расположенные вдоль окружности, исчезают и появляются вновь одно за другим. Если сфокусировать взгляд на крестике в центре картинки (для пущего эффекта закройте один глаз ладонью), то вместо пустых пространств вы увидете бегающее по кругу зеленое пятно! Но и это еще не все: если продолжать смотреть на крестик, то спустя 20-30 секунд розовые пятна исчезнут вовсе, останется только сумасшедший зеленый кругляшок, наматывающий круги на сером фоне.
Чтобы объяснить эту иллюзию, мне придется немного поумничать. Давайте задумаемся о физиологии восприятия цвета. Ощущение цвета возникает при возбуждении цветочувствительных рецепторов сетчатки. Возвращаясь к первой главе и строению глаза, напомню про палочки и колбочки - основные сенсорные элементы глаза. Колбочки (их порядка 6 млн в каждом глазу) чувствительны к разным длинам волн и широкому диапазону освещенности, палочки же (этих вообще порядка 100 млн на глаз!) - только к освещенности и не умеют различать цвет. Поэтому в темноте (или просто при низкой освещенности) человек не различает цветов. Но помимо этого, есть еще слой особо важных ганглионарных клеток, которые выполняют огромную работу по обработке световой и цветовой информации, поступающей на сетчатку через зрачок.
Ганглионарных клеток у нас всего-то ничего - порядка 1-2 млн, но именно аксоны этих клеток являются теми самыми нервными волокнами, которые устремляются через слепое пятно в зрительный канал и прямиком в мозг. Именно на эти нейроны сходится информация о раздражениях
всех колбочек и палочек. Именно эти клетки занимаются первичной обработкой данных о цвете.
Получается, что на каждую ганглионарную клетку приходят сигналы от нескольких палочек и/или колбочек. Суммируя информацию о количестве раздраженных разными длинами световых волн колбочек, ганглионарная клетка делает вывод о наличии/преобладании красной или зеленой (или желтой или синей) составляющей сигнала. Не вдаваясь в подробности, скажу, что ганглионарные клетки могут находиться в состоянии возбуждения или же в обратном состоянии торможения. Этим состояниям будут соответствовать диаметрально противоположные логические результаты: для цветовой идентификации раздражение будет обозначать наличие красной составляющей, а торможение клетки - наличие противоположного (взаимодополнительного) цвета, т.е. зеленой составляющей.
При бомбардировке сенсоров одним и тем же раздражителем (например, фиолетовыми пятнами) рецепторы со временем перегружаются и начинают физически утомляться, т.е. тормозиться, инициируя тем самым передачу информации о противоположном цвете, потому-то фиолетовые кружки неожиданно превращаются в наших ганглионарных клетках в зеленые!
Ну с превращением фиолетового в зеленый мы разобрались. Теперь переходим к подозрительному исчезновению кружков. Объясняется происходящее так называемым эффектом Трокслера. Если наш взгляд фиксируется на неподвижной цели то, информация об объектах на периферии со временем будет исчезать из сознания вследствие так называемой локальной нейронной адаптации. Наши рецепторы или нейроны, ответственные за обнаружение границы между объектом и фоном по яркости или цветовому контрасту, просто перестают отвечать на устойчивый и неменяющийся образ. Но достаточно минимального движения глаза (или головы), чтобы положение объектов на сетчатке сместилось, и наш мозг мгновенно "увидит" исчезнувшие пятна.
Вот еще одна иллюзия с эффектом Трокслера. Просто зафиксируйте свой взгляд на красной точке и наслаждайтесь растворением и исчезновением голубой окружности.
Ну и чтобы закончить с цветовыми и контрастными парадоксами, отмечу, что ганглионарные клетки реагируют главным образом на контрастные границы в поле зрения, так как такие участки - это главный способ передачи в мозг информации об особенностях рассматриваемого объекта. В сетчатке есть специальные горизонтальные клетки (см. картинку с клетками где-то выше), которые распространяют сигналы между соседствующими рецепторами. Этот процесс называется латеральным торможением и очень важен для повышения надежности распознавания зрительных образов и выделения контрастных границ объектов.
Ниже представлена сетка Хермана (справа - более ярко выраженный ее вариант). Вы легко можете заметить то появляющиеся, то исчезающие темные пятна на перекрестках сетки. При стимулировании соседствующих нейронов контрастными стимулами (как на границах белых "улиц" и черных "зданий") латеральное торможение усиливает возбуждение и подпитывает информацию о контрасте, позволяя нам четко видеть белую линию между перекрестками. Но на перекрестках раздражение соседствующих рецепторов одинаково в четырех направлениях, поэтому горизонтальные клетки в режиме латерального торможения не раздражают соседей, а тормозят, и тем самым приглушают информацию об освещенности соседней точки. Именно поэтому перекрестки в нашем сознании могут выглядеть темнее "улиц". Этот эффект гораздо боле выражен на периферийных участках сетчатки, фокусируя взгляд на перекрестке мнимое затемнение исчезает. Кстати, описанный механизм также служит причиной рассмотренного нами ранее контрастного эффекта.
Еще одним невероятно интересным примером эффективности (или, если хотите, недоразвитости) работы мозга является эффект слепоты, вызванной движением (motion induced blindness). На гифке внизу вы видите три отчетливых желтых точки на фоне вращающегося ковра из синих крестиков. Приблизьтесь к монитору и сфокусируйте свой взгляд на центральной зеленой мигающей точке. Безо всякого предупреждения и без какого-либо заметного порядка желтые точки будут то исчезать, то появляться вновь. Такое неожиданное и до сих пор толком не объясненное поведение нашего восприятия никак не связано с функциональной офтальмоголией, а скорее всего, напрямую связано с деятельностью мозга, поэтому я оставлю эту иллюзию без комментариев.
Напоследок я расскажу вам о жизненной оптической иллюзии, не связанной с хитро нарисованными картинками. В быту каждый день мы встречаем огромное количество людей, со многими из которых мы ведем длинные и короткие, нудные и интересные беседы. При разговоре с собеседником правила этикета, хорошего тона и банальной вежливости требуют смотреть прямо в глаза (ведь так?). Это несложно делать, когда вы общаетесь на обычном для беседы расстоянии. Но что, если речь об интимной беседе, когда лица собеседников находятся очень близко друг к другу? В какой глаз смотреть-то? Многие несознательно выбирают один глаз и не сводят своего взгляда с него. Мало кто смотрит между глаз на переносицу. Но большинство из нас на каком-то подсознательном уровне постоянно скачут взглядом с одного глаза собеседника на другой. Подобные скачкообразные и строго согласованные движения глаза, когда взгляд быстро по кратчайшей траектории переводится с одного объекта на другой, называются саккадами (от старинного французского слова, переводимого как "хлопок паруса").
Интересно, что же видят наши глаза в момент такого движения. Между двумя статистическими образами, информация, проецирующиася на нашу сетчатку во время быстрого перевода взгляда, очень нечеткая и банально размазанная, т.к. время, необходимое для такого микродвижения заметно меньше требуемого для полноценного срабатывания нейрорецепторов, последующей обработки полученной информации и финального распознавания объектов. Понятное дело, та размазня, уловленная глазом, никакой полезной информации не несет. Мозгу это тоже понятно, поэтому включается режим саккадной маскировки, когда при таком движении глаз промежуточная бесполезная визуальная информация просто напросто не воспринимается нашим сознанием. Т.е. наш мозг осознанно и вполне оправданно игнорирует видимую глазами во время движения картинку.
Не очень понятно, да? Как все вышесказанное связано с практикой? Пояснить это можно очень просто. Вот тут - очень короткое двухсекундное видео, на котором видно "со стороны", как происходит саккадное движение глаз, когда человек "скачет" по глазам собеседника.
А теперь встаньте к зеркалу поближе и посмотрите себе прямо в глаза... Ну в один из глаз. В самый любимый глаз. Потом быстро переведите взгляд на другой глаз, стараясь осмыслить общую картину, отображаемую в зеркале. А общая картинка - статична до безобразия. Вы чувствуете движения глаз, вы знаете наверняка, что ваши глазные яблоки заметным образом двигаются, но в зеркале вы видите анфасную фотографию себя любимого с предательски неподвижными глазами!
Я думаю, что тема зрительных иллюзий и оптических обманов - достаточно интересная, поэтому я постараюсь еще не раз вернуться к обсуждению нюансов визуального восприятия окружающего нас мира. Ну а на сегодня - все! И слон!
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОФТАЛЬМОЛОГИЯ
[00] Пролог. Вступление. Анонс. Прелюдия.
[01] Как же оно все устроено?
[02] Рефракция и внутриглазное давление.
[03] Почему мы видим не то, что видим или оптические мозгодурилки.