СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ИНЕРЦИОННОСТИ ЗРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА
METHOD OF DETERMINING TIME OF HUMAN VISUAL SYSTEM PERSISTENCE

Изобретение относится к медицине и предназначено для определения времени инерционности зрительной системы человека.
п
э
Известен способ определения времени инерции зрения с использованием маятника и контрастных фильтров [1]. По данному способу измеряют пороговый контраст ε для заданного объекта при стационарном наблюдении, затем при разных контрастах К, создаваемых заданным набором фильтров, доводят эффективный контраст К до порога видимости подбором времени экспозиции τ, задаваемым амплитудой качания маятника. За время инерции принимается эффективное время сохранения зрительного впечатления, которое при времени экспозиции τ<0,01 с определяется по формуле:
п
θ=Кτ/ε.
Недостатком данного способа является использование механического принципа задания времени экспозиции, что снижает точность определения времени инерции.
Известен способ нейрофизиологических исследований временной переработки сигналов в стриарной коре животных. Эксперименты, проведенные по данному способу, установили у разных нейронов появление регистрируемого рецептивного поля через 20-80 мс после включения светового стимула, максимум реакции рецептивного поля - через 60-100 мс, а его исчезновение - через 100-200 мс [2]. По данному способу животных анестезировали, обездвиживали, искусственно вентилировали и термостабилизировали. Регистрацию рецептивного поля выполняли с использованием электроэнцефалограммы.
Недостатком способа является длительный подготовительный период перед проведением исследований.
Известны исследования инерционности зрительной системы человека с использованием электроретинографии и зрительных вызванных корковых потенциалов [3, 4, 5, 6].
Общим недостатком известных способов является сложность проведения исследований, необходимость использования специального оборудования, долгий подготовительный период перед исследованиями.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения времени инерционности зрительной системы человека путем предъявления испытуемому световых импульсов, заключающийся в том, что испытуемому предъявляют последовательность двух световых импульсов заданной длительности, равной, например, 50 мс, разделенных паузой, равной, например, 150 мс, повторяющихся через постоянный временной интервал порядка 1,5 с, длительность паузы между световыми импульсами уменьшают, пока испытуемый не определит момент субъективного слияния двух световых импульсов в один, причем на первом этапе измерений уменьшают длительность паузы между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью порядка 20 мс/с, пока испытуемый не определит оценочно субъективное слияние двух световых импульсов в один, на втором этапе измерений увеличивают длительность паузы между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью порядка 5 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов, на третьем этапе измерений уменьшают длительность паузы между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью порядка 2 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного слияния двух световых импульсов в один, время инерционности зрительной системы человека принимают равным значению длительности паузы в момент субъективного слияния двух световых импульсов в один [7].
Недостатком известного способа является его низкая достоверность, заключающаяся в том, что в известном способе определяется инерционность зрительной системы в целом, хотя известно, что зрительная система представляет собой два канала передачи информации - палочковый и колбочковый путь.
При этом известно также, что инерционность палочкового и колбочкового пути различна, что объясняется, в частности, разницей в их строении и организации, связях и количестве клеток [3].
Так, палочковый путь содержит палочковые фоторецепторы, биполярные и ганглиозные клетки, а также несколько видов амакриновых клеток, являющихся интернейронами. Фоторецепторы передают зрительную информацию к биполярным клеткам, которые являются нейронами второго порядка. При этом палочки контактируют только с биполярными клетками одной категории, называемыми палочковыми биполярными клетками, которые деполяризуются под действием света. Между палочками и деполяризующимися биполярами имеется инвертирующий синапс, который и осуществляет передачу сигнала от гиперполяризующихся под действием света палочек с негативным мембранным потенциалом к палочковым деполяризующимся биполярам с позитивным мембранным потенциалом. Эти деполяризующиеся биполяры в литературе названы on-центр-клетками, или клетками, имеющими рецептивные поля с on-центром. Такие палочковые пути называют оn-путями [3].
Колбочковый путь отличается от палочкового тем, что уже в наружном плексиформном слое колбочки имеют более обширные связи и синапсы связывают их с колбочковыми биполярами различных типов. Одни из них деполяризуются подобно палочковым деполяризующимся биполярам и формируют колбочковый on-путь с инвертирующими синапсами, другие гиперполяризуются, образуя off-путь, в котором колбочки контактируют с биполярами посредством предохраняющих синапсов. Колбочки фовеальной области, каждая из которых связана с двумя биполярами с on- и off-центром и двумя ганглиозными клетками с on- и off-центром, образующим соответствующие on- и off-каналы. Отличие колбочкового пути от палочкового состоит также в том, что колбочковые биполяры имеют прямые синапсы с дендритами ганглиозных клеток без промежуточных амакриновых клеток [3].
Согласно теории сложных систем, для характеристики любой сложной системы, необходимо иметь характеристики ее отдельных составных частей.
Тогда для определения инерционности зрительной системы человека необходимо определить инерционность палочковой и колбочковой системы человека.
Известно, что палочки определяют ночное видение, высокочувствительны к слабому свету и имеют максимальную чувствительность к сине-зеленой части спектра. Колбочки определяют функцию цветового зрения, обладают слабой чувствительностью к свету и максимальной чувствительностью к желто-зеленой части спектра [3].
Для того чтобы достоверно оценить инерционность зрительной системы, необходимо определить инерционность палочкового пути и инерционность колбочкового пути зрительной системы.
Для этого необходимо выборочное использование определенных частей спектра для воздействия на палочковые или колбочковые фоторецепторы. Так как и палочковые и колбочковые фоторецепторы обладают высокой чувствительностью к различным частям спектра, перекрывающимся в области зеленого цвета, то для определения инерционности палочкового пути зрительной системы необходимо использование синей части спектра, а для определения инерционности колбочкового пути зрительной системы необходимо использование желтой части спектра.
Технический результат предлагаемого способа определения инерционности зрительной системы человека заключается в повышении достоверности и расширении функциональных возможностей способа за счет определения инерционности палочкового пути и инерционности колбочкового пути зрительной системы.
пал
кол
Технический результат достигается тем, что испытуемому предъявляют последовательность двух световых импульсов заданной длительности, равной 50 мс, разделенных паузой, равной 150 мс, повторяющихся через постоянный временной интервал порядка 1,5 с, длительность паузы между световыми импульсами уменьшают, пока испытуемый не определит момент субъективного слияния двух световых импульсов в один, когда на первом этапе измерений уменьшают длительность паузы между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью порядка 20 мс/с, пока испытуемый не определит оценочно субъективное слияние двух световых импульсов в один, на втором этапе измерений увеличивают длительность паузы между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью порядка 5 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов, на третьем этапе измерений уменьшают длительность паузы между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью порядка 2 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного слияния двух световых импульсов в один, способ отличается тем, что испытуемому сначала предъявляют световые импульсы синего цвета, проводят первый, второй и третий этап измерений, причем на третьем этапе измерений значение длительности паузы в момент субъективного слияния двух световых импульсов в один принимают за время инерционности палочкового пути зрительной системы t, на четвертом этапе измерений испытуемому предъявляют световые импульсы желтого цвета, длительность паузы двумя световыми импульсами увеличивают с заданной постоянной скоростью порядка 5 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов, на пятом этапе измерений уменьшают длительность паузы между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью порядка 2 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного слияния двух световых импульсов в один, значение длительности паузы в момент субъективного слияния двух световых импульсов в один на пятом этапе измерений принимают за время инерционности колбочкового пути зрительной системы t, после чего вычисляют время инерционности зрительной системы человека как среднеарифметическое значение по формуле:
пал
кол
где t - время инерционности палочкового пути зрительной системы, мс; t - время инерционности колбочкового пути зрительной системы.
Инерционность зрительной системы при предъявлении световых импульсов принято характеризовать следующими параметрами [8, 9]:
1
- временем зрительного ощущения τ - временем между моментом воздействия света на сетчатку и моментом возникновения соответствующего зрительного ощущения;
2
- временем восстановления τ - временем между моментом прекращения воздействия света на сетчатку и моментом исчезновения соответствующего зрительного ощущения.
1
2
На фиг.1 представлены временные диаграммы светового импульса и его зрительного ощущения, где фиг.1а - временная диаграмма светового импульса, фиг.1б - временная диаграмма зрительного ощущения светового импульса, τ - время зрительного ощущения, τ - время восстановления зрительной системы человека.
и
мии
На фиг.2 представлены временные диаграммы пары световых импульсов длительностью τ=50 мс, разделенных межимпульсным интервалом t, и вызываемых ими зрительных ощущений, где
мии
- фиг.2а - временная диаграмма пары световых импульсов, разделенных межимпульсным интервалом t, вызывающим зрительное ощущение раздельности импульсов;
- фиг.2б - временная диаграмма зрительного ощущения пары световых импульсов, представленных на фиг.2а;
пор
- фиг.2в - временная диаграмма пары световых импульсов, разделенных пороговым межимпульсным интервалом t, при котором достигается субъективное ощущение слияния двух световых импульсов в паре в один;
- фиг.2г - временная диаграмма зрительного ощущения пары световых импульсов, представленных на фиг.2в;
1
- τ - время зрительного ощущения;
2
- τ - время восстановления зрительной системы.
мии
пор
мии
мии
пор
При предъявлении испытуемому двух световых импульсов, разделенных паузой t>t (фиг.2а), у него возникает ощущение двух световых импульсов (фиг.2б). При уменьшении длительности паузы t между двумя световыми импульсами до значения t=t (фиг.2в) возникает субъективное ощущение слияния двух световых импульсов в один (фиг.3г).
п
На фиг.3 представлена временная диаграмма предъявляемых световых импульсов, а на фиг.4 - временная диаграмма изменения длительности паузы t между двумя световыми импульсами при определении времени инерционности зрительной системы человека.
Предлагаемый способ определения времени инерционности зрительной системы человека осуществляется следующим образом.
и
п
п1
0
1
Испытуемому предъявляют последовательность двух световых импульсов синего цвета заданной длительности, равной τ=50 мс, разделенных паузой t, повторяющихся через постоянный временной интервал порядка Т=1,5 с (фиг.3). Начальную длительность паузы между двумя световыми импульсами задают равной t=150 мс (фиг.4, интервал времени T-T).
п
1
1
2
2
На первом этапе измерений уменьшают длительность паузы t между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью v порядка 20 мс/с (фиг.4, интервал времени T-T), пока испытуемый не определит оценочно субъективное слияние двух световых импульсов в один (фиг.4, момент времени Т).
п
2
3
4
4
На втором этапе измерений увеличивают длительность паузы t между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью v порядка 5 мс/с (фиг.4, интервал времени Т-Т), пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов (фиг.4, момент времени Т).
п
3
5
6
6
На третьем этапе измерений уменьшают длительность паузы t между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью v порядка 2 мс/с (фиг.4, интервал времени Т-Т), пока испытуемый не определит момент субъективного слияния двух световых импульсов в один (фиг.4, момент времени Т).
п
пал
7
Длительность паузы t между световыми импульсами, зафиксированную на третьем этапе t (максимальную длительность паузы между двумя световыми импульсами, при которой достигается субъективное ощущение слияния двух световых импульсов в один), принимают за время инерционности палочкового пути зрительной системы (фиг.4, момент времени Т).
и
пал
7
8
Затем испытуемому предъявляют последовательность двух световых импульсов желтого цвета заданной длительности, равной τ=50 мс, разделенных паузой t, повторяющихся через постоянный временной интервал порядка Т=1,5 с (фиг.4, интервал времени Т-Т).
п
4
8
9
9
На четвертом этапе измерений увеличивают длительность паузы t между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью v порядка 5 мс/с (фиг.4, интервал времени Т-Т), пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов (фиг.4, момент времени Т).
п
5
10
11
11
На пятом этапе измерений уменьшают длительность паузы t между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью v порядка 2 мс/с (фиг.4, интервал времени Т-Т), пока испытуемый не определит момент субъективного слияния двух световых импульсов в один (фиг.4, момент времени Т).
п
кол
12
Длительность паузы t между световыми импульсами, зафиксированную на пятом этапе t (максимальную длительность паузы между двумя световыми импульсами, при которой достигается субъективное ощущение слияния двух световых импульсов в один), принимают за время инерционности колбочкового пути зрительной системы (фиг.4, момент времени Т).
Время инерционности зрительной системы человека вычисляют как среднеарифметическое значение по формуле:
,
пал
кол
где t - время инерционности палочкового пути зрительной системы, мс; t - время инерционности колбочкового пути зрительной системы.
Таким образом, заявляемый способ определения времени инерционности зрительной системы человека обладает новыми свойствами, обуславливающими получение положительного эффекта.
и
п
п1
1
2
Пример 1. Испытуемому П., 27 лет, с помощью персонального компьютера, совместимого с IBM PC, выдающего через порт LPT на индикатор пульта испытуемого световые мелькания, предъявили последовательность двух световых импульсов синего цвета длительностью τ=50 мс, разделенных паузой t, повторяющихся через постоянный временной интервал, равный Т=1,5 с (фиг.3). Начальную длительность паузы между двумя световыми импульсами задали равной t=150 мс (фиг.4, интервал времени Т-Т). В процессе измерений через порт LPT на персональный компьютер с пульта испытуемого подавались сигналы с кнопок "Уменьшение быстрое", "Увеличение медленное", "Уменьшение медленное" и "Измерение".
1
2
4
3
5
При наличии сигнала с кнопки "Уменьшение быстрое" компьютер уменьшал длительность паузы между двумя световыми импульсами со скоростью v≅20 мс/с, при наличии сигнала с кнопок "Увеличение медленное" и "Уменьшение медленное" - соответственно увеличивал со скоростью v=v≅5 мс/с и уменьшал со скоростью v=v≅2 мс/с длительность паузы между двумя световыми импульсами, по сигналу с кнопки "Измерение" - фиксировал длительность паузы между предъявляемыми одиночными световыми импульсами в момент субъективного слияния двух световых импульсов в один.
1
2
2
На первом этапе испытуемый, подавая сигнал с кнопки "Уменьшение быстрое" (фиг.4, интервал времени Т-Т), определил оценочно субъективное слияние двух световых импульсов в один (фиг.4, момент времени Т).
3
4
4
На втором этапе испытуемый, подавая сигнал с кнопки "Увеличение медленное" (фиг.4, интервал времени Т-Т), определил момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов (фиг.4, момент времени Т).
5
6
6
7
На третьем этапе испытуемый, подавая сигнал с кнопки "Уменьшение медленное" (фиг.4, интервал времени Т-Т), определил момент субъективного слияния двух световых импульсов в один (фиг.4, момент времени Т), затем подал сигнал с кнопки "Измерение" (фиг.4, момент времени Т).
пал
и
пал
7
8
Компьютер определил длительность паузы t=24 мс и предъявил последовательность двух световых импульсов желтого цвета длительностью τ=50 мс, разделенных паузой t, повторяющихся через постоянный временной интервал, равный Т=1,5 с (фиг.4, интервал времени Т-Т).
8
9
9
На четвертом этапе измерений испытуемый, подавая сигнал с кнопки "Увеличение медленное" (фиг.4, интервал времени Т-Т), определил момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов (фиг.4, момент времени Т).
10
11
11
12
На пятом этапе измерений испытуемый, подавая сигнал с кнопки "Уменьшение медленное" (фиг.4, интервал времени Т-Т), определил момент субъективного слияния двух световых импульсов в один (фиг.4, момент времени Т), затем подал сигнал с кнопки "Измерение" (фиг.4, момент времени Т).
кол
зс
Компьютер определил длительность паузы t=32 мс, вычислил время инерционности зрительной системы по формуле (1) t=28 мс и предъявил начальную последовательность двух световых импульсов.
В соответствии с рекомендациями физиологов испытуемый выполнил серию из 10 измерений. В результате измерений получены следующие значения времени инерционности в мс:
- значения времени инерционности палочкового пути зрительной системы испытуемого: 24; 26; 25; 24; 22; 25; 23; 24; 24; 26
- значения времени инерционности колбочкового пути зрительной системы испытуемого: 32; 30; 31; 31; 34; 33; 32; 31; 30; 32.
Время инерционности, вычисленное в соответствии с формулой (1), составило в мс: 28; 28; 28; 27,5; 28; 29; 27,5; 27,5; 27; 29.
Среднее арифметическое вычисленных значений времени инерционности зрительной системы равно 27,95 мс, среднее квадратическое отклонение - 0,643 мс, доверительные границы случайной составляющей погрешности результата измерений при доверительной вероятности 0,95 с учетом коэффициента Стьюдента - 1,451 мс.
Пример 2. Испытуемая К., 35 лет, аналогично испытуемому П., выполнила серию из 10 измерений. В результате измерений получены следующие значения времени инерционности зрительной системы в мс:
- значения времени инерционности палочкового пути зрительной системы испытуемого: 20; 21; 23; 22; 21; 20; 19; 21; 20; 20.
- значения времени инерционности колбочкового пути зрительной системы испытуемого: 35; 33; 32; 34; 34; 36; 37; 34; 35; 33.
Время инерционности, вычисленное в соответствии с формулой (1), составило в мс: 27,5; 27; 27,5; 28; 27,5; 28; 28; 27,5; 27,5; 26,5.
Среднее арифметическое вычисленных значений времени инерционности зрительной системы равно 27,50 мс, среднее квадратическое отклонение -  0,471 мс, доверительные границы случайной составляющей погрешности результата измерений при доверительной вероятности 0,95 с учетом коэффициента Стьюдента - 1,063 мс.
Таким образом, согласно теории сложных систем, для характеристики любой сложной системы необходимо получить характеристики отдельных ее подсистем, то есть для определения инерционности зрительной системы, являющейся сложной системой, в целом необходимо определить инерционность отдельных ее подсистем: палочкового пути и колбочкового пути, а затем предложить ее определяющий интегральный показатель.
Предлагаемый способ определения времени инерционности зрительной системы человека позволяет:
- повысить достоверность способа определения времени инерционности зрительной системы;
- расширить функциональные возможности способа определения времени инерционности зрительной системы за счет определения время инерционности палочкового и колбочкового пути зрительной системы человека.
Положительный эффект предлагаемого способа определения времени инерционности зрительной системы человека подтвержден результатами экспериментального исследования на группе из 10 испытуемых.
Таким образом, предлагаемый способ определения времени инерционности зрительной системы человека позволяет повысить достоверность способа и расширить его функциональные возможности.
Литература
1. Луизов А.В. Глаз и свет. - Л.: Энергия, 1983. - 140 с.
2. Шевелев И.А. Временная переработка сигналов в зрительной коре / Физиология человека, 1997, том 23, №2, с.68-79.
3. Шамшинова A.M., Волков В.В. Функциональные методы исследования в офтальмологии: - М.: Медицина, 1999. - 416 с.
4. Татко В.Л. Хронометрия процессов переработки информации человеком. Итоги науки и техники. Серия Физиология человека и животных. Том 35. Проблемы современной психофизиологии, М., ВИНИТИ, 1989, с.3-144.
5. Бетелева Т.Г. Функциональная специализация полушарий при составлении наличного и предыдущего стимулов / Физиология человека, 2000, том 26, №3, с.21-30.
6. Нечаев В.Б., Ключарев В.А., Кропотов Ю.Д., Пономарев В.А. Вызванные потенциалы коры больших полушарий при сравнении зрительных стимулов / Физиология человека, 2000, том 26, №2, с.17-23.
7. Патент 2195174 РФ, А61В 5/16. Способ определения времени инерционности зрительной системы человека / В.В.Роженцов, И.В.Петухов. - Опубл. 27.12.2002, Бюл. №36.
8. Кравков С.В. Глаз и его работа. Психофизиология зрения, гигиена освещения. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1950. - 531 с.
9. Семеновская Е.Н. Электрофизиологические исследования в офтальмологии. - М.: Медгиз, 1963. - 279 с.