Новые гипотезы о строении и функционировании первого отдела зрительного анализатора

УДК 681.784.3

А.С. Борисек, А.В. Кальницкий МПСКТБ, Новосибирск

НОВЫЕ ГИПОТЕЗЫ О СТРОЕНИИ И ФУНКЦИОНИРОВАНИИ ПЕРВОГО ОТДЕЛА ЗРИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗАТОРА

К зрению вообще и к устройству глаза у человечества интерес существовал давно. Первое описание строения человеческого глаза относится к 130-200 годам н.э. С тех пор накоплено много знаний об устройстве глаза, о совместной работе глаз и других отделов зрительного анализатора, психофизиологии зрения. Эти знания используются при проектировании оптических приборов, работающих с человеческим глазом, их пытаются использовать и при создании систем технического зрения. Однако успехи в этой области пока еще более чем скромные. Существующие теоретические и эмпирические модели, отражающие те или иные свойства зрительной системы человека и других живых существ, удовлетворительно описывают их свойства и ряд феноменов зрения. Однако накопилось и множество артефактов, которые существующие модели описать не в состоянии. Отметим некоторые из них.

Начнем со строения глаза. Оптическая система глаза является нецентрированной, это обстоятельство сильно затрудняет моделирование глаза в терминах геометрической оптики. Кроме того, известная аналогия строения глаза с устройством фотоаппарата не выдерживает критики при ближайшем рассмотрении. Действительно, если сравнивать сетчатку с фотопленкой в фотоаппарате, то “фотопленка” как бы заряжена светочувствительным слоем от фотографического объектива. Всем известно, что прежде чем свет в глазу попадает собственно на палочки и колбочки он проходит несколько слоев различной природы. Два слоя взаимно перпендикулярных нервных волокон, слой ганглиозных клеток, биполярные клетки, горизонтальные клетки. Если рассмотреть эволюцию органов зрения живых существ, то можно увидеть, что функции зрительного аппарата по мере эволюции развиваются, усложняются, более сложные механизмы зрения в соответствии с диалектическим законом “двойного отрицания” не подменяют более древние механизмы, не уничтожают их, а включают как составную часть, давая мозгу новые возможности. По-видимому, более древние слои сетчатки воспринимают только часть информации из изображений, формируемых оптической системой глаза. Кое-что об этом известно давно, так палочки не воспринимают информации о цвете, эту часть информации воспринимают колбочки. Во всех средах глаза свет испытывает двулучепреломление, в том числе и на двух слоях взаимно перпендикулярных нервных волокон, которые и сами по себе, по- видимому, воспринимают часть информации.

Известно, что нервные волокна представляют собой цилиндрические линзы, в плоскости изображения которых (чаще всего это фокальная плоскость вследствие их геометрии) свет фокусируется в линию. Второй слой таких же нервных волокон “прерывает” эту линию, формирую линейную

матрицу точек. Таким образом, за оптически светосильным растром нервных волокон формируется матрица точек, которые и составляют, собственно изображение. Эти “точки” далее анализируются специализированными клетками сетчатки. Повторюсь, но хочу еще раз подчеркнуть, что в своей многолетней работе по исследованию некоторых аспектов зрения, я использовал принцип историзма. Взаимно перпендикулярные нервные волокна как самый древний слой сетчатки задали направление формирования других механизмов зрения.

Известно, что Фурье образ светящейся точки в фокальной плоскости оптического элемента, ее отображающего, представляет собой матрицу точек во взаимно перпендикулярным распределение интенсивности света. На каждом волокне луч света испытывает двулучепреломление, на двух слоях волокон - это происходит дважды. Таким образом, формируются условия для интерференции двух пар «обыкновенного» и «необыкновенного» лучей в эквивалентной фокальной плоскости системы цилиндрических линз нервных волокон.

Плоскость

динамической Фурье-голограммы

Рис.1. Двойной двулучепреломляющий цилиндрический растр

В этой плоскости формируется динамическая Фурье-голограмма. Воистину, только слепой не увидит в рассмотренной гипотезе практически идеальных условий для Фурье-анализа оптического поля, сформированного оптической системой переднего отдела глаза. Известно, что зрительные пигменты, имеющиеся в колбочках вполне пригодны и для трансляции оптической информации Фурье-голограммы в нервные импульсы. Логарифмическая чувствительность палочек и колбочек вполне «вписывается» в это предположение.

Кроме того, в мире сегодня бурно развивается так называемая «голографическая теория зрения», существуют работы, компьютерные программы, которые, опираясь на теоретические выводы Фурье-оптики, моделируют многие иллюзии зрения, которые признанные официальные

теории объяснить не в состоянии. Конечно же, и «голографическая теория зрения» не может описать всех феноменов зрения, но она существенно дополняет интегральную модель зрения, накопленную человечеством. Все существующие модели зрения сами по себе, по-видимому, отражают некие объективно существующие существенные свойства зрительного аппарата. Возможно, что некоторые из них входят в другие модели на правах частного случая, но чаще всего они объективно отражают именно лишь некоторые свойства зрения, отражающие реально реализованные природой в зрительном аппарате механизмы зрения.

Этот тезис подтверждает тот факт, что, например, при рассмотрении вопроса стереоскопического и глубинного зрения чаще всего исследователи имеют в виду чисто бинокулярный стереоэффект (ЧБС). Однако сегодня известны еще четыре механизма стереоскопического зрения, которые реально существуют, ими реально пользуются исполнители точных зрительных работ, например в фотограмметрическом и картографическом производстве, но приборная база для их исследования на сегодня отсутствует. Это не позволяет решать необходимые производственные проблемы комплексно, сдерживает развитие этих отраслей знаний о Земле.

До сих пор удовлетворительно не решены проблемы автоматизации многих производственных процессов в геодезии, картографии, фотограмметрии. Бурное развитие и применение вычислительной техники не привело к существенному повышению производительности труда в этих отраслях. Все дело в нерешенности многих накопившихся чисто научных проблем в области знаний о зрении живых существ и создания систем технического зрения. Именно тогда и можно будет многочисленные зрительные работы в топографо-геодезическом производстве переложить, так сказать, «на плечи» компьютеризированных систем.

Обратим внимание и не устройство переднего отдела глаза человека и некоторых высших животных. Как было отмечено выше, «фотографическая» аналогия устройства глаза не совсем корректна. Это относится и к устройству переднего его отдела. Представления Леонардо да Винчи о том, что хрусталик глаза именно та оптическая его «деталь», которая отвечает за «наводку на резкость», в научных кругах именуемой аккомодацией, оказалось неверными.

Хрусталик является не монолинзой. Он состоит из «долек» кривизна каждой управляется своей цилиарной мышцей. При относительно большой светосиле переднего отдела глаза так называемая «глубина резко изображаемого пространства» никак не соответствует реальной величине этого параметра для живого глаза. Каждая долька резко изображает свою область пространства. Кстати, Фурье-голографическая модель легко объясняет отсутствие в глазу вообще механизма «наводки на резкость».

Дело в том, что Фурье образ любой точки пространства предметов расположен в фокальной плоскости и вообще не требует аккомодации. Аккомодация, по-видимому, лишь обеспечивает условия резкого изображения всего предметного пространства, видимого человеком. Поэтому знания о

механизмах «живого» зрения, остро необходимые разработчикам систем технического зрения, ждет в ближайшее время существенная модернизация, которая позволит на некоторое время снять противоречия теории и эксперимента, но и позволит, наконец, создать работоспособные системы технического зрения, которые смогут не только решить накопившиеся прикладные задачи, но и дать мощный импульс фундаментальным исследованиям.

К фундаментальным проблемам, имеющим отношение и к оптикоэлектронному приборостроению, несомненно, относится и феномен двулучепреломление, а также тесно связанная с этим артефактом поляризация излучения вообще и оптического излучения в частности.

До сих пор двулучепреломление объяснялось, очень, впрочем, неубедительно, анизотропией некоторых сред. Существенное различие свойств, в частности оптических, в направлениях, отличающихся по своей пространственной ориентации столь незначительно (анизотропия) действительно малоубедительное объяснение этого феномена. Куда более логично было бы предположить существования двух «разных» оптических излучений, скажем с левой и правой динамической поляризацией, или с другими иными существенными оптическими свойствами, которые делают эти два оптических излучения одновременно и очень схожими по своим фундаментальным характеристикам (длина волны, энергия, плоскость поляризации) в то же время существенно различными в отношении анизотропии.

Три года назад увенчанная Нобелевской премией работа по т.н. «хиральности» дала подсказку в разгадке этого явления. Все вещества по своей стереохимической или точнее сказать и по стереофизической микроструктуре разделяются на право- и левовращающие плоскость поляризации оптического излучения. Тот факт, что левовращающие изомеры или их растворы, являются биологически активными (кроме сахара, биологически активен правовращающий изомер), подтверждает тезис о том, что анизотропия многолика, поэтому в ее основе должно лежать какое-то фундаментальное свойство, являющееся фундаментальным для всего мироздания. Из всей физики, только оптика пока еще не переживает острого методологического кризиса.

Поэтому именно физику-оптику, на мой взгляд, предстоит разрешить эту фундаментальную проблему. Созданное недавно Межвузовское профессиональное студенческое конструкторско-технологическое бюро «НИИГАиК» уже активно работает в этом направлении. Мы ожидаем, что привлечение к этой работе молодых талантливых ученых из разных научных школ Новосибирска не только вольет столь необходимую для науки молодую кровь, но и существенно продвинет нас на бесконечном пути разгадывания загадок природы, позволит увереннее и эффективнее отвечать на вызовы времени.

© А.С. Борисек, А.В. Кальницкий, 2005