Зображення предметів на сітківці людини очі є. Формування зображення на сітківці. у центральній частині РП

Око- орган зору тварин та людини. Око людини складається з очного яблука, сполученого зоровим нервом з головним мозком, та допоміжного апарату (століття, слізні органи та м'язи, що рухають очне яблуко).

Очне яблуко (рис. 94) захищене щільною оболонкою, яка називається склерою. Передня (прозора) частина склери 1 називається рогівкою. Рогівка є найчутливішою зовнішньою частиною людського тіла (навіть найлегший її дотик викликає миттєве рефлекторне змикання повік).

За рогівкою розташована райдужна оболонка 2, яка може мати різний колір. Між рогівкою та райдужною оболонкою знаходиться рідка рідина. У райдужній оболонці є невеликий отвір - зіниця 3. Діаметр зіниці може змінюватися від 2 до 8 мм, зменшуючись на світлі та збільшуючись у темряві.

За зіницею розташоване прозоре тіло, що нагадує двоопуклу лінзу, - кришталик 4. Зовні він м'який і майже драглистий, усередині твердіший і пружний. Кришталик оточений м'язами 5, що прикріплюють його до склери.

За кришталиком розташоване склоподібне тіло 6, що являє собою безбарвну драглисту масу. Задня частина склери - око дно - покрите сітчастою оболонкою (сітківкою) 7. Вона складається з найтонших волокон, що встеляють очне дно і є розгалуженими закінченнями зорового нерва.

Як виникають та сприймаються оком зображення різних предметів?

Світло, заломлюючись в оптичній системі ока, яку утворюють рогівка, кришталик і склоподібне тіло, дає на сітківці дійсні, зменшені та зворотні зображення предметів, що розглядаються (рис. 95). Потрапивши на закінчення зорового нерва, з яких складається сітківка, світло дратує ці закінчення. По нервових волокнах ці роздратування передаються у мозок, і в людини з'являється зорове відчуття: вона бачить предмети.

Зображення предмета, що виникає на сітківці ока, є перевернутим. Першим, хто це довів, збудувавши хід променів в оптичній системі ока, був І. Кеплер. Щоб перевірити цей висновок, французький вчений Р. Декарт (1596-1650) взяв око бика і, зіскобивши з його задньої стінки непрозорий шар, помістив в отворі, виконаному у віконному віконниці. І відразу на напівпрозорій стінці очного дна він побачив перевернуте зображення картини, що спостерігалася з вікна.

Чому ж тоді ми бачимо всі предмети такими, якими вони є, тобто неперевернутими? Справа в тому, що процес зору безперервно коригується мозком, який отримує інформацію не тільки через очі, але й через інші органи почуттів. Свого часу англійський поет Вільям Блейк (1757-1827) дуже вірно помітив:

За допомогою ока, а не оком
Дивитись на світ уміє розум.

У 1896 р. американський психолог Дж. Стреттон поставив у собі експеримент. Він одягнув спеціальні окуляри, завдяки яким на сітківці очі зображення навколишніх предметів виявлялися не зворотними, а прямими. І що ж? Світ у свідомості Стреттона перекинувся. Всі предмети він став бачити нагору ногами. Через це сталося неузгодженість у роботі очей з іншими органами почуттів. У вченого виникли симптоми морської хвороби. Протягом трьох днів він відчував нудоту. Однак на четверту добу організм став приходити в норму, а на п'ятий день Стреттон почував себе так само, як і до експерименту. Мозок вченого освоївся з новими умовами роботи, і всі предмети знову став бачити прямими. Але коли він зняв окуляри, все знову перевернулося. Вже за півтори години зір відновився, і він знову став бачити нормально.

Цікаво, що така пристосованість характерна лише людського мозку. Коли в одному з експериментів окуляри надягли мавпи, то вона отримала такий психологічний удар, що, зробивши кілька невірних рухів і впавши, прийшла в стан, що нагадує кому. У неї стали згасати рефлекси, впав кров'яний тиск і дихання стало частим і поверховим. У людини нічого подібного немає.

Однак і людський мозок не завжди здатний впоратися з аналізом зображення, що виходить на сітківці ока. У таких випадках виникають ілюзії зору - предмет, що спостерігається, нам здається не таким, яким він є насправді (рис. 96).

Є ще одна особливість зору, про яку не можна сказати. Відомо, що при зміні відстані від лінзи до предмета змінюється відстань до зображення. Яким чином на сітківці зберігається чітке зображення, коли ми переводимо свій погляд з віддаленого предмета на ближчий?

Виявляється, ті м'язи, які прикріплені до кришталика, здатні змінювати кривизну поверхонь і тим самим оптичну силу ока. Коли ми дивимося на далекі предмети, ці м'язи перебувають у розслабленому стані і кривизна кришталика виявляється порівняно невеликою. При перекладі погляду на довколишні предмети очні м'язи стискають кришталик, та його кривизна, отже, і оптична сила збільшуються.

Здатність ока пристосовуватися до бачення як на близькій, так і на далекій відстані називається акомодацією(Від лат. accomodatio – пристосування). Завдяки акомодації людині вдається фокусувати зображення різних предметів на тому самому відстані від кришталика - на сітківці ока.

Однак при дуже близькому розташуванні предмета, що розглядається, напруга м'язів, що деформують кришталик, посилюється, і робота ока стає стомлюючою. Оптимальна відстань при читанні та письмі для нормального ока становить близько 25 см. Цю відстань називають відстанню ясного (або найкращого) зору.

Яку перевагу дає зір двома очима?

По-перше, саме завдяки наявності двох очей ми можемо розрізняти, який із предметів знаходиться ближче, який далі від нас. Справа в тому, що на сітківках правого і лівого ока виходять зображення, що відрізняються один від одного (відповідні погляду на предмет як би праворуч і зліва). Чим ближче предмет, тим помітніша ця відмінність. Воно і створює враження різниці у відстанях. Ця здатність зору дозволяє бачити предмет об'ємним, а чи не плоским.

По-друге, завдяки наявності двох очей збільшується поле зору. Поле зору людини зображено малюнку 97, а. Для порівняння поруч із ним показані поля зору коня (рис. 97, в) та зайця (рис. 97, б). Дивлячись на ці малюнки легко зрозуміти, чому хижакам так важко підкрастися до цих тварин, не видавши себе.

Зір дозволяє людям бачити одне одного. Чи можна бачити самому, але для інших бути невидимим? Вперше на це запитання спробував відповісти у своєму романі "Людина-невидимка" англійський письменник Герберт Уеллс (1866-1946). Людина виявиться невидимою після того, як її речовина стане прозорою і володіє тією ж оптичною щільністю, що і навколишнє повітря. Тоді відображення та заломлення світла на межі людського тіла з повітрям не буде, і воно перетвориться на невидимку. Так, наприклад, товчене скло, що має на повітрі вигляд білого порошку, тут же зникає з поля зору, коли його поміщають у воду - середовище, що володіє приблизно тією ж оптичною щільністю, що і скло.

У 1911 р. німецький вчений Шпальтегольц просочив препарат мертвої тканини тварини спеціально приготовленою рідиною, після чого помістив його в посудину з такою ж рідиною. Препарат став невидимим.

Однак людина-невидимка має бути невидимою на повітрі, а не в спеціально приготованому розчині. А цього досягти не вдається.

Але припустимо, що людині таки вдасться стати прозорою. Люди перестануть його бачити. А чи зможе він сам їх бачити? Ні, адже всі його частини, в тому числі й очі, перестануть переломлювати світлові промені, і, отже, жодного зображення на сітківці не виникатиме. Крім того, для формування у свідомості людини видимого образу світлові промені мають поглинатися сітківкою, передаючи їй свою енергію. Ця енергія необхідна для виникнення сигналів, що надходять з зорового нерва в мозок людини. Якщо ж у людини-невидимки очі стануть абсолютно прозорими, то цього не відбуватиметься. А якщо так, то він взагалі перестане бачити. Людина-невидимка буде сліпою.

Герберт Уеллс не врахував цієї обставини і тому наділив свого героя нормальним зором, що дозволяє йому, залишаючись непоміченим, тероризувати ціле місто.

1. Як влаштовано око людини? Які її частини утворюють оптичну систему? 2. Охарактеризуйте зображення, що виникає на сітківці ока. 3. Як передається зображення предмета у мозок? Чому ми бачимо предмети прямими, а чи не перевернутими? 4. Чому, переводячи погляд близького предмета на віддалений, ми продовжуємо бачити його чіткий образ? 5. Чому дорівнює відстань найкращого зору? 6. Яку перевагу дає зір двома очима? 7. Чому людина-невидимка має бути сліпою?

Рецептора

Аферентного провідного шляху

3) зони кори, куди проектується цей вид чутливості-

І. Павлов назвав аналізатором.

У сучасній науковій літературі аналізатор найчастіше називають сенсорною системою. У кірковому кінці аналізатора відбуваються аналіз та синтез отриманої інформації.

Зорова сенсорна система

Орган зору – око – складається з очного яблука та допоміжного апарату. З очного яблука виходить зоровий нерв, що з'єднує його з головним мозком.

Очне яблуко має форму кулі, більш опуклої спереду. Воно лежить у порожнині очної ямки і складається з внутрішнього ядра і оточуючих його трьох оболонок: зовнішньої, середньої та внутрішньої (рис. 1).

Мал. 1. Горизонтальний розріз очного яблука та механізм акомодації (схема) [Косицький Г. І., 1985]. У лівій половині кришталик (7) уплощен при розгляді далекого предмета, а справа він став більш опуклим за рахунок акомодаційного зусилля при розгляді близького предмета 1 - склера; 2 – судинна оболонка; 3 – сітківка; 4 – рогівка; 5 – передня камера; 6 - райдужка; 7 – кришталик; 8 – склоподібне тіло; 9 - війний м'яз, війкові відростки та війна зв'язка (циннова); 10 – центральна ямка; 11 - зоровий нерв

ОЧНЕ ЯБЛУКО

Зовнішня оболонканазивається волокнистої, або фіброзної. Задній відділ її представляє білочну оболонку, або склеру, Що захищає внутрішнє ядро ​​ока і допомагає зберегти його форму. Передній відділ представлений більш опуклою прозорою рогівкоючерез яку в око проникає світло.

Середня оболонкабагата на кровоносні судини і тому називається судинною. У ній виділяють три частини:

передню – райдужку

середню - війкове тіло

задню - власне судинну оболонку.

Райдужка має форму плоского кільця, колір її може бути блакитний, зеленувато-сірий або коричневий залежно від кількості та характеру пігменту. Отвір у центрі райдужної оболонки - зіниця- здатне звужуватися та розширюватися. Величину зіниці регулюють спеціальний очні м'язи, розташовані в товщі райдужної оболонки: сфінктер (зіживач) зіниці і дилататор зіниці, що розширює зіницю. Ззаду від райдужки знаходиться війне тіло - круговий валик, внутрішній край якого має війкові відростки. У ньому закладено війний м'яз, скорочення якого через спеціальну зв'язку передається на кришталик і він змінює свою кривизну. Власне судинна оболонка- велика задня частина середньої оболонки очного яблука, що містить чорний пігментний шар, який поглинає світло.

Внутрішня оболонкаочного яблука називається сітківкою, чи сітчастою оболонкою. Це світлочутлива частина ока, що покриває зсередини судинну оболонку. Вона має складну будову. У сітківці знаходяться світлочутливі рецептори – палички та колбочки.

Внутрішнє ядро ​​очного яблукаскладають кришталик, склоподібне тіло та водяниста волога передньої та задньої камер ока.

Кришталикмає форму двоопуклої лінзи, він прозорий і еластичний, розташований позаду зіниці. Кришталик заломлює світлові промені, що входять в око, і фокусує їх на сітківці. У цьому йому допомагають рогівка та внутрішньоочні рідини. За допомогою вії м'язи кришталик змінює свою кривизну, приймаючи форму, необхідну то для "далекого", то для "ближнього" бачення.

Позаду кришталика знаходиться скловидне тіло- Прозора желеподібна маса.

Порожнина між рогівкою та райдужкою складає передню камеру ока, а між райдужкою та кришталиком – задню камеру. Вони заповнені прозорою рідиною – водянистою вологою та повідомляються між собою через зіницю. Внутрішні рідини ока знаходяться під тиском, який визначають як внутрішньоочний тиск. У разі підвищення його можуть виникнути порушення зору. Підвищення внутрішньоочного тиску є ознакою тяжкого захворювання очей – глаукоми.

Допоміжний апарат окаскладається із захисних пристроїв, слізного та рухового апарату.

До захисних утвореньвідносяться брови, вії та повіки.Брови оберігають око від поту, що стікає з чола. Вії, що знаходяться на вільних краях верхньої та нижньої повіки, захищають очі від пилу, снігу, дощу. Основу століття становить сполучнотканинна пластинка, що нагадує хрящ, зовні вона покрита шкірою, а зсередини - сполучною оболонкою. кон'юнктивою. З століття кон'юнктива переходить на передню поверхню очного яблука, крім рогівки. При зімкнутих повіках утворюється вузький простір між кон'юнктивою повік і кон'юнктивою очного яблука - кон'юнктивальний мішок.

Слізний апарат представлений слізною залозою та сльозовивідними шляхами. Слізна залоза займає ямку у верхньому кутку латеральної стінки очної ямки. Декілька її проток відкривається у верхнє склепіння кон'юнктивального мішка. Сльоза омиває очне яблуко і постійно зволожує рогівку. Руху слізної рідини у бік медіального кута ока сприяють миготливі рухи повік. У внутрішньому кутку ока сльоза скупчується у вигляді слізного озера, на дні якого видно слізний сосочок. Звідси через слізні точки (точкові отвори на внутрішніх краях верхнього та нижнього віків) сльоза потрапляє спочатку у слізні канальці, а потім у слізний мішок. Останній переходить у нососльозну протоку, яким сльоза потрапляє в порожнину носа.

Двигун ока представлений шістьма м'язами.. М'язи починаються від сухожильного кільця навколо зорового нерва в глибині очної ямки і прикріплюються до очного яблука. Виділяють чотири прямі м'язи очного яблука (верхній, нижній, латеральний і медіальний) і два косі м'язи (верхній і нижній). М'язи діють таким чином, що обидва очі рухаються спільно і спрямовані в ту саму точку. Від сухожильного кільця починається також м'яз, що піднімає верхню повіку. М'язи очі скреслені і скорочуються довільно.

Фізіологія зору

Світлочутливі рецептори ока (фоторецептори) – колбочки та палички, що розташовуються у зовнішньому шарі сітківки. Фоторецептори контактують з біполярними нейронами, а ті у свою чергу – з гангліозними. Утворюється ланцюг клітин, які під дією світла генерують і проводять нервовий імпульс. Відростки гангліозних нейронів утворюють зоровий нерв.

Після виходу з ока зоровий нерв ділиться на дві половини. Внутрішня перехрещується і разом із зовнішньою половиною зорового нерва протилежної сторони прямує до латерального колінчастого тіла, де розташований наступний нейрон, що закінчується на клітинах зорової зони кори в потиличній частці півкулі. Частина волокон зорового тракту прямує до клітин ядер верхніх горбків пластинки даху середнього мозку. Ці ядра, як і ядра латеральних колінчастих тіл, є первинні (рефлекторні) зорові центри. Від ядер верхніх горбків починається тектоспінальний шлях, за рахунок якого здійснюються рефлекторні орієнтовні рухи, пов'язані із зором. Ядра верхніх горбків також мають зв'язки з парасимпатичним ядром окорухового нерва, розташованим під дном водопроводу мозку. Від нього починаються волокна, що входять до складу окорухового нерва, які іннервують сфінктер зіниці, що забезпечує звуження зіниці при яскравому світлі (зірочний рефлекс), і війний м'яз, що здійснює акомодацію ока.

Адекватним подразником для ока є світло – електромагнітні хвилі довжиною 400 – 750 нм. Коротші - ультрафіолетові і довші - інфрачервоні промені оком людини не сприймаються.

Заломлюючий світлові промені апарат ока - рогівка та кришталик, фокусує зображення предметів на сітківці. Промінь світла проходить через шар гангліозних та біполярних клітин і досягає колб та паличок. У фоторецепторах розрізняють зовнішній сегмент, що містить світлочутливий зоровий пігмент (родопсин у Галочках та йодопсин у колбочках), і внутрішній сегмент, в якому знаходяться мітохондрії. Зовнішні сегменти занурені у чорний пігментний шар, що вистилає внутрішню поверхню ока. Він зменшує віддзеркалення світла всередині очі та бере участь в обміні речовин рецепторів.

У сітківці налічують близько 7 млн. колб і приблизно 130 млн. паличок. Найбільш чутливі до світла палички, їх називають апаратом сутінкового зору. Колбочки, чутливість до світла яких у 500 разів менша, - це апарат денного та колірного бачення. Відчуття кольору, світ фарб доступний рибам, амфібіям, рептиліям і птахам. Доводиться це можливістю виробити вони умовні рефлекси різні кольори. Не сприймають кольори собаки та копитні тварини. Всупереч уявленню, що міцно встановилося, що бики дуже не люблять червоний колір, в дослідах вдалося довести, що вони не можуть відрізнити зеленого, синього і навіть чорного від червоного. З ссавців тільки мавпи та люди здатні сприймати кольори.

Колбочки та палички розподілені у сітківці нерівномірно. На дні ока, навпроти зіниці, знаходиться так звана пляма, в центрі її є поглиблення – центральна ямка – місце найкращого бачення. Сюди фокусується зображення під час розгляду предмета.

У центральній ямці є лише колбочки. У напрямку до периферії сітківки кількість колб зменшується, а кількість паличок зростає. Периферія сітківки містить лише палички.

Неподалік від плями сітківки, ближче до носа, розташована сліпа пляма. Це місце виходу зорового нерва. У цій ділянці немає фоторецепторів, і вона не бере участі у зорі.

Побудова зображення на сітківці.

Промінь світла досягає сітківки, проходячи через ряд заломлюючих поверхонь та середовищ: рогівку, водянисту вологу передньої камери, кришталик та склоподібне тіло. Промені, що виходять з однієї точки зовнішнього простору, повинні бути сфокусовані в одну точку на сітківці, тільки тоді можливе чітке бачення.

Зображення на сітківці виходить дійсне, перевернуте та зменшене. Незважаючи на те, що зображення перевернуто, ми сприймаємо предмети у прямому вигляді. Це тому, що діяльність одних органів чуття перевіряється іншими. Для нас "низ" там, куди спрямовано силу земного тяжіння.

Мал. 2. Побудова зображення в оці, а, б - предмет: а ", б" - його перевернуте та зменшене зображення на сітківці; С - вузлова точка, через яку промені йдуть без заломлення, а - кут зору

Гострота зору.

Гостротою зору називається здатність ока бачити окремо дві точки. Нормальному оку доступно, якщо величина їх зображення на сітківці дорівнює 4 мкм, а кут зору становить 1 хв. При меншому куті зору ясного бачення не виходить, крапки зливаються.

Гостроту зору визначають за спеціальними таблицями, на яких зображено 12 рядів букв. З лівого боку кожного рядка написано, з якої відстані вона повинна бути помітна людині з нормальним зором. Випробовуваного поміщають певній відстані від таблиці і знаходять рядок, яку він прочитує без помилок.

Гострота зору збільшується при яскравому освітленні і дуже низька при слабкому світлі.

Поле зору. Весь простір, видиме оку при нерухомо спрямованому вперед погляді, називають полем зору.

Розрізняють центральне (в області жовтої плями) та периферичний зір. Найбільша гострота зору у сфері центральної ямки. Тут лише колбочки, діаметр їх невеликий, вони тісно примикають одна до одної. Кожна колбочка пов'язана з одним біполярним нейроном, а той у свою чергу - з одним гангліозним, від якого відходить окреме нервове волокно, що передає імпульси головного мозку.

Периферичний зір відрізняється меншою гостротою. Це тим, що у периферії сітківки колбочки оточені паличками і кожна вже немає окремого шляху до мозку. Група колб закінчується на одній біполярній клітині, а безліч таких клітин посилає свої імпульси до однієї гангліозної. У зоровому нерві приблизно 1 млн. волокон, а рецепторів на оці близько 140 млн. волокон.

Периферія сітківки погано розрізняє деталі предмета, але сприймає їх руху. Бічний зір має значення для сприйняття зовнішнього світу. Для водіїв різного виду транспорту порушення його є неприпустимим.

Поле зору визначають за допомогою особливого приладу - периметра (рис. 133), що складається з півкола, розділеного на градуси, та підставки для підборіддя.

Мал. 3. Визначення поля зору за допомогою периметра Форстнера

Випробуваний, заплющивши одне око, другим фіксує білу крапку в центрі дуги периметра перед собою. Для визначення меж поля зору по дузі периметра, починаючи від кінця, повільно просувають білу марку і визначають той кут, під яким вона видно нерухомим оком.

Поле зору найбільше назовні, до скроні - 90 °, до носа і вгору і вниз - близько 70 °. Можна визначити межі колірного зору і при цьому переконатись у дивовижних фактах: периферичні частини сітківки не сприймають кольори; колірні поля зору не збігаються для різних кольорів, найвужче має зелений колір.

Акомодація.Око часто порівнюють із фотокамерою. У ньому є світлочутливий екран – сітківка, на якій за допомогою рогівки та кришталика виходить чітке зображення зовнішнього світу. Око здатне до ясного бачення рівновіддалених предметів. Ця його здатність зветься акомодації.

Заломлююча сила рогівки залишається постійною; тонке, точне фокусування йде за рахунок зміни кривизни кришталика. Цю функцію він виконує пасивно. Справа в тому, що кришталик знаходиться в капсулі, або сумці, яка через війну зв'язку прикріплена до війного м'яза. Коли м'яз розслаблений, зв'язка натягнута, вона тягне капсулу, яка сплющує кришталик. При напрузі акомодації для розглядання близьких предметів, читання, листи війковий м'яз скорочується, зв'язка, що натягує капсулу, розслабляється і кришталик через свою еластичність стає більш круглим, а його сила, що заломлює, збільшується.

З віком еластичність кришталика зменшується, він твердіє і втрачає здатність змінювати свою кривизну при скороченні м'яза вій. Це заважає чітко бачити на близькій відстані. Стареча далекозорість (пресбіопія) розвивається після 40 років. Виправляють її за допомогою окулярів - двоопуклих лінз, які надягають при читанні.

Аномалія зору.Аномалія, що зустрічається у молодих, найчастіше є наслідком неправильного розвитку ока, а саме його неправильної довжини. При подовженні очного яблука виникає короткозорість (міопія), зображення фокусується попереду сітківки. Віддалені предмети видно невиразно. Для виправлення короткозорості користуються двояковогнутими лінзами. При укороченні очного яблука спостерігається далекозорість (гіперметропія). Зображення фокусується позаду сітківки. Для виправлення потрібні двоопуклі лінзи (рис. 134).

Мал. 4. Рефракція при нормальному зорі (а), при короткозорості (б) та далекозорості (г). Оптична корекція короткозорості (в) та далекозорості (д) (схема) [Косицький Г. І., 1985]

Порушення зору, що називається астигматизмом, виникає у разі неправильної кривизни рогівки або кришталика. При цьому зображення в оці спотворюється. Для виправлення потрібні циліндричні скла, підібрати які не завжди легко.

Адаптація ока.

При виході з темного приміщення на яскраве світло ми спочатку засліплені і можемо відчувати біль в очах. Дуже швидко ці явища минають, очі звикають до яскравого освітлення.

Зменшення чутливості рецепторів ока до світла називається адаптацією. При цьому відбувається вицвітання зорового пурпуру. Закінчується світлова адаптація у перші 4 – 6 хв.

При переході зі світлого приміщення в темне відбувається темнова адаптація, що триває понад 45 хв. Чутливість паличок при цьому зростає у 200 000 – 400 000 разів. Загалом це явище можна спостерігати при вході в затемнений кінотеатр. Для вивчення ходу адаптації існують спеціальні прилади – адаптоміри.

З давніх часів око було символом всезнання, таємного знання, мудрості та пильності. І це не дивно. Адже саме завдяки зору ми отримуємо більшу частину інформації про навколишній світ. За допомогою очей ми оцінюємо розміри, форму, віддаленість та взаєморозташування предметів, насолоджуємося різноманіттям фарб та спостерігаємо рух.

Як влаштоване цікаве око?

Людське око нерідко порівнюють із фотоапаратом. Рогівка, прозора і опукла частина зовнішньої оболонки, подібна до лінзи об'єктива. Друга оболонка - судинна - спереду представлена ​​райдужкою, вміст пігменту в якій визначає колір очей. Отвір у центрі райдужної оболонки - зіниця - звужуючись при яскравому і розширюючись при тьмяному освітленні, регулює кількість світла, що надходить усередину ока, подібно до діафрагми. Друга лінза - рухливий і гнучкий кришталик оточений війним м'язом, який змінює ступінь його кривизни. Позаду кришталика розташоване склоподібне тіло — прозора драглиста речовина, яка підтримує пружність і кулясту форму очного яблука. Промені світла, проходячи крізь внутрішньоочні структури, падають на сітківку - найтоншу оболонку з нервової тканини, що вистилає око зсередини. Фоторецептори - світлочутливі клітини сітківки, подібно до фотоплівки фіксують зображення.

Чому кажуть, що ми бачимо мозком?

І все ж орган зору влаштований набагато складніше за найсучаснішу фототехніку. Адже ми не просто фіксуємо побачене, а оцінюємо ситуацію та реагуємо словами, діями та емоціями.

Праве та ліве око бачать предмети під різним кутом. Головний мозок поєднує обидва зображення воєдино, у результаті ми можемо оцінити обсяг предметів та його взаєморозташування.

Таким чином, картина зорового сприйняття формується у головному мозку.

Чому, намагаючись щось розглянути, ми звертаємо погляд у цей бік?

Найбільш чітке зображення формується при попаданні світлових променів у центральну зону сітківки – макулу. Тому, намагаючись розглянути щось уважніше, ми звертаємо погляд у відповідний бік. Вільний рух кожного ока у всіх напрямках забезпечується роботою шести м'язів.

Повіки, вії та брови — не лише гарне обрамлення?

Очне яблуко захищене від зовнішніх впливів кістковими стінками орбіти, м'якою жировою клітковиною, що вистилає її порожнину, та століттями.

Ми примружуємося, намагаючись уберегти очі від сліпучого світла, що висушує вітру та пилу. Густі вії при цьому стуляються, утворюючи захисний бар'єр. А брови призначені затримувати крапельки поту, що стікають з чола.

Кон'юнктива - тонка слизова оболонка, що покриває очне яблуко і внутрішню поверхню повік, містить сотні найдрібніших залізяків. Вони виробляють «мастило», яке забезпечує вільний рух повік при змиканні та захищає рогівку від висихання.

Акомодація ока

Як формується зображення на сітківці?

Для того щоб зрозуміти, як формується зображення на сітківці, необхідно згадати, що при проходженні з одного прозорого середовища в інше світлові промені заломлюються (тобто відхиляються від прямолінійного поширення).

Прозорими середовищами в оці є рогівка з сльозовою плівкою, що покриває її, водяниста волога, кришталик і склоподібне тіло. Найбільшу заломлюючу силу має рогівка, друга за силою лінза - кришталик. Слізна плівка, водяниста волога і склоподібне тіло мають зневажливо малу заломлюючу здатність.

Проходячи крізь внутрішньоочні середовища, світлові промені переломлюються і сходяться на сітківці, формуючи чітке зображення.

Що таке акомодація?

Будь-яка спроба перевести погляд призводить до дефокусування зображення та потребує додаткового налаштування оптичної системи ока. Вона здійснюється за рахунок акомодації – зміни заломлюючої сили кришталика.

Рухомий і гнучкий кришталик прикріплений за допомогою волокон цинової зв'язки до циліарного м'яза. При зорі вдалину м'яз розслаблений, волокна цинової зв'язки знаходяться в натягнутому стані, не дозволяючи кришталику набути опуклої форми. При спробі розглянути предмети поблизу циліарний м'яз скорочується, м'язове коло звужується, циннова зв'язка розслабляється і кришталик набуває опуклої форми. Тим самим збільшується його заломлююча здатність і на сітківці фокусуються предмети, розташовані на близькій відстані. Цей процес називається акомодацією.

Чому нам здається, що «з віком руки стають коротшими»?

З віком кришталик втрачає свої еластичні властивості, стає щільним і важко змінює свою заломлюючу здатність. В результаті ми поступово втрачаємо здатність до акомодації, що ускладнює роботу на близькій відстані. Під час читання ми намагаємося відсунути газету чи книгу далі від очей, але незабаром довжина рук виявляється недостатньою задля забезпечення чіткого зору.

Для корекції пресбіопії застосовують лінзи, що збирають, сила яких збільшується з віком.

Порушення зору

У 38% жителів нашої країни виявляються порушення зору, які потребують корекції очків.

В нормі оптична система ока здатна заломлювати світлові промені таким чином, щоб вони сходилися точно на сітківці, забезпечуючи чіткий зір. Щоб сфокусувати зображення на сітківці, оку з порушенням рефракції потрібна додаткова лінза.

Які бувають порушення зору?

Заломлююча сила ока визначається двома основними анатомічними факторами: довжиною передньозадньої осі ока та кривизною рогівки.

Близорукість або міопія. Якщо довжина осі ока збільшена або рогівка має велику заломлюючу силу, зображення формується перед сітківкою. Таке порушення зору називається короткозорістю чи міопією. Короткозорі добре бачать на близькій відстані і погано вдалину. Корекція досягається носінням окулярів з лінзами, що розсіюють (мінусовими).

Далекозорість чи гіперметропія. Якщо довжина осі ока зменшена або заломлююча сила рогівки невелика, зображення формується у уявній точці за сітківкою. Таке порушення зору називається далекозорістю чи гіперметропією. Існує помилкова думка, що далекозорі добре бачать вдалину. Вони відчувають труднощі при роботі на близькій відстані і часто погано бачать вдалину. Корекція досягається носінням окулярів з лінзами, що збирають (плюсовими).

Астигматизм. При порушенні сферичності рогівки існує різниця у заломлюючій силі за двома головними меридіанами. Зображення предметів на сітківці спотворене: одні чіткі лінії, інші розмиті. Таке порушення зору називається астигматизмом і вимагає носіння окулярів із циліндричними лінзами.

Око – орган, який відповідає за зорове сприйняття навколишнього світу. Він складається з очного яблука, яке за допомогою зорового нерва пов'язане з певними мозковими ділянками та допоміжних апаратів. До таких апаратів можна віднести слізні залози, м'язові тканини та повіки.

Очне яблуко вкрите спеціальною захисною оболонкою, яка захищає його від різних ушкоджень, склерою. Зовнішня частина такого покриття має прозору форму і називається рогівкою. Рогоподібна область, одна з найчутливіших частин людського організму. Навіть невелика дія на цю область призводить до того, що відбувається закриття очей століттями.

Під рогівкою знаходиться райдужна оболонка, колір якої може відрізнятися. Між цими двома шарами розташована спеціальна рідина. У будові райдужної оболонки є спеціальний отвір для зіниці. Його діаметр має властивість розширюватися і звужуватися в залежності від кількості світла, що надходить. Під зіницею знаходиться оптична лінза, кришталик, що нагадує своєрідне желе. Його кріплення до склер здійснюється за допомогою спеціальних м'язів. За оптичною лінзою очного яблука розташована область, що отримала назву - склоподібне тіло. Усередині очного яблука розташований шар, що має назву, очне дно. Ця ділянка покрита сітчастою оболонкою. Цей шар має у своєму складі тонкі волокна, які є закінченням очного нерва.

Після того як промені світла пройдуть крізь кришталик, вони проникають через склоподібне тіло і потрапляють на внутрішню тонку оболонку ока - сітківку.

Як відбувається побудова зображення

Зображення предмета, яке формується на сітківці ока, є процесом спільної роботи всіх складових очного яблука. Світлові промені, що надходять, переломлюються в оптичному середовищі очного яблука, відтворюючи на ретині зображення навколишніх предметів. Пройшовши крізь усі внутрішні шари, світло, потрапляючи на зорові волокна, дратує їх і певні мозкові центри передаються сигнали. Завдяки цьому процесу, людина здатна до зорового відчуття предметів.

Досить довгий час дослідників хвилювало питання, яке зображення виходить на сітківці ока. Одним із перших дослідників цієї теми став І. Кеплер. В основі його досліджень лежала теорія про те, що зображення, побудоване на сітчастій оболонці ока, перебуває в перевернутому стані. Щоб довести цю теорію, він побудував спеціальний механізм, відтворивши процес попадання світлових променів на сітчасту оболонку.

Дещо пізніше цей експеримент був повторений французьким дослідником Р. Декартом. Для проведення експерименту він використовував бичаче око, з віддаленим шаром на задній стінці. Це око він помістив на спеціальному постаменті. В результаті на задній стінці очного яблука він зміг спостерігати перевернуту картинку.

Виходячи з цього, слід цілком закономірне питання, чому людина бачить навколишні предмети правильно, а не в перевернутому вигляді? Це відбувається внаслідок того, що вся зорова інформація надходить до мозкових центрів. Крім цього, у певні відділи головного мозку надходить інформація від інших органів чуття. В результаті аналізу, мозок коригує картинку і людина отримує правильну інформацію про навколишні предмети.

Цей момент був дуже точно помічений поетом У. Блейком:

За допомогою ока, а не оком
Дивитись на світ уміє розум.

На початку ХІХ століття, в Америці, був поставлений цікавий експеримент. Його суть полягала в наступному. Досліджуваний одягав спеціальні оптичні лінзи, зображення на яких мало пряму побудову. В результаті цього:

• зір експериментатора повністю перекинувся;
• всі навколишні предмети стали перебувати догори ногами.

Тривалість експерименту призвела до того, що в результаті порушення зорових механізмів з іншими органами почуттів почала розвиватися морська хвороба. Приступи нудоти долали вченого протягом трьох днів, з початку експерименту. На четвертий день дослідів, внаслідок освоєння мозку із цими умовами, зір повернувся до нормального стану. Задокументувавши ці нюанси, експериментатор зняв оптичний прилад. Так як робота мозкових центрів, була спрямована на одержання картинки, отриманої за допомогою приладу, в результаті його зняття зір випробуваного знову перекинувся шкереберть. На цей раз його відновлення зайняло близько двох годин.

При проведенні подальших досліджень з'ясувалося, що виявляти таку здатність до адаптації здатний лише мозок людини. Використання таких приладів на мавпах призвело до того, що вони впадали в коматозний стан. Цей стан супроводжувався згасанням рефлекторних функцій та низькими показниками кров'яного тиску. У такій же ситуації таких збоїв у роботі організму людини не спостерігається.

Досить цікавий той факт, що і мозок людини не завжди може впоратися з усією інформацією, що надходить. Коли відбувається збій у роботі певних центрів, з'являються зорові ілюзії. В результаті чого, предмет, що розглядається, може змінювати свою форму і будову.

Існує ще одна цікава риса зорових органів. В результаті зміни дистанції від оптичної лінзи до певної фігури змінюється дистанція і до її зображення. Виникає питання, в результаті чого картинка зберігає свою чіткість, коли людський погляд змінює свій фокус, з предметів, що знаходяться у значному видаленні, на розташовані ближче.

Результат цього процесу досягається за допомогою м'язових тканин, розташованих біля кришталика очного яблука. Внаслідок скорочень вони змінюють його контури, змінюючи фокусування зору. У процесі, коли погляд сфокусований на предметах, що знаходяться на відстані, дані м'язи перебувають у стані спокою, що майже не змінює контур кришталика. Коли фокусування погляду спрямовано предметах, розташованих поблизу, м'язи починають скорочуватися, кришталик викривляється, а сила оптичного сприйняття збільшується.

Ця особливість зорового сприйняття отримувала назву акомодації. Під цим терміном розглядається той факт, що зорові органи здатні пристосовуватися до фокусування на предметах, які розташовані на будь-якому видаленні.

Довге розгляд предметів, розташованих дуже близько, може викликати сильне напруження зорових м'язів. Внаслідок їх посиленої роботи, може з'явитися зорове утоплення. Щоб уникнути цього неприємного моменту, при читанні або роботі за комп'ютером, відстань повинна становити не менше чверті метра. Таку дистанцію називають дистанцією ясного зору.

Перевага двох зорових органів

Наявність двох зорових органів істотно збільшує розміри поля сприйняття. Крім того, з'являється можливість розрізняти відстань, що відокремлює предмети від людини. Це відбувається тому, що на сітчастій оболонці обох очей відбувається різна побудова картинки. Так картинка, яка сприймається лівим оком, відповідає погляду на предмет з лівого боку. На другому оці картинка будується прямо протилежно. Залежно від наближеності предмета, можна оцінити різницю у сприйнятті. Така побудова зображення на сітківці ока дозволяє розрізняти об'єми навколишніх предметів.

Вконтакте

Неможливі фігури і двоїсті зображення не є чимось, що не може бути сприйнято буквально: вони виникають у нас у мозку. Оскільки процес сприйняття таких фігур слідує дивним нестандартним шляхом, спостерігач приходить до розуміння, що щось незвичайне відбувається в його голові. Для кращого розуміючи процесу, який ми називаємо "зором", корисно мати уявлення про те, як наші органи почуттів (очі та мозок) перетворять світлові подразники на корисну інформацію.

Око як оптичний пристрій

Око (див. рис. 1) працює подібно до фотокамери. Кришталик (lens) проектує перевернуте зменшене зображення із зовнішнього світу на сітківку (retina) – мережу фоточутливих клітин, розташованих навпроти зіниці (pupil), що займають більше половини площі внутрішньої поверхні очного яблука. Як оптичний інструмент, око довгий час був маленькою загадкою. У той час, як камера фокусується рухом кришталика ближче або далі від світлочутливого шару, його здатність до заломлення світла налаштовується під час акомодації (адаптації ока на певну відстань). Форма очної лінзи змінюється за допомогою миготливого м'яза (ciliary muscle). Коли м'яз стискається, кришталик стає круглішим, за допомогою чого сфокусоване зображення ближчих предметів надходить на сітківку. Діафрагма людського ока налаштовується як у фотоапараті. Зіниця управляє величиною розкриття кришталика, розширюючись або стискаючись за допомогою радіальних м'язів, що фарбують райдужну оболонку ока (iris) характерним для нього кольором. Коли наше око переміщає погляд у область, де він хоче сфокусуватися, фокусна відстань і розмір зіниці миттєво налаштовуються під необхідні умови " автоматично " .

Структура сітківки (рис. 2), фоточутливого шару всередині ока дуже складна. Оптичний нерв (разом із кровоносними судинами) відходить від задньої стінки ока. Тут немає фоточутливих клітин, і воно відоме під назвою «сліпа пляма». Нервові волокна розгалужуються і закінчуються клітинами трьох різних типів, які вловлюють світло, що надходить на них. Відростки, що йдуть з третього, самого внутрішнього шару клітин, містять молекули, які тимчасово змінюють свою структуру при обробці світла, що надійшло, і тим самим випромінюють електричний імпульс. Фоточутливі клітини називаються паличками (rods) та колбочками (cones) за формою їх відростків. Колбочки чутливі до кольору, тоді як палички – ні. З іншого боку фоточутливість паличок набагато вища, ніж у колб. Одне око містить близько ста мільйонів паличок та шести мільйонів колб, розподілених по сітківці нерівномірно. Точно навпроти зіниці лежить так звана жовта пляма (рис. 3), яка складається тільки з колб відносно щільної концентрації. Коли ми хочемо побачити щось у фокусі, ми маємо око так, щоб зображення падало на жовту пляму. Між клітинами сітківки багато взаємозв'язків, і електричні імпульси від ста мільйонів фоточутливих клітин відправляються мозку всього мільйона нервових волокон. Таким чином, око можна поверхово описати як фото-або телекамеру із завантаженою фоточутливою плівкою.

Від світлового імпульсу до інформації

Але як ми бачимо насправді? Донедавна це питання навряд чи було вирішене. Найкращою відповіддю на це питання було таке: у мозку є область, яка спеціалізується на зорі, в якій формується зображення, отримане з сітківки ока, у вигляді клітин мозку. Чим більше світла падає на клітину сітківки, тим з більшою інтенсивністю працює відповідна клітина мозку, тобто активність клітин мозку в нашому зоровому центрі залежить від розподілу світла, що потрапляє на сітківку. Коротше кажучи, процес починається із зображення на сітківці та закінчується відповідним зображенням на маленькому «екрані» із клітин мозку. Звичайно, це не пояснює зір, а просто зміщує проблему на більш глибокий рівень. Кому призначено бачити це внутрішнє зображення? Цю ситуацію добре ілюструє малюнок 5, взятий з роботи Декарта "Le traité de l"homme". У цьому випадку, всі нервові волокна закінчуються в якійсь залозі, яку Декарт представляв як місце душі, і саме вона бачить внутрішнє зображення. Але питання залишається: як "зір" працює насправді?

Ідея міні-спостерігача в мозку є не просто недостатньою для пояснення зору, але вона ще й ігнорує три види діяльності, які, очевидно, виконуються безпосередньо зорової системою. Наприклад, подивимося фігуру малюнку 4 (автор Kanizsa). Ми бачимо трикутник у трьох кругових сегментах за їх вирізами. Цей трикутник не був пред'явлений на сітківку, проте він є наслідком домислення нашої зорової системи! Також, майже неможливо дивитися на малюнок 6 не бачачи безперервних послідовностей кругових візерунків, що борються за нашу увагу, ніби ми безпосередньо відчуваємо внутрішню зорову діяльність. Багато хто виявляє, що їх зорова система приходить у повне замішання від фігури Далленбаха (Dallenbach) (рисунок 8), оскільки вони шукають способи інтерпретувати ці чорні та білі плями у вигляді якоїсь зрозумілої їм форми. Щоб позбавити вас мук, рисунок 10 пропонує інтерпретацію, яку ваша зорова система прийме раз і назавжди. На противагу попередньому малюнку, вам не складе ніяких труднощів реконструювати кілька штрихів туші на малюнку 7 у зображення двох людей, що розмовляють.

Наприклад, зовсім інший метод бачення ілюструють дослідження Вернера Рейхарта (Werner Reichardt) з Тюбінгена, який протягом 14 років вивчав систему зору та управління польотом кімнатної мухи. За ці дослідження він був удостоєний премії Heineken Prize у 1985 році. Подібно до багатьох інших комах муха має складові очі, що складаються з багатьох сотень окремих паличок, кожна з яких є окремим фоточутливим елементом. Система управління польотом мухи складається з п'яти незалежних підсистем, що працюють надзвичайно швидко (швидкість реакції приблизно в 10 разів швидше, ніж у людини) та ефективно. Наприклад, підсистема приземлення працює в такий спосіб. Коли область огляду мухи "вибухає" (від того, що поверхня виявляється близько), муха прямує до центру "вибуху". Якщо центр знаходиться над мухою, вона автоматично перевертається нагору ногами. Як тільки ноги мухи торкаються поверхні, підсистема приземлення відключається. При польоті муха витягує тільки два види інформації зі своєї області видимості: точку, в якій знаходиться пляма певного розміру, що рухається (яка повинна збігатися з розміром мухи на відстані 10 сантиметрів), а також напрямок і швидкість руху цієї плями по полю видимості. Обробка цих даних допомагає автоматично коригувати траєкторію польоту. Дуже малоймовірно, що муха має повну картину навколишнього світу. Вона не бачить ні поверхонь, ні об'єктів. Оброблені певним чином вхідні зорові дані передаються у рухову підсистему. Таким чином, вхідні зорові дані перетворюються не на внутрішнє зображення, а у форму, яка дозволяє мусі адекватно реагувати на її оточення. Те саме можна сказати і про таку нескінченно складнішу систему, як людина.

Є багато причин, чому вчені так довго утримувалися від вирішення фундаментального питання, як людина бачить. Виявилося, що потрібно було спочатку пояснити багато інших питань зору – складну структуру сітківки, кольорове бачення, контрастність, залишкові зображення тощо. Проте, всупереч очікуванням відкриття в цих областях, не здатні пролити світло на вирішення основної проблеми. Ще значнішою проблемою була відсутність будь-якої загальної концепції або схеми, в якій були б перераховані всі зорові явища. Про відносну обмеженість традиційних областей досліджень можна почерпнути у відмінному керівництві T.N. Comsweet на тему зорового сприйняття, складеного на основі його лекцій для студентів першого та другого семестрів. У передмові автор пише: "Я прагну описати фундаментальні аспекти, що лежать в основі величезного поля, яке ми недбало називаємо зоровим сприйняттям". Однак, вивчаючи зміст цієї книги, цими "фундаментальними темами" виявляються поглинання світла паличками та колбочками сітківки, кольоровий зір, способи, за допомогою яких сенсорні клітини можуть збільшувати або зменшувати межі взаємного впливу одна на одну, частоту електричних сигналів, що передаються через сенсорні клітини та і т.д. Сьогодні, дослідження в цій галузі йдуть абсолютно новими шляхами, що призводить до збиває з пантелику різноманітності в професійній пресі. І тільки фахівець може сформувати загальну картину нової науки Зірку, що розвивається". Була всього одна спроба об'єднати кілька нових ідей і результатів досліджень у манері доступною для непрофесіонала. І навіть тут питання "Що такий Зір?" і "Як ми бачимо?" не стали головними питаннями обговорення.

Від зображення до обробки даних

Девід Марр (David Marr) з Лабораторії штучного інтелекту при Массачусетському Технологічному Інституті першим спробував наблизитися до предмета з іншого боку у своїй книзі "Зір" (Vision), виданої вже після його смерті. У ній він прагнув розглянути основну проблему та запропонувати можливі шляхи її вирішення. Результати Марра звичайно не остаточні і до цього дня відкриті для досліджень з різних напрямків, але основною перевагою його книги є її логічність і послідовність висновків. У всякому разі, підхід Марра дає дуже корисну основу, на якій можна будувати дослідження неможливих об'єктів та двоїстих фігур. На наступних сторінках спробуємо простежити хід думок Марра.

Марр описав недоліки традиційної теорії зорового сприйняття так:

"Спроби зрозуміти зорове сприйняття, вивчаючи лише нейрони, подібно до спроби зрозуміти політ птиці, вивчаючи лише її пір'я. Це просто неможливо. Щоб зрозуміти політ птиці нам необхідно зрозуміти аеродинаміку, і тільки потім структура пір'я та різні форми пташиних крил будуть мати для нас яке- то значення ".У даному контексті Марр називає Дж. Дж. Гібсона (J. J. Gobson) першим, хто торкнувся важливих питань у цій галузі вивчення зору.На думку Марра, найважливіший внесок Гібсона полягав у тому, що "найважливіше в органах почуттів те, що вони є інформаційними каналами із зовнішнього світу до нашого сприйняття (...) Він поставив критично важливе питання – Як кожен з нас отримує однакові результати при сприйнятті в повсякденному житті в умовах, що постійно змінюються? Це дуже важливе питання, що показує, що Гібсон правильно розглядав проблему зорового сприйняття як відновлення з інформації, отриманої від сенсорів, "правильних" властивостей об'єктів зовнішнього світу." І таким чином ми досягли галузі обробки інформації.

Не повинно виникати питань, що Марр хотів ігнорувати інші пояснення феномена зору. Навпаки, він спеціально підкреслює, що зір може бути задовільно роз'яснено лише з погляду. Пояснення повинні бути знайдені для повсякденних подій, що узгоджуються з результатами експериментальної психології та всіма відкриттями в даній галузі, зробленими психологами та неврологами в галузі анатомії нервової системи. Що стосується обробки інформації, то вченим комп'ютерних наук хотілося б знати, як зорова система може бути запрограмована, які алгоритми найкраще підходять для цього завдання. Коротше як зір можна запрограмувати. Тільки всебічна теорія може бути сприйнято як задовільний пояснення процесу бачення.

Марр працював над цією проблемою з 1973 по 1980 рік. На жаль, він не зміг закінчити свою роботу, але зміг закласти міцний фундамент для подальших досліджень.

Від неврології до зорового механізму

Переконання, що багато функцій людини контролюються головним мозком, поділяють неврологи з початку XIX століття. Думки різнилися з питання, чи використовуються певні частини кори мозку для виконання окремих операцій чи кожної операції задіюється весь мозок цілком. Сьогодні знаменитий експеримент французького невролога П'єра Поля Брока (Pierre Paul Broca) спричинив загальне визнання теорії специфічного розташування. Брока лікував пацієнта, який не міг говорити 10 років, хоча з голосовими зв'язками він мав усе гаразд. Коли людина померла в 1861 році, розтин показав, що ліва частина його мозку була деформована. Брока припустив, що мова контролюється цією частиною кори головного мозку. Його теорія була підтверджена наступними обстеженнями пацієнтів із ушкодженнями головного мозку, що дозволило, зрештою, відзначити центри життєво важливих функцій людського мозку.

Століттям пізніше, у 1950-х роках, вчені Д.Х. Х'юбел (D.H. Hubel) та Т.М. Візель (T.N. Wiesel) провели експерименти в мозком живих мавп та кішок. У зоровому центрі кори головного мозку вони виявили нервові клітини, які особливо чутливі до горизонтальних, вертикальних та діагональних ліній у полі зору (рис. 9). Їхня складна техніка мікрохірургії була згодом прийнята до застосування іншими вченими.

Таким чином, кора головного мозку не просто містить у собі центри для виконання різних функції, але і всередині кожного центру, як, наприклад, у зоровому центрі, окремі нервові клітини активуються лише при надходженні дуже специфічних сигналів. Ці сигнали, що надходять із сітківки ока, корелюють із чітко визначеними ситуаціями зовнішнього світу. Сьогодні передбачається, що інформація про різні форми і просторове розташування об'єктів міститься в зоровій пам'яті, і інформація від активованих нервових клітин порівнюється з цією інформацією, що зберігається.

Ця теорія детекторів вплинула напрям у дослідженнях зорового сприйняття у середині 1960-х років. Тим самим шляхом пішли і вчені, пов'язані зі "штучним інтелектом". p align="justify"> Комп'ютерна симуляція процесу людського зору, також зване "машинний зір", розглядалася як одна з найбільш легко досяжних цілей у даних дослідженнях. Але все склалося інакше. Незабаром стало ясно, що фактично неможливо написати програми, які могли б розпізнавати зміни інтенсивності світла, тіні, структуру поверхні та безладні набори складних об'єктів у значущі образи. Понад те, таке розпізнавання образів зажадало необмежених обсягів пам'яті, оскільки зображення незліченної кількості об'єктів потрібно зберігати у пам'яті у численної варіацій розташування та ситуацій освітлення.

Будь-які подальші поступи в галузі розпізнавання образів в умовах реального світу не уявлялися можливими. Викликає сумнів надія, що будь-коли комп'ютер зможе симулювати людський мозок. У порівнянні з людським мозком, у якому кожна нервова клітина має близько 10 000 зв'язків з іншими нервовими клітинами, еквівалентне комп'ютерне співвідношення 1:1 чи виглядає адекватним!

Лекція Елізабет Уоррінгтон (Elizabeth Warrington)

У 1973 році Марр відвідав лекцію британського невролога Елізабет Воррінгтон. Вона зазначила, що велика кількість пацієнтів з парієтальними ушкодженнями правої частини мозку, яких вона оглянула, могли відмінно розпізнавати та описувати безліч об'єктів за умови, що ці об'єкти спостерігалися ними у їхньому звичайному вигляді. Наприклад, такі пацієнти без особливих зусиль ідентифікували відро побачивши збоку, але були здатні розпізнати те саме відро побачивши зверху. Насправді навіть коли їм казали, що вони дивляться на відро зверху, вони навідріз відмовлялися в це повірити! Ще більш дивною була поведінка пацієнтів із пошкодженнями лівої частини мозку. Такі пацієнти, зазвичай, що неспроможні розмовляти, отже, вербально що неспроможні назвати предмет, який вони дивляться, чи описати його призначення. Тим не менш, вони можуть показати, що вони правильно сприймають геометрію предмета, незалежно від кута огляду. Це спонукало Марра написати наступне: "Лекція Уоррінгтон підштовхнула мене до наступних висновків. По-перше, уявлення про форму об'єкта зберігається в якомусь іншому місці мозку, тому так сильно відрізняються уявлення про форму предмета та його призначення. По-друге, зір сам може надати внутрішній опис форми об'єкта, що спостерігається, навіть якщо цей об'єкт не розпізнається звичайним чином ... Елізабет Воррінгтон вказала на найбільш істотний факт людського зору - воно говорить про форму, простір і взаємне розташування об'єктів." Якщо це справді так, то вчені, які працюють у галузі зорового сприйняття та штучного інтелекту (зокрема й ті, хто працюють у галузі машинного зору) повинні будуть поміняти теорію детекторів з експериментів Х'юбела на новий набір тактик.

Теорія модулів

Другою стартовою точкою в дослідженнях Марра (після роботи знайомства з роботами Уоррінгтон) є припущення, що наша зорова система має модульну структуру. Висловлюючись комп'ютерною мовою, наша головна програма "Зір" охоплює широке коло підпрограм, кожна з яких є повністю незалежною від інших, і може працювати незалежно від інших підпрограм. Яскравим прикладом такої підпрограми (або модуля) є стереоскопічний зір, за допомогою якого глибина сприймається як результат обробки зображень, що надходять з обох очей, які є трохи відрізняються один від одного зображення. Насамперед вважалося, що щоб бачити у трьох вимірах, ми спочатку розпізнаємо зображення повністю, а потім вирішуємо, які об'єкти знаходяться ближче, а які далі. У 1960 році Бела Жулес (Bela Julesz), який був удостоєний премією Heineken у 1985 році, зміг продемонструвати, що просторове сприйняття двома очима відбувається виключно порівнянням невеликих відмінностей між двома зображеннями, отриманими із сітківок обох очей. Таким чином, можна відчути глибину навіть там, де немає і не передбачається жодних об'єктів. Для своїх експериментів Жулес вигадав стереограми, що складаються з випадково розташованих точок (див. рис. 11). Зображення, видиме правим оком, ідентичне зображення видимому лівим оком у всьому, крім квадратної центральної області, яка обрізана і трохи зміщена до одного краю і знову поєднана із заднім планом. Білий проміжок, що залишився, потім був заповнений випадковими точками. Якщо на два зображення (на яких не розпізнається жодного об'єкта) подивитися крізь стереоскоп, квадрат, який раніше був вирізаний, виглядатиме над заднім планом. Такі стереограми містять просторові дані, що автоматично обробляються нашою зоровою системою. Таким чином, стереоскопія є автономним модулем зорової системи. Теорія модулів показала себе досить ефективною.

Від двовимірного зображення із сітківки до тривимірної моделі.

Зір – багатокроковий процес, який трансформує двомірні уявлення про зовнішній світ (зображення із сітківки) у корисну інформацію для спостерігача. Він починається з двомірного зображення, отриманого з сітківки ока, яке, ігноруючи поки що кольоровий зір, зберігає лише рівні інтенсивності світла. На першому кроці, за допомогою тільки одного модуля ці рівні інтенсивності перетворюються на зміни інтенсивності або, іншими словами, контури, які показують різкі зміни інтенсивності світла. Марр точно встановив, який алгоритм задіюється в даному випадку (описуваний математично, і, до речі, дуже складний), і як наше сприйняття та нервові клітини виконують цей алгоритм. Результат першого кроку Марр назвав "первинним ескізом", який пропонує коротку інформацію про зміни інтенсивності світла, їх взаємозв'язки та розподіл за зоровим полем (рис. 12). Це важливий крок, оскільки у видимому світі зміна інтенсивності часто пов'язані з природними контурами об'єктів. Другий крок підводить нас до того, що Марр назвав "2,5-мірний ескіз". 2,5-мірний ескіз відображає орієнтацію та глибину видимих ​​поверхонь перед спостерігачем. Це зображення будується на основі даних не одного, а кількох модулів. Марр придумав дуже широке поняття "2,5-мірності", щоб підкреслити, що ми працюємо з просторовою інформацією, яка видима з точки зору спостерігача. Для 2,5-мірного ескізу характерні спотворення перспективи, і на даному етапі ще не може бути однозначно визначено дійсне просторове розташування об'єктів. Зображення 2,5-мірного ескізу, представленого тут (рис. 13), ілюструє кілька інформаційних ділянок під час обробки такого начерку. Однак у нашому мозку зображення такого виду не формується.

Досі зорова система працювала з використанням декількох модулів автономно, автоматично та незалежно від даних про зовнішній світ, збережених у мозку. Проте в ході заключної стадії процесу є можливість послатися на інформацію, що вже є. Цей останній етап обробки надає тривимірну модель - чіткий опис, незалежний від кута зору спостерігача і придатний для безпосереднього порівняння з інформацією, що зберігається в мозку.

Згідно з Марром, головну роль у побудові тривимірної моделі відіграють компоненти напрямних осей форм об'єктів. Ті, хто не знайомий з цією ідеєю, можуть вважати її неправдоподібною, але насправді є докази, що підтверджують цю гіпотезу. По-перше, безліч об'єктів навколишнього світу (зокрема, тварини та рослини) можуть бути цілком наочно зображені у вигляді трубкових (або дротяних) моделей. Справді, ми легко можемо розпізнати, що зображено на репродукції як компонентів напрямних осей (рис. 14).

По-друге, ця теорія пропонує можливе пояснення факту, що ми здатні візуально розібрати об'єкт на складові. Це відображено і в нашій мові, яка дає різні імена кожної частини об'єкта. Так, описуючи тіло людини, такі позначення як "тіло", "рука" та "палець" вказують на різні частини тіла згідно з їх компонентами осей (рис. 15).

По-третє, ця теорія узгоджується з нашою здатністю узагальнювати і водночас диференціювати форми. Ми узагальнюємо, групуючи разом об'єкти з одними й тими самими головними осями, і диференційуємо, аналізуючи дочірні осі подібно гілкам дерева. Марр запропонував алгоритми, з яких 2,5-мерная модель перетворюється на тривимірну. Цей процес також є в основному автономним. Марр зазначив, що розроблені ним алгоритми працюють лише у разі використання чистих осей. Наприклад, у разі застосування його до м'ятого аркуша паперу можливі осі буде дуже складно ідентифікувати, і алгоритм буде незастосовним.

Зв'язок між тривимірною моделлю та зоровими образами, що зберігаються в мозку, активується в процесі розпізнавання об'єкта.

Тут є велика прогалина у наших знаннях. Як ці зорові образи зберігаються у мозку? Як відбувається процес розпізнавання? Як порівняння між відомими зображеннями і щойно складеним тривимірним зображенням? Це останній пункт, якого встиг торкнутися Марр (мал. 16), але необхідно отримати величезну кількість наукових даних, щоб внести певність у цьому питанні.

Хоча ми самі не усвідомлюємо різні фази обробки зорової інформації, існує безліч наочних паралелей між фазами та різними способами, якими ми протягом часу передавали враження про простір на двовимірній поверхні.

Так пуантілісти підкреслюють безконтурне зображення сітківки ока, тоді як лінійчасті зображення відповідають стадії первинного начерку. Картини кубістів можна порівняти з обробкою зорових даних під час підготовки до побудови фінальної тривимірної моделі, хоча це, безсумнівно, і був наміром художника.

Людина та комп'ютер

У своєму комплексному підході до предмета Марр прагнув показати, що ми можемо зрозуміти процес зору без необхідності залучення знань, вже доступних мозку.

Таким чином, він відкрив нову дорогу дослідникам у сфері зорового сприйняття. Його ідеї можуть бути використані для прокладання більш ефективного шляху реалізації зорової машини. Коли Марр писав свою книгу, він, мабуть, знав про ті зусилля, які його читачам належить докласти, щоб слідувати за його ідеями та висновками. Це простежується по всій його роботі і явно видно у заключній главі " На захист підходу " . Це полемічне «обґрунтування» у розмірі 25 друкованих сторінок, на яких він використовує сприятливий момент для обґрунтування своїх цілей. У цьому розділі він веде розмову з уявним опонентом, який нападає на Марра з аргументами, подібними до наступних:

"Я все ще незадоволений описом цього взаємопов'язаного процесу і ідеєю того, що все багатство деталей, що залишилося, є лише описом. Це звучить якось занадто примітивно... Оскільки ми просуваємося все ближче до висловлювання, що мозок - це комп'ютер, повинен сказати я все більше і більше побоююся збереження значення людських цінностей".

Марр пропонує інтригуючу відповідь: "Твердження, що мозок – це комп'ютер, коректно, але вводить в оману. Мозок справді вузькоспеціалізований пристрій обробки інформації, або скоріше найбільший з них. Розгляд нашого мозку як пристрій обробки даних не принижує і не заперечує людські цінності. У будь-якому випадку, воно лише підтримує їх і може, зрештою, допомогти нам зрозуміти, чим з такої інформаційної точки зору є людські цінності, чому вони мають вибіркове значення, і як вони пов'язуються із соціальними та суспільними нормами, якими забезпечили нас наші гени. ".