Czego oczy nie widzą. Jak wzrok kształtuje nasze myśli. Richard Masland

Чтение книги онлайн.

СКАЧАТЬ podziału, wykazują odwrotny wzorzec aktywności. Komórki chwilowe typu OFF z początku wysyłają informację, że w swoim polu odbiorczym zarejestrowały coś ciemniejszego od tła, a komórki chwilowe typu ON ujawniają odwrotny wzorzec aktywności. Po chwili jednak także ten sygnał ucichnie, a wtedy komunikację z mózgiem przejmą komórki trwałe: komórki typu ON będą wyraźnie sygnalizować, że „to coś ciemnego ciągle tu jest”, a komórki typu OFF przekazywać identyczną informację, ale iskrząc rzadziej niż zwykle. A zatem siatkówka w drodze ewolucji wykształciła się tak, że wysyła zdecydowany sygnał, gdy w polu widzenia pojawia się coś jasnego lub ciemnego: komórki typu ON mówią o pysznej rybie połyskującej w ciemnej wodzie, komórki typu OFF – o cieniu sowy, która z rozcapierzonymi szponami spada nagle z wysokiej gałęzi.

      Przetwarzanie obrazu, część 2. Poprawianie rzeczywistości

      Innym ważnym zadaniem, jakie mają komórki siatkówki na wczesnym etapie procesu widzenia, jest wyostrzenie krawędzi postrzeganych obiektów. Zauważmy, że komórki typu ON i OFF nie przekształcają obrazu, lecz wykrywają w nim jaśniejsze i ciemniejsze obszary i o nich informują. Wyostrzenie krawędzi to już krok dalej, gdyż mózg otrzyma coś więcej niż pierwotny obraz – będzie on trochę „podkręcony”, bo właśnie przy krawędziach dzieje się najwięcej, z nich można wyczytać najwięcej informacji.

      Krawędzie są istotne z oczywistych względów. Ale wokół nich ogniskuje się również pewna bardzo ważna zasada kontrolująca wiele aspektów widzenia. Piksele w obrazie naszego środowiska naturalnego nie są rozmieszczone losowo, ponieważ świat jawi się nam pod postacią struktur: linii, kątów, krzywych i powierzchni. A to oznacza, że występowanie na obrazie pikseli o określonych cechach można antycypować na podstawie ich bezpośredniego otoczenia. Prawdziwie losowa scena wizualna wygląda jak śnieżący ekran telewizyjny. Nasz układ wzrokowy został wyregulowany tak, by podkreślać struktury, w których zachodzą zmiany, i ignorować te obszary obrazu, gdzie nie dzieje się zbyt wiele, takie jak błękitne niebo czy środkowa część powierzchni o jednolitej barwie.

      Siatkówka wyostrza postrzegane krawędzie za pomocą mechanizmu zwanego hamowaniem obocznym[11]. Proces ten ma fundamentalne znaczenie dla siatkówki i – o czym przekonamy się później – dla widzenia komputerowego, czyli dla maszyn, które potrafią rozpoznawać obrazy. Rozważmy raz jeszcze nasz prosty przykład. Przypomnijmy sobie, że środkowe obszary białych i czarnych powierzchni nie zawierają zbyt wielu informacji; najwięcej niesie ich linia odgraniczająca jeden obszar od drugiego, czyli krawędź. Hamowanie oboczne zwiększa siłę reakcji komórek zwojowych w pobliżu postrzeganych krawędzi: dzięki niemu różnica sygnałów, które mózg otrzymuje z obu obszarów przy krawędzi – czarnej i białej – jest większa, niż byłaby w innych okolicznościach. To doskonały przykład tego, jak przed wysłaniem informacji do mózgu siatkówka segreguje cechy obrazu pod kątem ich ważności.

      To trochę jak funkcja komputerowego poprawiania ostrości wgrana w nasze smartfony i komputery. Z pewnością zauważyliście, że po zrobieniu zdjęcia system często oferuje dodatkowe opcje, takie jak „popraw kontrast” albo „wyostrz krawędzie”; wybranie ich sprawia, że obraz staje się ostrzejszy. Oczywiście nie ma nic za darmo – ceną może być spadek jakości tonów pośrednich. Czasem jednak taka transakcja się opłaca.

      • • •

      Hamowanie oboczne jest powszechne w systemach sensorycznych: występuje w zmyśle widzenia, dotyku i słuchu, a prawdopodobnie również w zmyśle powonienia i smaku. Zaobserwowano je u wszystkich ssaków i wielu gatunków bezkręgowców, czego zresztą należało się spodziewać po mechanizmie tak użytecznym, że ewolucja wsparła jego pojawienie się już u pierwszych zwierząt; to jedna z pierwszych sztuczek obróbki obrazu, na jakie wpadła matka natura. Dlaczego hamowanie oboczne, czyli wyostrzanie krawędzi, tak bardzo przydaje się organizmom żywym?

      Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy się przyjrzeć temu mechanizmowi w kontekście sygnałów generowanych w siatkówce przez całą populację komórek zwojowych. Na poniższym schemacie przedstawiono poszczególne etapy przekształcania obrazu: od literalnego jego odwzorowania, gdy pada na powierzchnię siatkówki (i zostaje wykryty przez fotoreceptory – pręciki i czopki), po zmodyfikowaną odpowiedź przesyłaną do mózgu przez komórki zwojowe.

      W górnej części ilustracji przedstawiono rzeczywisty obraz wzrokowy. Jedna jego połowa jest biała, a druga czarna. Granica obu obszarów reprezentuje to, co rejestrują pola odbiorcze komórek zwojowych. Linia pod spodem odzwierciedla moc sygnałów przesyłanych do mózgu przez te komórki. Zauważ, że tuż przy granicy między polem białym i czarnym sygnał przekazywany przez każdą komórkę zwojową zostaje zmodyfikowany: po stronie białej wzmocniony, po stronie czarnej osłabiony. W efekcie różnica między obiema połówkami obrazu – w postaci sygnału informującego o istnieniu granicy – zostaje w mózgu sztucznie powiększona.

      Dla uproszczenia przedstawiłem to tak, jak gdyby siatkówka zawierała wyłącznie komórki typu ON, choć w rzeczywistości mniej więcej połowa jej komórek zwojowych to komórki typu OFF. Zachowują się one zupełnie inaczej niż komórki typu ON, niemniej w ostatecznym rozrachunku skutek jest taki sam – moc sygnału różnicującego przy granicy pól zostaje zwiększona. Nie ma sensu omawiać tego w szczegółach – etapy są takie same jak w przypadku działania komórek typu ON, tyle że działanie to jest przeciwstawne względem nich.

      Dla rozrywki możemy się zastanowić nad następującym problemem: zakładając, że połowa przykładowego obrazu jest doskonale czarna, a połowa doskonale biała, czy czerń przy linii podziału wyglądałaby w mózgu jeszcze czarniej, a biel – jeszcze bielej? W takiej sytuacji oba systemy komórek – typu ON i OFF – są z definicji na skraju swoich możliwości: nie można zejść poniżej zera procent ani przekroczyć stu. W rzeczywistym świecie jednak jasność wszystkich części obrazu ma zazwyczaj wartości pośrednie – obszary są jaśniejsze lub ciemniejsze, ale nigdy absolutnie białe ani absolutnie czarne. Kiedy nasz układ optyczny napotyka miejsce, gdzie jasne przechodzi w ciemne, mechanizm hamowania obocznego modyfikuje sygnał, zwiększając postrzegany kontrast. To zaś prowadzi do powstania znanego złudzenia optycznego zwanego pasmem Macha: gdy umieścimy obok siebie dwa pola – jedno jasne, drugie ciemne – na skraju pola ciemnego dostrzeżemy niewielki ciemniejszy obszar, a na skraju pola jasnego niewielki jaśniejszy obszar.

      Podsumowując, komórki zwojowe pokrywają siatkówkę czterema podstawowymi rodzajami detektorów: chwilowymi typu ON, trwałymi typu ON, chwilowymi typu OFF i trwałymi typu OFF. Neurony każdego rodzaju podlegają działaniu hamowania obocznego, przez co odpowiedź neuronalna w pobliżu krawędzi jest silniejsza niż reakcja w środku niezmiennego pola. W Rozdziale 4 zobaczymy jednak, że siatkówka jest jeszcze bardziej skomplikowana – „inteligentniejsza, niż sądzili naukowcy”, by zacytować tytuł jednej z publikacji[12]. Trochę trwało, zanim się o tym przekonaliśmy, ale musieliśmy doczekać postępu technicznego, który pozwolił nam lepiej wejrzeć w to, co mózg robi z informacjami otrzymywanymi z siatkówki.

      Del Ames: wyizolowana siatkówka nadal widzi

      Bardzo wiele Nagród Nobla z biologii przyznano, przynajmniej po części, za innowacje techniczne. Niemniej informacje o nowych rozwiązaniach technicznych rzadko trafiają na pierwsze strony gazet. Autorem jednej z takich innowacji był Del Ames – wybitny naukowiec, wspaniały człowiek i najważniejszy z moich nauczycieli.

      Adelbert „Del” Ames III był potomkiem starego rodu z Nowej Anglii, którego wszystkich osiągnięć СКАЧАТЬ