Глаза и мозг

Китайские исследователи разработали умную контактную линзу, предупреждающую развитие глаукомы — одной из основных причин нарушения зрения. Беспроводной гаджет своевременно отмечает скачки внутриглазного давления и автоматически выпускает гипотензивное лекарство.
https://ds-assets.cdn.devapps.ru/R2uKbqSbDGagYJ2rohodTprTz0Esw.png [zero size or time out]
Пока что линза была протестирована только на глазах свиньи и кролика, но результаты оказались достаточно перспективными, чтобы попробовать испытать эту технологию на людях. Основная цель авторов проекта — предотвращение развития глаукомы. Это заболевание сопровождается аномально высоким внутриглазным давлением, что вызывает повреждение зрительного нерва, препятствующее передаче зрительной информации в мозг.

Китайская двухслойная линза содержит антиглаукомный препарат бримонидин. Когда встроенные датчики фиксируют скачок внутриглазного давления, беспроводная система запускает высвобождение лекарства. Бримонидин течёт с нижней стороны линзы через роговицу в глаз.

«Было очень сложно установить сложную тераностическую систему, состоящую из нескольких модулей, на контактную линзу. Но у нас всё получилось», — рассказал инженер-электрик Ченг Янг из Университета Сунь Ятсена.

Пока что устройство проходит дополнительные тесты, прежде чем вступить в фазу клинических испытаний на людях.

Шмидт,Тевс, Физиология человека, Т.1, 1996

Временные особенности передачи сигналов в сетчатке

В век фильмов, телевидения и дисплеев
временные аспекты зрительного восприятия приобретают
особую роль, поскольку все эти изобретения
создают воспринимаемые образы путем быстрого
чередования вспышек света, т.е. за счет
прерывистой стимуляции сетчатки. Частотой слияния
мельканий (или критической частотой мельканий,
КЧМ) называют наименьшую частоту поступления
световых стимулов, при которой испытуемый уже не
воспринимает их по отдельности, т.е. они
сливаются. При скотопическом (палочковом) зрении
КЧМ равна 22-25 стимулов в секунду, а при фото-
пическом повышается примерно пропорционально
логарифму яркости, степени модуляции и
стимулируемой площади, достигая 80 стимулов в секунду.

Частота слияния мельканий для ганглиозных клеток
сетчатки подчиняется тем же закономерностям, что
и субъективная КЧМ. Световые стимулы с частотой
5-15 Гц вызывают особенно сильное возбуждение
нейронов сетчатки и первичной зрительной коры.
Поэтому мелькающий свет может вызвать у
некоторых больных эпилепсией судороги [10, 17, 18].

Многие современные источники света
(люминесцентные лампы, телевизионные экраны, мониторы
компьютеров) испускают прерывистые световые стимулы с
частотой 50-120 Гц, которые могут вызвать неустойчивое
возбуждение сетчатки, если глаза наблюдателя
одновременно движутся по источнику света. Особенно
неблагоприятна длительная работа с монитором компьютера;
в этом случае должно строго выполняться требование
появления изображения на экране с частотой выше 100 Гц.

Дело в том, что при смещении изображения на сетчатке во
время саккад ее прерывистое освещение вызывает
кажущееся снижение остроты зрения. Безуспешные попытки
системы аккомодации глаз скорректировать этот
кажущийся дефект могут привести к головной боли у того, кто
смотрит на экран несколько часов подряд.

 

- может объяснить и утомление глаз от плохих люминесцентных ламп (на себе всегда ощущал).

Создана искусственная сетчатка, не требующая отдельного питания

Инженеры из Пенсильванского университета изобрели камеру, работающую подобно сетчатке человеческого глаза. В основу фотодетекторов легли тонкоплёночные перовскиты с сильно несбалансированным электронно-дырочным транспортом.

Камера состоит из матрицы датчиков из узкополосных перовскитных фотодетекторов, имитирующих колбочки сетчатки глаза, работу которых, в свою очередь, объединяет нейроморфный алгоритм, обрабатывающий информацию с последующим формированием изображений с высокой точностью. Особенностью данных фотодетекторов стал несбалансированный электронно-дырочный транспорт. Это значит, что дырки движутся через материал быстрее, чем электроны. Таким образом, управляя архитектурой материала, можно создавать компоненты с заданными свойствами.

Новый вид датчиков может стать альтернативой фильтрам в современных камерах. Ведь кремниевые датчики чувствительны ко всем частям спектра, поэтому перед ними устанавливаются световые фильтры, которые пропускают только определённые волны, но они же снижают чёткость и чувствительность камеры. А у перовскитных фотодетекторов такого недостатка нет.

Кроме того, технология открывает перспективы для создания искусственной сетчатки для людей с нарушениями зрения. Перовскиты питаются солнечной энергией, поэтому не будут нуждаться в дополнительном источнике энергии.

Учёные с факультета психологии и наук о мозге Дартмутского колледжа провели исследование на добровольце. 58-летний американец жалуется на то, что видит мир не так, как остальные. Все человеческие лица воспринимаются им как демонические.

У него диагностировано редкое неврологическое заболевание — прозопометаморфопсия (PMO). Изучение особенностей его недуга позволит учёным лучше разобраться в природе этого расстройства, а заодно понять, как мозг отделяет друзей от врагов.

До обращения в Дартмутскую лабораторию пациент на протяжении двух с половиной лет наблюдал, как лица окружающих искажаются. На лбу и щеках он видел бороздки, а глаза и рты растягивались. Это придавало им демонический облик.

Поначалу у пациента это вызывало беспокойство, но со временем он привык к жутким маскам, которые его мозг надевал на людей. Он научился узнавать их, несмотря на искажение. Авторы исследования пытались разобраться, в чём причина появившегося заболевания.

 

.

---

Исследования обоих типов показали сходные результаты. У всех испытуемых M- и L-колбочки были расположены случайно. S-колбочки составляли не более 10% от общего числа колбочек (что соответствует результату, полученному ранее иммунохимическим методом). Соотношение количества М- и L-колбочек у разных испытуемых сильно различалось (варьировало). Отношение количества L-колбочек к M-колбочкам у пяти испытуемых (с инициалами HS, YY, AP, MD, BS) было следующим: HS, 1:2.7; YY, 1.1:1; AP, 1.2:1; MD, 1.9:1; и BS, 16.5:1 (рис. 3). Сорокакратная вариация относительного количества L- и M-колбочек у разных испытуемых не отражалась на их цветоразличительных способностях [8, 9, 10]. По всем психофизическим тестам они были нормальными трихроматами. В обследованиях AO-PSOCT трихромазия подтверждалась и генетическим анализом.


Рис. 3. Рецепторные мозаики участков сетчатки (примерно 1° от центра) пяти обследованных человек. L-, M- и S-колбочки окрашены красным, зеленым и синим цветами соответственно. Отметка масштаба — 5 угловых минут. Буквы вверху — инициалы пяти обследованных; буквы и цифры внизу — соотношение количества L- и M-колбочек. (H. Hofer, Singer and D. R. Williams. Organization of the Human Trichromatic Cone Mosaic. 2005. J. of Vision)


Результат был неожиданным и удивительным. Из него следовало, что не все колбочки, а лишь небольшое количество колбочек каждого типа достаточно для организации процесса цветовосприятия. Напомним, однако, что и S-колбочек всегда не более 10% от общего количества колбочек, и они отсутствуют в фовеа, а мы прекрасно видим цвета синей области спектра.

Цветовые ощущения при стимуляции одиночных колбочек

АО дала возможность не только увидеть расположение колбочек разных типов в сетчатке живого бодрствующего человека, но и стимулировать многократно разные заранее идентифицированные отдельные L-, M-колбочки и узнавать субъективные ощущения испытуемого. Селективность возбуждения одиночной колбочки достигалась положением стимула (светового пятнышка 543 нм) на наружном сегменте только одной — либо L-, либо M-колбочки. Размер стимула (~0,45? в диаметре) составлял менее половины размера внутреннего сегмента колбочки. Было показано, что:

1) повторная селективная стимуляция отдельных рецепторов от опыта к опыту, в разные дни, вызывала у испытуемых повторяющиеся ощущения;

2) в большинстве случаев (более, чем в половине) селективная стимуляция как L-, так и M-колбочек у испытуемых вызывала ощущение белого;

3) стимуляция меньшей части колбочек вызывала ощущения, соответствующие их «номиналу»: стимуляция L-колбочек — ощущение красного; М-колбочек — ощущение зеленого. Результат этого прямого опыта подтвердил предыдущее умозаключение: за цветовые ощущения отвечает малочисленная популяция L- и M-колбочек [9]. Остальные, как L-, так и M-колбочки (многочисленная популяция), обеспечивают высокую разрешающую способность зрения, но не участвуют в цветовосприятии. Всё зависит от того, в каких последующих нервных путях происходит обработка сигналов конкретных колбочек.

...

Полиморфизм цветового зрения обезьян Нового Света

Как показывают молекулярные часы, разделение генов опсинов колбочек произошло 540 млн лет назад; 220 млн появились млекопитающие, в результате вынужденного ночного образа жизни утратившие два из четырех генов опсинов, что привело к уменьшению размерности ЦЗ с четырех до двух, — они стали дихроматами. 80–90 млн лет назад появились приматы, 40 млн лет назад произошло разделение приматов Старого и Нового Света в результате движения материковых плит. Дупликация гена опсина в Х-хромосоме и последующие мутации у узконосых обезьян Старого Света (строго дневных) произошли 30–40 млн лет назад, что и привело к возникновению трихроматического зрения (на новой основе).

В Новом Свете на Американском континенте дупликация гена в Х-хромосоме у ревунов — плосконосых обезьян из рода Alouatta — произошла 14 млн лет назад и привела к возникновению трех колбочковых пигментов, таких же, как у обезьян Старого Света [13].

Считается, что фактором естественного отбора, поддерживающим трихромазию у обезьян, является их листоядность и фруктоядность [14]. Отличать спелые плоды на фоне листьев и питательные молодые красноватые листья от грубых старых, с накопившимися вредными алкалоидами, необходимо для выживания (рис. 5 а, б).

...

Почему в эволюции поддерживается такой полиморфизм ЦЗ, где в стае существуют одновременно самцы и самки — дихроматы трех типов и самки-трихроматы трех типов, — пока загадка, не нашедшая объяснения.


...

«Вылечивание» дихромазии у самцов обезьян Нового Света

Интересный и важный опыт провели генетики Джей и Маурин Нейтц. В их семье жили два взрослых самца саймири (Cebidae; естественно, дихроматы) по имени Дальтон и Сэм. Интраокулярно в субретинальное пространство им обоим был введен ген красночувствительного пигмента человека вектором (ретроаденовирус) под промоутером зеленочувствительного пигмента. (Было произведено три инъекции по 100 мкл, 2,7?1013 вирусных частиц.)
...
Через 24 недели у обезьян появилась чувствительность в красной области спектра, стала регистрироваться фокальная ретинограмма на красные стимулы и, одновременно с этим, в психофизических тестах на псевдоизохроматических таблицах самцы, бывшие дихроматы, стали себя вести как трихроматы. Гистологическое исследование сетчатки Сэма, умершего через год после операции от пневмонии, показало, что ген красночувствительного пигмента человека (меченый GFP) встроился в 15–36% зеленочувствительных колбочек [16]. Эффект «вылечивания» дихромазии у обезьяны-самца по имени Дальтон сохраняется уже более десяти лет. При возникновении трихромазии животные не выражали никаких эмоциональных реакций. Это можно понять и объяснить тем, что этих домашних обезьян (любимцев) всегда кормили спелыми фруктами, и им не приходилось до операции разыскивать спелые фрукты в зеленой листве (рис. 7).

Этот опыт интересен и ценен еще и тем, что показывает: мозг взрослой обезьяны способен понять сигналы от вновь появившихся рецепторов — красночувствительных колбочек. Это был первый опыт генной терапии, который показал реальность помощи людям при других, более серьезных генетических расстройствах зрения. Но об этом в другой раз.

---

Старые, от 1975, сообщения о том, что якобы как минимум иногда человеческий глаз способен воспринимать и ИК-излучение, причём достаточно дальнее, больше 1000 нм, а то и больше 1200 (глаза некоторых животных достоверно воспринимают ближний ИК, 800-900 нм, что знают охотники, пользующиеся ночными ИК-прицелами с ИК-подсветкой - кабан видит).

Подмечено, что излучение
инфракрасного лазера,
которое в принципе не
должно быть видимым,
воспринимается человеческим
глазам в виде вспышек желто-
зеленого или оранжевого
цвета. Почему так
-происходит — объяснить пока
ие удалось, но детальное
исследование показало, что
длина волны света,
воспринимаемого людьми, в
точности равна половине длины
волны инфракрасного
излучения («Доклады АН
СССР», т. 221, № 1).

Можно предположить, что
преобразование невидимого
света в видимый
происходит непосредственно в
глазах — либо в результате
одновременного поглощения
двух инфракрасных
квантов, что эквивалентно
поглощению одного кванта
видимого света, либо в
результате того, что в
сетчатке излучение лазера
генерирует вторую
гармонику (волну вдвое меньшей
длины), которая и
воспринимается как видимый свет.

 

Фиг его знает. Выглядит не слишком вероятным, да и в более поздних источниках не встречал. Может, ошибка, может, редкая индивидуальная особенность. Один коллега утверждал, что он видит невооружённым глазом ближний УФ, где-то 370-390 нм (в принципе, говорят, такое видят люди с искусственными хрусталиками старого образца; может быть, у отдельных людей их естественный хрусталик еще что-то пропускает?).

...и мозг

В 1991 г. британский нейробиолог Р. Фостер с сотрудниками выделили особую группу клеток сетчатки — светочувствительных (ганглиозных, возбуждаемых светом), но не имеющих отношения к палочкам и колбочкам, обеспечивающим зрение. Ганглиозные клетки содержат специальный фотопигмент меланопсин и посылают свои длинные отростки от сетчатки до зрительного перекреста (хиазмы) в составе зрительного нерва. Затем эти отростки отделяются от него, проецируются на нейроны супрахиазмальных ядер и возбуждают в них каскады биохимических процессов. СХЯ посылают свои отростки к близлежащему скоплению гипоталамических нервных клеток, которое, в свою очередь, проецируется на нейроны шейного отдела спинного мозга. Их волокна направляются обратно и через отверстия в черепе достигают шишковидной железы — эпифиза, расположенного в геометрическом центре головного мозга человека. Ночью, в темноте, когда большинство нейронов СХЯ «молчит», нервные окончания этих волокон выделяют норадреналин, побуждающий к синтезу в эпифизе мелатонина, тормозящего нейроны супрахиазмальных ядер [11].

 

С этим не разобрался. Но пусть лежит.

Согласно определению МКО от 1986 цвет зависит от цветности и яркости; при сохранении цветности, но изменении яркости цвет - т.е. восприятие - может меняться.