Зрение биология: Как работает глаз — узнайте все о строении глаза и его функциях

Содержание

Откуда берется близорукость? — BBC News Русская служба

  • Дэвид Робсон
  • BBC Future

Автор фото, Getty

Миопия, или близорукость — один из самых распространенных дефектов зрения. Но хорошо ли мы себе представляем ее причины и способы лечения? Ответ на этот вопрос искал корреспондент BBC Future.

Еще в подростковом возрасте у меня начало падать зрение, и я стал носить очки. Тонкие стекла быстро сменились увесистыми линзами. «В чем причина?» — спрашивал я у своего окулиста, щурясь на таблицу с буквами. Он выписывал мне очередные стекла и отвечал однообразно: дело в генах и в привычке много читать.

У меня не было причин подвергать его слова сомнению. Если у вас близорукость, то ваш офтальмолог, скорее всего, говорил то же самое. Однако результаты недавних исследований позволяют предположить, что специалисты могли сильно заблуждаться.

В современном мире есть множество других факторов, ведущих к ухудшению зрения. И, придерживаясь нескольких простых советов, наши дети, возможно, смогут избежать незавидной судьбы своих очкастых родителей.

Я никогда особенно не верил в то, что плохое зрение обусловлено в первую очередь генетическими причинами. Без очков я не отличу бульдога от носорога. Так как же моим давним предкам удалось выжить в полном опасностей и хищников мире? А близорукость тем временем обрела масштабы эпидемии: 30-40% населения Европы и США нуждаются в очках, а в некоторых азиатских странах эта цифра достигает 90%. Если «ген близорукости» действительно существует, то, похоже, ему удалось успешно пройти фильтр многих тысяч лет эволюции — вопреки здравому смыслу.

Спросим эскимоса

Ответ на этот вопрос мог быть получен еще полвека назад, по итогам исследований живущих на севере Канады эскимосов. В их старшем поколении близорукость практически не наблюдалась, но от 10 до 25% детей этого поколения уже нуждались в очках.

«Генетические факторы не способны дать такой результат», — комментирует Нина Якобсен из Университетской больницы Глоструп в датском Копенгагене. На стыке этих поколений эскимосы начали постепенно переходить от своего традиционного уклада охотников и рыболовов к западному стилю жизни. И это с куда большей долей вероятности могло вызвать массовое ухудшение зрения.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Мы слишком много читаем? Это лишь похоже на правду

«Близорукость — болезнь индустриальная», — заявляет Иэн Флиткрофт из Университетской детской больницы в Дублине, Ирландия. Гены, возможно, определяют предрасположенность к дефектам зрения, но проявляться эти дефекты начинают при переменах в среде обитания.

Одним из факторов могло стало распространение грамотности и образования: массовую близорукость нередко объясняют именно этим. На первый взгляд похоже на правду — стоит лишь взглянуть на поблескивающих стеклами очков слушателей университетской лекции или научной конференции, и вывод кажется очевидным. Однако исследования показывают, что эта зависимость куда менее выражена, чем считалось раньше. «Чем больше мы изучали этот вопрос, анализируя количество прочитанного нашими испытуемыми, тем меньше видели взаимосвязь», — замечает Флиткрофт. Масштабное исследование детей в американском штате Огайо вообще не показало зависимости близорукости от чтения, но, по словам Якобсен, полностью исключать этот фактор нельзя.

В последнее время многие ученые склоняются к мнению, что на остроте зрения негативно сказывается в первую очередь долговременное пребывание в закрытых помещениях, а не чтение. Исследования, проведенные в Европе, Австралии и Азии, раз за разом указывали на то, что люди, часто бывающие на открытом воздухе, гораздо менее склонны к близорукости, чем домоседы.

В чем причина? Есть мнение, что на глаза благотворно воздействует солнечный свет. К примеру, Скотт Рид из Квинслендского технологического университета в Австралии выдал группе школьников наручные часы, которые в течение двух недель каждые 30 секунд регистрировали их передвижения и интенсивность солнечного освещения.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Мало гуляли на улице в детстве? Это может быть причиной вашей близорукости

Дети с хорошим зрением оказались не более активными, чем школьники, носившие очки — то есть, похоже, регулярные упражнения и хорошая физическая форма на остроту зрения не влияют. А вот между продолжительностью пребывания на солнце и здоровьем глаз была выявлена прямая зависимость. Яркий солнечный свет в тысячи раз более интенсивен, чем искусственный (хотя наши глаза довольно успешно сглаживают столь большую разницу), и чем больше времени дети проводили на солнце, тем меньше им нужны были очки.

Возможно, это связано с тем, что под воздействием солнечного света в организме вырабатывается витамин D, благотворно влияющий на иммунную и нервную системы и, возможно, на зрение. Есть и более популярная теория: солнечный свет способствует выработке допамина непосредственно в глазах. Близорукость часто вызывается увеличением глазного яблока, в результате чего хрусталику становится сложнее фокусировать изображение на сетчатке. Допамин, похоже, замедляет этот процесс и поддерживает глаза в хорошей форме.

В голубом свете

Еще одно возможное объяснение связано с цветовым спектром. Зеленые и синие световые волны обычно фокусируются на передней поверхности сетчатки, а красные — на задней. Искусственный свет по своей цветовой температуре как правило краснее солнечного, и это может сбивать глаза с толку. «Мозг сообщает глазам, что они фокусируются в неправильной точке, и для компенсации этого эффекта глазное яблоко растет», — поясняет Чи Луу из Мельбурнского университета. Он опытным путем выяснил, что цыплята, выращенные при красном свете, более склонны к близорукости, чем те, которые росли при синем или зеленом освещении.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Если миопия имеет генетические причины, то значит ли это, что наши предки были близорукими?

Флиткрофт же считает, что главная проблема кроется в обилии окружающих предметов, которые засоряют наше поле зрения. Оглянитесь вокруг, и вы поймете, что он имеет в виду. «Когда вы смотрите на экран вашего ноутбука, то все предметы за экраном оказываются не в фокусе, — говорит ученый. — А когда вы переводите взгляд с компьютера на настенные часы, картина резко меняется: часы в фокусе, а вещи, которые находятся близко к вам, выглядят размытыми». Если вы останавливаете взгляд на каком-то одном предмете, вокруг него появляется размытая зона, и это нарушает процесс обратной связи между глазом и мозгом. Вне закрытых помещений предметы как правило находятся на большем удалении от наблюдателя — за счет этого размытых зон в поле зрения оказывается меньше, и глаза развиваются более гармонично.

Будем надеяться, что подобные исследования представляют не только академический интерес и что в итоге помогут нам разработать новые методы лечения. К примеру, Луу пытается организовать клинический эксперимент, в ходе которого близоруким детям будут предоставляться лампы голубого цветового спектра. Специалист надеется, что при помощи этих ламп удастся не только замедлить ухудшение зрения, но и добиться улучшения: в ходе упомянутого выше эксперимента на цыплятах он установил, что несколько часов голубого света в день нейтрализуют причиненный красным светом вред и позволяют цыплятам избавиться от близорукости.

Рассмотреть варианты

По словам Флиткрофта, сейчас проходят многообещающие испытания контактных линз, которые делают изображение на периферии поля зрения менее размытым. Он также верит в потенциал глазных капель с атропином. Это вещество, как уже давно известно, замедляет процессы, ведущие к увеличению глазного яблока и к близорукости. Но у него есть неприятные побочные эффекты: атропин вызывает сильное расширение зрачков, и под его воздействием пациент видит радужные ореолы вокруг источников света. По этой причине специалисты поначалу отказались от его использования, но недавно совершенно случайно выяснилось, что лечебный эффект атропина не исчезает при его применении в стократно меньших дозах. При такой дозировке побочные эффекты должны быть минимальными, и в результате этого открытия медики вновь заинтересовались возможным клиническим применением атропина.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Экспериментальные контактные линзы делают изображение на периферии поля зрения менее размытым

Но пока что Флиткрофт настоятельно советует не верить в «волшебные» методы лечения. К примеру, есть распространенное заблуждение, что ношение очков ухудшает зрение, однако на практике выясняется, что это домыслы. Я и сам могу с сожалением это засвидетельствовать: прочитав довольно спорную книгу “Улучшение зрения без очков”, я решил испытать на себе этот метод в надежде избавиться от очков, но в итоге через три года был вынужден надеть линзы вдвое сильнее прежних. “Многие верят, что очки ухудшают зрение, но это не так, — говорит Флиткрофт. — Главное — чтобы ваш ребенок отчетливо видел, какие бы очки для этого ни понадобились».

Если же вы хотите, не дожидаясь прорыва в офтальмологии, предпринять какие-то полезные действия прямо сейчас, то попробуйте убедить детей больше играть на улице — по мнению большинства специалистов, уж вреда-то это точно не принесет. Проведенный в тайваньских школах соответствующий эксперимент дал скорее положительные результаты. «Если человек существует в своей естественной среде, то есть за пределами помещений, у него не развивается близорукость, — замечает Флиткрофт. — Игры на улице могут принести только пользу».

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Чтение без очков не излечит вашу близорукость

Жаль, что я не знал об этом в юности. Сейчас я ношу контактные линзы, которые почти полностью корректируют мою близорукость, и мирюсь с порой возникающей сухостью и раздражением глаз. Но когда я просыпаюсь и даже не могу разглядеть черты человека, лежащего рядом в постели, я мечтаю о том, чтобы к будущим поколениям вернулось ясное зрение, которое наши предки воспринимали как данность.

Каковы пределы человеческого зрения? — BBC News Русская служба

  • Адам Хадхази
  • BBC Future

Автор фото, SPL

Корреспондент BBC Future рассказывает об удивительных свойствах нашего зрения — от способности видеть далекие галактики до возможности улавливать невидимые, казалось бы, световые волны.

Окиньте взглядом комнату, в которой находитесь – что вы видите? Стены, окна, разноцветные предметы – все это кажется таким привычным и само собой разумеющимся. Легко забыть о том, что мы видим окружающий нас мир лишь благодаря фотонам — световым частицам, отражающимся от объектов и попадающим на сетчатку глаза.

В сетчатке каждого из наших глаз расположено примерно 126 млн светочувствительных клеток. Мозг расшифровывает получаемую от этих клеток информацию о направлении и энергии попадающих на них фотонов и превращает ее в разнообразие форм, цветов и интенсивности освещения окружающих предметов.

У человеческого зрения есть свои пределы. Так, мы не способны ни увидеть радиоволны, излучаемые электронными устройствами, ни разглядеть невооруженным глазом мельчайшие бактерии.

Благодаря прогрессу в области физики и биологии можно определить границы естественного зрения. «У любых видимых нами объектов есть определенный «порог», ниже которого мы перестаем их различать», — говорит Майкл Лэнди, профессор психологии и нейробиологии в Нью-Йоркском университете.

Сперва рассмотрим этот порог с точки зрения нашей способности различать цвета — пожалуй, самой первой способности, которая приходит на ум применительно к зрению.

Автор фото, SPL

Подпись к фото,

Колбочки отвечают за цветовосприятие, а палочки помогают нам видеть оттенки серого цвета при низком освещении

Наша способность отличать, например, фиолетовый цвет от пурпурного связана с длиной волны фотонов, попадающих на сетчатку глаза. В сетчатке имеются два типа светочувствительных клеток — палочки и колбочки. Колбочки отвечают за цветовосприятие (так называемое дневное зрение), а палочки позволяют нам видеть оттенки серого цвета при низком освещении — например, ночью (ночное зрение).

Содержащиеся в светочувствительных клетках рецепторы — опсины — поглощают электромагнитную энергию фотонов и производят электрические импульсы. Эти сигналы по оптическому нерву попадают в мозг, который и создает цветную картину происходящего вокруг нас.

В человеческом глазе есть три вида колбочек и соответствующее им число типов опсинов, каждый из которых отличается особой чувствительностью к фотонам с определенным диапазоном длин световых волн.

Колбочки S-типа чувствительны к фиолетово-синей, коротковолновой части видимого спектра; колбочки M-типа отвечают за зелено-желтую (средневолновую), а колбочки L-типа — за желто-красную (длинноволновую).

Все эти волны, а также их комбинации, позволяют нам видеть полный диапазон цветов радуги. «Все источники видимого человеком света, за исключением ряда искусственных (таких, как преломляющая призма или лазер), излучают смесь волн различной длины», — говорит Лэнди.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Не весь спектр полезен для наших глаз…

Из всех существующих в природе фотонов наши колбочки способны фиксировать лишь те, которые характеризуются длиной волн в весьма узком диапазоне (как правило, от 380 до 720 нанометров) – это и называется спектром видимого излучения. Ниже этого диапазона находятся инфракрасный и радиоспектры – длина волн низкоэнергетических фотонов последнего варьируется от миллиметров до нескольких километров.

По другую сторону видимого диапазона волн расположен ультрафиолетовый спектр, за которым следует рентгеновский, а затем — спектр гамма-излучения с фотонами, длина волн которых не превышает триллионные доли метра.

Хотя зрение большинства из нас ограничено видимым спектром, люди с афакией — отсутствием в глазу хрусталика (в результате хирургической операции при катаракте или, реже, вследствие врожденного дефекта) — способны видеть ультрафиолетовые волны.

В здоровом глазе хрусталик блокирует волны ультрафиолетового диапазона, но при его отсутствии человек способен воспринимать волны длиной примерно до 300 нанометров как бело-голубой цвет.

В исследовании 2014 г. отмечается, что в каком-то смысле мы все можем видеть и инфракрасные фотоны. Если два таких фотона практически одновременно попадут на одну и ту же клетку сетчатки, их энергия может суммироваться, превратив невидимые волны длиной, скажем, в 1000 нанометров в видимую волну длиной в 500 нанометров (большинство из нас воспринимает волны этой длины как холодный зеленый цвет).

Сколько цветов мы видим?

В глазе здорового человека три типа колбочек, каждый из которых способен различать около 100 различных цветовых оттенков. По этой причине большинство исследователей оценивает количество различаемых нами цветов примерно в миллион. Однако восприятие цвета очень субъективно и индивидуально.

«Точно подсчитать, сколько мы видим цветов, не представляется возможным, — говорит Кимберли Джемесон, научный сотрудник Калифорнийского университета в Ирвайне. – Некоторые видят больше, некоторые — меньше».

Джемесон знает, о чем говорит. Она изучает зрение тетрахроматов – людей, обладающих поистине сверхчеловеческими способностями к различению цветов. Тетрахроматия встречается редко, в большинстве случаев у женщин. В результате генетической мутации у них имеется дополнительный, четвертый вид колбочек, что позволяет им, по грубым подсчетам, видеть до 100 млн цветов. (У людей, страдающих цветовой слепотой, или дихроматов, всего два типа колбочек — они различают не более 10 000 цветов. )

Сколько нам нужно фотонов, чтобы увидеть источник света?

Как правило, колбочкам для оптимального функционирования требуется гораздо больше света, чем палочкам. По этой причине при низком освещении наша способность различать цвета падает, а за работу принимаются палочки, обеспечивающие черно-белое зрение.

В идеальных лабораторных условиях на тех участках сетчатки, где палочки по большей части отсутствуют, колбочки могут активироваться при попадании на них всего нескольких фотонов. Однако палочки справляются с задачей регистрации даже самого тусклого света еще лучше.

Автор фото, SPL

Подпись к фото,

После операции на глазе некоторые люди приобретают способность видеть ультрафиолетовое излучение

Как показывают эксперименты, впервые проведенные в 1940-х гг., одного кванта света достаточно для того, чтобы наш глаз его увидел. «Человек способен увидеть один-единственный фотон, — говорит Брайан Уонделл, профессор психологии и электротехники в Стэнфордском университете. – В большей чувствительности сетчатки просто нет смысла».

В 1941 г. исследователи из Колумбийского университета провели эксперимент – испытуемых заводили в темную комнату и давали их глазам определенное время на адаптацию. Для достижения полной чувствительности палочкам требуется несколько минут; именно поэтому, когда мы выключаем в помещении свет, то на какое-то время теряем способность что-либо видеть.

Затем в лицо испытуемым направляли мигающий сине-зеленый свет. С вероятностью выше обычной случайности участники эксперимента регистрировали вспышку света при попадании на сетчатку всего 54 фотонов.

Не все фотоны, достигающие сетчатки, регистрируются светочувствительными клетками. Учитывая это обстоятельство, ученые пришли к выводу, что всего пяти фотонов, активирующих пять разных палочек в сетчатке, достаточно, чтобы человек увидел вспышку.

Самый маленький и самый удаленный видимые объекты

Следующий факт может вас удивить: наша способность увидеть объект зависит вовсе не от его физических размеров или удаления, а от того, попадут ли хотя бы несколько излучаемых им фотонов на нашу сетчатку.

«Единственное, что нужно глазу, чтобы что-то увидеть, — это определенное количество света, излученного или отраженного на него объектом, — говорит Лэнди. – Все сводится к числу достигших сетчатки фотонов. Каким бы миниатюрным ни был источник света, пусть даже он просуществует доли секунды, мы все равно способны его увидеть, если он излучает достаточное количество фотонов».

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Глазу достаточно небольшого количества фотонов, чтобы увидеть свет

В учебниках по психологии часто встречается утверждение о том, что в безоблачную темную ночь пламя свечи можно заметить с расстояния до 48 км. В реальности же наша сетчатка постоянно бомбардируется фотонами, так что один-единственный квант света, излученный с большого расстояния, просто затеряется на их фоне.

Чтобы представить себе, насколько далеко мы способны видеть, взглянем на ночное небо, усеянное звездами. Размеры звезд огромны; многие из тех, что мы наблюдаем невооруженным взглядом, достигают миллионов км в диаметре.

Однако даже самые близкие к нам звезды расположены на расстоянии свыше 38 триллионов километров от Земли, поэтому их видимые размеры настолько малы, что наш глаз не способен их различить.

С другой стороны, мы все равно наблюдаем звезды в виде ярких точечных источников света, поскольку испускаемые ими фотоны преодолевают разделяющие нас гигантские расстояния и попадают на нашу сетчатку.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

Острота зрения снижается по мере увеличения расстояния до объекта

Все отдельные видимые звезды на ночном небосклоне находятся в нашей галактике – Млечном Пути. Самый удаленный от нас объект, который человек в состоянии разглядеть невооруженным глазом, расположен за пределами Млечного Пути и сам представляет собой звездное скопление – это Туманность Андромеды, находящаяся на расстоянии в 2,5 млн световых лет, или 37 квинтильонов км, от Солнца. (Некоторые люди утверждают, что особо темными ночами острое зрение позволяет им увидеть Галактику Треугольника, расположенную на удалении около 3 млн световых лет, но пусть это утверждение останется на их совести. )

Туманность Андромеды насчитывает один триллион звезд. Из-за большой удаленности все эти светила сливаются для нас в едва различимое пятнышко света. При этом размеры Туманности Андромеды колоссальны. Даже на таком гигантском расстоянии ее угловой размер в шесть раз превышает диаметр полной Луны. Однако до нас долетает настолько мало фотонов из этой галактики, что она едва различима на ночном небе.

Предел остроты зрения

Почему же мы не способны разглядеть отдельные звезды в Туманности Андромеды? Дело в том, что у разрешающей способности, или остроты, зрения есть свои ограничения. (Под остротой зрения подразумевается способность различать такие элементы, как точка или линия, как отдельные объекты, не сливающиеся с соседними объектами или с фоном.)

Фактически остроту зрения можно описывать так же, как и разрешение компьютерного монитора — в минимальном размере пикселей, которые мы еще способны различать как отдельные точки.

Автор фото, SPL

Подпись к фото,

Достаточно яркие объекты можно разглядеть на расстоянии в несколько световых лет

Ограничения остроты зрения зависят от нескольких факторов — таких как расстояние между отдельными колбочками и палочками сетчатки глаза. Не менее важную роль играют и оптические характеристики самого глазного яблока, из-за которых далеко не каждый фотон попадает на светочувствительную клетку.

В теории, как показывают исследования, острота нашего зрения ограничивается способностью различать около 120 пикселей на угловой градус (единицу углового измерения).

Практической иллюстрацией пределов остроты человеческого зрения может являться расположенный на расстоянии вытянутой руки объект площадью с ноготь, с нанесенными на нем 60 горизонтальными и 60 вертикальными линиями попеременно белого и черного цветов, образующими подобие шахматной доски. «По всей видимости, это самый мелкий рисунок, который еще в состоянии различить человеческий глаз», — говорит Лэнди.

На этом принципе основаны таблицы, используемые окулистами для проверки остроты зрения. Наиболее известная в России таблица Сивцева представляет собой ряды черных заглавных букв на белом фоне, размер шрифта которых с каждым рядом становится все меньше.

Острота зрения человека определяется по тому, на каком размере шрифта он перестает четко видеть контуры букв и начинает их путать.

Автор фото, Thinkstock

Подпись к фото,

В таблицах для проверки остроты зрения используются черные буквы на белом фоне

Именно пределом остроты зрения объясняется тот факт, что мы не способны разглядеть невооруженным глазом биологическую клетку, размеры которой составляют всего несколько микрометров.

Но не стоит горевать по этому поводу. Способность различать миллион цветов, улавливать одиночные фотоны и видеть галактики на удалении в несколько квинтильонов километров – весьма неплохой результат, если учесть, что наше зрение обеспечивается парой желеобразных шариков в глазницах, соединенных с полуторакилограммовой пористой массой в черепной коробке.

Бионические глаза и нейропротезы: как технологии возвращают зрение слепым

Порядка 40 млн слепых людей во всем мире нуждаются в технологиях, которые могут вернуть способность видеть. Однако до сих пор не существует доступного способа протезирования зрения

Мы привыкли ассоциировать зрение лишь с глазами. Однако помимо самих глазных яблок в процессе участвует зрительная кора головного мозга, которой мы фактически «видим», и нервные пути, которые соединяют глаза с мозгом. Практически на каждом этапе можно попытаться реализовать протезирование.

История создания зрительного протеза

Немецкий психолог Иоганн Пуркинье в 1823 году заинтересовался вопросами зрения и галлюцинаций, а также возможностью искусственной стимуляции зрительных образов. Принято считать, что именно он впервые описал зрительные вспышки — фосфены, которые он получил при проведении простого опыта c аккумулятором, пропуская через голову электрический ток и описывая свой визуальный опыт.

Спустя 130 лет, в 1956 году, австралийский ученый Дж. И. Тассикер запатентовал первый ретинальный имплант, который не давал какого-то полезного зрения, но показал, что можно искусственно вызывать зрительные сигналы.

Ретинальный имплант (имплант сетчатки) «вводит» визуальную информацию в сетчатку, электрически стимулируя выжившие нейроны сетчатки. Пока вызванные зрительные восприятия имели довольно низкое разрешение, но достаточное для распознавания простых объектов.

Но глазное протезирование долго тормозилось из-за технологических ограничений. Прошло очень много времени, прежде чем появились какие-то реальные разработки, которые смогли дать «полезное зрение», то есть зрение, которым человек мог бы воспользоваться. В 2019 году в мире насчитывалось около 50 активных проектов, фокусирующихся на протезировании зрения.

Первые ретинальные импланты

Пару лет назад на рынке было доступно три ретинальных импланта, которые прошли клинические испытания и были сертифицированы государственными регулирующими органами: европейским CE Mark и американским FDA.

Так выглядели первые ретинальные импланты (Фото: DPG Media)

Бионические импланты — это целая система внешних и внутренних устройств.

IRIS II (Pixium Vision) и Argus II (Second Sight) имели внешние устройства (очки с видеокамерой и блок обработки видеосигнала). Слепой человек смотрит при помощи камеры, с нее картинка направляется в процессор, где изображение обрабатывается и распадается на 60 пикселей (для системы Argus II). Затем сигнал направляется через трансмиттер на электродную решетку, вживленную на сетчатке, и электрическим током стимулируются оставшиеся живые клетки.

В немецком импланте Alfa АMS (Retina Implant) нет внешних устройств, и человек видит своим собственным глазом. Имплант на 1600 электродов вживляется под сетчатку. Свет через глаз попадает на светочувствительные элементы и происходит стимуляция током. Питается имплант от подкожного магнитного коннектора.

Субретинальный имплантат Alpha AMS компании Retina Implant AG (Фото: ResearchGate)

Все три ретинальных импланта больше не производятся, так как появилось новое поколение кортикальных протезов (для стимуляции коры головного мозга, а не сетчатки глаза). Однако хотя проектов по фундаментальным разработкам по улучшению ретинальных имплантов еще много, ни один из них не прошел клинические испытания:

  • Улучшенный имплант DRY AMD PRIMA компании Pixium с увеличением количества электродов для стимуляции большего количества клеток сетчатки проходит клинические испытания. Для участия в программе испытаний еще ищут пять кандидатов;
  • Retina Implant AG закрыли производство;
  • Second Sight проводят клинические испытания своего кортикального импланта, но в марте 2020 года компания уволила 80% сотрудников из эксплуатационно-производственного подразделения.

Тренды ретинальных имплантов: основные фундаментальные технологии

Ретинальные нанотрубки

Группа ученых из Китая (Shanghai Public Health Clinical Center) в 2018 году провела эксперимент на мышах, в ходе которого вместо не функционирующих фоторецепторов сетчатки предложила использовать нанотрубки. Преимущество этого проекта — маленький размер нанотрубок. Каждая из них может стимулировать только несколько клеток сетчатки.

Биопиксели

Группа ученых из Оксфорда стремится сделать протез максимально приближенным к естественной сетчатке. Биопиксели в проекте выполняют функцию, схожую с настоящими клетками. Они имеют оболочку из липидного слоя, в который встроены фоточувствительные белки. На них воздействуют кванты света и как в настоящих клетках изменяется электрический потенциал, возникает электрический сигнал.

Перовскитная искусственная сетчатка

Все предыдущие фундаментальные разработки направлены на стимулирование всех слоев живых клеток. При помощи технологии перовскитной искусственной сетчатки китайские ученые пытаются предоставить возможность не только получать световые ощущения, но и различать цвет за счет моделирования сигнала таким образом, чтобы он воспринимался мозгом как имеющий определенную цветность.

Фотогальваническая пленка Polyretina

В Polyretina используется маленькая пленка, покрытая слоем химического вещества, которое имеет свойство поглощать свет и конвертировать его в электрический сигнал. Пленка размещена на сферическом основании, чтобы можно было удобно разместить ее на глазном дне.

Фотогальванический имплант Polyretina (Фото: Nature Communications)

Субретинальное введение полупроводникового полимера

Итальянские ученые предлагают технологию введения полупроводникового полимерного раствора под сетчатку, при помощи которого свет фиксируется и трансформируется в электрические сигналы.

Российский опыт ретинального протезирования

В России в 2017 году при поддержке фондов «Со-единение» и «Искусство, Наука и Спорт» было приобретено и установлено два ретинальных импланта Argus II американской компании Second Sight. Это единственные операции по восстановлению зрения, которые были проведены в России за все время. Каждая операция вместе с реабилитацией стоила порядка 10 млн руб, а сама система имплантации для одного пациента — порядка $140 тыс. Все прошло успешно, и два полностью слепых жителя Челябинска — Григорий (не видел 20 лет) и Антонина (не видела 10 лет) — получили предметное зрение. Предметное зрение означает, что человек может видеть очертания предметов — дверь, окно, тарелку — без деталей. Читать и использовать смартфон они не могут. Оба пациента имели диагноз «пигментный ретинит» (куриная слепота).

На момент 2019 года в мире установлено около 350 имплантов, произведенных компанией Second Sight. Около 50 тысяч россиян нуждаются в подобном протезе сетчатки.

В России опытом в протезировании зрения может похвастаться лишь один проект — АНО Лаборатория «Сенсор-Тех».

«Трендом в фундаментальных разработках бионических протезов является стремление сделать их максимально безопасными, приближенными к биологическим тканям людей и с максимально возможным разрешением. Но настоящую революцию вызвали кортикальные импланты, и смысл в ретинальных имплантах пропал, так как они ставятся только при пигментном ретините и возрастной макулярной дегенерации при отсутствии ряда противопоказаний. Кортикальные же импланты значительно расширяют горизонт показаний и позволяют восстанавливать полезное зрение даже людям, вовсе лишенным глаз», — рассказал Андрей Демчинский, к.м.н., руководитель медицинских проектов АНО Лаборатория «Сенсор-Тех».

Кортикальные системы имплантации

Кортикальные протезы — это подгруппа визуальных нейропротезов, способных вызывать зрительные восприятия у слепых людей посредством прямой электрической стимуляции затылочной коры мозга, которая отвечает за распознавание изображений. Этот подход может быть единственным доступным лечением слепоты, вызванной глаукомой, терминальной стадией пигментного ретинита, атрофией зрительного нерва, травмой сетчатки, зрительных нервов и т.п. За последние пять лет ученые решили задачу создания такого внутрикортикального визуального нейропротеза, с помощью которого можно было бы восстановить ограниченное, но полезное зрение.

В 1968 году Г.С. Бридли и В.С. Левин провели первую операцию по установке кортикальных имплантов. Первый имплант состоял из шапочки с коннекторами (устанавливали на череп под кожу) и отдельной дуги с электродами (устанавливали под череп), которые стимулировали кору головного мозга. Эксперимент был проведен на двух добровольцах для оценки возможности получения полезного зрения. Позднее импланты были извлечены. Технология кортикальных имплантов была заморожена по причине провоцирования приступов эпилепсии при стимуляции большего количества клеток мозга.

Первый кортикальный имплант (Фото: The Journal Of Physiology)

Кортикальный имплант Orion

Спустя 45 лет американский лидер разработки ретинальных имплантов Second Sight создал кортикальную протезную систему ORION. В конце 2017 года Second Sight получили разрешение от Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) на проведение клинических испытаний. До апреля 2018 года было установлено шесть устройств. По результатам испытаний оказалось, что все пациенты ощущали зрительные стимулы, a у трех пациентов результаты были схожи с ретинальным имплантом Argus II и дали полезное предметное зрение. Клинические испытания будут проходить до июня 2023 года. Обязательным условием установки импланта является наличие у пациента зрительного опыта, то есть он может использоваться только для людей со сформированной зрительной корой, которые родились зрячими и потеряли зрение.

Система кортикальной имплантации Orion компании Second Sight (Фото: Prosthetic Body)

Кортикальный нейропротез CORTIVIS

Испанские ученые разработали кортикальный имплант под названием CORVITIS. Протез состоит из нескольких компонентов. Одна или две камеры обеспечивают получение изображения, которое затем обрабатывается биопроцессором, чтобы преобразовать визуальный образ в электрические сигналы. На втором этапе информация сводится в серию изображений и передается по радиочастотной связи на имплантированное устройство. Этот радиочастотный блок обеспечивает беспроводную передачу питания и данных во внутреннюю систему. Имплантированный электронный блок декодирует сигналы, определяет и контролирует форму напряжения и амплитуду формы волны, которая будет подаваться на соответствующие электроды. Клинические испытания на пяти пациентах завершатся в мае 2023 года.

Кортикальный имплант CORVITIS

Интракортикальный зрительный протез (WFMA)

Американские ученые разработали технологию многоканальной внутрикортикальной стимуляции с помощью беспроводных массивов металлических микроэлектродов и создали беспроводную плавающую микроэлектродную решетку (WFMA).

Система протеза состоит из группы миниатюрных беспроводных имплантируемых решеток-стимуляторов, которые могут передавать информацию об изображении, снятом на встроенную в очки видеокамеру, непосредственно в мозг человека. Каждая решетка получает питание и цифровые команды по беспроводной связи, так что никакие провода или разъемы не пересекают кожу головы. Посылая команды в WFMA, изображения с камеры передаются непосредственно в мозг, создавая грубое предметное визуальное восприятие изображения. Хотя восприятие не будет похоже на нормальное зрение, с его помощью человек может вести самостоятельную деятельность. Система ICVP получила одобрение FDA для проведения клинических испытаний.

Интракортикальный зрительный протез (WFMA) (Фото: Chicago LightHouse)

Кортикальный протез NESTOR

Голландские ученые также разработали схожую технологию системы протезирования. Принцип функционирования протеза такой же, как в проектах выше. Камера отправляет сигнал на имплант, который состоит из тысяч электродов и смарт-чипа. С помощью процессора зрительное восприятие можно контролировать и регулировать.

«Хотя полное восстановление зрения пока кажется невозможным, кортикальные системы создают по-настоящему значимые визуальные восприятия, при помощи которых слепые люди могут распознавать, локализировать и брать предметы, а также ориентироваться в незнакомой среде. Результат — в существенном повышении уровня жизни слепых и слабовидящих. Такие вспомогательные устройства уже позволили тысячам глухих пациентов слышать звуки и приобретать языковые способности, и такая же надежда существует в области визуальной реабилитации», — обнадежил Андрей Демчинский.

CRISPR возвращает зрение — Индикатор

Однако во взрослом организме большинство клеток уже сформировалось и делится редко. Если нужно отредактировать мутацию именно в них (например, вылечить взрослого человека от слепоты или от заболевания нервной системы, которое не было выявлено на уровне эмбриона), возникают трудности. И вот международная группа генетиков наконец нашла способ разрешения этой проблемы.

Как склеить ДНК без шпаргалок и гомологичной репарации

Разработанная учеными технология называется HITI (homology-independent targeted integration — «независимое от гомологии адресное присоединение»). Она использует не систему гомологичной репарации, а процесс, называемый «негомологичное соединение концов» (название на английском — non-homologous end joining, или NHEJ — было придумано Муром и Хабером в 1996 году).

Концы разъединенной ДНК в этом случае сшиваются ферментом лигазой напрямую, без «консультации» с гомологичной хромосомой. При участии и помощи множества других белков лигаза находит короткие (микрогомологичные) кусочки разрыва и с ювелирной точностью их склеивает.

«Мы в восторге от открытой нами технологии, потому что ранее сделать это не получалось, — признается Хуан Карлос Изписуа Бельмонте, профессор в Лаборатории генной экспрессии в Институте Солка и соавтор статьи. — Впервые мы можем вторгнуться в клетку, которая не делится, и модифицировать ДНК по собственному желанию. Возможности применения этого открытия очень широки».

Первым применением технологии, сочетающей в себе систему CRISPR/Cas9 и репарацию по пути NHEJ, стало возвращение зрения грызунам, но в дальнейшем ее можно применять для лечения широкого спектра генетических заболеваний органов зрения, нервной и сердечно-сосудистой систем.

Вирусы с лечебным «грузом» помогли крысам прозреть

Опираясь на новую комбинированную технологию, биологи создали набор генетических инструкций для клетки, смесь которых назвали HITI, и нагрузили им искусственно обезвреженный вирус, который доставил их в нейроны, выращенные из эмбриональных стволовых клеток человека. Для начала им ничего не исправляли, а просто присоединяли к генетическому грузу вирусов коды флуоресцентных белков, чтобы эффективность адресного встраивания и функционирования в клетках этих генов можно было пронаблюдать визуально. Это стало первым доказательством работы технологии в неделящихся клетках.

Затем конструкцию успешно удалось доставить в мозг взрослой мыши. На завершающей стадии ученые наконец добрались до редактуры генома живого взрослого организма. Подопытными животными стали крысы с пигментным ретинитом — генетическим заболеванием, при котором происходит деградация колбочек и палочек, фоторецепторов сетчатки (о том, как мозг учится видеть заново после излечения этого заболевания, можно прочитать в другом материале Indicator.Ru).

Ученые с помощью генной инженерии вернули зрение слепому человеку — Российская газета

Ученые с помощью методов генной инженерии вернули зрение слепому человеку, что недавно казалось фантастикой. Эту сенсацию корреспондент «РГ» попросил прокомментировать директора Института эволюционной физиологии и биохимии РАН, доктора биологических наук Михаила Фирсова.

Сообщение о том, что абсолютно слепому человеку группа французских и швейцарских ученых вернула зрение, обошло все мировые СМИ. Стало сенсацией, некоторые подавали его почти как чудо: слепой прозрел! Это действительно так?

Михаил Фирсов: Ну про чудо, это слишком сильно. На самом деле наука уже умеет возвращать зрение полностью слепым людям. Для этого в глаз вставляется специальный чип, с помощью которого человек может различать крупные предметы. Это очень сложная система, операция длится около восьми часов, ее проводит бригада первоклассных врачей. Ее стоимость — миллионы долларов. Как правило, такие операции успешны, но есть серьезное но… Дело в том, что чип работает не долго, он зарастает тканью, покрывается слизью. Поэтому чип служит максимум 2-3 года. А повторные операции невозможны.

То есть прозрение длится недолго. Но в данном случае речь идет о другой технологии?

Михаил Фирсов: Совершенно верно. Это оптогенетика, которая уже названа одной из самых перспективных наук среди появившихся в последнее время. Если для введения чипа бригада суперврачей должна работать восемь часов, то оптогенетика позволит прозреть за один укол в глазное яблоко, который в любой клинике может сделать даже медсестра. В чем суть этой технологии? В нейроны клеток встраиваются гены, которые кодируют наработку светочувствительных белков. В частности, это так называемые канальные родопсины, которые в 2004 году были открыты у зеленых водорослей. А воздействуя на эти белки светом, можно управлять нейронами, что открывает самые неожиданные перспективы в разных сферах науки. Например, нейрофизиологи пытаются таким методом лечить эпилепсию. Известно, что во время приступа в мозгу резко усиливаются так называемые синхронные волны. Чтобы их подавить, можно вставить в мозг светочувствительные белки и попробовать светом подавать сигнал в противофазе и подавить эти волны. Пока такой подход на уровне идеи, но может оказаться очень перспективным.

Новая технология сможет лечить светом эпилепсию и глухоту

Как я понимаю, для борьбы со слепотой гены этих водорослей вводятся в глаз пациента, и он прозревает. Фактически в глазу появляется новая зрительная матрица, новые палочки и колбочки, про которые мы знаем еще со школы.

Михаил Фирсов: Да. Но прозрение наступает не сразу. Надо несколько месяцев, чтобы в глазу было наработано большое количество светочувствительных клеток. Но это не все. Человека надо научить видеть в прямом смысле этого слова. Да-да, не удивляйтесь, именно научить. Дело в том, что эта ситуация для мозга довольно ненормальна. У него появились новые пути обработки информации, мозг должен к ним приспособиться, а для этого требуются тренировки.

Что же видит прозревший?

Михаил Фирсов: На данный момент авторы исследования сообщают, что после семи месяцев после начала испытания пациент смог определить количество различных предметов — например двух-трех тетрадей, лежащих на столе. То, что зрение работало, было видно и по электроэнцефалограмме, указывавшей на зрительную активность мозга. Правда, способность видеть возвращалась лишь частично — пациент не различал лица и не мог читать.

Но если вводить больше светочувствительных белков, наверняка зрение улучшится? То есть путь к прозрению человека проторен. Теперь надо только копать эту «золотую жилу»?

Михаил Фирсов: Именно этим сейчас занимаются в многих лабораториях мира, в том числе и в нашем институте. Скажем, ученые ищут новые, более эффективные белки. И уже проведены эксперименты на одном из видов белков, у которых светочувствительность в 100 раз выше, чем у зеленых водорослей. Кроме того, рассматриваются разные варианты введения генов в глазное яблоко. Дело в том, что в сетчатке есть три слоя, и в зависимости от того, куда вводятся светочувствительные белки, эффект может быть разный.

В этой работе речь идет о конкретной болезни — пигментный ретинит. А может эта технология помочь при других заболеваниях глаз?

Михаил Фирсов: Да, такие эксперименты уже проводятся. Надо подчеркнуть, что оптогенетика лечит не сами болезни, а помогает устранить их последствия. Возможно, эту технологию можно применить и для лечения глухоты. Вставлять в ухо светочувствительные белки и работать не на звуковой волне, а на световой. Для этого звуковую волну надо преобразовать в световую и воздействовать ею на светочувствительные клетки.

Справка «РГ»

В 1979 году один из «отцов» двойной спирали ДНК, лауреат Нобелевской премии Френсис Крик предложил использовать свет для управления отдельным нейроном. Понадобилось более 25 лет, что из этой идеи родилась новая наука оптогенетика и революционная технология для прорывных исследований в медицине.

Размытое или искаженное зрение вблизи

Видение здоровым глазом

Видение пораженным глазом

Пресбиопия

Пресбиопия или возрастная дальнозоркость —  это снижение способности фокусирования глаза, которое провоцирует потерю остроты ближнего зрения. Обычно проявляется в 40-45 лет.

Это обусловлено потерей эластичности хрусталиком — естественной линзы глаза, расположенной между роговицей и сетчаткой.

Хрусталик обладает способностью аккомодации, то есть изменять фокусное расстояние. Можно сказать, как “zoom” фотокамеры.

С возрастом хрусталик теряет эластичность и фокусировку, что приводит к возрастной дальнозоркости.
Люди с пресбиопией имеют трудности с фокусированием на близких изображениях, что провоцирует ощущение “танцующих” или размытых букв.

Для большей информации об этой патологии, нажмите на эту ссылку.

Как действовать?
  • Начиная с 40 лет рекомендуется реализовать комплексный офтальмологический осмотр каждые 1-2 года.
  • Пресбиопию можно корректировать с помощью очков и путем рефракционной хирургии в тех случаях,   когда она связана с другими рефракционными проблемами или катарактой.

Гиперметропия

Гиперметропия (дальнозоркость) – это дефект рефракции глаза. Изображение предметов фокусируется не на определенной области сетчатки, а в плоскости за ней, что приводит к нечеткости изображения, особенно вблизи.

Для большей информации об этом рефракционном дефекте, нажмите эту ссылку.

Как действовать?
  • Гиперметропия легко корректируется с помощью очков с собирающими линзами или контактными линзами.
  • Если пациент хочет обойтись без оптической коррекции, можно применить некоторые виды роговичной рефракционной хирургии, которая показана людям с низкой степенью гиперметропии.
  • Другим вариантом являются факичные линзы (между роговицей и хрусталиком), которые показаны пациентам с более высокой степенью дефекта.
  • Для пациентов старше 40-45 лет решением могут являться псевдофакичные линзы (которые заменяют хрусталик).

Какое зрение считается нормальным

Нормальное зрение — это зрение без отклонений в зрительной системе. В первую очередь, нормальное зрение связано с нормальным преломлением светового луча в глазу. Это значит, что линзы, роговица и хрусталик фокусируют образ изображения точно на сетчатке глаза, а не перед ним и не за ним, причём в ее центре, на жёлтом пятне.

У каждого человека своя норма зрения. Определяется она тем, какую строчку видит человек по таблице Головина-Сивцева. Привычная нам единица (1,0) означает, что человек видит 10-ю строчку без средств коррекции, это его нормальное зрение. Единица (1,0) также соответствует 100%.

А теперь расскажем немного больше о физической сущности нормального зрения.
Какое фокусное расстояние здорового глаза?

Глаз – это сложная оптическая система, которая состоит из биологических линз. Каждая глазная линза имеет свое фокусное расстояние, при котором в глазу на сетчатке проектируется отчетливый образ зрительных объектов. Фокусное расстояние имеет свою постоянную величину и напрямую зависит от изогнутости биологической линзы.

Перед попаданием на сетчатку глаза световой луч проходит через роговицу, затем через хрусталик, после чего преломляется и фокусируется на сетчатке.
Глаз, который воспринимает зрительную информацию без искажений, имеет фокусное расстояние равное расстоянию между двумя линзами, которые находятся между сетчаткой и роговицей. В среднем данное расстояние у взрослого человека составляет около 23-24 мм. Такое фокусное расстояние позволяет глазу нормально воспринимать зрительную информацию. При различии в этих расстояниях зрительная информация фокусируется не точно на сетчатке, возникают искажения.
Таким образом и получается, что нормальное зрение – это зрение, при котором зрительная информация проектируется точно на сетчатку глазного яблока, без искажения. И у каждого человека своё фокусное расстояние и своя норма зрения.

Нарушение рефракции

Преломление световых лучей в глазу называется рефракцией, сила преломления световых лучей измеряется в диоптриях.

Если свет преломляется правильно, зрительное изображение фокусируется точно на сетчатку глаза.

Неправильное преломление световых лучей (нарушение рефракции) приводит к развитию и появлению таких заболеваний, как дальнозоркость, близорукость, астигматизм. При их наличии человек видит изображение размытым, нечетким, двоящимся, плохо видит вдали или вблизи. Для коррекции нарушения рефракции используются медицинские очки и контактные линзы, которые заставляют световой луч фокусироваться на сетчатке глаза и делают изображение чётким.

Определить, есть ли у вас отклонения в работе зрительной системы или вы обладаете нормальным зрением, вы можете, пройдя полную диагностику зрения в «Клинике микрохирургии «ГЛАЗ» имени академика С.Н. Федорова».

Стоимость полной комплексной диагностики зрения в Клинике микрохирургии «Глаз» (г. Екатеринбург)

В Клинике микрохирургии «Глаз» (г. Екатеринбург) проводится полное обследование и диагностика зрения. Обследование проводится без очередей и долгих ожиданий, на самом современном оборудовании, высококвалифицированными офтальмологами. В случае, если вам поставлен диагноз того или иного заболевания зрения, офтальмолог назначит всё необходимое лечение, операции (по показаниям), а также регулярный контроль.

Введение в биологию зрения | Нейрохирургия

Получить помощь с доступом

Институциональный доступ

Доступ к контенту с ограниченным доступом в Oxford Academic часто предоставляется посредством институциональных подписок и покупок. Если вы являетесь членом учреждения с активной учетной записью, вы можете получить доступ к контенту следующими способами:

Доступ на основе IP

Как правило, доступ предоставляется через институциональную сеть к диапазону IP-адресов.Эта аутентификация происходит автоматически, и невозможно выйти из учетной записи с проверкой подлинности IP.

Войдите через свое учреждение

Выберите этот вариант, чтобы получить удаленный доступ за пределами вашего учреждения.

Технология Shibboleth/Open Athens используется для обеспечения единого входа между веб-сайтом вашего учебного заведения и Oxford Academic.

  1. Щелкните Войти через свое учреждение.
  2. Выберите свое учреждение из предоставленного списка, после чего вы перейдете на веб-сайт вашего учреждения для входа в систему.
  3. Находясь на сайте учреждения, используйте учетные данные, предоставленные вашим учреждением. Не используйте личную учетную запись Oxford Academic.
  4. После успешного входа вы вернетесь в Oxford Academic.

Если вашего учреждения нет в списке или вы не можете войти на веб-сайт своего учреждения, обратитесь к своему библиотекарю или администратору.

Войти с помощью читательского билета

Введите номер своего читательского билета, чтобы войти в систему. Если вы не можете войти в систему, обратитесь к своему библиотекарю.

Члены общества

Многие общества предлагают своим членам доступ к своим журналам с помощью единого входа между веб-сайтом общества и Oxford Academic. Из журнала Oxford Academic:

  1. Щелкните Войти через сайт сообщества.
  2. При посещении сайта общества используйте учетные данные, предоставленные этим обществом. Не используйте личную учетную запись Oxford Academic.
  3. После успешного входа вы вернетесь в Oxford Academic.

Если у вас нет учетной записи сообщества или вы забыли свое имя пользователя или пароль, обратитесь в свое общество.

Некоторые общества используют личные аккаунты Oxford Academic для своих членов.

Личный кабинет

Личную учетную запись можно использовать для получения оповещений по электронной почте, сохранения результатов поиска, покупки контента и активации подписок.

Некоторые общества используют личные учетные записи Oxford Academic для предоставления доступа своим членам.

Институциональная администрация

Для библиотекарей и администраторов ваша личная учетная запись также предоставляет доступ к управлению институциональной учетной записью. Здесь вы найдете параметры для просмотра и активации подписок, управления институциональными настройками и параметрами доступа, доступа к статистике использования и т. д.

Просмотр ваших зарегистрированных учетных записей

Вы можете одновременно войти в свою личную учетную запись и учетную запись своего учреждения. Щелкните значок учетной записи в левом верхнем углу, чтобы просмотреть учетные записи, в которые вы вошли, и получить доступ к функциям управления учетной записью.

Выполнен вход, но нет доступа к содержимому

Oxford Academic предлагает широкий ассортимент продукции.Подписка учреждения может не распространяться на контент, к которому вы пытаетесь получить доступ. Если вы считаете, что у вас должен быть доступ к этому контенту, обратитесь к своему библиотекарю.

Молекулярная биология зрения — UCLA Health Eye Care

Сурадж Бхат, доктор философии, директор

Контактная информация
Телефон: (310) 825-9544
Факс: (310) 794-2144
Электронная почта: [email protected]

Адрес места нахождения
Stein Eye Institute
100 Stein Plaza, Room B-118
Los Angeles, CA

Области исследований

Молекулярная генетика развития глаза позвоночных
Связь активности генов с фенотипом зрения

Описание

Лаборатория молекулярной биологии Vision изучает регуляцию экспрессии специфических генов во время функциональной дифференцировки и развития глаза позвоночных. Лаборатория занимается разработкой хрусталика и сетчатки. Это включает в себя выделение и характеристику генов и генных продуктов — на уровне ДНК, идентификацию регуляторных последовательностей/элементов и факторов их взаимодействия с использованием систем in vivo и in vitro с модифицированными последовательностями генов; на уровне белка, исследуя физиологическую функцию продукта гена. В настоящее время исследуются две взаимосвязанные парадигмы: 1) молекулярная основа дифференциальной экспрессии гена малого белка теплового шока альфа-B-кристаллина, белка, связанного со зрением (например,грамм. в глазном хрусталике), онкогенез (например, при раке молочной железы) и нервная дегенерация (например, при болезни Альцгеймера). Лаборатория заинтересована в (а) выяснении онтогенетического и тканеспецифического контроля промотора теплового шока гена альфа-В-кристаллина и (б) понимании биологической функции белка альфа-В-кристаллина. С точки зрения тканей, эти исследования охватывают дифференцирующиеся клетки волокон хрусталика глаза, сетчатку, мозг и сердце. 2) Молекулярно-биологические исследования для понимания генетического контроля роста глазного яблока.Основное внимание уделяется выявлению его возможного локального контроля в сетчатке. В дополнение к пониманию нейронной дифференциации во внутренней части сетчатки, столь необходимой для функции сетчатки, эти исследования имеют непосредственное отношение к пониманию молекулярной основы эмметропии (зрения в фокусе) и ее дисфункции, миопии (близорукости). Эти исследования влекут за собой попытки связать активность генов с функциональным фенотипом зрения.

Представительские публикации

Сомасундарам Т., Бхат С.П.Продиктованная развитием экспрессия факторов теплового шока и специфическое взаимодействие промотора теплового шока αB-кристаллина с HSF4. J Biol Chem 2004; 279:44497-503.

Гангалум РК, Шиблер М, Бхат СП. Малый белок теплового шока αB-кристаллин является частью зависимой от клеточного цикла реорганизации Гольджи J Biol Chem 2004;279:43374-7.

Бхат СП. Прозрачность и непреломляющие функции кристаллинов — предложение Exp Eye Res 2004;79:809-16.

Сомасундарам Т., Бхат С.П. Канонический элемент теплового шока в гене αB-кристаллина демонстрирует тканеспецифические и контролируемые развитием взаимодействия с фактором теплового шока.J Biol Chem 2000; 275:17154-9.

Бхат С.П., Райнер С.А., Хуанг С.М., Ариясу Р.Г. Количественная оценка транскриптов РНК свидетельствует о сохранении экспрессии Рах-6 в постэмбриональной сетчатке цыплят. Dev Neurosci 1999; 21:140-6.

Bhat SP, Hale IL, Matsumoto B, Elghanayan D. Эктопическая экспрессия αB-кристаллина в клетках яичника китайского хомячка предполагает ядерную роль этого белка. Eur J Cell Biol 1999;78:143-50.

Гранты

Национальный глазной институт, Национальный институт здоровья: экспрессия генов в нормальных и катарактных хрусталиках, 01.06.06-31.05.11

Доступные позиции

Постдокторант, техник-исследователь

%PDF-1. 4 % 1 0 объект > эндообъект 2 0 объект >поток 2019-06-04T14:57:33-05:002019-06-04T14:57:33-05:002019-06-04T14:57:33-05:00Adobe InDesign CC 2017 (Macintosh)application/pdfuuid:43cd555b-68b2 -456f-8d5c-2eba20b49706uuid:c5aad35e-dd31-4cb6-8b5a-0cada0170a3eБиблиотека Adobe PDF 15.0False конечный поток эндообъект 3 0 объект > эндообъект 5 0 объект >/ExtGState>/Font>/ProcSet[/PDF/Text/ImageC]/Properties>/Shading>/XObject>>>/Rotate 0/TrimBox[0. ̚I»Noĵcuh:M6:enyE8 9RpA! gzEsu5j U~jcD稸$(p L N(SaHT!}08 ăzU>`k-f

Физиология зрения — Online Biology Notes

Физиологические явления зрения состоят из следующего;

  1. Преломление света, попадающего в глаз
  2. Фокусировка изображения на сетчатке путем аккомодации хрусталика
  3. Конвергенция изображения
  4. Фотохимическая активность в сетчатке и преобразование в нервный импульс
  5. Обработка в головном мозге и восприятие

Преломление попадание света в глаз:

  • Световые волны распространяются параллельно друг другу, но искривляются при переходе из одной среды в другую.Это явление называется рефракцией.
  • Прежде чем свет достигает сетчатки, он проходит через роговицу, водянистую влагу, стекловидное тело хрусталика, поэтому преломление происходит во всех средах, прежде чем попасть на сетчатку.
  • В нормальном глазу световая волна фокусируется на сетчатке.
  • Однако в близоруком глазу свет фокусируется перед сетчаткой. Таким образом, этот дефект можно лечить с помощью линзы cancave.
  • При дальнозоркости свет фокусируется за сетчаткой, изображение не формируется. Этот дефект можно лечить с помощью выпуклой линзы.

Размещение объектива для фокусировки изображения:

  • Аккомодация — это рефлекторный процесс, при котором световые лучи от объекта идеально фокусируются на сетчатке путем регулировки хрусталика.
  • При просмотре объекта, расположенного на расстоянии менее 6 метров, изображение формируется за сетчаткой. Но благодаря аккомодации хрусталика в сетчатке формируется изображение, и мы можем видеть предмет.
  • Для аккомодации, позволяющей рассмотреть более близкий объект, цилиарная мышца сокращается, а хрусталик утолщается, что приводит к фокусировке на более близком объекте.
  • Аналогично, при взгляде на удаленный предмет расслабляются цилиарные мышцы, вследствие чего увеличивается напряжение связки, которая вытягивает хрусталик, а хрусталик истончается, за счет чего на сетчатке формируется изображение.
  • Нормальный глаз способен воспринимать свет от объекта на расстоянии от 25 см до бесконечности.

Фокус на ближайшем объекте:

Сокращение цилиарной мышцы——— ресничное тело тянет вперед и внутрь ———снижается натяжение поддерживающей связки хрусталика —— хрусталик становится более толстым и круглым благодаря своей эластичности——возможна фокусировка вблизи объекта

Фокус на удаленном объекте:

Расслабление цилиарных мышц — цилиарное тело возвращается в нормальное состояние покоя — напряжение поддерживающей связки хрусталика увеличивается — хрусталик становится тоньше и уплощается — — возможна фокусировка на удаленном объекте

Конвергенция изображения:

  • Человеческий глаз обладает бинокулярным зрением, это означает, что хотя у нас два глаза, мы воспринимаем одно изображение
  • При бинокулярном зрении два глазных яблока слегка поворачиваются внутрь, чтобы сфокусировать близкий объект, так что оба изображения одновременно попадают на соответствующие точки сетчатки . Это явление называется конвергенцией.

Фотохимическая активность в сетчатке и преобразование в нервный импульс

1. Фотохимическая активность палочек:
  • Каждый глаз содержит 125 миллионов палочек, расположенных в нейросетчатке.
  • Палочки содержат светочувствительный пигмент-родопсин.
  • Родопсин представляет собой молекулу, образованную комбинацией белка скотопсина и малой светочувствительной молекулы ретиналя (ретинена).
  • Ретинен (ретиналь) представляет собой молекулу каротиноида и является производным витамина А (ретинола).
  • Ретиналь существует в двух изомерных формах: цис и транс в зависимости от условий освещения.
  • Внеклеточная жидкость, окружающая палочки, содержит высокую концентрацию ионов Na+ и низкую концентрацию ионов K+, в то время как внутри палочек концентрация Na+ низкая, а K+ высокая. Концентрация поддерживается насосом Na-K.
  • В фазе покоя K+ стремится выйти за пределы клеток-палочек, создавая внутри небольшой заряд -ve.
  • Когда свет падает на палочку, она поглощается родопсином и расщепляется на скотопсин и 11 цис-ретиналь.Процесс известен как отбеливание.
  • 11 цис-ретиналь поглощает фотон света и превращается в полностью транс-ретиналь, который, в свою очередь, активирует скотопсин в фермент.
  • В результате этой реакции образуется большое количество трансдуцина, который активирует другой фермент фосфодиэстеразу.
  • Фосфодиэстераза гидролизует цГМФ, что приводит к прекращению потока ионов Na+ внутрь палочек. Это вызывает повышенный отрицательный заряд внутри клетки, создавая гиперполяризованное состояние.
  • Гиперполяризованные палочки передают нервный сигнал биполярной клетке.
  • Биполярная клетка, амакриновая клетка и ганглиозная клетка обрабатывают нервный сигнал и генерируют потенциал действия для передачи в мозг через зрительный нерв.
2. Фотохимическая активность в шишках:
  • Каждый глаз содержит 7 миллионов колбочек.
  • Нервная активность колбочек аналогична активности палочек, но существует три различных типа колбочек, каждая из которых содержит свой фотопигмент и чувствительна к красному, зеленому и синему цветам.
  • Как и палочка, колбочка содержит йодопсин в качестве фотопигмента, состоящего из 11 цис-ретиналя и фотопсина.
  • Восприятие цвета зависит от того, какие колбочки стимулируются.
  • Окончательный воспринимаемый цвет представляет собой комбинацию всех трех типов стимулированных колбочек в зависимости от уровня стимуляции.
  • Правильное сочетание всех трех цветов создает восприятие белого цвета, а отсутствие всех цветов создает восприятие черного цвета.

Обработка изображения в мозгу и восприятие:

  • Вся визуальная информация возникает в сетчатке благодаря стимуляции палочек и колбочек и передается в мозг.
  • Сетчатка содержит 5 типов клеток, соединенных синапсом. Эти клетки представляют собой фоторецепторные клетки (палочки и колбочки), биполярные клетки, ганглиозные клетки, горизонтальные клетки и амакриновые клетки.
  • Фоторецепторные клетки, биполярные клетки и ганглиозные клетки передают импульс непосредственно от сетчатки в мозг.
  • Нервное волокно ганглиозных клеток обоих глаз несет импульс по двум зрительным нервам.
  • Зрительные нервы встречаются у зрительного перекреста, где перекрещиваются волокна из носовой половины каждой сетчатки, но не перекрещиваются волокна из височной половины каждой сетчатки.
  • Зрительный нерв после пересечения хиазмы называется зрительным трактом.
  • Каждый зрительный тракт продолжается кзади до синапса с нейроном в таламусе, называемым латеральным коленчатым телом, который проецируется на первичную зрительную кору в затылочной доле головного мозга и воспринимает изображение.

Физиология зрения

Как биологическое зрение преуспевает в физическом мире

Abstract

Биологические зрительные системы не могут измерять свойства, определяющие физический мир.Тем не менее, визуально управляемое поведение людей и других животных обычно бывает успешным. Цель этой статьи — рассмотреть, как совершается этот подвиг. Большинство концепций зрения предполагают, явно или неявно, что визуальное поведение зависит от восстановления источников признаков стимула либо непосредственно, либо в процессе статистического вывода. Здесь мы утверждаем, что, учитывая неспособность зрительной системы получить доступ к свойствам мира, эти концептуальные рамки не могут объяснить поведенческий успех биологического зрения.Предлагаемая нами альтернатива состоит в том, что зрительная система связывает частоту появления биологически детерминированных стимулов с полезными перцептивными и поведенческими реакциями без восстановления свойств реального мира. Доказательством такой интерпретации зрения является то, что частота появления паттернов стимулов предсказывает многие основные аспекты того, что мы видим на самом деле. Эта стратегия предлагает другой способ понимания взаимосвязи между объективной реальностью и субъективным опытом и предлагает способ понять принципы работы зрительной схемы, не прибегая к обнаружению признаков, представлению или вероятностному выводу.

В 1960-х годах и в течение следующих нескольких десятилетий казалось почти несомненным, что быстро растущий объем информации об электрофизиологических и анатомических свойствах нейронов в первичном зрительном пути экспериментальных животных покажет, как мозг использует стимулы сетчатки для генерации восприятие и соответствующее визуально управляемое поведение (1). Однако, несмотря на то, что прошло 50 лет, это ожидание не оправдалось. Оглядываясь назад, недостающей частью является понимание того, как стимулы, которые не могут определять свойства физических источников, могут, тем не менее, привести к в целом успешному восприятию и поведению.

Проблемная связь между визуальными стимулами и физическим миром была признана Птолемеем во 2-м веке, Альхазеном в 11-м веке, Беркли в 18-м веке, Гельмгольцем в 19-м веке и многими другими с тех пор (2⇓⇓⇓⇓⇓ ⇓⇓⇓⇓–12). Чтобы объяснить, как правильное восприятие и поведение могут возникать из стимулов, которые не могут указать свои источники, Гельмгольц, возможно, самая влиятельная фигура в этой истории, предложил, чтобы наблюдатели дополняли информацию в стимулах сетчатки, делая «бессознательные выводы» о мире на основе прошлого опыта. .Идея видения как вывода была возрождена в последние два десятилетия с использованием байесовской теории принятия решений, которая утверждает, что неопределенность происхождения изображений на сетчатке, показанных на рис. 1, разрешается путем использования вероятностной связи между особенностями изображения и их возможными физическими источниками. (13⇓⇓–16).

Рис. 1.

Неясное происхождение стимулов сетчатки. Изображения, сформированные на сетчатке, не могут определять физические свойства, такие как освещенность, коэффициент отражения поверхности, коэффициент пропускания атмосферы и многие другие факторы, определяющие значения яркости зрительных стимулов.Такое же объединение физической информации справедливо для геометрических, спектральных (цвет) и последовательных (движение) свойств стимула. Таким образом, поведенческое значение любого визуального стимула неопределенно. Понимание того, как можно инвертировать процесс формирования изображения для восстановления свойств окружающей среды в этих обстоятельствах, называется обратной задачей оптики.

Другая концепция зрения, которую мы здесь рассматриваем, основана на более радикальном прочтении задачи реагирования на стимулы, которые не могут определять показатели окружающей среды (17⇓⇓–20).Суть в том, что, поскольку не существует биологически осуществимого способа решить эту проблему путем сопоставления особенностей изображения на сетчатке со свойствами реального мира, зрительные системы, подобные нашей, обходят его, генерируя восприятие и поведение, которые зависят от частоты появления биологически определенных стимулов, которые связаны с репродуктивным успехом. Далее мы опишем, как действует эта стратегия видения, как она объясняет аномальное восприятие нами физического мира и что она подразумевает в схемах зрительной системы.

Зрение в эмпирических терминах

Хотя часто предполагается, что целью эволюционировавших свойств глаза и обработки изображений на раннем уровне является предоставление мозгу характеристик стимула, чтобы нейронные вычисления могли воссоздать представление об окружающей среде, существует является убедительным доказательством того, что мы не видим физический мир таким, какой он есть (17, 18, 20⇓⇓⇓–24). Что бы еще ни предполагали эти данные, они указывают на то, что для того, чтобы быть полезными, восприятия не обязательно должны согласовываться с измеряемой реальностью.Действительно, создание достоверных восприятий кажется невозможным, учитывая неопределенное значение информации, передаваемой стимулами сетчатки (рис. 1), даже если принять во внимание физические ограничения, определяющие мир (10⇓–12).

Однако с точки зрения неодарвинистской эволюции визуальная стратегия, которая может обойти проблему обратной оптики и объяснить, почему восприятие отличается от измеряемых свойств мира, проста. Случайные изменения в структуре и функции зрительных систем у предковых форм будут благоприятствовать естественному отбору в зависимости от того, насколько хорошо последующие восприятия управляют поведением, способствующим репродуктивному успеху.Любая конфигурация глаза и/или нейронной схемы, усиливающая эмпирическую связь между зрительными стимулами и полезным поведением, будет иметь тенденцию к увеличению популяции, в то время как менее полезные свойства глаза и конфигурация схемы — нет. В результате как восприятие, так и, в конечном счете, поведение будут зависеть от ранее созданных нейронных цепей, которые способствуют репродуктивному успеху; следовательно, восстановление или представление действительных свойств мира было бы излишним.

Биогенез стимулов

Ключом к пониманию того, как и почему эта общая стратегия объясняет аномальное восприятие мира, когда свойства объектов нельзя определить напрямую, является признание того, что визуальные стимулы не являются пассивным результатом физики или статистики физических процессов. свойства в окружающей среде, а активно создаются по их влиянию на репродуктивный успех.

В отличие от интуитивных представлений о том, что зрение начинается с изображения на сетчатке, которое затем обрабатывается и в конечном итоге представляется в зрительном мозге в соответствии с рядом более или менее логических шагов, в настоящем аргументе изображение на сетчатке является лишь одним из ряд стадий биологической трансформации неупорядоченной фотонной энергии, которая начинается на поверхности роговицы и продолжается в процессе обработки, осуществляемой сетчаткой, таламусом и корой. В этой структуре «визуальный стимул» определяется преобразованием информации рекуррентной сетью восходящих и нисходящих связей, где инструментальная цель создания восприятий и поведения, которые работают, достигается, несмотря на отсутствие информации о фактических свойствах объекта. мир, в котором животное должно выжить. Таким образом, хотя зрительные стимулы обычно рассматриваются как образы, определяемые физической средой, их лучше понимать как определяемые биологическими свойствами глаза и остальной части зрительной системы.

Многие из этих свойств уже хорошо известны. Для существования зрительного стимула фотоны должны быть сначала преобразованы в топографическую матрицу, упорядоченную в соответствии с эволюционировавшими свойствами глаза. Развитые пренейральные свойства, которые достигают этого, — это размеры глаза, форма и показатель преломления роговицы, динамические характеристики хрусталика и свойства окулярных сред, которые служат для фильтрации и фокусировки фотонов, падающих на маленькую линзу. области поверхности роговицы.Этот процесс продолжается расположением фоторецепторов, которое ограничивает передачу до ограниченного диапазона энергий фотонов, и цепью свойств нервного рецептивного поля раннего уровня, которые продолжают преобразовывать биологически созданный ввод на уровне сетчатки. Хотя природа нейронной обработки менее ясна по мере восхождения в первичной зрительной системе, достаточно известно об организации рецептивных полей раннего уровня, чтобы дать общее представление о том, как они способствуют этой общей стратегии опоры на частоту возникновения. визуальных стимулов для создания успешного восприятия, как описано в следующем разделе.Основная роль физического мира в этом понимании видения состоит в том, чтобы просто обеспечить эмпирическую обратную связь относительно того, какие виды восприятия и поведения способствовали репродуктивному успеху, а какие нет.

Пример: восприятие легкости

Чтобы проиллюстрировать, как работает эта концепция зрения, рассмотрим биологическое преобразование лучистой энергии в стимулы на ранней стадии, когда лучше всего понимаются преднейронные и нейронные события. Поскольку увеличение яркости любой области изображения на сетчатке увеличивает количество фотонов, захваченных соответствующими фоторецепторами, здравый смысл подсказывает, что физические измерения интенсивности света и его воспринимаемой яркости должны быть пропорциональны, и что две области, возвращающие одинаковое количество света, должны кажутся одинаково светлыми или темными.Восприятие легкости, однако, не соответствует этим ожиданиям: в психофизических экспериментах кажущаяся легкость, определяемая значениями яркости в любой конкретной области изображения на сетчатке, явно нелинейна и сильно зависит от окружающих значений яркости (20, 21, 24). .

Чтобы понять значение этих несоответствий, возьмите типичную картину яркости на сетчатке, возникающую из-за фотонов, которые упорядочены эволюционными свойствами глаза. Во всех смыслах и целях изображение, такое как пример на рис.2 произойдет только один раз; крайне маловероятно, что сетчатка наблюдателя когда-либо снова будет активироваться точно такой же картиной значений яркости, попадающих на тот же топографический массив из миллионов рецепторов. Поскольку паттерны, подобные этому, фактически уникальны, даже большой каталог таких изображений практически не поможет в продвижении полезного визуального поведения на эмпирической основе (метод проб и ошибок). Однако меньшие области изображения, такие как выбранные шаблонами на рис.2 A , произошло бы более одного раза, а некоторые и много раз, как показано на рис. 2 B .

Рис. 2.

Накопленный человеческий опыт работы с яркостными паттернами. ( A ) Чтобы оценить концепцию о том, что восприятие возникает как функция накопленного опыта в течение эволюционного времени, откалиброванные цифровые фотографии могут быть отобраны с помощью шаблонов размером с зрительные рецептивные поля, чтобы измерить, как часто различные паттерны яркости появляются в зрительных стимулах.( B ) При повторной выборке частота появления яркости любой целевой области в наборе значений яркости (обозначенная знаком вопроса) может быть представлена ​​как частотное распределение. Частота появления яркости центральной области различна в двух окружениях, как это было бы верно для любого другого образца значений яркости, оцениваемых таким образом. (Фоновое изображение в A взято из ссылки 50; данные в B взяты после ссылки 27).

Конечно, существует нижний предел размера выборки, который был бы полезен. Если бы, например, размер выборки был уменьшен до одной точки, частота появления «паттерна» была бы максимальной, но результирующие восприятия и поведение были бы основаны на минимуме информации. Наибольший биологический успех, по-видимому, будет достигнут при часто встречающихся выборках, которые содержат относительно небольшие паттерны, в которых ответы соответствующих нейронов используют информацию, предоставленную как значением яркости в любой точке, так и поддающимся обработке числом окружающих значений яркости.Такое расположение соответствует тому, как изображения на сетчатке фактически обрабатываются рецептивными полями зрительных нейронов раннего уровня, которые в центральном зрении макак-резусов (и, предположительно, людей) имеют порядок или меньше дуги зрения. (25, 26) — примерный размер шаблонов, использованных на рис. 2 A .

Чтобы изучить достоинства этой концепции зрения, можно использовать шаблоны, подобные показанным на рис. 2. в принципе тоже работает).Если восприятие яркости действительно зависит от частоты появления небольших паттернов значений яркости, то эти данные должны предсказывать то, что мы видим. Одним из способов представления частоты появления таких стимулов является преобразование распределений на рис. 2 B в функции кумулятивного распределения, что позволяет ранжировать целевые значения яркости в различных окружающих условиях относительно друг друга (рис. 3). Таким образом, могут быть указаны значения яркости, которые будут получены значением яркости любой области шаблона в контексте окружающих значений яркости.В настоящей концепции зрения различия в этих рангах объясняют воспринимаемые различия в освещенности идентичных целевых значений яркости на рис. Распределения частот с фиг. 2 B здесь преобразованы в функции распределения, которые указывают кумулятивную частоту появления центральной целевой яркости с учетом яркости окружающего пространства ( Врезка ). Пунктирные линии показывают процентиль определенного центрального значения яркости ( T ) в каждом распределении. Как показано на вставках , центральные квадраты с идентичными фотометрическими значениями вызывают разные восприятия яркости (называемые «одновременным контрастом яркости»), предсказанные их относительным ранжированием (относительной частотой появления).

Подобные анализы использовались для объяснения не только восприятия простых паттернов яркости, подобных показанным на рис. 2 и 3, но также и восприятие, вызванное множеством сложных паттернов яркости (20, 27), геометрических паттернов (18), спектральных паттернов (28) и движущихся стимулов (29, 30).Кроме того, искусственные нейронные сети, которые развиваются на основе ранжирования частоты яркостных паттернов, могут рационализировать основные аспекты свойств рецептивного поля раннего уровня у экспериментальных животных (31, 32).

Почему частота появления визуальных стимулов предсказывает восприятие и поведение

Однако в этом отчете отсутствует вопрос о том, почему частота появления визуальных стимулов, отобранных таким образом, предсказывает восприятие. Причина, по нашему мнению, заключается в том, что относительное количество раз, когда биологически сгенерированные паттерны преобразуются и обрабатываются в накопленном опыте, отслеживает репродуктивный успех.На рис. 3, например, частоты появления паттернов на этапе фотовосприятия привели к тому, что центральное значение яркости чаще встречается в окружающем пространстве с более низкой яркостью, чем в более высоком, что приводит к более крутому наклону в этой точке. на кумулятивной функции распределения. Если относительное ранжирование по этой функции соответствует восприятию яркости, то чем выше ранг целевой яркости (T) в данном окружении по сравнению с другой целевой яркостью с тем же окружением, тем светлее должна казаться цель.Следовательно, поскольку целевая яркость в более темном окружении (рис. 3, 90 199, левый 90 200 ) имеет более высокий ранг, чем такая же целевая яркость в более светлом окружении (рис. 3, 90 199, правый 90 200), первое следует рассматривать как более светлое, чем последний, как есть. Поскольку частота появления паттернов является эволюционным свойством — и поскольку эти относительные ранги вдоль функции соответствуют восприятию, — возникающее в результате визуально управляемое поведение будет в той или иной степени способствовать репродуктивному успеху.Таким образом, выравнивая частоты появления световых паттернов в течение эволюционного времени с восприятием света и темноты и поведением, которое они вызывают, эта стратегия может объяснить зрение, не решая обратную задачу оптики.

Зрительное восприятие на этой основе

Несмотря на склонность к этому, было бы заблуждением полагать, что восприятие, предсказываемое относительным ранжированием яркости или другими паттернами, зависит от информации о «статистике окружающей среды».«Конечно, верно то, что, поскольку физические объекты имеют тенденцию быть однородными по своему локальному составу, близлежащие значения яркости в эволюционных паттернах изображений на сетчатке имеют тенденцию быть похожими; действительно, работа Брюнсвика (4) и позже Гибсона (33), которые сосредоточились на том, как ограничения окружающей среды могут быть переданы в структуре изображений, опирались на эту и другую статистическую информацию для объяснения зрения. Однако, как показано на рис. 1, взаимосвязь между свойствами физического мира и изображениями на сетчатке объединяет такую ​​информацию, подрывая стратегии, основанные на статистических характеристиках окружающей среды для объяснения восприятия.

Хотя эмпирический обход обратной задачи создает субъективное впечатление, что мы воспринимаем действительные свойства объектов и условий в мире, это не так. Реагирование на значения яркости (или других атрибутов изображения) по частоте появления локальных паттернов также не раскрывает реальность и не приближает субъективные значения к объективным. Из этого следует, что эти несоответствия между яркостью и яркостью — или любыми другими зрительными качествами и их физическими коррелятами — не являются «иллюзиями» (22, 23), а просто признаками стратегии, которую мы и, предположительно, другие зрительные животные выработали в ходе эволюции, чтобы способствовать полезному зрению. поведения, несмотря на неспособность биологических зрительных систем измерять физические параметры.

Таким образом, успешное восприятие и поведение возникают не потому, что действительные свойства мира восстанавливаются из изображений, а потому, что перцептивные значения, определяемые частотой появления визуальных стимулов, согласуются с репродуктивным успехом вида и индивидуума. В результате визуальные качества, которые мы видим, лучше понимаются как обозначающие восприятие и поведение, которые привели к репродуктивному успеху в прошлом, а не как кодирование информации, статистической или иной, о мире в настоящем.

Другие интерпретации видения

Что же тогда можно сказать о других концепциях видения и как они соотносятся с представленной здесь стратегией видения? Рассматриваются три современные концепции: зрение как обнаружение и представление особенностей изображения, зрение как вероятностный вывод и зрение как эффективное кодирование.

Видение как функция обнаружения и представления.

Ранняя и до сих пор широко распространенная идея состоит в том, что зрительные (и другие) сенсорные системы работают аналитически, обнаруживая важные для поведения черты в изображениях на сетчатке, которые затем используются для построения нейронных репрезентаций мира на уровне зрительной коры. Эта интерпретация визуальной обработки согласуется с электрофизиологическими данными, демонстрирующими избирательность нейронных рецептивных полей, а также с убедительным впечатлением, что то, что мы видим, является внешней реальностью. Привлекательная на этих основаниях, такая интерпретация зрения исключается неспособностью зрительной системы измерять физические параметры мира (рис. 1), а также ее неспособностью объяснить массу явлений яркости, цвета, форма, расстояние, глубина и психофизика движения на этой основе (20).

Видение как вероятностный вывод.

Сложнее оценить идею о том, что видение основано на стратегии вероятностного вывода. Гельмгольц представил идею бессознательного умозаключения в 19 веке, чтобы объяснить, как зрение может улучшить реакцию на изображения на сетчатке, которые он считал по своей сути неадекватными стимулами (3). В первой половине 20-го века визуальные выводы были задуманы с точки зрения гештальт-законов или других эвристик. Совсем недавно многие математические психологи и специалисты по информатике поддержали идею зрения как статистического вывода, предложив, чтобы изображения отображались обратно в свойства объектов и условий в мире как байесовские вероятности (13, 15, 16, 34⇓⇓–37). .

Теорема Байеса (38) утверждает, что вероятность условного вывода о том, что A при условии B является истинным (апостериорная вероятность), определяется вероятностью B при условии A (функция правдоподобия), умноженной на отношением независимых вероятностей A (априорная вероятность) и B. Этот способ делать рациональные прогнозы в условиях неопределенности широко и успешно используется в различных приложениях, от прогнозирования погоды и медицинской диагностики до покера и спорта. делать ставки.

Однако ценность теоремы Байеса как инструмента для понимания зрения — это другой вопрос. Чтобы быть биологически полезной, апостериорная вероятность должна была бы указывать вероятность свойства мира (например, коэффициента отражения поверхности или значения освещенности), лежащего в основе данного визуального стимула. Это, в свою очередь, будет зависеть от вероятности визуального стимула с учетом физического свойства (вероятности) и априорной вероятности этого состояния мира. Хотя этот подход логичен, информация о правдоподобии и априорных вероятностях просто недоступна для зрительной системы с учетом обратной задачи, что отрицает биологическую осуществимость этого объяснения.Напротив, описанная здесь эмпирическая концепция видения позволяет избежать этих проблем, преследуя другую цель: способствовать репродуктивному успеху, несмотря на неспособность восстановить свойства физического мира, в котором должно происходить поведение. Хотя частота появления стимулов часто используется для вывода о вероятности лежащего в основе свойства физического мира с учетом изображения, в этой эмпирической стратегии такие выводы не делаются. Этот подход также не опирается на вероятностное решение: биологически детерминированная частота появления визуальных стимулов просто порождает полезные восприятия и поведение в соответствии с репродуктивным успехом.

Эти оговорки добавляются к другим критическим замечаниям в отношении байесовской теории принятия решений применительно к когнитивным проблемам и нейробиологии в целом (39, 40).

Видение как эффективное кодирование.

Еще одна популярная схема для понимания зрения и лежащих в его основе схем — это эффективное кодирование (5, 41⇓⇓⇓–45). Код — это правило преобразования информации из одной формы в другую. В зрении под кодированием понимается преобразование паттернов стимулов сетчатки в электрохимические сигналы (рецепторные, синаптические и потенциалы действия), используемые для связи с остальной частью мозга; эта информация затем декодируется дальнейшими вычислительными процессами для достижения перцептивных и поведенческих эффектов.Учитывая природу сенсорной трансдукции и распространение периферических сенсорных эффектов на отдаленные участки с помощью потенциалов действия, кодирование для целей нейронных вычислений кажется особенно подходящей метафорой и получило широкое признание (44, 46, 47).

Такие подходы по-разному интерпретируют зрительные схемы как выполнение оптимальных процедур кодирования, основанных на минимизации энергопотребления (5, 42, 43, 48⇓–50), выполнении точных прогнозов (51⇓–53), устранении избыточности (54) или нормализации информация (55, 56). Общей темой этих перекрывающихся идей является то, что оптимизация передачи информации за счет минимизации избыточности, снижения затрат на проводку и/или максимизации энтропии сенсорных выходов будет выгодна для зрительных животных (57).

Важность эффективности (будь то кодирование или что-то еще) несомненно является фактором любого эволюционного процесса, и важность этих нескольких способов ее достижения не вызывает сомнений. Однако создание восприятий с помощью схем, конкурирующих с миром, физические параметры которого не могут быть измерены биологическим зрением, представляет собой другую цель, почти такую ​​же, как цели любой системы органов отличаются от одновременной потребности достичь их так же эффективно, как и возможно.Таким образом, эти усилия не являются объяснением зрительного восприятия, которое зависит от эффективности не больше, чем значение вербального сообщения зависит от того, насколько эффективно оно передано.

Значение для будущих исследований

Учитывая центральную роль, которую зрение играет в современной неврологии, то, как ученые понимают зрение, в целом имеет отношение к будущему направлению исследований мозга, их потенциальным преимуществам и экономической ценности. В настоящее время широко обсуждается вопрос о намерении в ближайшее десятилетие вложить значительные средства в полный анализ связей человеческого мозга как на макроскопическом, так и на микроскопическом уровнях (58⇓–60) (также http://blogs.nature.com/news/2013/04/obama-launches-ambitious-brain-map-project-with-100-million.html, по состоянию на 24 февраля 2014 г.). Стимул для этой инициативы во многом основан на успехе проекта генома человека в научном, медицинском, техническом и финансовом плане. Чтобы подчеркнуть эту параллель, целью проекта называют получение «мозгового коннектома».

Хотя нейробиологи справедливо приветствуют эти инвестиции в лучшее понимание связей мозга, связанных с ними технологий и возможных преимуществ для здоровья, слабость по сравнению с проектом генома человека (и с генетикой в ​​целом) заключается в том, что основные функциональные и структурные принципы генов были уже хорошо зарекомендовал себя в начале.Напротив, принципы, лежащие в основе структуры и функций человеческого мозга и его составляющих, остаются неизвестными. Действительно, заявленная цель проекта коннектома мозга — надежда на то, что дополнительная анатомическая информация поможет установить эти принципы.

Учитывая эту цель, работа зрительной системы — области мозга, о которой сейчас известно больше всего, — особенно актуальна. Если функция зрительных цепей, предполагаемый флагман операций в остальной части мозга, была определена эволюционной и индивидуальной историей, а не принципами логического «дизайна», то понять функцию путем изучения связей мозга может быть гораздо сложнее, чем предполагалось. .Возможно, самым пугающим препятствием является то, что репродуктивный успех — движущая сила любой развитой стратегии видения — зависит от очень большого количества факторов, многие из которых будет трудно различить, не говоря уже о количественной оценке. Таким образом, связь между накопленным опытом и репродуктивным успехом никогда не может быть определена более чем в качественных или полуколичественных терминах.

В свете этих препятствий, возможно, лучший способ понять принципы, лежащие в основе нейронной связи, — это развивать все более сложные сети во все более реалистичных средах. До относительно недавнего времени преследовать эту цель было бы фантастикой. Однако появление генетических и других компьютерных алгоритмов сделало развитие искусственных нейронных сетей в простых условиях относительно простым (31, 32). Этот подход должен в конечном итоге связать развившиеся зрительные функции и принципы их работы с множеством деталей, уже известных из физиологических и анатомических исследований за последние 50 лет.

Заключение

Основная проблема понимания зрения заключается в том, что биологические зрительные системы не могут измерить или иным образом получить доступ к свойствам физического мира.Мы утверждали, что зрение, подобное нашему, решает эту проблему, развивая способность формировать и преобразовывать небольшие, биологически детерминированные паттерны образов, частота появления которых напрямую связывает восприятие и поведение с репродуктивным успехом. Таким образом, восприятие и поведение начинают работать в физическом мире без сенсорных измерений окружающей среды, а также без умозаключений или сложных вычислений, которые часто представляются. В результате, однако, видение согласуется не с реальностью, а с восприятием и поведением, которые преуспевают в мире, действительные свойства которого не раскрываются.Эта структура видения, подкрепленная данными человеческой психофизики и прогнозами восприятия, основанными на накопленном опыте (т. е. частоте появления биогенных стимулов), подразумевает, что цель Густава Фехнера — понять взаимосвязь между объективным (физическим) и субъективным (психологическим) домены (61) могут быть выполнены, если рассматривать их в этих биологических терминах, а не в терминах статистики, логики и вычислений, которые более подходят для физики, математики и компьютерных наук, основанных на алгоритмах.Хотя может быть нелегко связать это понимание зрения с задачами более высокого порядка, такими как распознавание объектов, если аргумент здесь верен, то все дальнейшее использование визуальной информации должно основываться на том, как мы видим эти основополагающие качества.

Благодарности

Мы благодарны Дэну Боулингу, Джеффу Лихтману, Яниву Моргенштерну и Черлин Нг за полезную критику.

Сноски

  • Вклад авторов: Д.П., Б.Б.М., Дж.С. и В.Т.В. проанализировал данные и написал статью.

  • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

  • Эта статья является прямой отправкой PNAS.

Протез частично восстанавливает зрение слепой учительницы биологии 19 статья в

The Journal of Clinical Investigation .Клинические испытания устройства с участием еще четырех пациентов планируется продолжить в 2024 году. Центр, сообщает NPR. «Это может позволить им легко идентифицировать человека, дверные проемы или автомобили. Это может повысить независимость и безопасность. Это то, над чем мы работаем».

Графический реферат статьи, показывающий имплантированное устройство, расположение вставки и задачи, которые выполняла Гомес

Берна Гомес, которой сейчас 58 лет, живет в Испании и преподавала биологию в средней школе, пока она полностью не ослепла в течение нескольких дней после известного состояния поскольку токсическая оптическая невропатия разорвала связь между ее глазами и мозгом, согласно заявлению Университета Юты. Гомес был первым человеком, получившим электродную решетку Юты (UEA), разработанную Норманном с целью восстановления зрения для миллионов людей, страдающих слепотой.

UEA представляет собой имплантируемое устройство площадью 4 квадратных миллиметра, содержащее 96 электродов длиной 1,5 мм каждый. Это устройство хирургическим путем имплантируется в мозг, проникая через поверхность зрительной коры, и при активации по определенным схемам оно позволяет мозгу воспринимать формы. Эдуардо Фернандес из испанского Университета Мигеля Эрнандеса и его коллеги разработали очки со специальной камерой, которая может воспринимать внешний мир и передавать приблизительную версию того, что он видит, в UEA.

Получив устройство, Гомес работала в лаборатории Фернандеса в течение шести месяцев, в конце концов научившись определять края простых фигур, определенных букв и даже играть в видеоигру, в которой ей требовалось определять, с какой стороны происходит действие. В конце исследования устройство было удалено хирургическим путем, и авторы не сообщают об осложнениях после его удаления.

Во время суда количество форм и букв, которые мог различать Гомес, было ограничено. По оценкам исследователей, от 7 до 10 UEA могут предоставить достаточно информации, чтобы дать слепому человеку определенный уровень независимости, хотя необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, как долго имплантаты эффективны и могут безопасно оставаться в мозгу.

«Будучи слепым, вы не знаете, где находится дверь, окно или человек», — объясняет Гомес в заявлении Университета Юты. — С этим вы бы хотя бы знали, что там что-то есть.

Молекулярная и клеточная биология — UC Berkeley Vision

Видео

Профессор оптометрии и науки о зрении Сюзанна Флейзиг описывает молекулярную и клеточную биологию как одну из областей исследований в рамках программы выпускников Vision Science в Калифорнийском университете в Беркли.

Исследовательские проекты Vision в области молекулярной и клеточной биологии включают исследования генной терапии наследственной дегенерации сетчатки, нейробиологии фоторецепторов, инфекционного кератита у носителей контактных линз, патогенеза бактериальной инфекции роговицы, фотохимии зрительных пигментов и бактериального родопсина, эпителиальной функции и регуляции , биофизика мембран, физиология роговицы, процессы заболеваний глаз, близорукость, катаракта, отторжение трансплантата, воспаление глаз, сухость глаз и регуляция роста глаз.

Факультет молекулярной и клеточной биологии

Профессор

Центр глазных болезней и развития, Программа магистратуры по науке о зрении и Школа оптометрии

Профессор нейробиологии и науки о зрении

Молекулярная и клеточная биология

профессор нейробиологии

Молекулярная и клеточная биология

декан и профессор

Школа оптометрии

Профессор оптометрии и науки о зрении

Школа оптометрии

Профессор оптометрии и науки о зрении

Школа оптометрии

Профессор оптометрии и науки о зрении

Школа оптометрии

Профессор оптометрии и науки о зрении

Школа оптометрии

профессор нейробиологии

Молекулярная и клеточная биология

Профессор клинической оптометрии и науки о зрении

Школа оптометрии

Профессор и заместитель декана по приему и студенческим делам

Школа оптометрии

Ассистент профессора оптометрии и науки о зрении

Школа оптометрии

Профессор химической инженерии

химический колледж

Профессор оптометрии и науки о зрении

Школа оптометрии

профессор нейробиологии

MCB

Профессор оптометрии и науки о зрении

Школа оптометрии

.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.