Наша способность видеть начинается со светочувствительных фоторецепторных клеток в глазах. За остроту зрения отвечает определенная область сетчатки, называемая фовеа (небольшое углубление, находящееся в центре жёлтого пятна сетчатки глаза). Здесь цветочувствительные колбочковые фоторецепторы позволяют нам различать даже самые мелкие детали. Плотность этих клеток варьируется от человека к человеку. Кроме того, когда мы фиксируемся на объекте, наши глаза совершают мельчайшие, непрерывные движения, которые также отличаются у разных людей.
Исследователи из Университета Бонна изучили, как острота зрения связана с этими крошечными движениями глаз и мозаикой колбочек. Используя визуализацию высокого разрешения и микропсихофизику, ученые продемонстрировали, что движения глаз тонко настраиваются для обеспечения оптимальной выборки колбочек. Результаты исследования опубликованы в журнале eLife.
Человек может фиксировать взгляд на объекте и четко видеть его благодаря небольшой области в центре сетчатки. Эта область, известная как фовеа (в переводе с латинского – «яма»), состоит из плотно упакованной мозаики светочувствительных колбочковых фоторецепторных клеток. Их плотность достигает максимума – более 200 000 колбочек на квадратный миллиметр – на площади, которая примерно в 200 раз меньше рублевой монеты. Крошечные фовеальные колбочки захватывают видимую глазом часть зрительного пространства и посылают сигналы в мозг. Это аналогично пикселям матрицы фотоаппарата, на поверхности которых расположены миллионы фоточувствительных клеток.
Однако в отличие от пикселей сенсора фотоаппарата, колбочки в фовеа распределены неравномерно. Каждый глаз имеет уникальную плотность колбочек. «Кроме того, в отличие от камеры, наши глаза постоянно и неосознанно находятся в движении», – объясняет доктор Вольф Харменинг, руководитель лаборатории AOVision на кафедре офтальмологии Боннского университета.
Это происходит даже тогда, когда мы пристально смотрим на неподвижный объект. Фиксирующие движения глаз передают мелкие пространственные детали, вводя постоянно меняющиеся сигналы фоторецепторов, которые должны быть декодированы мозгом. Хорошо известно, что один из компонентов фиксирующих движений глаз, называемый дрейфом, может различаться у людей, и что большие движения глаз могут ухудшить зрение. Однако то, как дрейф связан с фоторецепторами в фовеа и нашей способностью различать мелкие детали, до сих пор не изучалось.
Именно это и предстояло сделать исследовательской группе Харменинга с помощью единственного в Германии офтальмоскопа со сканирующим светом с адаптивной оптикой (AOSLO). Благодаря исключительной точности, которую обеспечивает этот прибор, исследователи смогли изучить прямую зависимость между плотностью колбочек в фовеа и мельчайшими деталями, которые мы можем различить. В то же время они регистрировали едва заметные движения глаз. Для этого ученые измерили остроту зрения 16 здоровых участников во время выполнения визуально сложной задачи. Команда отслеживала путь зрительного стимула по сетчатке, чтобы впоследствии определить, какие фоторецепторные клетки способствуют зрению у каждого участника.
Исследование показало, что люди способны воспринимать более тонкие детали, чем можно было бы предположить по плотности колбочек в фовеа. «Из этого мы делаем вывод, что пространственное расположение фовеальных колбочек лишь частично предсказывает остроту зрения», – сообщает Харменинг.
Кроме того, было обнаружено, что крошечные движения глаз влияют на остроту зрения: во время фиксации дрейфовые движения глаз точно выровнены, чтобы систематически перемещать сетчатку синхронно со структурой фовеа. «Дрейфовые движения неоднократно приводили зрительные стимулы в область, где плотность колбочек была наибольшей», – объясняют специалисты. В целом результаты показали, что всего за несколько сотен миллисекунд дрейфовое поведение подстраивалось под области сетчатки с более высокой плотностью колбочек, улучшая остроту зрения. Длительность и направление этих движений играли ключевую роль.
По словам Харменинга и его команды, эти результаты позволяют по-новому взглянуть на фундаментальную взаимосвязь между физиологией глаза и зрением: «Осознание того, как глаз двигается оптимально для достижения остроты зрения, позволит лучше понять офтальмологические и нейропсихологические расстройства, а также усовершенствовать технологические решения, призванные имитировать или восстанавливать человеческое зрение, такие как имплантаты сетчатки».
[Фото: MIB-Center at the UKB / Volker Lannert]