Г. Гельмгольц:

Из всех органов чувств человека глаз всегда признавался наилучшим даром и чудеснейшим произведением творческой силы природы.

С современным научным представлением о природе зрения, доступным для широкой аудитории, можно познакомиться в книгах, известных в научном мире Д. Хьюбела и Д. Марра, изданных на русском языке в конце восьмидесятых годов прошлого века.

А нам с вами, дорогой читатель, не терпится разобраться с вопросом, как мы видим то, что видим. Итак, начнем с того, что представляет собой наш глаз, являющийся вершиной айсберга, выдвинутого на периферию участка мозга, которым мы на самом деле видим окружающий мир.

1. Чем наши глаза отличаются от фотоаппарата?

Когда в школе нам пытаются объяснять работу человеческого глаза, то начинают сравнивать его с устройством цифровой фотокамеры. Посмотрите на этот рисунок. Действительно, хрусталик - это объектив, фокусирующий изображение окружающего мира на сетчатку, своего рода матрицу цифровой фотокамеры. Радужная оболочка с цилиарной мышцей - это диафрагма в объективе, которая регулирует количество поступающего на сетчатку (матрицу) света. Наш глаз содержит цветовые рецепторы, как в матрице фотоаппарата. На этом, друзья, все сходства заканчиваются.

Оказывается, работа нашего глаза больше похожа на работу сканера. Нам кажется, что глаз непрерывно видит окружающий мир очень четким, резким и в меру освещенным. На самом деле с высоким разрешением мы можем видеть предметы очень малым участком сетчатки - так называемым "желтым пятном", в котором плотность палочек и колбочек - светочувствительных элементов глаза наиболее высокая. Остальное поле сетчатки глаза так же участвует в процессе зрения, но выполняет работу иного плана.

На рисунке показаны зоны с различным разрешением изображения: 4 – зона наивысшего разрешения в области всего 7 градусов; 3 – зона среднего разрешения в области 21 градуса; 2 – зона низкого цветного разрешения; 1 – область низкого разрешения с максимальной частотой обновления картинки.

Наш глаз в процессе своей работы ищет границы разной освещенности и цвета с помощью быстрых и очень коротких движений глаза - так называемого "тремора". Глаз не фотографирует изображение всего зрительного поля, а скользит по очень маленьким участкам, попадающих в область "желтого пятна", фиксируя одну за другой детали большого поля.

Переключение взгляда с одного участка изображения на другой называется "саккадой". Во время перемещения взгляда наш глаз не передает сигналы в мозг, поэтому в этот момент мы ничего не видим, и только благодаря кратковременной памяти сохраняем в мозгу информацию высокого разрешения. Мозг, соединяя в целостное изображение фрагменты, отсканированные последовательно, способен создать целостную панорамную картину.
Переключаясь с одного участка сцены на другой, глаз считывает все изображение целиком, и нам кажется, что оно четкое и неподвижное. И самое большое отличие глаза от фотокамеры заключается в том, что обработка зрительных сигналов начинается уже в самом глазу еще до того, как зрительный нерв начинает передавать информацию в мозг.

На рисунке показан увеличенный участок сетчатки. Заметьте, что в волокно зрительного нерва информация передается уже обработанная каким-то образом рецептивными полями нейронов с небольших участков сетчатки. Если бы природа не сконструировала механизмы сжатия зрительного сигнала, информационный канал просто-напросто не справился бы с огромным потоком информации. При сжатии потока четкость изображения, как ни странно, не уменьшается, а наоборот, возрастает благодаря процессу тремора – похожего на работу сканера. Тремор – это способ найти границы градиентов цвета и освещенности и повысить контраст еле заметных границ.

На приведенном рисунке из книги Дэвида Хьюбела: рисунки из цикла «Весенние обряды» Пабло Пикассо – пример получения информации о форме по силуэтам (а); «Проволочная камера» (б); графическое изображение функции рецептивного поля глаза, повышающая контраст границ участков изображения (в).

Если вы сейчас наденете, так называемые анаглифные очки, в которых левый глаз смотрит на фото через сине-зеленое стекло, а правый - через красное, то на фотографии в обведенной области увидите изображение объемным и более четким. Вы почувствуете глубину пространства и даже сможете определить расстояния между отдельными деталями.

Почему так происходит? Оказывается, каждый глаз видит не одну и ту же картинку, а немного отличающуюся. Мы ощущаем так называемый «параллакс».

Паралла́кс (греч. παραλλάξ, от παραλλαγή, «смена, чередование») — изменение видимого положения объекта относительно удалённого фона в зависимости от положения наблюдателя.

Зная расстояние между точками наблюдения (база) и угол смещения, можно определить расстояние до объекта: L = D/2sin(α/2), где угол (α) выражен в радианах. Параллакс используется в геодезии и астрономии для измерения расстояния до удалённых объектов. На явлении параллакса основано бинокулярное зрение животных.

Давайте проведем наблюдательный эксперимент, посмотрим вот на этот рисунок. Ничего здесь не понятно. Мы видим нагромождение точек и ничего не можем разобрать. Наденьте анаглифные очки, и вы увидите три плоскости, расположенные в возникшем перед вами пространстве. Это говорит о том, что у вас заработал механизм трехмерного зрения! Здорово!

Оказывается, в нашем мозгу происходят очень сложные быстро развивающиеся процессы распознавания. Наш мозг воспринимает изображение, разделенное на бесцветные линии, черточки, кружочки, цветовые поля и множество других сигналов, и только потом собирает весь этот набор в единую картинку непревзойденного качества.

На этом рисунке показаны пути, по которым сигналы от сетчатки глаза перемещаются вдоль зрительных путей, разделяясь на фрагменты и вновь собираясь в целостный образ.

Самое существенное преобразование зрительных сигналов происходит в так называемых "наружных коленчатых телах" (НКТ), изображенных на этом рисунке.

На схеме показан принцип создания контуров изображения. Да, да, не удивляйтесь, мозгу для того, что бы обработать зрительный сигнал и это приходится делать!

Довольно легко этот процесс смоделировать с помощью компьютерной программы.

С целью создания математической модели, достаточно хорошо описывающей процесс стерео восприятия, упростим геометрические построения и рассмотрим модель стерео восприятия в параксиальном приближении.

Здесь использовались такие обозначения: Dx - стереобаза наблюдателя (расстояние между зрачками глаз), Ya - координата точки A, Δxl - расстояние между проекциями точек А и В на сетчатку левого глаза, Δxr - расстояние между проекциями точек А и В на сетчатку правого глаза.

Реальная область восприятия достаточно узка по сравнению с общим углом охвата сцены (в пределах желтого пятна сетчатки). В этом случае (при условии больших расстояний до объекта наблюдения по сравнению с размерами самого объекта) углы и их тангенсы приблизительно равны. Благодаря узкой области стереоопсиса в пределах полей сетчаток глаз, общая картина пространства наблюдаемой сцены восстанавливается последовательно от одной области к другой. Целостное восприятие сцены поддерживается механизмами временной памяти мозга.

Таким образом, величина смещения точки сцены в результате параллакса определяет ее координату по глубине относительно некоторой точки отсчета А, координаты которой известны или вычислены по значению стереобазы Dx и углу конвергенции φk (конвергенцией глаз называется физиологический акт сведения зрительных осей глаз при рассматривании близко расположенных предметов).

Наблюдения показывают, что отсутствие некоторой опорной точки А в пределах анализируемого участка пространства приводит к неопределенности оценки расстояний, или разрушению впечатления трехмерности.

Примерно так происходит анализ трехмерной сцены в процессе стереоопсиса, что подтверждают проделанные учеными эксперименты.

Д. Хьюбел предлагает именно такой алгоритм вычитания левого ракурса из правого. Он предлагает ввести в приведенную выше функцию дополнительный параметр - фазовый сдвиг пространственной частоты одного из анализируемых изображений вдоль оси стереобазы наблюдателя. В этом случае мы получим возможность графически выделить систему равноудаленных точек трехмерной сцены:

ΔY=Tk*(ΔXr-ΔXl), где Tk=(Ya)2/(f*Dx-Ya*(ΔXr-ΔXl));

Σ(Xi;Yj)-Σ((Xi+ΔX(t)); (Yj+ΔY(t)))=F(x;y;t).

Другими словами, мы должны получить динамическую картину разности сдвига одного изображения относительно другого на некоторую величину Δf(t).

Обратите внимание на картинку движущихся полос по изображению человеческого черепа, полученных с единственной стереопары.

Фактически мы видим сечения объекта плоскостью, перпендикулярной оси зрения, как в методе томографии. По картине полученных полос можно рассчитать сложную поверхность в трехмерном пространстве.

Результат работы предложенного оператора (разность левого и правого изображений стереопары со сдвигом на величину Δf(t) по горизонтали вычитаемого поля) продемонстрирован на анимированном рисунке. Следует отметить, что полосы корреляции движутся в разных направлениях, в соответствии с направлением наклона изображенных поверхностей.

Форму и динамику полос корреляции можно интерпретировать линией сечения наблюдаемой поверхности вертикальной плоскостью (смотрите правый анимированный рисунок), отстоящей от наблюдателя на расстоянии триангуляционного коэффициента.

2. Смотрим мы глазами, а видим мозгом

Сократ:

Хорошие врачи говорят, что невозможно лечить одни глаза, а необходимо в то же время лечить голову, если желают, чтобы поправились глаза.

Каждого из нас интересует вопрос: как у человека формируются образы, понятия, принимаются решения и развиваются отношения с окружающим миром. Ведь в этом процессе именно зрение имеет первостепенное значение.

Ученые физиологи, начиная с Ивана Павлова, и те, кто занимался вопросами искусственного интеллекта, расчленяли процесс мышления на элементарные фрагменты и пытались описать мыслительный процесс, в том числе и процессы зрительного восприятия, алгоритмами, отражающими причинно следственные связи при формировании понятий, рождении образов и мотивов.

В начале нашего разговора хочу огласить некоторые постулаты, выбранные мной на основании опубликованной информации и личного жизненного опыта. Не берусь утверждать, что все они соответствуют истине, но вполне могут служить отправной точкой рассуждений на эту непростую тему:

• нервная система животных в процессе эволюции от простейшего состояния к сложному, надстраивала всё новые и новые функциональные блоки на архаичные структуры, состоящие из специализированных клеточных элементов;

• случайные мутации накапливались в бесконечно малых изменениях органов или их фрагментов и могли передаваться из поколения в поколение без проявления внешних признаков до тех пор, пока изменившиеся условия не потребуют продолжения их эволюционного развития;

• исходным движущим фактором естественного отбора является способность к адаптации представителя вида к меняющимся условиям внешней среды проявляющаяся в высокой плодовитости и выживаемости;

• развитие отдельных частей нервной системы, в том числе мозга, происходит по единым законам, присущим всем животным организмам (имеется в виду процесс специализации и деления клетки до момента окончания формирования отдельного специализированного органа);

• новорожденный мозг, осуществляя корреляцию сигналов, поступающих от множества рецепторов, начинает обучаться, наряду с этим, он уже имеет специализированные структуры, готовые к адекватной запрограммированной реакции на внешние раздражители, так называемые безусловные рефлексы;

• врожденные способности индивида связаны с различным уровнем эффективности функционирования однотипных структур мозга. Даже небольшие отклонения в эффективности работы этих структур у различных индивидов способны серьезно повлиять на уровень их общего развития;

• мозг новорожденного работает так, что в процессе накопления опыта, формирует уникальные функциональные структуры, некоторым образом связанные с полученным в процессе адаптации опытом. Проще говоря, ребенок «изобретает» уникальный неповторимый язык описания всего, что происходит вокруг него;

• уникальность механизмов мышления зависит от стартового опыта индивида, поэтому структура информации в мозгу строго индивидуальна и не представляется никакой возможности однозначного её прочтения, можно только достоверно утверждать, какие в данный момент функции мозга наиболее активны. Мыслительную деятельность человека полностью дешифровать невозможно, для этого пришлось бы сначала воспроизвести процесс формирования личности от рождения до завершения процесса миелинизации нервных волокон (миелинизация – это процесс создания оболочек вокруг нервного волокна с массой «перетяжек», благодаря которым обеспечивается одновременность прихода сигналов от рецепторов, расположенных в разных частях тела в ту компактную область, где осуществляется процесс корреляции);

• по этой же причине невозможно алгоритмически воспроизвести аналог человеческого интеллекта, для создания искусственного разума необходимо обеспечить ему некоторое время интерактивного накопления личного опыта, получаемого при взаимодействии с окружающей средой;

• процессы обработки информации в мозге происходят развернутыми во времени блоками, соответствующими циклам сканирования всевозможных рецептивных полей;

• большая часть информации в мозге удерживается в виде динамической голограммы, которая сохраняется благодаря непрерывности этого процесса. Доказательством этого является устойчивая потеря части приобретенного опыта при нарушении непрерывности процесса мозговой деятельности даже на короткое время;

• долговременная память формируется в «древнем мозге», где сохраняются не факты и образы, а комплексы связей в динамической части мозга;

• память иерархична, она базируется на непрерывном обновлении связей между временными производными состояния рецептивных полей;

• как следствие, неутешительный вывод – человеческая личность никогда не может быть клонирована или перенесена на новую нейронную структуру (буквальное бессмертие личности невозможно);

• сформированные в процессе рефлексии, специализированные структуры мозга со временем теряют способность к перестройке, за счет чего индивидуум получает преимущество в виде увеличения скорости реакции на воздействие внешней среды, но при этом теряет способность к переучиванию и образованию новых специализированных структур и связей;

• вероятно, именно этим можно объяснить огромное значение объема сенсорного опыта в раннем младенчестве и продолжительностью периода адаптивной перестройки связей в мозге для уровня развития интеллекта;

• главное отличие мышления человека и животного заключается в том, что у него отчетливо развиты структуры, функционирующие, как операторы абстрактной информации, способные имитировать перепрограммируемый процессор;

• структуры второго уровня берут на себя функции логического анализа и манипулирования абстрактными образами, не связанными непосредственно с первичными ощущениями;

• интеллектуально развитый человек может оперировать не только простыми образами, но целыми блоками, включающими в себя множественные связи в комплексах сложных понятий.

Заметьте, что мозг у высокоразвитых животных разделен на множество специализированных отделов. Тем не менее, все области такого мозга тесно связаны между собой и синхронно взаимодействуют посредством соприкосновения сенсорных полей, в том числе и с рецептивными полями зрительного аппарата.

Если внимательно рассмотреть проекцию зрительных сигналов на кору головного мозга от рецептивного поля глазной сетчатки, то можно отметить важную закономерность, когда слои нейронов, связанные с рецептивными полями левого глаза перемежаются слоями нейронов, связанных с рецептивными полями правого глаза или с полями множества других рецепторов.

Начальные уровни зрительной системы млекопитающих имеют слоистую организацию, часто встречающуюся в центральной нервной системе самых разных животных. Так, первые три уровня размещаются в сетчатке, остальные в мозгу – в наружных коленчатых телах (НКТ) и далее по всей коре головного мозга.

При переходе от сетчатки к НКТ пространственная упорядоченность нейронов сохраняется. Не смотря на то, что на своем пути в нервном волокне она временно исчезает, в НКТ сигналы снова находят свои места. Так иллюстрирует эту особенность Дэвид Хьюбел.

Многие отделы центральной нервной системы организованы в виде последовательных слоев-уровней. Клетка одного уровня получает многочисленные возбуждающие и тормозные сигналы от предыдущего уровня и посылает выходные сигналы многим клеткам последующего уровня. Основную массу входной информации нервная система получает от рецепторов глаз, ушей, кожи и т.д., которые преобразуют такие внешние воздействия, как свет, тепло или звук, в электрические нервные сигналы. Результатом этого могут быть сокращения мышц или реакция желез.

На этом рисунке изображена примерная схема размещения клеток физиологически различного типа в разных слоях стриарной коры.

Главная особенность строения головного мозга заключена в повторяемости архитектуры рецептивных полей, распределенных в коре центральной нервной системы.

Как видите, весь мозг состоит из повторяющихся и чередующихся участков одинаковой конструкции, в которых происходит взаимодействие и оценка одновременно приходящих нервных импульсов от разнообразных рецепторов организма. Примерно вот так:

Как мы уже говорили, сигналы от рецепторов поступают в многослойное рецептивное поле. В этом процессе важную роль играют опорные волны возбуждения и торможения, которые не прекращают свою работу даже во время глубокого сна:

Электромагнитные волны, изображенные на рисунке, можно фиксировать способом энцефалографии, но кроме этих ритмов, отражающих активность больших блоков мозга, существуют развернутые во времени волны возбуждения и торможения в процессе активной деятельности небольших участков нейронной сети человека или животного. Это своего рода опорные сигналы, сопровождающие активную сенсорную работу глаз, рук, ног, обоняния или слухового аппарата.

Неокортекс

Аксоны нервных клеток рецептивных полей нашего мозга передают импульсы возбуждения и торможения в ассоциативный блок, своего рода систематический каталог огромной уникальной библиотеки, содержащей разнообразные состояния сенсорных полей и их последовательностей.

Важно знать, что нейроны, определяющие память человека, находятся преимущественно в неокортексе. Неокортекс содержит порядка 11 млрд. нейронов и в разы больше глии. (Глия – тип клеток нервной системы). Глия является средой для жизнедеятельности нейронов. Глиальные клетки служат опорным и защитным аппаратом. Метаболизм глиальных клеток тесно связан с метаболизмом нейронов, которые они окружают.

Физические компоненты памяти состоят из нервных путей, объединяющих одну или несколько клеток. В них входят зоны градуального и активного проведения сигналов, различные системы синапсов и тел нейронов.

(градуальный электрический ответ рецептора, амплитуда которого зависит от интенсивности стимула, а временные параметры определяются продолжительностью стимула.)

Представим себе событие или явление. Человек столкнулся с новой, но достаточно важной ситуацией. Через определенные сенсорные связи и органы чувств он получил информацию, а анализ события завершился принятием решения. При этом человек может быть доволен результатом или наоборот. В нервной системе некоторое время продолжается процесс остаточного возбуждения – движение сигналов по сетям, которые использовались при решении проблемы. Это так называемые «старые цепи» существовавшие до ситуации, когда пришло время запоминать новую информацию. Во время повторов или схожих сочетаний стимулов, образуются новые синаптические связи между клетками, и тогда полученная информация будет зафиксирована надолго. Таким образом, запоминание – это сохранение остаточной активности нейронов некоторого участка мозга.
В основе долговременной памяти лежат простые и случайные процессы. Дело в том, что нейроны всю жизнь формируют и разрушают свои связи. Синапсы постоянно образуются и исчезают.

Чем больше новых синаптических контактов участвует в сети первичной (кратковременной) памяти, тем больше у этой сети шансов сохраниться надолго.

Из выше сказанного становится понятно, что мозг - динамическая структура, постоянно перестраиваемая, и имеет определенные физиологические пределы. Мозг не физиологичен, а морфогеничен, поэтому его работу не корректно и неправильно измерять в системах, используемых в информационных компьютерных технологиях. Из-за индивидуальной изменчивости мозга сегодня не представляется возможным делать какие-либо выводы, обобщающие различные показатели активности мозга человека.

А теперь рассмотрим еще одну картинку:

И сравним её с показанной ранее:

Надеюсь, что вы уловили некоторую похожесть. Роль рецептивного поля в схеме записи голограммы играет сам объект, и в одном и в другом случае присутствуют опорные сигналы и ассоциативные блоки. Перед нами схема записи голограммы, но не простой, а так называемой, динамической, которая способна к изменению своей структуры во времени и пространстве оптически активной среды. Такая голограмма будет существовать до тех пор, пока существует опорный сигнал, но стоит выключить лазер, как голограмма исчезнет. Этот недостаток оборачивается замечательным достоинством – голографическая структура живет, развивается и накапливает ассоциативный опыт!

Напомню, что теория голографии в трехмерных средах Юрия Денисюка послужила фундаментом развития, так называемой, динамической голографии. Динамическая голография – это способ создания голограмм в виде непрерывно меняющейся картины бегущих волн интерференции в особых светочувствительных средах. Динамическая голограмма непрерывно изменяется под воздействием не только объектного волнового фронта, но и зависит от вклада восстановленных этой голограммой волновых полей в изменяющуюся во времени картину общей интерференции. В остальном она обладает всеми свойствами обычных голограмм. Сегодня динамические голограммы используются в системах оперативной памяти оптических компьютеров, где вычисления происходят со скоростью распространения световой волны.

А теперь поговорим о том, чем голограмма может напоминать работу мозга.

Голограммы обладают ассоциативными свойствами. Эти удивительные свойства проявляются в эквивалентности опорного и объектного потоков когерентного излучения в процессе записи и восстановления. Так, если опорным источником при записи голограммы в объемных средах является изображение слова «шар», а объектная волна образуется отраженным волновым фронтом от реального шара, как показано на рисунке, голограмма восстановит изображение слова «шар», если её осветить волновым фронтом света, отраженного от «реального» предмета.

- На одну и ту же голограмму можно последовательно записать множество изображений с использованием различных опорных волновых фронтов. В этом случае каждый восстанавливающий волновой фронт, эквивалентный опорному, который использовался при записи изображения, будет восстанавливать свой уникальный образ!

Этот принцип давно используется инженерами в когерентных голографических корреляторах для распознавания образов, текстов, написанных от руки, и при измерении геометрии деталей машин.

- Еще одно удивительное свойство голограммы напоминает нам работу мозга – это распределение информации по всему объему трехмерной регистрирующей среды. Разбейте Фурье голограмму на множество осколков, каждый из них будет восстанавливать двумерный объект целиком. (Замечу, что Фурье голограммы – это голограммы плоских объектов, в плоскости которых должен быть расположен опорный источник.)

Ученые, изучающие свойства травмированного мозга, заметили, что при утрате части мозговой ткани информация не теряется полностью. Она как бы воспроизводится не поврежденными участками мозга.

- Работа мозга сопровождается когерентными процессами, которые проявляются синхронизацией корреляционных процессов.

Именно эти свойства голограмм натолкнули ученых на мысль о голографических принципах работы нашего мозга.

Что можно сказать сегодня по этому поводу? Действительно, голограмма обладает некоторыми свойствами живого мозга. Но можно ли считать сам мозг голограммой? В каком-то смысле, да. Живой мозг действительно похож на цифровую динамическую голограмму. Однако, окончательно ответить на этот вопрос можно будет только тогда, когда ученые займутся моделированием мыслительных процессов с помощью когерентных оптических процессоров. В этой области еще никто серьезно не работал. У молодых и энергичных ученых впереди непаханое поле для серьезных исследований и уникальных экспериментов на стыке наук голографии и физиологии.