Мозг носит бифокальные очки

Нейробиологи из Тюбингена обнаружили, что мозг обрабатывает визуальные стимулы выше и ниже горизонта по-разному. Исследователи во главе с доктором Зиэдом Хэфедом (Dr. Ziad Hafed) из Центра Интегративной Нейробиологии Вернера Райхардта (Werner Reichardt Centre for Integrative Neuroscience, CIN) в Университете Тюбингена исследовали низших приматов и установили, что различные части поля зрения представлены асимметрично в верхнем двухолмии — мозговой структуре, отвечающей за визуальное восприятие и поведение. Верхнее поле зрения представлено большим количеством нервной ткани. В результате исследования, опубликованного в Current Biology, оказалось, что визуальные стимулы выше горизонта обработаны острее, сильнее и быстрее, будто наш мозг носит бифокальные очки.

Объекты в верхней половине нашего поля зрения обычно дальше, чем в нижней половине, что делает их изображение на сетчатке намного более маленьким. Поэтому мозгу нужно более высокое «разрешение», чтобы соответственно локализовать их. Источник: Ziad Hafed/CIN.

Способность видеть — наш самый важный способ чувствовать мир –осуществляется, в основном, без сознательного намерения. И видим мы намного лучше в центре поля зрения (вдоль визуальной оси), чем на периферии. Таким образом, когда наш мозг обнаруживает там предмет интереса, то немедленно инициирует движение глаз таким образом, чтобы визуальная ось пересеклась с объектом. Как только объект попадает в центр поля зрения, мы можем рассмотреть его намного глубже и детальнее.

Это частично происходит из-за намного большей плотности клеток-фоторецепторов на очень небольшой площади в центре сетчатки — ямке. Но предпочтение визуального восприятия центрального поля зрения представлено и в мозге: это отражено в тех мозговых структурах, которые обрабатывают стимулы, переданные от ямки. Например, в пределах верхнего двухолмия (superior colliculus — SC) — области среднего мозга, которая инициирует движения глаз к периферийным стимулам — намного больше нервной ткани, посвященной обработке сигналов от ямки (фовеальных), чем обработке периферийных сигналов. Это явление называют фовеальным усилением.

Теперь команда доктора Хэфеда показала, что помимо ямки в верхнем двухолмии также увеличены и другие части поля зрения. Результаты исследований демонстрируют, что принимаемая в настоящее время модель двухолмия, в которой рассматривается только фовеальное усиление, недостаточна. Эта простая модель предполагает, что наш мозг смотрит на мир через лупу: чем ближе к центру нашего поля зрения объект, тем более отчётливо он распознаётся определёнными нейронами и больше таких нейронов посвящено его обработке.

Новая модель доктора Хэфеда изменяет это представление, добавляя ещё одно усиление верхнего поля зрения поверх фовеального усиления. Оказалось, что верхняя половина этого поля представлена в верхнем двухолмии рецептивными зонами, которые намного меньше по размерам, но точнее настроены именно на пространственную структуру полученных изображений, а также более чувствительны к их контрастности. С другой стороны, расположенное ниже поле зрения представлено и в более низком разрешении. Таким образом, команда Хэфеда считает, что «линза» в двухолмии скорее похожа на бифокальные очки.

Согласно мнению доктора Хэфеда, асимметрия в нервном представлении адаптирована к нашей повседневной среде. Далёкие объекты представляются на нашей сетчатке более небольшими изображениями, чем ближние. Следовательно, чтобы обработать визуальные образы близких объектов способом, который позволяет нам реагировать быстро, нужно меньшее разрешение, чем для объектов, которые находятся дальше.

«В нашей трёхмерной среде объекты в более низкой половине нашего поля зрения обычно близки, это часть ближнего пространства. Примером могут быть инструменты в автомобиле: когда мы едем, они ниже и ближе к нам. Между тем, объекты в дальнем пространстве, такие как, например, предстоящее пересечение, рассматриваются в верхней половине нашего поля зрения. Чтобы быть в состоянии сосредоточиться точно на тех объектах, которые находятся далеко, мы интуитивно нуждаемся в более высоком разрешении в верхнем поле зрения. Наши эксперименты представляют существенные свидетельства, что старая модель, с её симметричным представлением верхних и нижних полей зрения в мозге, должна быть переосмыслена»,  — объясняет Хэфед.

Результаты команды Хэфеда могут значительно улучшить дизайн пользовательского интерфейса в системах дополненной реальности (augmented reality-AR) или виртуальной реальности (virtual reality-VR). Понимание, что «бифокальные очки мозга» непосредственно осуществляют более быстрые и более точные движения глаз к верхнему полю зрения, может помочь в стратегическом размещении существенной обратной связи, требующей быстрого ориентирования. AR и VR — это большие системы, покрывающие почти всё поле зрения. В таких сценариях у компьютерных программ есть огромная свобода в размещении естественной обратной связи с пользователем, и оптимизация такого размещения согласно «человеческому фактору» в настоящее время представляет значительную проблему для разработки.

Текст: Алексей Паевский

Sharper, Stronger, Faster Upper Visual Field Representation in Primate Superior Colliculus by Ziad M. Hafed and Chih-Yang Chen in Current Biology. Published online June 2016 doi:10.1016/j.cub.2016.04.059