Изот Литинецкий - Беседы о бионике

Пока еще сведения о психофизиологии зрения совершенно недостаточны для полного описания процессов цветоощущения и опознавания. Человек обычно не может объяснить, как он распознает образ. Пока физиологам и психологам известны лишь отдельные качественные стороны этого процесса, но не правила и методы, которыми пользуется человек. Не все аспекты зрения человека изучены одинаково подробно, и еще не все здесь достаточно ясно, особенно в отношении механизмов зрительного восприятия. Однако результаты многочисленных экспериментальных исследований, проведенных в последнее время, позволяют все же уже сейчас интерпретировать некоторые особенности этого процесса.

Известно, что в человеческом глазе цветовым зрением ведают клетки сетчатки — колбочки. Известно также, что у человека можно создать ощущение любого цвета, действуя смесью всего трех цветов — красного, зеленого и синего. Свет с длиной волны 0,66 мк — красный, 0,57 мк — желтый. Именно эти цвета и увидит глаз, если его осветить излучением сначала с одной длиной волны, а затем — с другой. Но как только красные и желтые лучи попадут на сетчатку одновременно, мы воспримем это так, словно глаз был освещен единственным источником света с длиной волны... 0,6 мк — оранжевым светом. Но само "смешение сигналов" с разными длинами волн происходит в глазу отнюдь не по тем же законам, на основании которых проектируются супергетеродинные приемники и частотные конверторы. Здесь все несравненно сложнее.

Еще в 1802 г. английский ученый Юнг высказал предположение, которое было развито знаменитым немецким естествоиспытателем Гельмгольцем: глаз различает цвета потому, что колбочки сетчатки представляют собой чувствительные элементы, реагирующие на красный, зеленый и синий свет.

Экспериментально были получены кривые зависимости чувствительности "красных", "зеленых" и "синих" элементов сетчатки к излучению разной длины волны. По ним легко определить, какой из элементов будет возбуждаться сильнее, когда на сетчатку падает свет той или другой длины волны, какой — слабее, и выяснить, какой цвет увидит человек при попадании в глаз нескольких лучей разного цвета.

Если подобрать цветные лучи так, что все три чувствительных элемента глаза будут возбуждаться одинаково, человек увидит белый цвет. Другими словами, цветной луч мы видим во всех случаях, когда цветочувствительные элементы — колбочки — возбуждены неодинаково.

А каким образом они возбуждаются? Как мозг узнает о том, какая из колбочек возбуждена — "красная", "зеленая" или "синяя"? Уже много лет существует хорошо аргументированная фотохимическая теория зрения, которая состоит в следующем.

Попадая в глаз, световые лучи вызывают разложение светочувствительных веществ, содержащихся в колбочках, — зрительных пигментов. Освобождающаяся при этом энергия вызывает нервный импульс. Однако полный набор пигментов, находящихся в колбочках, и их природа пока неизвестны. Не вполне ясен пока и механизм возникновения возбуждения и его передачи от колбочек к мозгу. Исследования этих процессов привели к неожиданным результатам.

Возбуждение нервного волокна, связывающего колбочку с соответствующим участком головного мозга, как и любого другого нервного волокна, состоит в изменении электрического потенциала клеток, из которого оно состоит. Электрический потенциал клетки непостоянен. В тот момент, когда она из спокойного состояния переходит в возбужденное, наружная сторона клеточной поверхности становится отрицательно заряженной по отношению к внутренней. Импульс длится одну-две десятитысячные секунды. Затем вновь восстанавливается первоначальное состояние. Возбуждение клетки всегда сопровождается изменением ее потенциала.

М. М. Бонгард и А. С. Смирнов предположили, что информация о цвете, воспринимаемом колбочками, заложена в характере изменения потенциалов нервных волокон зрительного нерва.

Измерения потенциалов нервных клеток проводились с помощью микроэлектродов — миниатюрных стеклянных капилляров, заполненных раствором, хорошо проводящим электрический ток. Прочные стеклянные стенки изолируют электролит вплоть до самого кончика электрода. Такой микроэлектрод погружают в клетку и соединяют с другим, расположенным снаружи, через весьма чувствительный прибор. Таким образом удается с достаточной точностью измерять клеточные потенциалы, но только в том случае, если диаметр кончика электрода не превышает 0,5 мк. Стоит его увеличить до 1 мк — и он будет повреждать клетку при погружении — вскоре после "укола" клетка погибнет. Исследователей интересовало не столько статическое распределение потенциалов по клетке, сколько характер их изменения при облучении глаза разным светом, поэтому в качестве измерительного прибора был использован осциллограф. Экспериментировали с глазами обыкновенной травяной лягушки. Причем сначала ученые даже не знали, умеет ли лягушка различать цвета!

С изменением окраски пучка света, падавшего в глаз, менялись и биотоки сетчатки. Но не всегда. Иногда цвет менялся, а глаз лягушки на это не реагировал. Так удалось выяснить, что у лягушки только два типа цветочувствительных элементов — "голубые" и "красные" — и смесью этих двух цветов у нее можно вызвать ощущение любого цвета. Лягушка видит примерно так же, как и люди-дальтоники, у которых в сетчатке всего два типа цветоприемников. Но тем не менее цветовое зрение у лягушки есть.

Как и предполагали исследователи, оказалось, что при воздействии пучками разного цвета нервные волокна передают разные сигналы — одного вида при красном свете и другого при голубом. На красный свет волокна отвечали короткой серией импульсов, частота повторения которых заметно уменьшалась со временем, а при достаточной длительной экспозиции импульсы пропадали совсем. При облучении глаза синим светом частота импульсов, передаваемых нервным волокном, изменялась медленнее. Итак, различие в характере сигналов, возникающих при облучении глаза светом разного цвета, было установлено экспериментально.

И сразу же возникла идея о способе моделирования цветового зрения. При проведении опытов было замечено, что законы, по которым нарастает ток фотоэлемента при облучении его синим и красным светом, неодинаковы. (С помощью фотоэлемента экспериментаторы контролировали яркость света, которым облучали лягушку.)

Оказалось, что при облучении синим светом скорость нарастания тока фотоэлемента значительно больше, чем при облучении красным. И это наблюдение оказалось весьма полезным. В самом деле, ведь такой прибор можно использовать в качестве цветочувствительного органа, сигналы которого позволят определить, какой цвет он "видит". Для этого следует только подать снимаемые с него импульсы на некоторое устройство, которое могло бы разделять их по крутизне фронтов. Если проходит импульс с крутым фронтом, устройство "решает", что фотоэлемент освещается синим светом; если фронт растянут, значит, свет красный.