Мозговой трест. 39 ведущих нейробиологов – о том, что мы знаем и чего не знаем о мозге

Но между параметрами зрительной картины и реакцией клеток сетчатки имеется не только качественное, но и довольно точное количественное соответствие. Мы можем оценить распределение в пространстве темных и светлых участков. Если определенный участок изображения имеет ту или иную яркость, можно задать вопрос: «Как меняется вероятность встретить другой участок той же яркости по мере удаления от данного участка?» Кроме того, изображение можно анализировать на предмет так называемой пространственной частоты — того, насколько резко визуальные объекты меняют свои очертания в пространстве. Этот параметр указывает, сколько энергии приходится на медленно, средне и быстро меняющиеся объекты. Анализ показывает преобладание объектов с медленными визуальными колебаниями, таких как небо. Такие объекты, как облака, листва и край стены, которые резче меняют очертания, вносят меньший вклад в общую энергию изображения. Исследователи проанализировали массивы изображений на предмет статистики распределения контраста и сделали удивительное открытие: почти все изображения — и природной, и искусственной среды — продемонстрировали очень схожую статистику.

Примечательно, что реакция магноцеллюлярных нейронов практически противоположна статистике изображения. Похоже, элементы нейронной цепи глаза устроены таким образом, чтобы игнорировать ожидаемое и обычное и фокусироваться на неожиданном или необычном. Магноцеллюлярный нейрон наименее чувствителен к медленным визуальным колебаниям, почти в той же степени, в какой медленные визуальные колебания преобладают в видимой картине. Чем быстрее визуальные колебания (и, соответственно, чем меньше энергии приходится на их долю в типичном изображении), тем больше они возбуждают магноцеллюлярный нейрон. И так далее — вплоть до самых резких колебаний, приходящихся на текстуру листьев и контрастные границы стен. Итак, преобладающая доля медленных визуальных колебаний в видимом мире математически точным способом компенсируется слабой реакцией на них магноцеллюлярного нейрона, который в первую очередь определяет, где происходят изменения, где пролегают границы и как расположены объекты[137].

Это также ведет к значительному сжатию изображения нашим глазом, что дает дополнительное преимущество. Информация от приблизительно 120 миллионов палочек и колбочек в нашей сетчатке сжимается в сто раз для одного миллиона тонких волокон зрительного нерва. В процессе эволюции это позволило нашим глазам развиться в глазные яблоки, которые свободно вращаются в глазницах, когда мы осматриваемся. Это было бы невозможно, если бы 120 миллионов палочек и колбочек были напрямую связаны с мозгом, поскольку такое соединение потребовало бы толстого и неэластичного сплетения нервов[138].

И наконец, для нас важно распознавать объекты не только быстро, но и при любом освещении. Нам это удается потому, что нейронные цепи в сетчатке глаза научились быстро адаптироваться к интенсивности локального освещения и поддерживать реакцию на визуальные образы независимо от яркости[139]. Благодаря этому наша зрительная система более или менее хорошо работает в диапазоне яркостей света, различающихся в 10 миллиардов раз. Для сравнения: восьмибитное изображение формата jpeg передает только 256 уровней яркости. Лучшие профессиональные цифровые камеры 2017 года выпуска имеют динамический диапазон около 14 ступеней экспозиции, то есть 214 — 16 384 уровня интенсивности света. Это значит, что наша зрительная система с легкостью оперирует уровнями яркости, которые в миллион раз превышают порог насыщения, или в миллион раз темнее, чем самая темная тень, улавливаемая лучшими цифровыми камерами. И это хорошо. Такое зрение помогало нашим предкам замечать льва или охотиться на антилопу как на ярком солнце, так и в сгущающихся сумерках. А нам оно позволяет независимо от освещения видеть приближающийся автомобиль и отходить на обочину. Правда, такая адаптация к освещению не позволяет нам количественно оценивать яркость, помимо простого ощущения «здесь светло» или «здесь темно». Но это и не имеет особого значения, поскольку для выживания нам важнее знать размер, форму и тип объекта, а не общий уровень освещенности.