Восприятие пространства
Есть признаки, по которым мы отличаем близкое и далекое: различны размеры деревьев, людей, домов, изменяется их окраска (происходит то, что художники называют линейной и воздушной перспективами), иначе ложатся светотени... Уже классическим примером стал случай со знаменитым летчиком-испытателем Сергеем Николаевичем Анохиным, который, потеряв в авиакатастрофе глаз, сумел так натренироваться в определении дальности и панорамном видении, что особая, предельно строжайшая врачебная комиссия признала его годным к летной работе. Тут уж, действительно, исключение подтвердило правило: глаза дублируют друг друга, умеют каждый определять объемность с помощью вторичных признаков.
А первичный признак — это стереоскопичность, действующая на расстояниях меньше километра (у некоторых людей, правда, область эта более обширна, достигает полутора километров, потому что глаза у них расставлены шире обычного). Объемность тут возникает потому, что правый и левый глаз видят предметы немного по-разному: не только фасад, на который направлены и где сходятся оптические оси обоих яблок, но каждый слегка и «свою» боковую сторону (такое уклонение от центрального рассматривания называют параллаксом, от греческого «параллабо» — уклоняюсь).
В среднем глаза наши разнесены на шесть с половиной сантиметров, отсюда и километровая граница стереоскопического зрения, дальше мозг уже не улавливает разницу изображений. А если нужно дальше, военные берут стереотрубы и дальномеры, в этих приборах база — расстояние между объективами — измеряется десятками сантиметров, даже метрами, соответственно возрастает стереоскопическая глубина пространства. При шестиметровой базе она достигнет двух десятков километров.
В «Книге о живописи» Леонардо да Винчи есть такие строки: «Натуру, рассматриваемую двумя глазами, невозможно передать на картине так, чтобы там она была видна с равной выпуклостью, хотя бы линии, свет, тени и цвет переданы были совершенно в точности». Офтальмологи объясняют это тем, что плоская картина попадает одинаково на одни и те же точки сетчатки в правом и левом глазу. Иное дело, когда предмет объемен и находится недалеко: изображения на сетчатках окажутся несимметричны по отношению к оптической оси каждого глаза.
Мышцы поворачивают глазные яблоки так, чтобы одинаковые точки изображений пришлись на так называемые корреспондирующие области сетчаток — те самые, благодаря которым две картинки сливаются в одну (происходит фузия, говорят офтальмологи).
Впервые такое объяснение стереоскопического зрения дал англичанин Джозеф Гаррис в 1775 г. Он осознал роль параллакса: «...Это дает нам видимый рельеф предмета, помогая различить его и отделить от плоскости, в которой он лежит. Так, нос тем более выделяется, чем больше мы видим его с обеих сторон лица одновременно».
А 63 года спустя его соотечественник лорд Чарлз Уитстон сконструировал первый в истории стереоскоп и продемонстрировал, что две нарисованные с чуть-чуть разных точек зрения картинки — о фотографии тогда еще никто ничего не знал, и их рисовали с помощью двух разнесенных камер-обскур — выглядят, сливаясь, чрезвычайно объемно. Впрочем, в том же году Дагер раскрыл способ получения фотографических изображений — дагерротипов, и уже несколько месяцев спустя знаменитый физик Араго высказал мысль о возможности стереоскопической фотосъемки...
Нейронные связи зрительной системы, благодаря которым формируется бинокулярный объемный образ, возникают не случайно, не потому, что в мозгу миллиарды нейронов, — для этой фантастически сложной сети есть план, генетически заложенный в наш организм.
Среди прочего подтверждение этому — многочисленные опыты, начало которым положили эксперименты английского физиолога Т. Бауэра. Благодаря им стало ясно, что способность к объемному восприятию возникает у малышей «сама собой». Двухмесячные дети, у которых нет еще серьезного зрительного опыта (они ведь по большей части спят), определяют расстояние до кубиков независимо от размера изображения на сетчатке.
Что делал Бауэр? Он ставил кубики разного размера так, чтобы картинки на сетчатке были одинаковыми, и наоборот, располагал одинаковые кубики так, чтобы они проецировались на нее как предметы разного размера. Ухищрения оказались напрасными. Малыша обмануть не удалось. «Свой», контрольный кубик он никогда не путал с «подделывающимися» под него. Не путал потому, что смотрел на мир обоими глазам и что именно к этому моменту, к восьмой неделе жизни, его глаза приобрели некоторую возможность двигаться слаженно. Стали, пусть еще не очень умело, взаимодействовать так, как того требует бинокулярное стереоскопическое зрение.
Вся работа шла по классической методике условных рефлексов. А когда надо было поощрить младенца, подкрепить правильный выбор, ему не еду давали, как щенку там или котенку, — нет, с ним играли в «ку-ку». Из-под стола появлялась вдруг симпатичная улыбающаяся девушка, говорила весело: «Ку-ку!», и за такую «духовную пищу» малыш готов был по 20 минут участвовать в эксперименте и не засыпать.
Но конечно, не следует преувеличивать возможности двухмесячного младенца. Гигантскую по сложности программу формирования аппарата бинокулярного зрения ему предстоит еще очень долго осваивать. Особенно важны первые полгода после рождения, любые нарушения в это время тяжко отзываются на последующем. Примерно к трем годам острота зрения ребенка достигает 2/3 остроты взрослого, и в это же время оканчивается второй критический период развития бинокулярного восприятия окружающего мира. И лишь к 11-13 годам это восприятие поднимается на уровень взрослого.
К сожалению, существует немало и наследственных, и приобретенных причин, нарушающих в раннем детстве (а порой и в зрелом возрасте) способность к фузии. Изображения от обоих глаз тогда не сливаются в одно. Мозгу тут ничего не остается как убрать, подавить одну из картинок. А что значит подавить? Человек оказывается, по сути, слепым на один глаз, хотя весь зрительный путь у него в порядке, — возникает амблиопия.
Если такое случится в раннем детстве, когда малыш не умеет говорить, он ведь и пожаловаться не сможет. Мозг же, эта сверхпластичная система, перестроится с возрастом настолько, что привести зрение в норму потребует немало труда.
Чтобы излечить это, надо пробудить нейроны, которые долгое время не действовали или действовали, так сказать, в десятую долю своей силы. Активизировать сетчатку, высшие отделы зрительного тракта. Ведь у тех, кто страдает косоглазием и связанными с этой болезнью нарушениями бинокулярного зрения, по-иному, чем у здоровых, функционируют зрительные области головного мозга. Ведь подавление работы зрительного пути не означает, что глаз потерял светочувствительность. До затылочных отделов коры идут какие-то сигналы, а в коре, там, где два изображения должны были бы слиться вместе, эти «ненужные» сигналы как бы отталкиваются... Ясно, что даром для нейронных структур это не проходит.
Для этого существует несколько методов. Например, центральную ямку сетчатки раздражают очень мощным, тонким, словно спица, лучом. Это так и называют — «слепящее» раздражение. С помощью этого метода как бы пробуждают дремлющие связи между сетчаткой и зрительной корой. В результате острота зрения косящего глаза увеличивается, нередко весьма существенно — с сотых долей нормальной остроты почти до единицы.
Другой метод — длительную «заклейку», окклюзию глаза, видящего хорошо, — предложил еще в 1743 г. известный французский естествоиспытатель Бюффон. Метод оказался настолько хорош, что врачи пользуются им и спустя почти два с половиной столетия.
Слитный бинокулярный образ возникает лишь тогда, когда поля зрения обоих глаз перекрываются. Чем больше перекрытие, тем шире сектор стереоскопического зрения, но зато пропорционально меньше угол панорамного образа.
Природа по-разному наделила этими качествами зрительные аппараты разных животных. Общее правило таково: у жертв выше панорамность, но ничтожна или даже совсем отсутствует стереоскопичность, у хищников панорамность сравнительно с жертвами невелика, зато сектор стереоскопичности занимает почти все поле зрения. (Строго говоря, истинная стереоскопия возможна только тогда, когда сливаются изображения, попадающие на центральную ямку сетчатки, в область наиболее четкого зрения, а это как раз и присуще только хищникам.)
Области стереоскопического зрения кролика и кошки, у кошки она больше
Скажем, у зайца сектор стереоскопии всего десять градусов, по пять с той и другой стороны от продольной оси тела. Панорамность же — 360 градусов, вся сфера вокруг «как на ладони»: подберись — хищник!.. Зато вот у кошки стереосектор занимает 120 градусов, а панорамность — 280.
Нам, людям, природа дала 120 градусов стереоскопичности и 180 панорамности.
Мы порой искренне восхищаемся мимикрией насекомых: ах, взгляните на фотографию: бабочка прямо-таки слилась с корою дерева! То-то и есть, что на фотографию... «Военные хитрости» насекомых годятся против тех их врагов, которые лишены стереоскопического зрения и видят мир монокулярно, а как раз таково большинство насекомоядных птиц. Пестрая текстура коры и пестрая текстура крыльев бабочки или жука действительно неотличимы друг от друга при «одноглазом» видении. Фотография дает нам точку зрения птицы. А будет рассматривать обоими глазами человек ту же бабочку на дереве — мимикрия не поможет. Благодаря параллаксу выпуклое тельце бабочки окажется представленным на обеих сетчатках по-разному, и объемность насекомого сразу бросится в глаза.
Известный биофизик Бела Юлеш, сотрудник компании «Белл лэбретриз», продемонстрировал этот факт стереоскопического зрения очень изящным и простым опытом. Он взял два одинаковых фотоотпечатка текстуры, составленной из черных и белых точек, которые были разбросаны совершенно хаотически, случайно. Потом вырезал в центре каждого отпечатка по одинакового размера квадратику и сдвинул один вправо, другой влево, а образовавшиеся белые полосочки закрыл хаотической текстурой из точек.
Когда смотришь на эти картинки невооруженным глазом, вырезанные и смещенные квадратики увидеть невозможно, они спрятались в информационном «шуме» точек окружения. Однако стоит вставить картинки в стереоскоп или направить глаза в бесконечность, чтобы картинки слились (после небольшой тренировки это многим удается), и мы видим парящий над пестрым фоном пестрый же квадрат. Впечатление изумительное, причем интересно, что стереоскопическая картина возникает не сразу, а постепенно. Она как бы проявляется, медленно проступает от центра к краям из хаоса точек — «из ничего»...
Открытие Юлеша заставило нейрофизиологов и психологов совершенно по-новому взглянуть на проблему стереоскопичности зрения. Оказалось, что мозг разыскивает с помощью полей нейронов коры (эти поля располагаются в корреспондирующих точках обеих сетчаток) некоторые одинаковые участки изображений (проекций на сетчатке), совершенно не интересуясь их осмысленностью и связью с общим образом. Если они найдены, эти одинаковые кусочки, им присваиваются метки «Находятся на таком-то расстоянии». Когда же все эти кусочки сольются в образ, в нашем сознании возникнет объемная сцена, зрительная картина, где одни предметы близко, а другие далеко, и куб отличается в профиль от круглой банки такого же размера.
Именно это свойство бинокулярного зрения и использовал Гельмгольц (понятно, не подозревая о деталях нейрофизиологического механизма стереоскопии), когда предложил опознавать в стереоскопе фальшивые деньги. Ведь как ни старается преступник, ему не под силу абсолютно точно, до долей миллиметра, скопировать рисунок банковского билета. В стереоскопе эти ошибки немедленно «всплывают» над плоскостью бумаги, когда эксперт кладет рядом настоящую банкноту и поддельную.
Каким же образом мозг отыскивает на сетчатке одинаковые участки изображений? На этот вопрос ответил Джон Петтигрю, работавший в Калифорнийском университете. Он открыл в затылочной коре кошки нейроны диспаратности (слово «диспаратус» по-латыни значит «раздельный», «обособленный»; термин говорит, что изображение на каждой сетчатке выглядит чуть иначе, чем если бы на предмет смотрел одноглазый Циклоп). Диспаратность тем больше, чем ближе к глазам находится предмет: оптические оси глазных яблок поворачиваются, сходясь в точке, привлекающей наше внимание, и все остальные точки оказываются по отношению к оптической оси диспаратными.
К каждому нейрону диспаратности приходят сигналы от обоих глаз: с правых сторон каждой сетчатки информацию снимают нейроны левой затылочной коры, а с левых сторон — нейроны правой коры. То есть у любого такого нейрона существуют два рецептивных поля. До тех пор пока данный участок изображения не попал сразу на оба этих поля, нейрон диспаратности молчит. А как только они сразу увидят одинаковый кусочек, нейрон возбуждается, дает сигнал в высшие отделы зрительной системы. Причем максимальный ответ нейрона будет только тогда, когда изображение очутится точнехонько посередине каждого поля. Петтигрю назвал такие поля простыми.
Но обнаружил он также и более сложные поля, объединяющие в себе как бы множество простых. Такие сложные поля привязаны к нейронам коры, объединенным в модули. Нейроны диспаратности формируют модули двух типов: для наведения глаз в данную точку пространства и для измерения дальности до отдельных точек (вернее, маленьких кусочков) предмета.
Наведением заведуют модули, для которых все равно, в каком направлении движутся глазные яблоки. Нейроны этих модулей обладают огромными полями, в несколько градусов по диагонали (здесь и далее измерения на сетчатке). Несмотря на это, они реагируют на ничтожную разницу в диспаратности. У кошки эта разница меньше двух угловых минут. У человека, по-видимому, около десяти угловых секунд, потому-то и четкость стереозрения наша куда лучше кошачьей.
Есть поля, находящиеся на периферии сетчатки и сигнализирующие, что где-то сбоку появилось что-то движущееся. По команде этих полей глаза поворачиваются на это «что-то». А модули наведения, составленные из нейронов диспаратности, как бы ставят перед взором бессчетное число плоскостей, делают «срезы» пространства, чтобы дать мышцам фокусировки хрусталика команду: предмет находится там-то.
Что же касается модулей для измерения дальностей отдельных точек предмета, то топография их полей на сетчатке иная. Прежде всего эти поля невелики по размеру. Во-вторых, можно сказать, что каждый нейрон модуля знает, на какую линию (то есть находящуюся на каком расстоянии) он должен реагировать.
Благодаря работе гигантского множества таких полей мы и видим не только плоские контуры, но и линии поверхностей; по сути, сами эти поверхности, как угодно расположенные в пространстве. Очень интересно, что имеются нейроны, способные реагировать не только на линии, как в опытах Петтигрю, но и на структуры, составленные из случайно разбросанных, по Юлешу, точек. Это открытие сделал Г. Поджио из Медицинской школы университета Джона Гопкинса. Нейроны Поджио демонстрируют чрезвычайно высокую точность работы стереосистемы наших глаз. Ведь в случайно сформированной картинке много похожих или почти похожих участков, так что зрение, казалось бы, обязано ошибаться. Но этого не происходит. Речь идет об опознании (на досознательном уровне) изображений бессмысленных, но имеющих определенную статистику чередований темных и светлых пятен.