Визуальная экология

1.1. Глаз.

     Глаз  состоит из глазного яблока и зрительного  нерва. Глазное яблоко располагается  в специальном углублении черепа – глазнице. Оно имеет шарообразную форму, что облегчает его повороты для наведения на рассматриваемый  объект. Глазное яблоко состоит из оболочек: белочной (фиброзной), сосудистой, сетчатой (сетчатки), и ядра глаза (водянистая влага, передней и задней камеры, хрусталик, стекловидное тело). 

1.2. Вспомогательные  органы глаза.

     К вспомогательным органам глаза  относятся мышцы глазного яблока, фасции глазницы, веки, брови, слезный  аппарат. К глазному яблоку прикрепляются  шесть поперечно-полосатых мышц: четыре прямые - верхняя, нижняя, латеральная  и медиальная, и две косые - верхняя  и нижняя. 

1.3. Проводящие пути  зрительного анализатора

     На  пути к светочувствительной оболочке глаза (сетчатке) лучи света проходят через несколько светопроводящих  и светопреломляющих прозрачных сред – роговицу, водянистую влагу  передней и задней камер, хрусталик, стекловидное тело. Затем пройдя через  все слои сетчатой оболочки, лучи света  отражаются от пигментного слоя и  воспринимаются ее светочувствительными нервными клетками. На пути пучка света  находится зрачек. Под влиянием мышц радужки зрачек то суживается, то расширяется. Светопреломляющие среды направляют пучок света на более чувствительное место сетчатки, место наилучшего видения - пятно с его центральной ямкой. Важная роль в этом принадлежит хрусталику, который с помощью ресничной мышцы может увеличивать или уменьшать свою кривизну при видении на близкое и дальнее расстояние (аккомодация). Эта способность хрусталика изменять свою кривизну обеспечивает направление пучка света всегда на центральную ямку сетчатки, которая находится на одной линии с наблюдательным предметом. Направление глазных яблок в сторону рассматриваемого объекта обеспечивается глазодвигательными мышцами, которые устанавливают зрительные оси правого и левого глаза параллельно при видении вдаль или сближают их (конвергенция) при рассматривании предмета на близком расстоянии.

     Попавший  на сетчатку свет проникает в ее глубокие слои и вызывает там сложные  фотохимические превращения зрительных пигментов. В результате в светочувствительных  клетках (палочках и колбочках) возникает  нервный импульс. Возбуждение фоторецепторов активирует первую нервную клетку сетчатки (биополярный нейрон). Возбуждение  биополярных нейронов активирует ганглиозные  клетки сетчатки, передающие свои импульсные сигналы в подкорковые зрительные центры. В процессах передачи и  переработки информации в сетчатке участвуют также горизонтальные и амакриновые клетки. Все перечисленные  нейроны сетчатки образуют нервный  аппарат глаза.

     Зрительный  нерв выходит из полости глазницы через канал зрительного нерва  в полость черепа и на нижней поверхности  мозга образует зрительный перекрест. Перекрещиваются не все волокна  зрительного нерва, а только те, которые  следуют от медиальной, обращенной в сторону носа части сетчатки. Остальные зрительные волокна вместе с перекрещенными аксонами образуют зрительный тракт. Нервные волокна  зрительного тракта проходят к четырем  структурам мозга: ядрам верхних  бугров четверохолмия (средний мозг), ядрам латерального коленчатого  тела (таламус), супрахизмальным ядрам  гипоталамуса и к глазодвигательным  нервам. Высший анализ зрительных восприятий осуществляется на участке затылочной доли коры возле шпорной борозды. Из серого слоя верхнего холмика импульсы поступают в ядро глазодвигательного нерва и в добавочное ядро, откуда осуществляется иннервация глазодвигательных мышц, а также мышц, суживающих зрачок, и ресничные мышцы. 

2. Роль движения  глаз в процессе  зрительного восприятия.

2.1. Зрение и движение  глаз

     При рассматривании любых предметов  глаза двигаются. Движение глаз очень  важно для успешной работы системы  распознавания зрительных образов. Известно, что глаз - самый активный из органов чувств. Он никогда не стоит на месте, двигаясь относительно координат головы горизонтально, вертикально  и вокруг своей оси. Глазные движения осуществляют 6 мышц, прикрепленных  к глазному яблоку. Это две косые  и четыре прямые мышцы – наружная, внутренняя, верхняя и нижняя. Движение осуществляется одновременно и содружественно.

     Активности  глаза способствуют его шарообразная форма и минимальное трение: глаз практически «плавает» в орбите, из-за чего он свободно перемещается и  осуществляет быстрый анализ окружающего  пространства.

     Основной  вид движений глаза связан с «помещением» объекта в область ясного видения. Необходимость в этом объясняется, прежде всего, тем, что глаз человека ясно видит окружающие предметы очень  малым участком сетчатки, который  получил название центральной ямки. При довольно большом размере  поля зрения (около 180°) размеры центральной  ямки составляют 1,5 - 2,0°, т.е. почти в 100 раз меньше. В области центральной  ямки острота зрения максимальна. Она  резко падает к периферическим участкам сетчатки. При неподвижных глазах мы видели бы ясно только половину лица встречного человека с расстояния 3 м, а всего человека можно было бы видеть только с расстояния 48 м. Совершенно очевидно, что при неподвижных  глазах человеку трудно было бы ориентироваться  на улице.

     Существуют  и другие виды движений: компенсаторные - при повороте головы, конвергентно-дивергентные движения, фузионные, торзионные. 

2.2.Медленные  и быстрые движения  глаза

     Перемещения глаза, в основном, достигаются двумя  видами движений: медленными и быстрыми. Быстрые движения глаз на записи имеют  вид вертикальных прямых тонких линий, которые в литературе получили название саккад (от старинного французского слова, переводимого как «хлопок паруса»). Саккады правого и левого глаза  совершенно синхронны и одинаковой амплитуды. Ориентированы саккады  также в одном направлении. Наличие  такого большого количества саккад означает, что зрительная ось глаза, меняет свое направление через каждые полсекунды.  Исходя из этого, можно утверждать, что глаз постоянно сканирует окружающее пространство.

     Медленные движения глаз реализуются при слежении за движущимися объектами – следящие движения.

     Саккады. Наши глаза плавно сканируют окружающее пространство непрерывными движениями. В действительности, этот процесс намного сложнее: сначала мы устанавливаем глаза так, чтобы изображение этого объекта попало в область центральной ямки обоих глаз, затем мы удерживаем глаза в таком положении в течение короткого времени (о,5 сек), потом глаза скачком перемещаются в новую позицию и фиксируют новую мишень, которая находится где-то в другом месте зрительного поля и привлекает к себе внимание тем, что несколько сдвигается относительно фона или имеет какую-то интересную форму. Во время такого скачка (саккады), скорость движения глаз столь велика, что зрительная система не успевает отреагировать на перемещение изображения на сетчатке, и мы это просто не замечаем. Возможно, что в некотором смысле зрение отключается на период скачка с помощью какой-то сложной нейронной схемы, которая связывает глазодвигательные центры с глазодвигательным путем.

     Микросаккады. При рассматривании неподвижных (статичных) объектов, наш взгляд фиксирует какую-то точку, привлекающую внимание. Но и эта фиксация не бывает абсолютно неподвижной. Глаза не остаются в полном покое, они совершают микродвижения - микросаккады. Они совершаются несколько раз в секунду и направлены более или менее случайно, достигая амплитуды 1—2 угловых минут. Очевидно, микросаккады необходимы, чтобы непрерывно видеть неподвижные объекты. Как будто бы природа, создавая зрительную систему, особенно заботилась о восприятии движения и поэтому постаралась обеспечить нечувствительность клеток к неподвижным объектам, однако ей потом пришлось изобрести микросаккады, для того, чтобы сделать и неподвижные объекты видимыми.

2.3. Аккомодация и  конвергенция.

     Одними  из наиболее важных движений глаз являются сведение (конвергенция) и разведение (дивергенция) зрительных осей.

Конвергенция  требуется при переводе взгляда  с далекого объекта на близкий, а  дивергенция наоборот - с близкого на дальний. Наименьшая удаленность  объекта, при которой уже не приходится конвергировать и зрительные оси  являются параллельными - принимается  расстояние равное 6 м. В любом другом случае конвергенция и дивергенция  совершается автоматически непроизвольно, независимо от желаний человека.

     Аккомодация — это способность глаза перестраиваться  в зависимости от расстояния до фиксируемого предмета так, чтобы на сетчатке получалась его четкое изображение в результате непроизвольного изменения рефракции  глаза. В процессе аккомодации осуществляется изменение кривизны преломляющих поверхностей хрусталика и перемещение его  слоев. Время, затрачиваемое на аккомодацию  вблизь и вдаль различно, и зависит  от степени требуемого напряжения аккомодации  и от возраста. Например, у молодых  людей аккомодация вдаль происходит медленнее, а вблизь - быстрее, чем  у пожилых людей. Для нормального  хода процесса аккомодации необходимы определенные условия: достаточная  яркость, контраст фона с объектом, скорость его приближения или  удаления, угловой размер объекта  и т.п. 

2.4.Концепция  автоматии саккад

     Изучению  механизма возникновения саккадических  движений глаз посвящено много работ. Задавшись целью рассмотрения саккадической деятельности как единого процесса, специалисты МЦ «Видеоэкологии» провели сопоставление параметров саккад.

     На  основании полученных данных в 1987 г. (Филин В.А.) была сформулирована концепция  об автоматии саккад, согласно которой  саккады обусловлены деятельностью  структур мозга, способных к ритмогенезу  без внешних побудительных причин, по типу пейсмекеров. В настоящее  время имеется большое число  данных, свидетельствующих в пользу автоматии саккад. Одинаковое число  саккад у зрячих и у слепых также  объясняется автоматией, как и  у новорожденных котят до прозрения, и у животных, воспитанных в  полной темноте со дня рождения. Под автоматией мы понимаем эндогенный процесс, осуществляемый без внешних  побудительных причин и основанный на функционировании нерегулярных пейсмекерных нейронов, генерирующих импульсы с  теми или иными интервалами.

     Микросаккады, возникающие при фиксации реальной и мнимой точки, рассматриваются  как частный случай автоматии  саккадических движений глаз, а именно автоматии саккад минимальной амплитуды  при сохранении прежнего режима интервалов и ориентации. Микросаккады - это  нормальное физиологическое явление  в особых условиях, а именно в  условиях фиксации неподвижного объекта  малого размера. Таким образом, в  отличие от установившегося представления  о детерминированной природе  большинства саккадических движений глаз, Филиным В.А. была выдвинута  концепция об автоматии саккад как  основной закономерности саккадической  деятельности, на фоне которой разыгрывается  все многообразие глазодвигательной  активности. Представление об автоматии  саккад является новым направлением в физиологии, перспективным при  изучении психо- и нейрофизиологических аспектов зрительного восприятия. 

2.5.Автоматия  саккад и зрительное  восприятие.

     Автоматия саккад играет очень важную роль в  процессах зрительного восприятия и выполняет следующие функции:

- резко  увеличивает область охвата видимой  картины. Люди, лишившиеся подвижности  глаз, как это бывает при тотальной  офтальмоплегии, являются глубокими  инвалидами;

- является  одним из механизмов компенсации  дефектов в сенсорном аппарате  глаз, имеющих значительные размеры;

- только  с помощью автоматии саккад  можно обеспечить устойчивое  видение окружающих предметов  в вечернее время, когда фотопическое  зрение выключается, и человек  вынужден воспринимать окружающие  предметы ретинальным кольцом.  Давно было замечено, что в  этих условиях не нужно смотреть  на предметы в упор, если необходимо  заметить какие-то важные особенности  зрительного мира. Естественно, природа  не могла рассчитывать на разумное  отношение человека к перестройке  зрительной системы в вечернее  время.

     В процессе эволюции создавался надежный механизм, позволяющий эффективно использовать в новых условиях освещенности кольцевую  зону сетчатки. И именно автоматия  саккад оказалась таким механизмом, с помощью которого изображение "перебрасывается" с одного участка  кольца на другой через каждые 0,3 секунды.

     С учетом представления об автоматии  саккад целесообразно обсудить вопрос о том, как мы рассматриваем окружающю  среду. Сканируя постоянную видимую  среду, наш глаз фиксирует какой-то элемент, чаще всего наиболее заметный. В это время изображение объекта  находится в области центральной  ямки обоих глаз; в таком положении  мы удерживаем глаза в течение  короткого времени, примерно 3 сек, потом  глаза очередной саккадой перемещаются в новую позицию и фиксируют  новый элемент, который находится  в другом месте и привлекает наше внимание. При этом во время фиксации амплитуда саккад резко уменьшается  вплоть до 1-2¢, а перескок с одной  детали на другую осуществляется саккадой большей амплитуды. Но общее число  больших и малых саккад в единицу  времени остается величиной постоянной. Итак, при осмотре зрительное восприятие осуществляется дискретно определенными квантами, невозможно осматривать неподвижное изображение плавными движениями глаз. Если же наблюдатель видит перемещающиеся объекты, например, из окна движущегося поезда, то он фиксирует данный объект и следит за его перемещением до тех пор, пока тот не выйдет из зоны видимости, после чего очередной саккадой вперед по уходу поезда фиксируется новый объект.