JAK "WIDZI" NASZ MÓZG?
advertisement
8 BIOLETYN 17/III/2015 | Nauka jest dla ludzi JAK "WIDZI" NASZ MÓZG? BOŻENA ROLNIK słowa kluczowe: percepcja wzrokowa, rozpoznawanie kształtu, rozpoznawanie ruchu, rozpoznawanie barw, zaburzenia percepcji wzrokowej Kiedy zastanawiamy się nad tym, w jaki sposób nasz układ wzrokowy oraz mózg odwzorowują otaczającą nas rzeczywistość najczęściej wydaje nam się, że jest to prosta kopia wszystkich elementów, jakie nas otaczają. Zazwyczaj nie zastanawiamy się, czy przedmiot, który trzymamy w ręce w rzeczywistości posiada taki kolor i kształt, jaki rozpoznajemy, uznając za pewnik informacje dostarczane nam przez narządy wzroku. Niestety percepcja otaczającej nas rzeczywistości jest o wiele bardziej skomplikowana i tak naprawdę to, co widzimy, nie jest wprost obrazem odebranym przez nasze narządy wzroku, lecz jest wynikiem wielu skomplikowanych operacji przetwarzania i analizowania informacji, jakie są dostarczane do naszego mózgu. Jeśli przykładowo weźmiemy pod uwagę fakt, że sposób, w jaki postrzegana jest przez przechodniów osoba idąca ulicą, może się skrajnie różnić dla każdego z nich, staje się dość oczywiste, że percepcja wzrokowa jest mocno indywidualna. Jak to się zatem dokładnie odbywa, że potrafimy zarejestrować otaczające nas przedmioty? BUDOWA NARZĄDU WZROKU Aby dobrze zrozumieć w jaki sposób obrazy powstają w naszej świadomości, powinniśmy przyjrzeć się bliżej powstawaniu obrazu w naszych narządach wzroku – gałkach ocznych [Rysunek 1]. Elementami optycznymi gałki ocznej, przez które przechodzi promień światła odbijanego od przedmiotów obserwowanych są: rogówka, soczewka oraz ciałko szkliste. Źrenica wraz z tęczówką pełnią rolę swego rodzaju przesłony, której działanie jest analogiczne Rysunek 1. Budowa gałki ocznej człowieka (źródło: http://diabetyk.pl/). JAK „WIDZI” NASZ MÓZG? | Bożena Rolnik do tej w aparatach fotograficznych – kontroluje wielkość strumienia świetlnego, jaki wnika do głębi gałki ocznej. Wiązka światła ulega załamaniu w soczewce oka, która ogniskuje ją na powierzchni siatkówki położonej w tylnej części gałki ocznej. Ostatnie badania ujawniają, że tak naprawdę za załamanie promieni świetlnych przy przejściu przez gałkę oczną w znacznym stopniu odpowiada rogówka, natomiast soczewka pełni funkcje korygujące i "dostrajające" skupianie wiązki światła na receptorach znajdujących się w siatkówce. Tam też znajdują się dwa rodzaje receptorów wrażliwych na impulsy świetlne – czopki oraz pręciki. Czopki znajdują się głównie w centralnej części siatkówki. Możemy wyróżnić trzy podstawowe typy czopków nazywane S, M oraz L. Każdy z nich jest zdolny do rejestrowania fal świetlnych w zakresie widzialnym, jednak wykazują one różne maksima pochłaniania: typ S – najbardziej czuły na fale o niskiej długości (stąd S od angielskiego short), typ M – najbardziej czuły na fale o średniej długości (M od angielskiego medium) oraz typ L – najbardziej czuły na fale o wysokiej długości (L od angielskiego long) [Rysunek 2]. Długości te odpowiadają w przybliżeniu kolorowi niebieskiemu, zielonemu oraz czerwonemu w paśmie widzialnym, stąd często czopki te utożsamia się z przestrzenią barw RGB (ang. red, blue, green). Dzięki występowaniu różnicy w sile reakcji związanej z pochłanianiem fali światła o danej długości przez poszczególne typy receptorów, możliwe jest uzyskanie informacji o barwie poszczególnych elementów obrazu. Pręciki mieszczą się zarówno w centrum jak i na obrzeżach siatkówki i są upakowane z mniejszą gęstością. Wykazują większą czułość niż czopki, stąd są szczególnie wrażliwe w przypadku światła o niewielkiej intensywności. Nie wykazują podziału na poszczególne typy o odmiennych maksimach długości fali pochłanianego światła. Warto zauważyć, że nie do końca prawdziwe jest często powtarzane uproszczenie, że pręciki umożliwiają Rysunek 2. Maksima pochłaniania fali promieniowania przez dane typy czopków - S, M, L. Ze względu na występowanie maksimów dla długości odpowiadających barwie niebieskiej, zielonej czy czerwonej w paśmie widzialnym promieniowania świetlnego, rejestracja sygnału przez ten typ receptorów często utożsamiana jest z przestrzenią barw RGB (źródło: http://www.biecek.pl/). 9 10 BIOLETYN 17/III/2015 | Nauka jest dla ludzi widzenie przy światle o niskiej intensywności, a czopki w sytuacji, gdy występuje silne źródło światła. W rzeczywistości oba typy receptorów są wrażliwe na promienie świetlne, jednak pręciki wykazują dużo większą czułość, stąd właśnie umożliwiają rejestrowanie obrazu w sytuacji, gdy oświetlenie jest słabe. Ze względu na specyfikę ich działania nie jest możliwe rozróżnianie barw. Gdy występuje światło o większej intensywności oba typy receptorów są aktywne, a dzięki aktywacji czopków możliwa jest percepcja barwy. POBUDZONE RECEPTORY... I CO DALEJ? Pod wpływem reakcji chemicznych zachodzących w receptorach dochodzi do pobudzenia kolejnych komórek nerwowych, połączonych w skomplikowaną sieć połączeń pozwalającą na modulowanie przekazywanego sygnału. Ostatnią warstwą komórek nerwowych umiejscowionych w siatkówce, które przekazują sygnał bezpośrednio do nerwu wzrokowego, są komórki zwojowe. Znajdując się pod warstwą receptorów i komórek modulujących, posiadają charakterystyczną koncentryczną budowę, składającą się z okrągłego środka oraz otoczki o reakcji przeciwstawnej na otrzymywane impulsy. Komórki te są stale aktywne, natomiast otrzymywane impulsy powodują modyfikację ich aktywności. Koncentryczne ułożenie w komórce miejsc "odbioru" impulsów nerwowych jest bardzo ważne dla określenia, jaka część naszego pola widzenia jest oświetlona. W przypadku jednolitego oświetlenia całego pola widzenia, cały układ zostaje jednolicie pobudzony, stąd siła reakcji komórki, stanowiąca różnicę między poziomem aktywacji centrum i otoczki, będzie niewielka. Inaczej dzieje się, gdy wycinek pola widzenia jest oświetlony w mniejszym stopniu niż reszta, stąd otoczki i centra komórek zwojowych odpowiadających tym wycinkom mogą zostać pobudzone w różnym stopniu, co będzie powodowało silniejszą reakcję. Takie powiązanie siły reakcji komórki z informacją na temat stopnia oświetlenia danego fragmentu pola widzenia, w stosunku do otoczenia, daje informację na temat kontrastów w obrazie, czego konsekwencją jest również wykrywanie mocno zarysowanych krawędzi. Nie są to jednak wszystkie informacje, jakie niosą ze sobą komórki zwojowe. Liczne badania wykazują, że można je podzielić na dwa podtypy w zależności od ich wielkości. Typ nazywany M (z łac. magnus – duży) to najczęściej większe neurony o bardziej rozgałęzionej strukturze, natomiast typ P (z łac. parvus – mały) to mniejsze i słabiej rozgałęzione komórki. Komórki M dzięki swojej wielkości mają większe pola odbioru sygnału, przez co reagują krótkotrwałą odpowiedzią, natomiast małe komórki P o mniejszych polach odbioru sygnału charakteryzuje odpowiedź długotrwała. Krótkotrwała odpowiedź jest bardzo pomocna przy rejestrowaniu obiektów poruszających się, gdy ważna jest informacja na temat samego poruszania się obiektu, natomiast informacji o jego detalach (jak np. kolory) dostarcza odpowiedź długotrwała DROGA DO KORY MÓZGOWEJ Informacja na temat identyfikacji obiektów, które poruszają się w polu widzenia jest uzupełniana przez jedną z dróg kierujących sygnały nerwowe z komórek zwojowych do kory wzrokowej, czyli części naszego mózgu odpowiedzialnej za przetwarzanie informacji wizualnej. JAK „WIDZI” NASZ MÓZG? | Bożena Rolnik Droga ta, starsza filogenetycznie, prowadzi przez części mózgu znane w medycynie jako poduszka i wzgórki czworacze boczne. Wielu badaczy uważa, ze ścieżka ta odpowiada za ruchy gałki ocznej, np. śledzącej obiekt tak, by znajdował się w polu widzenia, co w połączeniu z informacją na temat przemieszczania się obiektu, może dać pełniejszy obraz otaczającej rzeczywistości. Hipotezę tę zdają się potwierdzać liczne wyniki badań prowadzonych na ludziach i zwierzętach, u których typowym objawem uszkodzenia mózgu w rejonie śródmózgowia (czyli tam gdzie przebiega omawiana droga) jest utrata zdolności do generowania ruchów gałek ocznych. Młodsza filogenetycznie droga przekazywania sygnałów do kory wzrokowej, wiedzie przez tzw. ciało kolankowate boczne (ang. lateral geniculate nucleus, LGN). Włókna wychodzące z siatkówki biegną w nerwach wzrokowych i częściowo krzyżują się w miejscu nazwanym skrzyżowaniem wzrokowym w taki sposób, że informacja z prawej półpłaszczyzny pola widzenia każdego oka wędruje do prawej półkuli, natomiast lewa półpłaszczyzna - do lewej. Interesujący jest fakt, że uszkodzenia mózgu w obszarze LGN kierujących sygnały z komórek M, również mogą prowadzić do zaburzenia identyfikacji ruchu obiektów. W medycynie znany jest przypadek pacjentki, która całkowicie utraciła zdolność spostrzegania ruchów, przez co wykonywane przez nią czynności czy też ruch obserwowanych obiektów był widziany jak obraz stroboskopowy, składający się z pojedynczych oddzielonych slajdów. Nie była w stanie obserwować płynnego ruchu obiektów, a efekt nasilał się szczególnie w przypadku szybkich ruchów, powyżej 20 m/s. Rysunek 3. Ciekawym przykładem analizy informacji wzrokowej przez nasz mózg są figury subiektywne. Patrząc na powyższy rysunek jesteśmy w stanie "zobaczyć" trójkąt, który w rzeczywistości nie istnieje. Interesująca jest nasza interpretacja przestrzenna wydaje się on być bliżej widza niż pozostałe figury, co wynika z logicznej interpretacji mózgu - biały trójkąt zakrywa częściowo pozostałe elementy obrazu (źródło: http://uxbite.com/). Sygnał kierowany jest odpowiednio do neuronów kory pierwszo – oraz drugorzędowej. Bardzo ważny jest fakt, że ułożeniu komórek w siatkówce odpowiada ułożenie neuronów w korze mózgowej, co pozwala na zachowanie informacji przestrzennej. Neurony kory wzrokowej mają analogiczne pola jak komórki zwojowe, jednak nie są one ułożone koncentrycznie. Takie ułożenie pól w neuronach pozwala na wzmacnianie informacji na temat krawędzi obiektów, uzyskanej we wcześniejszych etapach analizy, co ostatecznie dostarcza informacji o kształcie przedmiotów. Informacje docierające do odpowiednich struktur w korze wzrokowej są stale analizowane, przetwarzane i interpretowane, w wyniku czego otrzymujemy świadomość obserwacji pewnego obrazu. Nasz mózg nieustannie formułuje hipotezy odnośnie obrazu i weryfikuje je na podstawie sygnałów otrzymywanych w kolejnych sekundach "wizji". Bardzo często nasz mózg podczas interpretacji odwołuje się również do pewnych zapamiętanych czy też nauczonych informacji i wzorców zależności z przeszłości. Za przykład może posłużyć chociażby fakt, 11 12 BIOLETYN 17/III/2015 | Nauka jest dla ludzi że często dość niekorzystnie postrzegamy osoby, do których żywimy jakąś urazę z przeszłości. Ze względu na zapamiętane informacje, w naszej względnej ocenie osoba taka wypada gorzej niż osoby dla nas neutralne, z czego bardzo często nie zdajemy sobie sprawy. Można zatem zaryzykować stwierdzenie, że dla naszego mózgu pojęcie neutralnej oceny jest nieznane. Inny przykład może stanowić Rysunek, na którym widzimy trójkąt, mimo że tak naprawdę ta figura nie została narysowana. Nasz mózg intuicyjnie interpretuje ten obraz odwołując się do doświadczeń z przeszłości związanych z oglądaniem obiektów przysłanianych przez inne. PERCEPCJA HIERARCHICZNA CZY RÓWNOLEGŁA? Można sobie zadać pytanie jak właściwie powinno się opisywać wędrówkę sygnałów, jakie odbieramy z otoczenia. Czy jest to sieć następujących po sobie reakcji i oddziaływań występujących w ściśle określonej kolejności, czy może raczej różne sygnały, jakie odbieramy są od siebie niezależnie? Odpowiedź jak zwykle przy tego typu pytaniach leży pośrodku. Z jednej strony ewidentnie widoczna jest hierarchizacja struktur w układzie nerwowym i kolejne struktury, jakie musi pokonać sygnał z komórki receptorowej do komórki efektorowej. Z drugiej zaś strony warto mieć na uwadze fakt interpretacji rejestrowanego obrazu na podstawie szeregu sygnałów niosących ze sobą różne, często uzupełniające się informacje. Można zatem powiedzieć, że percepcja jest uhierarchizowana, ale ta sama informacja, sprowadzająca się tak naprawdę do fali światła pobudzającej receptory, może być rejestrowana i interpretowana na poszczególnych etapach w inny sposób, co wymusza istnienie równoległych dróg przekazywania sygnału. ŹRÓDŁA BIBLIOGRAFICZNE: Boller F., Grafman J., Handbook of neuropsychology. Disorders of visual behavior, Elsevier, b.m.w. 2001. Gazzaniga M.S., Ivry R.B., Mangun G.R., Cognitive neuroscience the biology of the mind, Norton&Company, London 1998. Górska T., Grabowska A., Zagrodzka J. (red.), Mózg a zachowanie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012. Self M.W., Zeki S., The integration of colour and motion by the human visual brain, Cerebral Cortex, 2004 (22). Tomaszewski T. (red.), Psychologia ogólna. Procesy percepcji, Naukowe PWN, Warszawa 1995. Walsh K., Neuropsychologia kliniczna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1998.
