Кажется, что глаз просто смотрит на мир, а мозг показывает нам увиденное. На самом деле всё сложнее. Свет проходит через оптическую систему глаза, попадает на сетчатку и превращается там в нервные сигналы. Затем мозг обрабатывает эту информацию и создаёт то, что мы воспринимаем как изображение. При этом на сетчатке картинка получается перевёрнутой: верх объекта оказывается внизу, а правая сторона — слева.
Разберёмся, что происходит со светом от роговицы до зрительной коры и почему мозгу не приходится буквально «переворачивать» изображение обратно.
Глаз — не просто камера
По принципу работы глаз напоминает фотоаппарат. Свет проходит через оптическую систему, фокусируется и попадает на светочувствительный слой — сетчатку.
Главную работу здесь выполняют две структуры: роговица и хрусталик. Они преломляют свет и направляют его на сетчатку. Зрачок регулирует, сколько света попадёт внутрь глаза: в темноте он расширяется, а при ярком свете сужается.
После зрачка свет проходит через хрусталик и стекловидное тело — прозрачное гелеобразное вещество, которое заполняет большую часть глазного яблока. Затем он достигает сетчатки.
У каждой части системы своя задача:
- роговица сильно преломляет свет;
- зрачок регулирует количество света;
- хрусталик помогает точно сфокусировать изображение;
- стекловидное тело сохраняет форму глаза и пропускает свет;
- сетчатка преобразует свет в нервные сигналы.
На сетчатке начинается нейронная часть зрения.
Роговица и хрусталик: две линзы вместо одной
Роговица и хрусталик работают вместе, но выполняют разные функции. Роговица обеспечивает большую часть преломления света. Хрусталик отвечает за более тонкую настройку фокуса. Он может менять свою форму, чтобы глаз мог сфокусироваться на объектах, расположенных на разном расстоянии. Этот механизм называется аккомодацией. Например, когда мы переводим взгляд с телефона на дерево за окном, хрусталик меняет кривизну, чтобы изображение нового объекта оставалось чётким.
С возрастом хрусталик становится менее эластичным. Ему сложнее менять форму, поэтому человеку становится труднее фокусироваться на близких объектах. Это приводит к пресбиопии — возрастному снижению способности фокусироваться на близких объектах.
Почему изображение на сетчатке перевёрнуто
Роговица и хрусталик работают как собирающая оптическая система. Лучи света от разных точек объекта проходят через неё и пересекаются. Поэтому верхняя часть объекта проецируется на нижнюю часть сетчатки, а нижняя — на верхнюю. То же происходит по горизонтали: правая сторона объекта оказывается слева, а левая — справа.
В результате изображение на сетчатке оказывается перевёрнутым на 180 градусов.
Сетчатка — это не экран
Сетчатка сама начинает обрабатывать информацию ещё до того, как сигнал покинет глаз. В ней около десяти микроскопических слоёв. Среди них — фоторецепторы, биполярные и ганглиозные клетки.
Аксоны ганглиозных клеток объединяются и образуют зрительный нерв. Он выходит из глаза через участок, где нет фоторецепторов. Это место называют слепым пятном. Мы обычно его не замечаем: мозг получает информацию от обоих глаз и использует окружающие зрительные данные, чтобы составить непрерывную картину.
Палочки и колбочки: как глаз видит свет и цвет
Фоторецепторы бывают двух основных типов — палочки и колбочки.
Колбочки обеспечивают цветовое зрение и высокую детализацию изображения при хорошем освещении. Особенно много их в макуле, или жёлтом пятне. В её центре находится центральная ямка, где плотность колбочек особенно высока.
Палочки гораздо чувствительнее к слабому свету. Они особенно важны для сумеречного и ночного зрения и помогают замечать движение на периферии поля зрения. Поэтому вечером привычные цвета постепенно исчезают: при недостатке света колбочки работают хуже, а палочки не передают цветовую информацию. Зато именно палочки помогают заметить движение сбоку. Поэтому иногда в темноте предмет легче увидеть, если смотреть немного в сторону от него.
Как свет превращается в нервный сигнал
Когда свет достигает фоторецептора, в нём запускается фотохимическая реакция. Она приводит к изменению электрического состояния клетки и запускает передачу сигнала дальше по нейронным цепям сетчатки.
Затем информация проходит через биполярные клетки к ганглиозным. Их аксоны образуют зрительный нерв, по которому сигнал отправляется в мозг. Фоторецепторы расположены за другими слоями сетчатки и обращены вглубь глаза. Поэтому свет проходит через несколько слоёв клеток, прежде чем достигает светочувствительных элементов. Такое строение называют инвертированной сетчаткой.
Как мозг превращает сигналы сетчатки в зрительное восприятие
После обработки в сетчатке зрительная информация по зрительному нерву поступает в мозг. По пути она не сохраняется в виде цельного изображения — нервная система передаёт отдельные характеристики зрительной сцены: где находятся светлые и тёмные участки, какие есть контуры, цвета и движения.
Часть нервных волокон после выхода из глаз перекрещивается в области зрительного перекрёста, или хиазмы. Благодаря этому информация от правой половины поля зрения каждого глаза поступает преимущественно в левое полушарие, а от левой — в правое.
Затем сигналы доходят до зрительной коры в затылочной доле. Там и на других участках мозга они обрабатываются и объединяются с информацией от обоих глаз, движений головы и тела, а также с данными предыдущего опыта. Так постепенно формируется восприятие предметов и пространства.
Что показали эксперименты с переворачивающими очками
Способность мозга адаптироваться к изменённому зрительному сигналу проверяли ещё в конце XIX века. Психолог Джордж Стрэттон экспериментировал с очками, которые меняли ориентацию изображения. В первые дни привычное восприятие нарушалось: окружающее пространство казалось странным, а движения становились непривычными.
Со временем испытуемый частично адаптировался к новой системе зрительных сигналов. После снятия очков требовалось некоторое время, чтобы снова привыкнуть к обычному восприятию. Такие эксперименты стали одним из ранних свидетельств того, насколько пластичной может быть зрительная система.
Зачем человеку два глаза
Оба глаза получают перевёрнутые проекции окружающей сцены, но смотрят на неё с немного разных позиций. Из-за этого изображения отличаются. Разница между ними называется бинокулярной диспаратностью.
Мозг сопоставляет информацию от двух глаз и использует эту разницу для оценки глубины. Благодаря бинокулярному зрению мы можем точнее определять расстояние до предметов и объём окружающего пространства. Это важно для действий, где зрение должно работать вместе с движениями рук: например, когда мы берём предмет, наливаем воду в стакан или ловим мяч.
Заключение
Оптическая система глаза создаёт на сетчатке перевёрнутую проекцию. Но мозг не переворачивает её обратно как фотографию. Он с самого начала работает с этими сигналами и связывает их с пространством, движением и собственными действиями.
