Участник:Миг/Биофизика цветного зрения и теория Дж. Хата

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Бионический глаз
Рис. А. Восьмугольная симметрия присутствует на сетчатке глаза в области за пределами 7‒8° от центрального пятна, где статистически плотность палочек достаточна, чтобы полностью окружить каждую из колбочек, доля которых падает к периферии глаза.[1]
Рис. Б.[2]

Биофизика цветного зрения — исследование процессов восприятия света и цвета глазом с точки зрения физики и биологии, то есть биофизики.

Зрение, в том числе цветное зрение — вид зрительного ощущения, которое возникает вследствие каскада процессов взаимодействия света с внешними долями мембран фоторецепторов сетчатки глаза. В сетчатке, где происходит первичное взаимодействие со светом через пространственные элементы (названные «нано-антеннами»[3]) входящие фотоны трансформируются в сигналы «трёх основных диапазонов цветов» RGB, по оппонентному принципу. Фотоны взаимодействуют о структурами клеток-фоторецепторов, в дальнейшем электрохимические сигналы трансформируются и обрабатываются в нейронных сетях сетчатки глаза.[4]

История[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Теории цветового зрения

В последние (примерно 20‒25 лет) получены данные исследований с разных точек зрения: физической, биологической, биохимической, где имеется ряд достижений в области исследования зрения. В частности, интересны исследования: Ретиномоторная реакция фоторецепторов, флюоресцентная микроскопия сечений живой сетчатки (Цветное зрение у птиц), открытие третьего ганглиозного фоторецептора сетчатки ipRGC c фотопигментом меланопсином (Фоточувствительные клетки сетчатки ipRGC), отчёт лаборатории Р. Е. Марка в области цветного зрения начиная с 1966 г., с основным экспериментальными данными в области трихроматизма, работой колбочек (S, M, L) в условиях дневного освещения (цветного зрения) и палочек, в области сумеречного (не цветного) зрения, работы Джона А. Медейроса (см. Специфика работы мембраны колбочек, где колбочка рассматривается, как конический волновод в жидкой среде [5]). Большой интерес вызывает работа 2011 Пересмотр традиционных взглядов на зрительный процесс, основанная на базе трудов учёного физика[6] Джеральда К. Хата, анализирующего физику взаимодействия света с внешними долями мембран фоторецепторов сетчатки глаза.

В итоге, можно утверждать, что в настоящее время уже не стоит вопрос о доказательствах общепринятых принципов трехкомпонентной (и многокомпонентной) теорий цветного зрения в целом. Эти теории включены в учебники и программы преподавания в учебных заведениях. Современные лаборатории в области зрительной системы занимаются вопросами работы нервных клеток глаза и мозга, участвующие в создании, проведения биосигнала предметной точки оптического изображения на рецепторном и нейронном уровнях до попадания в мозг. То есть ведётся работа по созданию атласов прохождения сигналов с целью возможности диагностирования, лечения заболеваний зрительной системы. (См. Лаборатория Р.Е.Марка).

Цветное зрение с точки зрения теории трихроматизма[править]


Цветное зрение с точки зрения физики[править]

Каждая «антенна» (участок обнаружения света на сетчатке) поглощает электромагнитную волну (свет), и переводит поглощенную энергию, в форме квантованной частицы, в электрохимический зрительный импульс.[7]

Цветное зрение — вид зрительного ощущения, которое происходит от взаимодействия света с внешними долями мембран фоторецепторов сетчатки глаза. Это участки на сетчатке, где происходит первичное взаимодействие со светом посредством пространственных структур (названных Дж. К. Хатом «нано-антеннами») и обрабатывается в нейронной сети сетчатки, приводя к формированию цветного зрительного образа (у человека или животного). Падающий на сетчатку свет поглощается в пространственных структурах колбочек и палочек, подразумевается, что фотоны взаимодействуют с пигментами не в отдельной точке, а в протяжённых пространственных структурах тел фоторецепторов.[8]

Оригинальное исследование Дж. К. Хата[править]

Фундаментальным является утверждение Харта о том, что свет взаимодействует с абсорбирующей массой посредством оптических антенн.

  • То есть пространственная нано-размерность вместо чистой квантовой идеи о том, что фотоны взаимодействуют с молекулами пигмента и т. д.. То есть понятие антенны подразумевает, что начальное взаимодействие с внешними долями мембраны фоторецепторов, относящихся к сетчатке глаза, вовлекают электромагнитные волны света. Из этого следует, что глаз существенно развит, чтобы взаимодействовать с электромагнитной природой волны света, а не с фотонами. Тогда, применяя это пространственное понятие антенны к размерам Остерберга пространственной плотности колбочек и палочек на относящейся к сетчатке глаза поверхности, и простые процессы подсчета приложений рецептора под каждым относящимся к сетчатке глаза углом падения лучей, будет показана природа светового (видимого спектра лучей) взаимодействия с этой поверхностью и что важно, процесса trichromicity en:Trichromacy видения (Трёхкомпонентная теория цветного зрения).

Сетчатка, как сразу замечают, является дифракционной поверхностью, подразумевающей, что она расположено в центральной (или Fourier) части оптики глаза. Оптические изображения в этом месте, в противоположность традиционной мысли, закодированы на каждом участке в двух видах, соответствующих интенсивности и фазе поглощенного света. Dr. Huth подчёркивает, что относящиеся к сетчатке глаза антенны функционируют в «около области» света (то есть, в измерениях, меньших, чем длина волны света или в диапазоне миллимикрона) и в области времени фемтосекунды больше \( 10^{-15}\) секунды.

Каждая антенна состоит из двух областей, измерение происходит между фоторецепторами, которое составляет переменную размерность для начального поглощения длины волны света и выбирает определенную поглощенную длину волны. Эта область должна быть немедленно смежной с меньшей областью неподвижного измерения, которое функционирует, чтобы ограничить квантом в электрон, который составляет «абсорбирующую массу». Таким образом, каждая антенна (или каждый «легкий» участок (световой), где происходит обнаружение на сетчатке) поглощает электромагнитную длину волны света и переводит эту поглощенную энергию на «квантованную» электронную частицу, которая впоследствии используется (в виде электрического сигнала) в процессе видения. Любой, кто когда-либо изучал зрительный процесс, будет конечно видеть следующую кривую, которая была воспроизведена по-видимому в каждом учебнике:

Обозначено, что огромное большинство элементов, что ненадлежащим образом назвали колбочками, которые воспринимают цвета, которые ограничены меньше, чем одной степенью, относящейся только к сетчатке глаза — угла (ямка). Меньшие рецепторы палочек с диаметрами непрерывно вводятся за пределы этого пункта, с большими углами, заканчивающиеся тем, что они были преобладающими в периферийной зоне сетчатки.

Переход направленный наружу от шестиугольно-выстраиваемых колбочек в ямке в сторону больших углов, и с продолжающимся введением статистически распределенных палочек, пункт которых достигнут 7‒8° (степенями), где замечена только полная восьмугольная фигура «палочки-вокруг-колбочек». От этого пункта до периферийной сетчатки, относящаяся к сетчатке глаза, топография возвращается снова к шестиугольной фигуре меньшего количества палочек. Это — пространственная фигура сетчатки — от шестиугольной заказанной фигуры в ямке, где все-колбочки представляют полностью восьмугольную заказанную систему с 7‒8° (степенями) и, наконец, снова к шестиугольному заказанному множеству палочек.

Традиционное предположение о глазе было то, что он ведет себя как работа «фотокамеры», которую наша технология узнала так хорошо. Тексты зрения переполнены «перевернутым деревом» диаграммы, показывая перевернутое оптическое изображение, которое охватывает широкий угол сетчатки возможно в 50‒70°. Если бы камеры и сетчатка были аналогичны, то сетчатка показала бы однородный пространственный заказ использования рецепторов, например, периодические множества триад RGB или полос на кремнии (пикселах) фотосенсора, отображающем чипсы цифровых камер. Хотя много попыток были сделаны, но не найдено в этом заказе ни одного такого изображения (пока эта работа!). Статистическое распределение рецепторов, описанных Остербергом, получено.

Цветное зрение с точки зрения нелинейной теории[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Нелинейная теория зрения

В 1975 году появилась нелинейная теория зрения советского ученого С. Ременко, предполагающая наличие в глазе человека только двух типов светочувствительных элементов — одного типа палочек и всего одного типа колбочек, содержащих в себе пигменты светочувствительные сразу к нескольким областям спектра, а также нелинейность процессов формирования сигналов цветности. В отличии от всех остальных существующих на сегодня теорий она единственная, которая объясняет механизмы обработки сигналов рецепторами, поддержание баланса белого цвета и моделирует работу глаза в целом.[9] [10] [11] [12]

Применения методов генного моделирования у мышей в клетках сетчатки глаза, выделение колбочки-S, которая работает в зоне фиолетово-синего спектра с длиной волны, более 498нм, то есть с окончаним сумеречного освещения, подтверждают теорию трихроиатизма. (Ешё в 1966 году на рентгеноскопических снимках Р. Е. Марка образцов сечения сетчатки были получены данные работы колбочек при цветном зрении.) А в 2006 году получены изображения колбочек и палочек цыплёнка в цвете и стерео, где также подтверждена многокомпонентная (четырехроматическая) теория цветного зрения.

В трудах Джеральда К. Хата по пересмотру прежнего мнения процесса видения, основанных на базе работ учёного[13] происходит на базе и из физики взаимодействия света с внешними долями мембран фоторецепторов сетчатки глаза. Это участки на сетчатке, где происходит первичное взаимодействие со светом, когда свет рассматривается с вопросом как электромагнитная волна в классической физике, который проходит через пространственную размерность (названной «nano-антеннами») и фильтруется в виде трёх основных цветов RGB. Падающий на сетчатку свет следует подразумевать, что поглощение света имеет место в пространственной размерности между смежной колбочкой и палочкой, а не в виде чистого кванта и подразумевается, что фотоны взаимодействуют в пределах непосредственно тел фоторецепторов. То есть с точки зрения также чисто физической, процесс цветного зрения рассматривается с позиций взаимодействия света, цвета (классического — на базе фильтрации лучей RGB в клетках — фоторецепторах колбочках палочках, собранных в виде наноантен 1 колбочка, окружённая восьмью палочками и т. д.) Откуда не случайно, теория С.Ременко изначально в мире науки зрительной системы не принята и очевидно из-за отсутствие в ней подходов исследований на живой клетке, связи с мозгом, серьёзно не прнималась и не рассматривалась ведущими лабораториями в мире. См. Цветное зрение у птиц, Лаборатория Р.Е.Марка, Ретиномоторная реакция фоторецепторов, Фоточувствительные клетки сетчатки ipRGC. (Для удобства читателей в качестве источников приведены статьи в Традиции, где указаны первоисточники и переводы иностранных текстов на русский язык).

Цветное зрение с точки зрения биологии[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Лаборатория Р.Е.Марка
Принципиальная схема цвветного зрения человека, приматов трихроматизма с оппонентным отбором основных цветов предметной точки в условиях ретиномоторной реакции фоторецепторов в блоках колбочек RGB
Рис.2а. Принципиальная схема организации цветного зрения (на примере сетчатки цыплёнка).
А. Фоторецептор-колбочка.
Б.1-Б.4 — блок четырёх типов колбочек позволяют различать (дискриминировать) отдельные участки электромагнитного спектра. Обработка полученных разностных сигналов в нейронной сети (десятки типов клеток в сетчатке глаза) обеспечивает возможность различения, оппонентного отбора цветов и оттенков.
Fig.14a Спектры видимых лучей света и фоторецепторы[14]
Fig.15 Графики данных электронной рентгеноскопии работы колбочек (цветное зрение)[15]
Трёхкомпонентная теория цветовосприятия исторически основана на многие наивные теории, предсказательная сила которых была невелика. Даже гениальные предположения учёных прошлого были в основном умозрительны, так как естественные науки прошлого не обладали необходимым инструментарием; не был сформирован понятийный аппарат, невозможно было провести многие критически важные эксперименты. Бурное развитие естественных наук можно отнести начиная с ХIХ столетия, когда специалисты в области биологии, химии и физики сделали огромный прорыв в естественных науках.

Уже в 1966 году впервые при рентгеоскопии среза сетчатки глаза получены изображения фоторецепторов палочек и колбочек и их связей между собой и клетками сетчатки глаза.[16] (см. Лаборатория Р.Е.Марка ). Полученные им данные на рентгеноскопии образцов срезов сетчатки глаза приматов определила систему трихроматизма цветного зрения — участие трёх колбочек RGB в формировании трёх сигналов (синего, зелёного, красного) при трансдукции их в мозг.

Биофизика восстановления зрения[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Бионический глаз
Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Визуальный протез
Рис. Б. Применение имплантанта фотосенсора c пикселями RGB в бионическом глазу при полной скотоме
Биофизика восстановления зрения c применением визуального протеза (см. Визуальный протез), часто назывемого бионическим глазом

заключается в возможности восстановить функционирование зрения. При этом чисто электронно-механические устройства — имплантанты (фотосенсоры) на основе оргматериалов, чувствительных к лучам света (вместо атрофированных мембран колбочек), воспринимаются, соединяются с невредимымы нервными окончаниями, которые проводят зрительные сигналы в мозг.[17]

На примере работы коллектива Паланкера,[18] которые включают области исследований:

  • Искусственный объект — Оптикоэлектронный протез сетчатки глаза,
  • Взаимодействие в ткани — механизмы и использование,
  • Электрические эффекты в области ионных каналов и клеточных мембран,
  • интерфейс «Нерв-устройство»,
  • Взаимодействие лазерного излучения и живой ткани,
  • Микрохирургические технологии,
  • Минимально-повреждающие электрооптические, терапевтические технологии
  • Оптическое отображение и спектроскопия,

видно, что достижения в области протезирования сетчатки глаза с атрофированными внешними мембранами колбочек, но живыми зрительными каналами, нервами, являются ярким примером взаимодействия комплексных подходов с точки зрения биологи и физики, биофизики, биохими в вопросах зрения и разработке методик диагносимрования и лечения зрительной системы. Именно благодаря этому удалось имплантировать протез — фотосенсор (на органической основе), который принимается живой средой. В данном случае зрительные нервные окончания своими синапсами соединяются с электродами фотодатчика и воспринимаемые зрительные [[сигнал]ы предметной точки, проходящие через сложную оптическую систему бионического глаза (объектив, роговица+хрусталик, сетчатка+имплантант), проводятся в мозг по нервным зрительным волокнам.(См. рис. Б).

Как известно, фотодатчик фотосенсор создан и во многом копирует биологический фотодатчик сетчатку, которые работают по принципу восприятия спектральных лучей света блоками пикселей или блоками колбочек с внешними долями мембран и представляют мозаику ячеек (фотосенсор) и мозаику блоков колбочек RGB.

Как видим, что аналогичные схемы восприятия спектральных лучей в биологии и цифровой фотографии аналогичны, и практика лечения слепоты используют принципы биофизические процессов восприятия спектральных лучей (на принципе трихроматизма). Важно подчеркнуть, что данный имплантант пока содержит около 2500 пикселей и равен по размеру пшеничного зерна. То есть он внедряется в зону сетчатки, в центре жёлтого пятна, где нет палочек. (Уже здесь ещё раз практически, в результате восстановления зрения слепого человека видим, что трихроматизм, трёхкомпонентная теория цветного зрения верна.

Внедрённый первый протез в сетчатку глаза с 2500 пикселями, выдаёт сигналы, полученные с видеосистемы на фотосенсор, несущего пиксели, которые воспринимают спектральные лучи как любая видеокамера в цвете — RGB. Но как известно и фотосенсор с пикселями, и сетчатка глаза с фоторецепторами, своими внешними долями мембран на начальном этапе восприятия спектральных лучей в виде фотонов (с энергией длин электромагнитных волн) формируют цветные сигналы не в цвете,[19] (см. Рецепторный и нейронный уровень восприятия света). Фотосенсоры цветного видео эти сигналы накапливают в пикселях как конденсаторы с количеством электронов, соответствующей энергии захваченной длины волны, потом, преобразователь АЦП переводит первичное не цветное изображение в цветное. В сетчатке — на рецепторном уровне, где внедрён фотосенсор происходит та же картина (в здоровой сетчатке вместо пикселей работают при цветном зрении колбочки, которые своими внешними мембранами воспринимают падающие спектрадьные лучи на рецепторном уровне также не в цвете. И пиксели, и колбочки изначально получают информацию о длине волны в виде её энергии не в цвете). Пока же на первой стадии стадии лечения слепоты удалось внедрить протез с 2500 пикселей, который приняла сетчатка и первое, что получено, это проводимые цветные не обработанные сигналы, которые поступают в мозг не как из мембран, то есть без участия фотопигментов, без оппонентного отбора, без учёта ретиномоторной реакции, третьего фоторецептора ipRGC и т. д. И в мозгу это на фотосенсорном (рецепторном) уровне оптическое не цветное изображение от имплантанта формируется как бело-чёрное. Человек видит серые контуры предметов, человек видит свет. Это не значит, что описанные устройства не несут никакой информации о цвете. Думаю в скором будущем человек будет видеть и цветное изображение.(Слово за применеием нанотехнологии).

Выводы[править]

Возможность дать слепому человеку приобрести зрение при помощи бионического глаза зависит от обстоятельств, вызвавших потерю зрения. Для относящихся к сетчатке глаза протезов (prostheses), которые являются самым распространенным в развитии визуального протезирования (в случае лёгкого доступа к сетчатке среди других возможностей), при потере зрения из-за вырождения фоторецепторов (колбочек, палочек) — бионический глаз — лучший кандидат на проведение работ. При визуальном протезирование они внедряются, они являются методикой как самой успешной при условии, если оптический нерв был развит до начала слепоты.

Следует отметить, что зрительная система не может рассматриваться с позиций только физики или биологии. Только в сочетании биологии и физики (биофизики) удаётся раскрыть тайны зрительного процесса в природе и проводить лечение полной слепоты. Все живые обитатели природы созданы и изменяются непосредственно под влиянием и в сочетании с действующими объективными законами физики. Всё живое подстраивается, изменяется с целью выживания и существования. Например, все прогрессивные методики исследований зрительного процесса только в прямом контакте с объективной реальностью — биологией и физикой, могут рассчитывать на открытие тайн природы. Так, например, в цветном зрении невозможно разрешить полностью вопросы восприятия света и цвета глазом при одностороннем подходе, например, только с точки зрения физики.

См. также[править]

Примечания[править]

  1. http://www.ghuth.com/
  2. http://www.ghuth.com/
  3. http://www.ghuth.com/
  4. http://www.ghuth.com/
  5. http://www.conesandcolor.net/home.htm
  6. http://www.ghuth.com/
  7. http://www.ghuth.com/
  8. http://www.ghuth.com/
  9. С. Ременко, «Цвет и зрение», «Картеа Молдовеняскэ», Кишинёв, 1982 г.
  10. С. Ременко, «Нелинейная модель измерения цвета и уточнение терминов колориметрии», Всеакадемический семинар по проблемам стандартизации и метрологии, Ташкент, 20 — 25 ноября 1986 год, стр 41 — 42.
  11. С. Ременко, «Определение основных понятий в области колориметрии и измерения цветовых параметров излучения», V Всеакадемический семинар по проблемам стандартизации и метрологии Ереван, 16 — 20 ноября 1987 год, стр 58 — 59.
  12. С. Ременко, «Как построить глаз», журнал «Техника Молодёжи», 1981 год,№ 7, стр. 21 — 25.
  13. http://www.ghuth.com/
  14. http://webvision.med.utah.edu/
  15. http://webvision.med.utah.edu/HC.html
  16. http://webvision.med.utah.edu/HC.html
  17. Американское Министерство энергетики Office Науки. «Как Искусственные Работы Сетчатки». http://artificialretina.energy.gov/howartificialretinaworks.shtml.
  18. http://www.stanford.edu/~palanker/
  19. http://webvision.med.utah.edu/book/part-vii-color-vision/color-vision/