Naukowcy z Bonn odkrywają, jak subtelne ruchy oczu i gęstość fotoreceptorów przyczyniają się do ostrego widzenia.
Nasza zdolność widzenia zaczyna się od wrażliwych na światło komórek fotoreceptorów w naszych oczach. Specyficzny obszar siatkówki, zwany dołkiem, odpowiada za ostre widzenie. W tym przypadku wrażliwe na kolor fotoreceptory stożkowe pozwalają nam wykryć nawet najdrobniejsze szczegóły. Gęstość tych komórek różni się w zależności od osoby.
Dodatkowo, gdy skupiamy się na obiekcie, nasze oczy wykonują subtelne, ciągłe ruchy, które również różnią się u poszczególnych osób.
Naukowcy ze Szpitala Uniwersyteckiego w Bonn (UKB) i Uniwersytetu w Bonn zbadali teraz, w jaki sposób ostre widzenie jest powiązane z drobnymi ruchami oczu i mozaiką czopków. Korzystając z obrazowania o wysokiej rozdzielczości i mikrofizyki, wykazali, że ruchy oczu są precyzyjnie dostrojone, aby zapewnić optymalne pobieranie próbek przez czopki. Wyniki badania zostały właśnie opublikowane w czasopiśmie e-Życie.
Ludzie mogą skupić wzrok na obiekcie i widzieć go wyraźnie dzięki małemu obszarowi pośrodku siatkówki. Obszar ten, znany jako dołek (po łacinie „dół”), składa się z ciasno upakowanej mozaiki wrażliwych na światło komórek fotoreceptorów czopków. Ich gęstość osiąga szczyt wynoszący ponad 200 000 stożków na milimetr kwadratowy – na obszarze około 200 razy mniejszym niż moneta ćwierćdolarowa. Malutkie czopki dołkowe próbkują część przestrzeni wzrokowej widoczną dla oka i wysyłają sygnały do mózgu. Jest to analogiczne do pikseli czujnika aparatu, gdzie na ich powierzchni rozmieszczone są miliony światłoczułych komórek.
Istnieje jednak istotna różnica: w przeciwieństwie do pikseli czujnika aparatu, stożki w dołku nie są równomiernie rozmieszczone. Każde oko ma unikalny wzór gęstości w dołku. Dodatkowo „w przeciwieństwie do kamery nasze oczy są w ciągłym i nieświadomym ruchu” – wyjaśnia dr Wolf Harmening, kierownik Laboratorium AOVision na Wydziale Okulistyki UKB i członek Transdyscyplinarnego Obszaru Badawczego (TRA) „Life & Health ”na uniwersytecie w Bonn.
Dzieje się tak nawet wtedy, gdy patrzymy stale na nieruchomy obiekt. Te fiksacyjne ruchy oczu przekazują drobne szczegóły przestrzenne poprzez wprowadzanie stale zmieniających się sygnałów fotoreceptorów, które muszą być dekodowane przez mózg. Powszechnie wiadomo, że jeden ze składników fiksacyjnych ruchów oczu, zwany dryfem, może różnić się u poszczególnych osób, a większe ruchy oczu mogą pogarszać widzenie. Jednakże, jak dryf wiąże się z fotoreceptorami w dołku i nasza zdolność do rozpoznawania drobnych szczegółów, nie została zbadana aż do teraz.
Korzystanie z obrazowania o wysokiej rozdzielczości i mikropsychofizyki
Właśnie to zbadał zespół badawczy Harmeninga, stosując optyczny oftalmoskop skaningowy z optyką adaptacyjną (AOSLO), jedyny w swoim rodzaju w Niemczech. Biorąc pod uwagę wyjątkową precyzję oferowaną przez ten instrument, badacze mogli zbadać bezpośredni związek między gęstością czopków w dołku a najmniejszymi szczegółami, jakie jesteśmy w stanie rozpoznać. Jednocześnie rejestrowali drobne ruchy oczu.
W tym celu zmierzyli ostrość wzroku 16 zdrowych uczestników podczas wykonywania wymagającego wizualnie zadania. Zespół prześledził ścieżkę bodźca wzrokowego na siatkówce, aby później określić, które komórki fotoreceptorów odpowiadają za widzenie u każdego uczestnika.
Naukowcy – w tym pierwsza autorka Jenny Witten z Wydziału Okulistyki UKB, która jest także doktorantką na Uniwersytecie w Bonn – wykorzystali nagrania wideo AOSLO do analizy ruchu oczu uczestników podczas zadania polegającego na rozróżnianiu liter.
Ruchy oczu są precyzyjnie dostrojone do gęstości stożków
Badanie wykazało, że ludzie są w stanie dostrzec subtelniejsze szczegóły, niż sugerowałaby gęstość czopków w dołku.
„Na tej podstawie wnioskujemy, że przestrzenne rozmieszczenie czopków dołkowych tylko częściowo pozwala przewidzieć ostrość rozdzielczości” – podaje Harmening. Ponadto naukowcy odkryli, że drobne ruchy gałek ocznych wpływają na ostrość widzenia: podczas fiksacji ruchy gałek ocznych są precyzyjnie dopasowane, aby systematycznie poruszać siatkówką zsynchronizowaną ze strukturą dołka siatkówkowego.
„Ruchy dryfu wielokrotnie powodowały bodźce wzrokowe w obszarze, w którym gęstość szyszek była najwyższa” – wyjaśnia Witten. Ogólnie rzecz biorąc, wyniki wykazały, że w ciągu zaledwie kilkuset milisekund zachowanie dryfu dostosowało się do obszarów siatkówki o większej gęstości czopków, poprawiając ostrość widzenia. Kluczową rolę odegrała długość i kierunek tych ruchów dryfujących.
Według Harmeninga i jego zespołu odkrycia te dostarczają nowego wglądu w fundamentalny związek między fizjologią oka a widzeniem: „Zrozumienie, w jaki sposób oko porusza się optymalnie, aby uzyskać ostre widzenie, może pomóc nam lepiej zrozumieć zaburzenia okulistyczne i neuropsychologiczne oraz ulepszyć rozwiązania technologiczne zaprojektowane naśladujące lub przywracające ludzki wzrok, takie jak implanty siatkówki”.
Odniesienie: „Rozdzielczość wizualna sub-stożka poprzez aktywne, adaptacyjne próbkowanie w ludzkim dołku” Jenny L Witten, Veronika Lukyanova i Wolf M. Harmening, 29 października 2024 r., e-Życie.
DOI: doi:10.7554/eLife.98648
Praca ta była wspierana przez program Emmy Noether Niemieckiej Fundacji Badawczej (DFG); Fundacja Carla Zeissa (HC-AOSLO); Novartis Pharma GmbH (nagroda badawcza EYENovative) oraz Fundusz Publikacji Otwartego Dostępu Uniwersytetu w Bonn.
