Prof. habil. dr. Henrikas Vaitkevičius:

Mes retai susimąstome, ar objektai, kuriuos matome – medžiai, mašinos, gyvūnai, žmonės, – iš tikrųjų yra tokie, kokius juos suvokiame. Dažnam atrodo, kad tai, ką matome, yra paprastas aplinkinių objektų atspindys. Tačiau mokslininkai įrodė, kad žmogaus suvoktas regimasis vaizdas labai skiriasi nuo to vaizdo, kuris yra jo tinklainėje, t. y. nuo to, ką matytų fizikinis prietaisas, televizinė kamera. Suvokimas yra susijęs su procesais, kurie kompensuoja projekcinius iškraipymus, leidžia įvertinti apšvietimo spalvą.

Ar žmogaus regos sistema panaši į televizinę sistemą?

Mūsų regos sistema panaši į televizinę sistemą, kuri naudoja akis kaip vaizdo kameras. Iš jų vaizdas nervais, kaip kabeliais, perduodamas į vidinį ekraną, kur „kažkas“ jį stebi. Žmogaus regos sistema ir televizinė sistema tarsi skiriasi tik technine baze – televizijoje naudojami elektroniniai įrenginiai, o regos sistemoje – neuronai. Tokia nuomonė ginama įvairiose publikacijose apie regos sistemos protezus: siekiama pagaminti techninį žmogaus akies tinklainės pakaitalą. Tam naudojamas dirbtinių jautrių šviesai elementų rinkinys, kuriuo keičiama pažeista žmogaus tinklainė. Rinkinyje paprastai būna fotoreceptorių (kūgelių ir lazdelių) rinkinys. Signalai iš tokios dirbtinės tinklainės perduodami į žmogaus smegenis. Čia signalai apdorojami ir sukuriamas vaizdas vidiniame ekrane, panašiame į televizoriaus.

Nesunku įsitikinti, kad toks supaprastintas požiūris nėra teisingas. Pažvelkime į paveiksle parodytas dvi realių objektų nuotraukas. Panašus vaizdas sukuriamas mūsų akių tinklainėse, fotoreceptorių plokštumoje. Pirmu atveju regime merginos, ištiesusios ranką fotoaparato link, nuotrauką. Antrojoje nuotraukoje net sunku suvokti, kad tai iššieptas arklio snukis (tai vaizdas, kurį matė žinomo animacinio filmo herojus vilkas, jam šis vaizdas sukėlė siaubą).

Tokius vaizdus gauname fotografuodami artimus objektus. Ranka ir arklio snukis yra arti fotoaparato objektyvo, o kitos dalys – toliau. Artimesnių dalių vaizdas nuotraukoje yra didesnis, dėl to atsiranda vaizdo iškraipymai, vadinami projekciniais iškraipymais. Gyvenime taip objektų niekad nesuvokiame, nors mūsų tinklainėje jų vaizdas yra toks, kaip parodytas fotografijose. Sugebėjimas matyti objektus neiškraipytus nepriklausomai nuo to, koks jų vaizdas tinklainėje, vadinamas objektų suvokiamos formos pastovumu.

Kitas pavyzdys iliustruoja subtilesnius vaizdų iškraipymus. Kartais manoma, kad objektų suvokiama spalva priklauso nuo objekto atspindimos šviesos, patenkančios į mūsų akis, fizinių savybių ir spalvos. Pavyzdžiui, raudonas pomidoras atspindi daugiau raudonos (ilgų bangų) šviesos. Agurkas atspindi daugiau žalios šviesos ir t. t. Objekto spalva priklauso ne tik nuo objekto paviršiaus savybių, bet ir nuo šviesos šaltinio spalvos. Kadangi saulės šviesos spalva dienos bėgyje kinta, tai suvokiama objektų spalva turėtų irgi kisti. Atviroje laukymėje ir tankiame lapuočių miške apšvietimo spalva taip pat skirtinga. Taigi raudonas pomidoras atviroje vietoje turėtų būti suvokiamas kaip raudonas, o lapuočių miške tas pat pomidoras turėtų būti žalias. Paveikslėlyje pateiktos trys tos pačios mergaitės nuotraukos, darytos esant skirtingų spalvų apšvietoms. Nuotrauka kairėje padaryta apšvietus mergaitę įprasta elektrine kaitinimo lempute, o dešinėje – apšvietimui naudojant fluorescuojančią lempą, skleidžiančią melsvai žalsvą šviesą. Matome, jog fiziniu prietaisu matuojama mergaitės spalva kinta – nuo raudonos iki žalios. Laimė, žmogaus suvokiama spalva mažai priklauso nuo apšvietimo šaltinio spalvos. Esant bet kuriai apšvietai mergaitė suvokiama taip, lyg ji būtų apšviesta dienos šaltinio šviesa. Šis reiškinys vadinamas spalvos suvokimo pastovumu. Jeigu mūsų regos sistema neturėtų šios savybės, būtų sunku dirbti nuolat kintant sąlygoms.

Taigi žmogaus suvoktas regimasis vaizdas labai skiriasi nuo to vaizdo, kuris yra jo tinklainėje, t. y. nuo to, ką matytų fizikinis prietaisas, televizinė kamera. Suvokimas yra susijęs su procesais, kurie kompensuoja projekcinius iškraipymus, leidžia įvertinti apšvietimo spalvą.

Suvokimo problemų tyrimai Vilniaus universitete

Suvokimo procesas sudėtingas, jis skiriasi nuo tų procesų, kurie naudojami techninėse sistemose. Nė vienoje pasaulio mokslinėje įstaigoje nėra tiriami visi suvokimo aspektai. Žinios apie suvokimą renkamos po kruopelytę, daugelio kolektyvų pastangomis. Norime papasakoti, kokios suvokimo problemos tiriamos dviejuose Vilniaus universiteto padaliniuose – Filosofijos fakulteto Psichologijos katedroje bei Medžiagotyros ir taikomųjų mokslų institute. Norėdami paaiškinti, kokią reikšmę suvokimo problemai turi vykdomi darbai, pateiksime bendrą hipotetinį suvokimo modelį ir parodysime, kokius procesus, vykstančius šiame modelyje, mes tiriame.

Šiuo metu labai populiarus aktyvaus suvokimo modelis, pasiūlytas Kanados ir Rusijos mokslininkų prieš trisdešimt metų. Šio modelio schema parodyta pirmame paveiksle.

Regimieji vaizdai projektuojasi tinklainėje, t. y. tinklainės fotoreceptoriai apšviečiami šviesa, atsispindėjusia nuo objektų paviršiaus (I blokas). Fotoreceptoriai šviesos signalus transformuoja į elektrinius, patenkančius į specializuotas galvos smegenų struktūras (signalų apdorojimas ir požymių išskyrimo blokas – (II)). Čia šie signalai analizuojami, išskiriami vaizdo tinklainėje požymiai. Pagal šiuos požymius atmintyje (III) vyksta vaizdinio, atitinkančio regimą objektą, paieška. Vykstant šiam procesui sudaroma hipotezė (hipotetinis vaizdas), kas tai galėtų būti. Sudaryta hipotezė saugoma specialioje struktūroje (IV). Hipotetinis vaizdas lyginamas su požymiais, išskirtais analizuojant. Jeigu hipotetinio vaizdo požymiai sutampa su požymiais, išskirtais analizės bloke, tai jie nuslopinami ir toliau jau neveikia atminties struktūrų, t. y. šie požymiai hipotetiniame vaizde daugiau nebekinta. Kai visi hipotetinio vaizdo požymiai sutampa su išskirtais požymiais, hipotezė tampa stabiliu suvoktu objekto vaizdu.

Ši schema sudėtinga – į ją įtraukta daug smegenų struktūrų. VU padaliniuose vykdomi tyrimai susiję su šio modelio eksperimentiniu patikrinimu. Visų pirma tiriama, kaip ir kur vyksta projekcinių iškraipymų kompensacija ir kaip užtikrinamas spalvų suvokimo pastovumas. Objekto dydžio suvokimas priklauso nuo to, kokioje regos lauko dalyje jis matomas. Jeigu jis yra regos lauko centre ir jo vaizdas yra centrinėse tinklainės dalyse, toks objektas suvokiamas didesnis negu to paties objekto vaizdas tinklainės periferijoje. Buvo manoma, kad tai centrinės nervų sistemos darbo rezultatai – svarbūs žmogui objektai yra regimo lauko centre ir dėl savo svarbumo jie subjektyviai padidinami. Šį reiškinį žinomas prancūzų psichologas Žanas Pježė pavadino centravimo reiškiniu. Mums pavyko parodyti, kad šis reiškinys nedideliuose atstumuose gali būti susijęs su projekcinių iškraipymų kompensavimu. Norint kompensuoti minėtus iškraipymus žmogus turi taip nukreipti žvilgsnį, kad sumažinti vaizdo fragmentai projektuotųsi į tinklainės centrą ir dėl to subjektyviai butų didinami. Buvo sukurtas stereo regos analizatoriaus modelis, atskleidžiantis, kaip šis reiškinys gali būti susijęs su tinklainės nehomogeniškumu (receptorių tankis tinklainės centre yra didesnis). Jeigu ši hipotezė teisinga, tai projekcinių iškraipymų kompensavimas atliekamas tinklainėse. Akių judesių pagalba išmokstame tinkamai naudoti tą mechanizmą.

 

Spalvų suvokimo pastovumu mokslininkai domėjosi jau prieš šimtmetį

 

Spalvų suvokimo pastovumą mėginama aiškinti į pagalbą pasitelkiant prieš šimtmetį vokiečių mokslininko von Krieso pasiūlytą modelį. Pagal šį modelį fotoreceptorių signalai kintant apšvietos spalvai specialiu mechanizmu palaikomi pastovūs. Spalvų suvokimo pastovumo mechanizmai mūsų Universitete kartu su Mančesterio (U.M.I.S.T.) mokslininkais tiriami beveik dešimt metų. Atlikus eksperimentus pasiūlytas dviejų pakopų spalvų suvokimo modelis. Pagal šį modelį regos sistema atlieka du spalvos „matavimus“. Pirmu „matavimu“ nustatoma, kiek objekto spalva skiriasi nuo fono spalvos, t. y. nustatomas objekto kontrastas. Antru „matavimu“ nustatoma fono spalva. Suvokiama objekto spalva yra dviejų „išmatuotų“ spalvų suma – objekto ir fono spalvų skirtumo ir paties fono spalvos. Pagal von Krieso pasiūlytą modelį spalvų skirtumas objektas/fonas nustatomas fizikinės fono spalvos atžvilgiu, tačiau mums pavyko nustatyti, kad jis įvertinamas suvokiamos (ne fizikinės) fono spalvos atžvilgiu.

Pirmasis „matavimas“, nustatant objekto/fono spalvų skirtumą, įvertina vaizdų spalvų skirtumus lokalioje tinklainės srityje. Šis spalvų skirtumas mažai priklauso nuo apšvietos spalvos. Antrasis procesas susijęs su viso regos lauko vidutinės spalvos vertinimu. Ši suvokiama spalva priklauso nuo apšvietos ir nuolat kinta, artėdama prie neutralios spalvos. Kadangi suvokiama objekto spalva yra dviejų spalvų suma (fono spalvos ir objekto kontrasto), tai apšvietimo spalva veikia suvokiamą spalvą, tačiau ši įtaka mažėja suvokiamai fono spalvai artėjant prie neutralios spalvos.

Šiais tyrimais mėginama nustatyti, kaip regos sistemoje analizuojamas vaizdas. Kiti vykdomi tyrimai yra skirti nagrinėti vaizdams, kurių suvokimas yra nestabilus.

Pagal auksčiau pateiktą 1 schemą regos sistema iš pradžių išskiria vaizdų požymius, o po to juos įvairiausiais būdais jungia, sudarydama įvairius vidinius objekto vaizdinius. Tai panašu į žodžių sudarymą. Dėliodami raides galime gauti tūkstančius skirtingų žodžių. Tačiau ne visi raidžių dariniai įmanomi. Taigi vaizdo tinklainėje išskiriami įvairūs požymiai. Lyginant hipotezę ir vaizdą ant tinklainės nuslopinami tie požymiai, kurie sutampa. Nuslopinti požymiai nepatenka į atminties bloką (IV). Nenuslopinti vaizdo požymiai toliau aktyvuoja atmintį ir skatina ieškoti tokios hipotezės, kuri nuslopintų visus analizuojamo vaizdo požymius.

 

Kaip vyksta suvokimo procesas

 

Panagrinėkime, kas vyksta, kai žmogus mato nestabiliai suvokiamą vaizdą. 1 paveiksle pateiktas vaizdas yra gana paprastas. Tarkime, kad šį vaizdą gali nusakyti dvi (A ir B) plokštumos, tačiau jų orientacija erdvėje gali būti skirtinga. Matomą vaizdą gali sukurti dvi plokštumų kombinacijos. Vienu atveju plokštumų išoriniai (1 ir 3) kraštai yra toliau negu vidiniai. Jeigu būtų taip, tai kampas (2) būtų iškilas. Antru atveju plokštumų (1 ir 3) kraštai yra arčiau negu briauna (2). Šiuo atveju (2) kampas turėtų būti įdubęs. Taigi regos sistema išskiria keturis vaizdų požymius: A ir B plokštumos, „išoriniai kraštai toliau už vidinius“ ir „išoriniai kraštai yra arčiau už vidinius“. Pagal šiuos požymius atmintyje galima rasti iškilo kampo vaizdinį. Šis vaizdinys tampa hipotetiniu objektu ir jis lyginamas su išskirtais vaizdo požymiais. Lyginimo metu sutampa trys požymiai ir jie nuslopinami. Tačiau ketvirtas požymis, susijęs su plokštumų kraštų padėtimi erdvėje, lieka neužslopintas – neužslopintas yra arba požymis „išoriniai kraštai toliau už vidinius“, arba „išoriniai kraštai yra arčiau už vidinius“. Neužslopintas požymis patenka į atmintį ir verčia pakeisti hipotezę „kas tai turėtų būti“. Tačiau nauja hipotezė nutraukia kito požymio slopinimą, ir situacija vėl kartojasi. Dėl to mūsų suvokimas tampa nestabilus. Yra ir kitų modelių, kurie nestabilų suvokimą aiškina adaptacija: dirginant mažėja neuronų jautrumas, t. y. mažėja sudirgintų neuronų atsakai. Vykdomi tyrimai leidžia įvertinti, kuris iš įvardintų modelių yra teisingas ir kaip sudaromas vidinis objekto vaizdas.

Žmogus sugeba laisvai interpretuoti vaizdą tinklainėse – kartais iš kelių šykščių požymių sukuria labai sudėtingą vaizdą. Štai paveiksle iš pirmo žvilgsnio atsitiktinai išmėtyta keturiolika taškų. Turbūt neatsiras nė vieno skaitytojo, kuris pasakytų, kad tai taškai, nurodantys žmogaus sąnarių vietą. Tačiau kai tie taškai pradės judėti taip, kaip juda žmogaus sąnariai, nesunkiai atpažinsime judantį žmogų. Žmogaus atmintyje saugomas judančio žmogaus vaizdas. Kyla klausimas, ar išankstinė informacija apie tai, kas tai galėtų būti, padės pasirinkti tinkamą hipotetinį vaizdą ir tuo pačiu palengvins objekto suvokimą? Dažniausiai sukaupta patirtis yra susijusi su realiais veiksmais, kuriuos žmogus stebėjo ir pats atliko. Jeigu taip, tai gal realūs veiksmai gali padėti atpažinti vaizdą, susidaryti judančio žmogaus vaizdą?

Šis klausimas yra labai svarbus, kadangi jis patvirtina realių veiksmų įtaką apmokymui. Kartu jis leidžia nustatyti įvairaus modalumo sensorinių sistemų sąveikos prigimtį.

 

Taikomoji tyrimų reikšmė

Kokią taikomąją reikšmę gali turėti tokie tyrimai? Sukūrus tinklainių protezus neregiams, reikia užtikrinti, kad informacija iš dirbtinės tinklainės būtų perduodama taip, kaip natūraliu būdu. Minėti tyrimai leidžia gauti būtinos informacijos.

Dažnai žmogus negali stebėti įvykių ten, kur jie vyksta (giliai po vandeniu, apžiūrint vidinius žmogaus organus, kenksmingoje žmogui aplinkoje ir t. t.). Tam naudojamos įvairios techninės sistemos, kurios fotokameromis registruoja vaizdą ir jį perduoda į ekranus. Realiose sąlygose suvokiami objektai dažnai nesutampa su jų fotografijomis, fizikiniais vaizdais ekrane. Tai ne tik nepatogu, bet ir gali tapti nepataisomų klaidų šaltiniu. Reikia mokėti tokius vaizdus ekrane koreguoti. Ateityje bus populiarūs įvairūs robotai, su kuriais žmogui teks nuolat „bendrauti“. Bendravimas bus efektyvus, jeigu robotas sugebės matyti pasaulį tokį, kokį jį suvokia žmogus.

Tikimasi, kad smegenų pažeidimus ateityje bus galima gydyti įvedus į smegenis kamienines ląsteles, kurios pakeis žuvusias ir sudarys su išlikusiomis ląstelėmis reikiamus ryšius. Naujų ryšių sudarymas negali būti nekontroliuojamas arba chaotiškas. Nekontroliuojami nauji ryšiai būtų pražūtingi žmogui, visiškai sugriautų jo gebėjimus adekvačiai veikti, spręsti kilusius klausimus. Šie procesai valdomi genetiniais ir apmokymo mechanizmais. Gal todėl realiomis sąlygomis kamieninės ląstelės, nors ir nuolat gaminamos smegenyse, nedalyvauja atstatant ir „taisant“ pažeistas subrendusias smegenis. Jeigu žinotume, kokiais principais veikia suvokimo procesai, tai mums būtų lengviau rasti būdų, kaip panaudoti specifines mokymo procedūras pažeistų ląstelių ryšiams atstatyti. Tokias problemas teks spręsti nelabai tolimoje ateityje.

Į smegenis implantuotas regos protezas

Neseniai žurnale „Vision Research“ (2003, 43, 24 lapkritis) buvo paskelbtas straipsnis, kuriame aprašomas regos protezas, implantuotas į smegenis žmogui, kuris dėl ligos prarado fotoreceptorius. Buvo sukurta dirbtina tinklainė, pritvirtinta akies tinklainės viduje. Receptoriai buvo sujungti su regos žieve. Kaip minėjome, toks sujungimas negalėjo būti atliktas bet kaip – reikėjo žinoti, į kokias žievės vietas tinklainė privalo siųsti signalus. Jeigu receptoriai būtų prijungta į kitas žievės vietas, žmogus matytų labai iškraipyta vaizdą. Protezą pagamino ir į smegenis implantavo grupė JAV mokslininkų.

Straipsnio autorius prof. habil. dr. Henrikas Vaitkevičius. Straipsnis pirmą kartą buvo publikuotas žurnale SPECTRUM, nr 3.