Фокусы мозга: Как нейронаука объясняет иллюзии восприятия - Луис Мартинес

дополняется на своем пути через мозг. При сжатии изображение неизбежно теряет разрешение, восстановить которое можно только с помощью процесса дополнения, называемого интерполяцией. Интерполяция создает новую информацию внутри изображения, прошедшего через фильтр, так что разрешение восстанавливается, но возникает другой побочный эффект: теряется резкость.

Чтобы разобраться, как и почему это происходит, вернемся к проблеме объема зрительного нерва. В главе 2 мы рассказывали о фоторецепторах сетчатки глаза, посредством которых человек получает зрительную информацию. В каждом глазу у нас около 100 миллионов фоторецепторов, которые более или менее равномерно покрывают поверхность сетчатки наподобие пиксельных ячеек на матрице цифровой камеры. Фоторецепторы улавливают фотоны и преобразуют этот физический стимул в понятный мозгу локальный код электрических сигналов. Проблема состоит в том, что для индивидуальной передачи информации от каждого из этих 100 миллионов фоторецепторов потребовалось бы 100 миллионов «проводов» — аксонов ганглионарных клеток сетчатки, образующих зрительный нерв, который соединяет глаз с мозгом. Но это невозможно с точки зрения пространства и энергии. Зрительный нерв, состоящий из 100 миллионов аксонов, имел бы такой же диаметр, как сам глаз, и занимал бы около 40% от общего объема мозга. Кроме того, пришлось бы соответствующим образом увеличить структуры мозга, отвечающие за прием и обработку этой информации. В итоге получилась бы голова размером с небольшой грузовик — нецелесообразное решение с конструктивной точки зрения, которое к тому же требовало бы непомерного количества энергии.

В сетчатке, первом физически и функционально узком месте, происходит очень важный процесс сжатия: вместо 100 миллионов аксонов, идущих в мозг от каждого глаза, из нее выходит лишь один миллион. То есть разрешение нашей «камеры» — всего один мегапиксель! Такое сильное сжатие сокращает занимаемый объем и потребление энергии, но — в отличие от сложных искусственных алгоритмов сжатия — ведет к очень значительным потерям информации. В итоге, чтобы реконструировать изображение после передачи информации в мозг, необходимо восстановить утраченное. Мы получаем на сетчатке снимки в высоком разрешении, передаем их в низком разрешении по зрительному нерву, а в коре головного мозга восстанавливаем до исходного разрешения с помощью интерполяции. Недостающая информация восполняется, в частности, новыми данными, взятыми из ближайших соседних пикселей [5].

Рис. 5.1. Наше зрение относительно, а не абсолютно: оба серых квадрата отражают одинаковое количество света, но в зависимости от фона один кажется светлее, другой — темнее

Однако интерполяция всегда сопряжена с одной проблемой: конечное изображение приобретает разрешение, но теряет резкость. Увеличение размера и создание новых точек между уже имеющимися неизбежно снижают качество изображения. Например, на границах с двумя предельными оттенками, белым и черным, интерполяция создает серые пиксели, усредняя разность с соседним цветом — белым или черным (см. рис. 5.1).

Такой способ заполнения с уменьшением контраста между двумя реальными оттенками кажется разумным. В результате вы переходите не от белого к черному, а от белого к серому и от серого к черному. Однако такое снижение контрастности ведет к потере резкости, так как при ближайшем рассмотрении границы кажутся размытыми. Оно сродни «диффузии через сетку» — старому приему телевизионщиков и фотографов, когда при съемке знаменитости на объектив натягивали капроновый чулок, чтобы сгладить морщины и дефекты кожи на изображении. Чтобы компенсировать нежелательную потерю резкости вследствие интерполяции, наш мозг сравнивает изображение в каждой точке с соседними и обрабатывает только изменения, различия — то есть контраст. Поэтому на практике наше зрение относительно, а не абсолютно, так как сети мозга научились эффективно выявлять контраст. Вы можете оценить этот эффект, рассмотрев рисунок 5.2.

Рис. 5.2. Интерполяция и схематическое представление узких мест на пути передачи информации в начальном отделе зрительной системы. Фоторецепторы сетчатки получают исходное изображение в высоком разрешении, для передачи по зрительному нерву оно сжимается, а затем реконструируется в первичной зрительной коре (V1). Этот биологический процесс аналогичен передаче информации между цифровыми устройствами — фотокамерой и компьютером

Детекторы контраста

Как же работают эти детекторы контраста?

Мы уже отмечали, что сетчатка глаза отдает предпочтение тем точкам в пространстве, где есть перепад яркости. Для этого используются нейроны-детекторы двух типов: «яркостные» (реагирующие на включение, “on” — клетки) и «темновые» (реагирующие на выключение, “off” — клетки). «Яркостные» нейроны регистрируют локальное увеличение яркости. Сильнее всего они реагируют на стимулы на границе между темным и освещенным участком. Когда яркость распределена равномерно, эти клетки просто не реагируют — и сетчатка не посылает сигнал в мозг. «Темновые» нейроны ведут себя наоборот, обнаруживая локальные изменения яркости от большей к меньшей. Сети включения и выключения подавляют друг друга: когда активна одна из них, вторая не работает, что еще больше усиливает ощущение контраста и качество изображения, помогая восстановить его резкость [6].

Подобные нейроны, специализирующиеся на обнаружении локальных изменений различных характеристик изображения, таких как цвет, размер, форма и движение, и даже атрибутов более высокого когнитивного уровня, таких как идентификация объектов, есть и в других областях мозга.

Поскольку узких мест в мозге много и для преодоления нежелательных побочных эффектов таких узких мест необходимы сети «включения» и «выключения», имеются также подобные сети, контролирующие такие разнообразные виды поведения, как чувство страха, принятие решений и двигательная активность. Как и клетки сетчатки, эти нейроны в других сетях мозга не реагируют на абсолютные значения обрабатываемых параметров, а выступают детекторами контраста и изменений и, соответственно, не активируются, пока в зрительной сцене все стабильно.

Нейробиологам, изучающим зрительную систему, хорошо знакома присказка о том, что голодная жаба, окруженная мертвыми мухами, умрет от голода, поскольку мухи не двигаются и она их не может увидеть. В отсутствие контраста мы ничего не видим и ни на что не обращаем внимания. Вспомните животных, которые мимикрируют под окружающую среду с помощью маскировочной окраски, стремясь максимально слиться с ней. Нечто подобное происходит и в черном театре, где предметы и люди растворяются на черном фоне, становясь невидимыми, словно их не существует. Вот почему в сцене наше внимание привлекают точки максимального контраста, области максимальных изменений — как пространственных, так и временных. Иллюзионисты используют этот факт в своих целях.

Относительное, а не абсолютное зрение имеет и другие неоспоримые адаптационные преимущества, например позволяет нам без проблем читать один и тот же текст при очень разных условиях освещения — как в комнате при искусственном свете, так и на залитом солнцем пляже или террасе. И там и там