Физиологические механизмы двойного зрения: бинокулярная диплопия и аккомодация глаза

Для наблюдения явления диплопии следует расположиться комфортно и зафиксировать взгляд на хорошо очерченном предмете средней величины, расположенном на противоположной стене. В качестве объекта фиксации может выступать ручка двери, циферблат часов или иной отчетливо видимый элемент интерьера. При проведении эксперимента вне помещения рекомендуется выбирать хорошо выделяющиеся объекты, такие как флагшток, фабричная труба или церковная колокольня.

В процессе спокойной и неподвижной фиксации выбранного объекта, например дверной ручки, необходимо поднять указательный палец до уровня глаз, располагая его вертикально. При фиксации взгляда на дверной ручке она остается в фокусе ясного видения, однако по обе стороны от нее наблюдаются два менее четких, но различимых изображения пальца. При последующем переносе пристального взгляда на палец, расположенный на расстоянии 15-25 см от глаза, четкость изображения пальца восстанавливается, при этом по бокам от него возникают два размытых изображения дверной ручки.

Данное оптическое явление находит свое объяснение в анатомическом строении зрительного анализатора. Центральная ямка желтого пятна, расположенная в центральной области сетчатой оболочки на задней стенке глазного яблока, представляет собой зону максимальной светочувствительности и остроты зрения. Зрительная ось, представляющая собой воображаемую прямую линию, соединяющую центральную ямку с центром хрусталика, определяет направление наиболее отчетливого видения.

Для достижения максимально четкого восприятия объекта обоими глазами необходима согласованная работа глазодвигательных мышц, обеспечивающая направление зрительных осей обоих глаз на фиксируемый предмет. Величина угла между зрительными осями находится в прямой зависимости от расстояния до наблюдаемого объекта — чем ближе предмет, тем больше угол конвергенции. Сложнейшая нейрофизиологическая организация корковых отделов зрительного анализатора обеспечивает слияние двух монокулярных изображений в единый зрительный образ.

На рис. 68 представлена схема бинокулярного зрения, где R обозначает правый глаз, a L — левый глаз при рассмотрении сверху. При фиксации взгляда на точке P оба изображения проецируются на корреспондирующие точки сетчаток, а именно на область желтых пятен, что обеспечивает восприятие единого объекта. Для точки S1, расположенной в непосредственной близости от точки фиксации P, углы LS1R и LPR приблизительно равны, благодаря чему изображения S1 также попадают на симметричные участки сетчаток.

Рис. 68. Схематическое изображение бинокулярного зрения и условий возникновения диплопии при фиксации точки Р

Принципиально иная ситуация наблюдается для точки S2, удаленной от плоскости фиксации. Угол LS2R значительно превосходит угол LPR, поэтому при направленности зрительных осей на точку P изображения точки S2 проецируются на некорреспондирующие участки сетчаток. Возникающая асимметрия проекций — слева от желтого пятна в одном глазу и справа в другом — приводит к тому, что корковые структуры головного мозга интерпретируют точку S2 как два отдельных изображения, в то время как точки P и S1 воспринимаются единичными.

При переносе точки фиксации на объект S2 происходит обратное перераспределение проекций, и теперь уже изображения точек P и S1 попадают на диспаратные участки сетчаток. В рассматриваемом практическом эксперименте роль точки P выполняет дверная ручка, а точкой S2 служит палец экспериментатора, что полностью объясняет наблюдаемую феноменологию.

В общем случае возникновение диплопии закономерно наблюдается при несоответствии между установкой зрительных осей и объектом внимания. Данное явление возникает при фиксации взгляда на отдаленном объекте и одновременном переносе внимания на близко расположенный предмет, либо при установке глаз на ближний объект с переключением внимания на дальний. Примечательно, что объект, привлекший внимание, воспринимается удвоенным, причем для возникновения феномена не требуется точной фиксации взгляда на каком-либо предмете.

Некоторые индивиды обладают способностью произвольно вызывать диплопию путем сознательного нарушения бинокулярной фиксации. Однако существуют и патологические механизмы возникновения двоения. Интоксикация этиловым спиртом нарушает интегративную деятельность центральной нервной системы и координацию нервно-мышечного аппарата. Особую чувствительность к алкогольной интоксикации проявляют глазодвигательные мышцы, иннервируемые черепно-мозговыми нервами.

Рис. 69. Иллюстрация возникновения диплопии лунного серпа при различных вариантах неправильной установки зрительных осей

На рис. 69 представлена визуализация феномена диплопии при рассогласовании зрительных осей. Обозначения L и R соответствуют левому и правому глазу, а точки B, C и D демонстрируют различные варианты неправильной установки осей при наблюдении лунного серпа A. В зависимости от степени и характера девиации зрительных осей наблюдается либо полное разделение изображений (вариант C), либо их соприкосновение (D), либо частичное перекрытие проекций (B).

Алкогольная интоксикация приводит к нарушению тонкой координации работы глазодвигательных мышц, что делает невозможным поддержание правильной конвергенции зрительных осей. В результате даже при фиксации взгляда на определенном объекте происходит проецирование его изображений на диспаратные точки сетчаток, что клинически проявляется характерным симптомокомплексом, известным как алкогольная диплопия.

Оптическая иллюзия "дыра в ладони": механизмы бинокулярного зрения и избирательного восприятия

Для проведения классического психофизиологического эксперимента необходимо взять в левую руку свернутую из бумаги трубку и поднести ее к левому глазу, направив на удаленный освещенный объект, например картину на противоположной стене. Ладонь правой руки следует расположить перед правым глазом таким образом, чтобы ее край касался стенки бумажной трубки. Обе руки при этом должны находиться на расстоянии приблизительно 15-20 сантиметров от глаз. Несмотря на кажущуюся невозможность видеть что-либо правым глазом, наблюдатель отчетливо воспринимает иллюзию сквозного отверстия в собственной ладони, через которое просматривается удаленная картина. Данный феномен основывается на фундаментальных свойствах человеческого восприятия, а именно на избирательности внимания и способности мозга игнорировать определенные визуальные стимулы.

Рис. 70. Схема расположения рук при демонстрации оптической иллюзии, где круг обозначает область кажущегося отверстия в ладони

Физиологические механизмы избирательного внимания в зрительной системе. Современная психофизиология выделяет три основных условия, при которых человек перестает замечать реально существующие объекты в поле зрения. Первый механизм связан с фиксацией взгляда: когда мы стремимся отчетливо разглядеть определенный предмет, зрительные оси обоих глаз направляются таким образом, чтобы изображение объекта проецировалось в центр сетчатки, где расположена область наиболее острого зрения. При такой концентрации на удаленной картине наблюдатель может совершенно не замечать движений человека, находящегося всего в двух метрах от нее, поскольку все внимание поглощено основным объектом наблюдения.

Второй механизм неосознанного игнорирования объектов обусловлен аккомодацией хрусталика — способностью глаза изменять свою оптическую силу для четкого видения разноудаленных предметов. Подобно тому, как фотограф настраивает резкость объектива, мозг с помощью цилиарных мышц изменяет кривизну хрусталика. Когда оптическая система глаза установлена на определенную дистанцию, объекты, расположенные ближе или дальше точки фокусировки, воспринимаются нечетко и, как следствие, привлекают меньше внимания. Эволюционно этот механизм защищает нас от жизни в "двойственном мире", где каждый объект имел бы два размытых изображения.

Третий механизм селекции визуальной информации связан с бинокулярной конкуренцией: если только один глаз воспринимает объект, вызывающий интерес, мозг полностью игнорирует информацию, поступающую от второго глаза в данный момент времени. Военные инструкторы используют этот феномен при обучении стрельбе, когда солдат концентрируется на мишени правым глазом, полностью игнорируя изображение, получаемое левым глазом, хотя веко остается открытым.

Нейрофизиологический анализ эксперимента с бумажной трубкой. В описанном эксперименте левый глаз наблюдателя получает через бумажную трубку четкое изображение освещенной стены, которая представляет собой объект, вызывающий зрительный интерес. Непроизвольная аккомодация запускает механизм фокусировки хрусталика именно на удаленную стену. Важной физиологической особенностью является содружественная реакция глазодвигательной системы: у человека с нормальным зрением изменение кривизны хрусталика одного глаза автоматически вызывает аналогичную аккомодацию второго глаза. Следовательно, правый хрусталик также настраивается на видение удаленных объектов.

В результате такой настройки формируется следующая зрительная ситуация. Левый глаз получает отчетливое изображение фрагмента стены, ограниченного диаметром бумажной трубки, в то время как внутренняя поверхность самой трубки воспринимается неясно из-за несоответствия аккомодации. Поскольку внутренность трубки не обладает необычной формой или яркими признаками, способными привлечь внимание, мозг не фиксируется на этом изображении. Одновременно правый глаз воспринимает размытое изображение собственной ладони, которая благодаря своей форме и расположению все же привлекает определенное зрительное внимание.

Процесс интеграции зрительных образов в коре головного мозга. Ключевым этапом возникновения иллюзии является процесс бинокулярной интеграции — слияния двух изображений в коре головного мозга. Механизм избирательного внимания подавляет ту часть изображения правой руки, которая в левом глазе соответствует круглому изображению стены, ограниченному трубкой. В результате зрительная кора формирует единый перцептивный образ, в котором круглая область ладони замещается фрагментом стены, создавая впечатление сквозного отверстия в руке. Мозг не уничтожает информацию о существовании ладони, а лишь временно подавляет ее на уровне сознательного восприятия.

Доказательство данного механизма можно получить путем небольшой модификации эксперимента, напоминающей историческую практику использования дамских мушек для привлечения внимания. Если прикрепить маленький кусочек белой бумаги на тот участок правой ладони, где проецируется мнимое отверстие, этот стимул становится видимым. При сохранении фиксации на удаленной стене наблюдатель способен различить даже отдельные линии на поверхности кожи, что подтверждает факт сохранения сенсорной информации, но ее избирательное торможение на когнитивном уровне. Аналогичным образом становится заметной надпись на внутренней стороне бумажной трубки при условии достаточного освещения ее внутренней поверхности.

Эволюционное значение и клинические аспекты феномена. Описанный феномен избирательного зрительного восприятия имеет важное эволюционное значение, позволяя центральной нервной системе эффективно обрабатывать огромные массивы сенсорной информации без перегрузки сознания. Нейропластичность и способность к селекции стимулов лежат в основе таких когнитивных процессов, как внимание, память и обучение. В клинической практике нарушения этих механизмов наблюдаются при различных неврологических расстройствах, включая синдром одностороннего пространственного игнорирования после инсультов теменной доли мозга.

Современные исследования в области когнитивной нейробиологии используют подобные оптические иллюзии для изучения механизмов взаимодействия между сенсорными системами и высшими корковыми функциями. Эксперименты с бинокулярной конкуренцией позволяют понять, как мозг принимает решения о том, какой из конфликтующих зрительных стимулов допустить в сознание. Данные исследования имеют практическое значение для разработки методов реабилитации пациентов с нарушениями зрения и внимания, а также для создания более эффективных интерфейсов взаимодействия человека с визуальными дисплеями в авиации и виртуальной реальности.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.