Ученые разработали метод, позволяющий обмануть человеческий глаз и увидеть совершенно новые цвета, которые находятся за пределами естественного человеческого зрения.
С помощью этой техники исследователи позволили пяти людям увидеть новый цвет, названный «оло», который участники исследования описали как «сине-зеленый беспрецедентной насыщенности». Исследователи, некоторые из которых сами принимали участие в эксперименте, описали свою технику и новый цвет в исследовании, опубликованном в журнале Science Advances.
«Конечная цель — обеспечить программируемый контроль над каждым фоторецептором [светочувствительной клеткой] сетчатки», — сказал Джеймс Фонг, соавтор исследования, докторант по информатике Калифорнийского университета в Беркли. «Хотя это и не было достигнуто на таком уровне, метод, который мы представляем в текущем исследовании, показывает, что многие из ключевых принципов возможны на практике», — сказал Фонг.
Исследователи утверждают, что управление сетчаткой на этом гранулярном уровне может открыть новые пути изучения зрения. Например, ученые могли бы использовать систему для воспроизведения эффектов различных заболеваний глаз, чтобы лучше понять потерю зрения, которую они вызывают. Теоретически, эту технику можно было бы также использовать для имитации полноцветного зрения у людей, страдающих дальтонизмом, по сути компенсируя их отсутствующие или дефектные фоторецепторы.
Фонг предположил, что, используя систему для ознакомления мозга с новыми визуальными данными и моделями стимуляции сетчатки, «теоретически возможно, что этот [страдающий дальтонизмом] человек научится видеть новое измерение цвета».
Глаза человека содержат светочувствительные клетки, называемые фоторецепторами, которые бывают двух видов: палочки и колбочки. Палочки обеспечивают ночное зрение, поскольку они реагируют на относительно низкие уровни фотонов или пакетов электромагнитного излучения.
Колбочки берут верх при ярком свете, и они специализированы для обнаружения определенных длин волн видимого света — а именно, красного, зеленого и синего. Эти три типа колбочек соответственно называются «L», «M» и «S», в соответствии с длинными, средними и короткими длинами волн видимого спектра, к которым они наиболее чувствительны.
После активации колбочек цветовое зрение полагается на мозг, который интерпретирует паттерны активации этих трех типов клеток по всей сетчатке. Каждый паттерн действует как код, причем разные коды открывают разные восприятия цветов и интенсивности света.
Колбочки M наиболее чувствительны к зеленому цвету, но технически они реагируют на целый спектр цветов, который полностью перекрывает длины волн, на которые реагируют колбочки L и S. Таким образом, в естественных условиях вы не можете активировать колбочки M, не активировав также колбочки L и S. Ученые задались вопросом, что произойдет, если вы сможете нарушить это правило и активировать исключительно колбочки M.
«Изначально мы начали этот проект специально для изучения стимуляции колбочек М», — сказал Фонг. «Но нам быстро стало ясно, что требуемая базовая технология будет широко полезна для изучения зрительной функции на новом уровне масштаба и точности».
Они назвали свою полученную технику стимуляции сетчатки «Oz» в честь зеленоватых очков, которые носят люди в Изумрудном городе в оригинальных книгах «Волшебник страны Оз». Этот подход требует подробной карты сетчатки каждого пользователя. Чтобы создать такую карту, исследователи начали с того, что сняли несколько видео сетчатки и сшили их вместе, чтобы запечатлеть, как выглядит ткань.
Оттуда были помечены колбочки L, M и S; расположение этих клеток уникально в сетчатке каждого человека, отметил Фонг. Чтобы выявить идентичность каждой колбочки, исследователи использовали метод, называемый адаптивной оптической оптической когерентной томографией (AO-OCT), который включал в себя освещение клеток светом и измерение того, как они изменили форму; эта реакция различается в зависимости от того, к каким длинам волн чувствительна колбочка.
Затем команда провела свои эксперименты с подробной картой сетчатки. Каждый участник сидел перед дисплеем с небольшим квадратом в центре, где разворачивалась стимуляция Oz. Стимуляция была нацелена на определенные типы колбочек с помощью видимого лазерного света с длиной волны, называемого микродозами лазера. Таким образом, чтобы включить только колбочки M, система нацеливалась только на эти клетки с помощью лазеров.
Во время эксперимента ученые также использовали подачу изображения с глаза в режиме реального времени, и этот подход учитывал едва заметные движения глаза, чтобы гарантировать попадание лазеров в цель.
Стимуляция только колбочек M выявила цвет olo, название которого относится к координатам на трехмерной карте цвета — «0, 1, 0». «O» — это ноль, что указывает на отсутствие стимуляции колбочек L и S, в то время как «l» — это 1, что указывает на полную стимуляцию колбочек M. После стимуляции olo в изоляции ученые также смогли включить цвет в изображения и видео, которые просматривали участники.
Один из способов представить себе оло — это представить свет от зеленой лазерной указки, а затем увеличить насыщенность. По сравнению с оло, свет монохромного лазера выглядит «бледным», — сказали некоторые из участников.
«Для меня очень непривычно представлять, как что-то еще может быть настолько насыщенным, что лазер начнет выглядеть бледным по сравнению с ним», — сказал Фонг.
Хотя Oz уже может раздвигать границы человеческого зрения, в его текущей конфигурации имеются некоторые ограничения.
Например, участники не могут смотреть прямо на дисплей Oz, отметил Фонг, поскольку колбочки в самом центре сетчатки очень малы, что затрудняет локализацию лазерного света. Из-за этого люди в исследовании рассматривали Oz своим периферийным зрением, глядя на фиксированную точку, немного удаленную от квадрата.
В конечном итоге Oz потенциально можно будет применять на центральной ямке сетчатки — центральной части глаза, которая обеспечивает сверхчеткое зрение, — но «на практике это будет серьезной проблемой», — сказал Фонг.
Еще одним ограничением является то, что в настоящее время пользователи должны фиксировать свой взгляд на одной точке, чтобы использовать Oz, поскольку ученые картировали только небольшую часть сетчатки, содержащую тысячи колбочек, в качестве доказательства концепции. Разрешение людям свободно перемещать взгляд приведет к «существенным техническим проблемам», написали авторы в своей статье. Это связано с тем, что необходимо будет картировать большую часть сетчатки, а метод доставки микродоз должен будет быть чрезвычайно точным в отслеживании движения глаз.
Ученые сейчас изучают идею использования Oz для изучения и лечения дальтонизма, а также для стимуляции опыта наличия четвертого типа колбочек. Это происходит естественным образом у некоторых людей и приводит к редкой способности, называемой тетрахроматией, которая повышает их чувствительность к цвету. Команда также использует Oz для моделирования различных заболеваний глаз.
Фонг отметил, что за пределами научных исследований Oz теоретически можно использовать для создания повседневных цветных дисплеев, например, на экранах телевизоров или телефонов. Однако такое применение кажется маловероятным.
«Наш текущий метод зависит от узкоспециализированных лазеров и оптики, которые определенно не появятся в смартфонах или телевизорах в ближайшее время», — сказал он. Поэтому на данный момент оло останется редким цветом, который увидят лишь немногие.
