Глаза бегают, а мозг не спит: хаос на сетчатке оказался секретным оружием зрения

Каждый раз, когда мы переводим взгляд, изображение на сетчатке смещается, создавая сложный поток движения. Долгое время считалось, что мозг вынужден "очищать" этот визуальный шум, чтобы мир не казался хаотичным. Однако новые данные показывают, что эти смещения — не помеха, а важная подсказка для восприятия глубины и движения. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Не шум, а источник информации

Традиционные теории зрения исходили из того, что движение изображения, возникающее из-за перемещения глаз, необходимо компенсировать. Предполагалось, что мозг вычитает эти сдвиги, чтобы сохранить стабильную картину окружающей среды. Однако команда под руководством Грегори ДеАнджелиса из Медицинского центра Университета Рочестера пришла к иному выводу.

"Вместо этого он использует это движение изображения, чтобы понять сцену и точно оценить движение и глубину объекта", — отметил Грегори ДеАнджелис.

В ходе экспериментов участникам показывали управляемые виртуальные сцены, где фоновое движение зависело от того, как перемещались их глаза. Анализируя общий рисунок движения, наблюдатели оценивали положение объектов и характер их перемещения в трёхмерном пространстве.

Оказалось, что один и тот же сдвиг изображения на сетчатке может восприниматься по-разному — в зависимости от того, подразумевает ли он чистое вращение глаз или сочетание вращения и бокового смещения. Подобная гибкость восприятия уже рассматривалась в контексте того, как зевота запускает сложные процессы в мозге и влияет на перераспределение внутренних сигналов.

Геометрия взгляда и параллакс движения

Исследование показало, что мозг сначала определяет геометрию поля зрения, а уже затем решает, интерпретировать ли движение как перемещение объекта или как изменение глубины. Важную роль в этом играет так называемый motion parallax - эффект, при котором близкие и дальние объекты смещаются с разной скоростью и иногда в разных направлениях.

Когда человек следит за движущимся объектом, глаза совершают плавное слежение. Если при этом голова или тело смещаются вбок, картина движения на сетчатке становится более сложной. Близкие предметы "скользят" быстрее, чем удалённые, что даёт мозгу надёжный сигнал о расстоянии. Даже без специального обучения участники эксперимента интуитивно использовали эти паттерны для оценки глубины, хотя и допускали характерные повторяющиеся ошибки.

Интересно, что возникающие искажения были частичными, а не абсолютными. Это говорит о том, что мозг не переключается между жёсткими режимами, а гибко взвешивает различные сигналы — движения глаз и объектов — в зависимости от контекста, сохраняя состояние, близкое к тому, что исследователи описывают как редкое состояние нейронного баланса.

Возможности для виртуальной реальности и медицины

Чтобы проверить, как может формироваться такая гибкость, исследователи обучили нейронную сеть выполнять аналогичную задачу. Модель научилась различать, когда боковое движение указывает на глубину, а когда — на перемещение объекта. При этом внутри сети возникали паттерны активности, схожие с реакциями нейронов, чувствительных к движению.

Полученные данные могут оказаться полезными для технологий виртуальной реальности. Сегодня некоторые пользователи испытывают так называемую киберболезнь — дискомфорт из-за несоответствия между зрительными сигналами и ощущением движения тела. Учитывая вклад движений глаз в формирование восприятия, адаптация изображений под их динамику способна повысить стабильность сцены и снизить неприятные ощущения.

Кроме того, предсказуемые визуальные искажения могут стать диагностическим инструментом. Если сигналы движения глаз и зрительная информация перестают согласовываться, это может указывать на нарушения в работе зрительной системы.

Открытие меняет представление о том, как формируется зрительное восприятие. Вместо того чтобы устранять "самопроизвольные" смещения, мозг превращает их в ресурс для ориентации в пространстве. Дальнейшие исследования в более естественных условиях помогут понять, как этот механизм работает в повседневной жизни и как его можно использовать в технологиях и клинической практике.