Д.б.н. В.М. Бондарко
В прошлых номерах нашей газеты была опубликована беседа в двух частях с руководителем лаборатории физиологии зрения Института физиологии им. акад. И.П. Павлова РАН, д.м.н., профессором Ю.Е. Шелепиным. Юрий Евгеньевич любезно предложил редакции ближе познакомиться с исследовательской работой, которой занимается научный коллектив под его руководством.
«Мне очень приятно, что корреспондент газеты «Поле зрения» встретился с ведущим научным сотрудником нашей лаборатории, доктором биологических наук В.М. Бондарко, — отметил Юрий Евгеньевич. - Развитие науки невозможности без преемственности, без передачи опыта от успешных исследователей к молодым коллегам. Валерия Михайловна работает в нашей лаборатории с 1978 года. За эти годы и десятилетия она проявила себя как яркий, творческий, целеустремлённый человек, всецело преданный науке. Она с удовольствием консультирует других сотрудников, способствует их научному росту. Её научные исследования, посвящённые изучению механизмов зрительного восприятия, в частности, остроте зрения, не могут не вызвать интереса у коллег-офтальмологов».
Валерия Михайловна, все мы родом из детства… Хотелось бы попросить Вас поделиться с читателями детскими, юношескими воспоминаниями.
Родилась я в Мурманске. Папа ‒ капитан дальнего плавания. Во время Великой Отечественной войны он был участником «Северных конвоев». Как капитан 2-го ранга командовал судном, перевозившим грузы в Советский Союз из Великобритании. Демобилизовали его ещё до окончания войны, т.к. он был признанным специалистом по вылову рыбы, а страна остро нуждалась в продовольствии.
Впоследствии он работал капитаном тралового флота, а затем стал руководителем Мурманского рыбного порта. Мама была инженером, но во время войны в эвакуации в Саратове первое время работала медсестрой в военном госпитале. В Мурманске у неё было много друзей среди медиков. Поэтому тяга к медицине и биологии у меня была с детства, но обстоятельства сложились таким образом, что я окончила математико-механический факультет Ленинградского (Санкт-Петербургского) государственного университета.
Произошло это вследствие того, что мои родители собирались переезжать в Петрозаводск и не знали, какие школы в городе дают хорошее образование. Поэтому я не стала продолжать обучение в Петрозаводске, а поступила в 45-ую школу-интернат при Ленинградском университете в физико-математический класс. Там давали прекрасную подготовку, но было практически невозможно подготовиться к экзаменам в медицинский вуз из-за большой нагрузки в школе.
Воспоминания о школе – и в Мурманске, и в Ленинграде – сохранились самые теплые. У нас были прекрасные учителя. В школе проходили литературные и музыкальные вечера, устраивали конкурсы на сочинение лучших стихов.
Что Вы могли бы рассказать об учёбе в университете?
Специалистам, недавно окончившим высшее учебное заведение, трудно представить, что значительное время в программе выделяли на изучение таких предметов как история КПСС, марксистско-ленинская философия, научный коммунизм. Несколько человек на курсе не получили красный диплом из-за четверок на государственном экзамене по научному коммунизму. А сдача так называемого «Ленинского зачета»! Если не сдашь зачет ‒ останешься без стипендии.
Что такое «Ленинский зачет»?
Говоря современным языком, «Ленинский зачёт» ‒ это оценка общественной работы студента, в основном, его активности в комсомольской организации. Тем не менее, студенческие годы прошли беззаботно и весело. Вспоминаются стройотряды, студенческие вечера нашего факультета, походы в театры и музеи.
Учёбу в университете я завершила в 1976 году. В то время существовало обязательное распределение молодых специалистов. И по этому распределению меня должны были принять на работу на родном факультете. Но за время летних каникул, последовавших после получения диплома, ставку сократили. В результате я оказалась со свободным дипломом. Стала работать инженером во ВНИИ телевидения в вычислительном центре, где писала программы и выполняла математические расчеты. Через два года, в 1978 году, стала сотрудником лаборатории физиологии зрения Института физиологии РАН, где и тружусь до сих пор.
Чем Вас привлекла эта работа? Почему Вы остались здесь на всю жизнь?
Тематика лаборатории была и остаётся очень обширной. Сотрудники занимаются как прикладными задачами: проводят совместные исследования с неврологами, психиатрами и офтальмологами, совершенствуя методы диагностики различных заболеваний, так и теоретическими, связанными с разработкой нейронных сетей искусственного интеллекта. Поэтому для плодотворной работы лаборатории требуются специалисты широкого профиля: медики, биологи, психологи, физики, математики, инженеры. Такая многогранность, многоплановость работы очень меня привлекла!
Не могли бы Вы рассказать о своих научных исследованиях?
В течение многих лет я изучаю механизмы зрительного восприятия посредством сопоставления результатов психофизических экспериментов и математического моделирования, в частности, исследую механизмы возникновения различных оптических иллюзий. Изучение механизмов зрительного восприятия – совместная задача учёных-физиологов и врачей-офтальмологов.
Когда я пришла на работу, Институт физиологии переживал новый этап своего развития. Появился свой вычислительный центр (ВЦ) с огромной машиной М-40-30, занимающей два зала площадью по тридцать квадратных метров. Сейчас простейший ноутбук превосходит ее по производительности и объему памяти!
Кроме математической группы Института, обслуживающей вычислительный центр, появились и математики в штате отдельных лабораторий. Я была в их числе. Я оказалась в лаборатории физиологии зрения в электрофизиологической группе. Группа тогда занималась изучением рецептивных полей (РП) нейронов стриарной коры (17 цитоархитектонического поля) кошки: регистрировали активность отдельных нейронов на предъявление различных изображений.
В мои обязанности входило обрабатывать полученные гистограммы, вычислять по ответам нейронов весовые функции РП и строить их модели. Работа была кропотливая. Все программы и числовые данные тогда писали на специальных бланках, которые затем отдавали в ВЦ, и технические работники набивали написанное на перфокарты. Расчет одного варианта моделей занимал, как правило, несколько часов. Поэтому из-за загруженности ВЦ иногда приходилось оставаться работать по ночам. Сейчас вычисление по аналогичным алгоритмам на персональном компьютере занимает всего несколько минут.
После лекции в Эдинбургском университете. 2012 г.
В чем смысл построения моделей РП? В простейшем варианте использовалась иерархическая схема построения РП, то есть за основу брались РП предыдущего уровня с уже известными свойствами и посредством комбинации их реакций и расположения в пространстве мы пытались предсказать реакцию нейрона моделируемого РП на определенные стимулы. При хорошем согласовании ответов модели и нейрона с данным РП высказывались предположения об организации данного РП (входы от каких нейронов данный нейрон получает).
Так был проверен ряд гипотез о функционировании и организации РП 17 поля, в частности, что такие поля могут осуществлять пространственно-частотный (ПЧ) анализ изображений. Такой анализ имеет преимущество над поточечным описанием, где задается яркость изображения в каждой точке пространства.
Его используют для передачи изображений во всех электронных устройствах связи из-за удобства использования и уменьшения избыточности в передаче информации. Концепция о зрительной системе человека как о совокупности пространственно-частотных каналов, предложенная Кэмпбеллом, Робсоном и Блейкмором (Campbell, Robson, 1968, Blakemore, Campbell, 1969), является основной до сих пор.
На ее основе разрабатываются новые методы для диагностики функционирования зрительной системы и оценки остроты зрения. Заметим, что 17 поле зрительной коры кошки ‒ первичная зрительная кора с РП разного и в том числе самого малого размера ‒ близко по своим свойствам к полю V1 зрительной системы человека, ответственной за предметное зрение и за остроту зрения. Поэтому изучение свойств РП нейронов этой области имеет самое непосредственное отношение к офтальмологии.
В то время заведующим лаборатории был профессор В.Д. Глезер, который стал научным руководителем Вашей кандидатской диссертации.
Я с большой теплотой вспоминаю совместную работу с Вадимом Давыдовичем. Атмосфера была дружеской и творческой. Один раз в неделю проходили семинары, на которых обсуждали свою работу и наиболее интересные публикации других исследователей. В начале восьмидесятых годов в лаборатории были получены первые вычислительные машины малого размера Д3-28. Стало возможным синтезировать изображения с заданными параметрами пока только на осциллоскопе, позднее, с появлением персональных компьютеров ‒ и на экране монитора.
До этого психофизические исследования проводились на тахистоскопе с предъявлением наблюдателям изображений на слайдах. Был очень трудоемкий способ изготовления изображений, сильно ограничивающий направления исследований. С появлением вычислительной техники я начала проводить самостоятельно психофизические эксперименты по дальнейшему изучению свойств РП, так называемых пространственных элементов (аналогов РП в психофизике).
Кандидатская диссертация была посвящена исследованию РП 17 поля зрительной коры электрофизиологическими и психофизическими методами. В диссертации были представлены одномерные и двумерные модели так называемых простых и сложных РП, рассчитаны их весовые функции. Показано, что при обнаружении и опознании изображений функционируют и выявляются разные пространственные элементы. В случае обнаружения ими являются наиболее чувствительные элементы, настроенные на оптимальные частоты зрительной системы человека.
При опознании высокочастотных решеток функционируют высокочастотные элементы с большим количеством возбудительных и тормозных зон в своем составе. Защита состоялась в 1985 году.
В начале девяностых годов параллельно с работой в лаборатории я стала сотрудником Санкт-Петербургского института раннего вмешательства. Это лечебное и научное учреждение занимается, в частности, изучением методов раннего выявления нарушений слуха и зрения у младенцев. Также разрабатываются и внедряются программы помощи детям с различными нарушениями, в том числе двигательного, речевого и интеллектуального развития.
В Институте раннего вмешательства обследовали детей, начиная с двух-трехмесячного возраста и до трех лет, собирали нормативные данные по многим показателям, занимались реабилитацией детей со многими нарушениями.
Чем именно Вы занимались в Институте раннего вмешательства?
В частности, я занималась методикой диагностики зрительных функций у младенцев первого года жизни. Для оценки остроты зрения у младенцев использовали задачу на обнаружение сигнала ‒ определяли минимальный размер крупинок (шарики из черного хлеба на белом фоне), которые мог заметить малыш.
Скрининговыми тестами оценивали бинокулярную фиксацию и ее устойчивость. Определяли границы поля зрения по горизонтали и симметричность его справа и слева. Проверяли, выполняет ли малыш все типы прослеживающих движений глаз (горизонтальные, вертикальные, круговые и конвергенционно-дивергенционные), являются ли они плавными или скачкообразными, одинаково ли прослеживание при движении стимула в противоположных направлениях. Смотрели, одинакова ли реакция (сопротивление) малыша на прикрывание его левого и правого глаза (кавер-тест). Применяли и другие тесты по оценке развития каналов формы, цвета и размера в зрительной системе.
Результаты этих исследований показали важность обследования базовых зрительных функций у детей до года. Оценка остроты зрения по обнаружению мелких крупинок, безусловно, не является оценкой остроты в общепринятом значении этого понятия. Обнаружение сигналов осуществляют самые чувствительные элементы зрительной системы, которые образуют канал оптимальных, а не высоких частот. Однако такая оценка важна, поскольку оказалось, что дети со сниженной остротой по этому тесту отстают в когнитивном развитии и в выполнении различных задач, связанных со зрительным восприятием. К сожалению, мы не имели возможности вести пролонгированные исследования. Поэтому не могли проследить судьбу обследованных нами детей.
В Институте раннего вмешательства работала команда специалистов, состоящая из врачей, педагогов, психологов, физиологов слуха, зрения и речи. Позднее опыт института был перенят в других городах страны и в учреждениях здравоохранения нашего города, где во многих из них открылись отделения раннего вмешательства.
Острота зрения у детей в возрасте примерно до шести лет ниже, чем у взрослых. Обычно при измерении остроты зрения у дошкольников используются таблицы, где расстояния между символами в строке равны ширине символов. Поэтому многие исследователи считают, что низкая острота у детей младшего возраста является следствием влияния на опознание тестового стимула окружающих объектов, сказывается так называемый краудинг-эффект.
Вы стали заниматься изучением краудинг-эффекта. Эти исследования стали составной частью Вашей докторской диссертации.
Я начала заниматься изучением краудинг-эффекта сначала на пределе разрешения зрительной системы у взрослых наблюдателей. В качестве изображений, которые надо было опознать, использовали кольца Ландольта в четырех ориентациях. Кольцо было окружено с четырех сторон полосами той же ширины, что и кольцо, и находилось от него на разном расстоянии (рис. 1).
Как это принято, для отладки методики сначала все эксперименты проводились на себе. Обнаружилась парадоксальная вещь. Практически без ошибок мы могли определить ориентацию кольца Ландольта при величине разрыва менее 0,5 угл. мин и его диаметре менее 2,5 угл. мин, что соответствует остроте зрения более 2 ед. Однако по результатам других более ранних экспериментов с решетками мы знали, что этого не может быть. Решетку с частотой 60 циклов на градус, ширина полосы которой равна 0,5 угл. мин, мы не различали.
Это побудило нас вычислить двумерные пространственно-частотные спектры у кольца Ландольта, прямоугольной решетки и знака Снеллена (буквы Ш). Как и следовало ожидать, различение ориентации кольца Ландольта оказалось не связано с частотой разрыва, а определяется более низкой частотой, примерно в 1,3-1,5 раз ниже частоты разрыва. Частота разрыва в знаке Снеллена соответствовало частоте, по которой можно определить его ориентацию, а прямоугольной решетки, состоящей из двух полос, оказалась немного выше.
Этот результат был опубликован в журнале «Vision Research» в 1997 году и в дальнейшем проверен на большой группе наблюдателей с использованием этих и других оптотипов. Был сделан следующий вывод: измерение остроты с использованием колец Ландольта может привести к существенному искажению истинного ее значения. Наблюдатель может быстро обучиться и в качестве признака для определения ориентации использовать асимметричность изображения, а не разрыв в кольце. В этом плане знаки Снеллена дают более точное оценки остроты зрения.
Не могли бы Вы подробнее рассказать об изучении краудинг-эффекта?
Вначале определяется минимальный размер для тестовых стимулов, при котором эти стимулы еще видны, а затем изучается влияние окружения на опознание стимулов этого минимального размера. Расстояние до окружения варьирует. Измеряется то максимальное расстояние, где наблюдается достоверное ухудшение, его называют критическим. На рис. 1 показаны примеры тестовых стимулов с окружением (кольца Ландольта с полосами, знаки Снеллена и прямоугольные решетки).
Рис. 1
Рис. 1. Примеры оптотипов и их окружения, которые использовали при изучении краудинг-эффекта и определения остроты зрения. Слева направо: кольца Ландольта, полосы, знаки Снеллена, прямоугольные решетки разной пространственной частоты
Было показано, в частности, что у взрослых наблюдателей ухудшение восприятия происходит на расстоянии до окружения, примерно равного размеру стимула при использовании тестового кольца Ландольта. Полученные результаты по изучению краудинг-эффекта были успешно промоделированы. Для этого были рассмотрено функционирование самых высокочастотных элементов зрительной системы. По полученным данным были вычислены их весовые функции и их реакции на предъявляемые стимулы с окружением. Ухудшение восприятия наблюдается тогда, когда окружение попадает в тормозные зоны минимальных по размеру пространственных элементов.
Страницы: 1 2
