Жар холодных чисел

Е.М. Гареев
Старший научный сотрудник лаборатории нейрофизиологии зрения ФГБУ «Всероссийский центр глазной и пластической хирургии» МЗ РФ, к.б.н., доцент

Пушкинский Сальери гордился тем, что, как ему казалось, «поверил алгеброй гармонию» или, выражаясь современным языком, создал математическую модель музыки. В принципе ничего невозможного в этом нет. Звук — механическое колебание среды — характеризуется всего тремя четко измеряемыми физическими характеристиками — частотой колебаний (высотой), величиной звукового давления (громкостью) и длительностью. Манипулируя ими по некоторым заданным человеком правилам, даже механические устройства «века осьмнадцатого» могли воспроизводить, а компьютеры полувековой давности даже создавать весьма затейливые музыкальные композиции. Однако, «понятное дело», суть музыки отнюдь не сводится только к комбинации звуков и их физических характеристик.

Куда как сложнее «поверить алгеброй» зрение — потрясающую по сложности симфонию света, цвета, тонов и полутонов, зрительных контуров, текстур и форм, образов и сцен, их комбинаций, композиций, ближних и дальних планов, их развития в пространстве и времени. Именно зрительный канал поставляет мозгу человека порядка 80% информации о внешнем мире, и в языках всех народов выражения «Я вижу» и «Я понимаю» эквивалентны по смыслу, а в вопросе «Я что — неясно говорю!?» уровень понимания речи описывается прилагательным, отражающим …четкость зрительного восприятия. И примеров такого рода масса!

Не удивительно, что попытки описания зрения как такового или хотя бы отдельных его характеристик языком физики и математики, т.е. в абстрактных категориях числа и меры, восходят еще к позапрошлому веку. И уже создатель «физиологической оптики» Герман Гельмгольц отметил, что разорился бы, вздумай он торговать оптическими приборами с характеристиками глаза. Впоследствии подтвердилось, что оптика глаза неизбежно создает «картинку», в той или иной степени насыщенную помехами и искажениями. Однако если аномалии оптики не зашли слишком далеко, то зрительная система умудряется их успешно исправлять и компенсировать, создавая вполне адекватную «персептивную модель зрительного мира» (Глезер В.Д.). Уже более полвека назад нейро- и психофизиологи поняли, что «человек видит головой при помощи глаз», т.е. «по дороге в голову» сетчаточный образ подвергается какой-то изощренной и многоэтапной информационной обработке.

Действительно, давно стало понятно, что «картинка», возникающая на сетчатке, по сути своей является ничем иным как пространственным рельефом распределения освещенности, изменяющимся во времени. Ну, а освещенность в каждой точке сетчатки опять-таки может быть описана тремя четкими физическими характеристиками: частотой электромагнитного излучения («цвет»), величиной светового потока (яркость) и длительностью облучения. Как оказалось, эту аналоговую картинку сетчатка преобразует в дискретное поточечное описание рельефа освещенности. Это описание, транслируемое в мозг, структурировано. «Точками» сетчатки являются «фильтры» («каналы», «окна»), настроенные на кратные «пространственные частоты» (число чередований «света/темноты» на один угловой градус), распределенные по сетчатке от центра к периферии в порядке убывания пространственной частоты. Морфофизиологически это «рецептивные поля сетчатки» — нейрональные модули, являющиеся аналогово-дискретным преобразователем, кодирующим непрерывные изменения освещенности в поток дискретных нервных импульсов, содержащий информацию о физических характеристиках таких изменений. Более того, морфологически «плоская» («экранная») сетчатка оказалась функционально развернутой вдоль Z-координаты («вглубь»), представляя собой иерархическую последовательность гексагональных «модулей» (один в центре, шесть вокруг), вложенных друг в друга. На следующих этажах зрительной системы это позволяет развернуть плоскую «картинку» в объемную (монокулярная стереоскопия), обрабатывать изображение сразу по всем пространственным частотам независимо от направления взора и размера объектов, автоматически настраивать всю систему по параметрам фокусировки и контраста. При этом работа таких фильтров пространственных частот и иерархии составленных из них модулей прекрасно описываются языком математики.

На пути в зрительную кору (в наружных коленчатых телах) это целостное поточечное описание ситуации на сетчатке подвергается преобразованию — происходит усиление контраста (подчеркивание краев и контуров), троекратно описывается состояние только правого или левого полуполя зрения и включается «нейрональная лупа». Эффект «лупы» («магнификации») возникает за счет того, что обработкой информации от сравнительно ничтожной по площади макулярной зоны занимается столько же нейронов, сколько «рассматривает» всю огромную по площади периферию сетчатки.

Наиболее же причудливые процессы и явления имеют место, когда эта информация достигает зрительной коры. Упорядоченно расположенные ансамбли функционирующих здесь нейронов («колонок») «растаскивают» прежде целостное (пусть и поточечное) описание состояния сетчатки на линии и полоски разной пространственной ориентации и направленности перемещения. Кроме этого, происходит выделение углов их пересечения и изломов, а также градиентов изменения освещенности, т.е. не только «краев», но и полутонов. Как оказалось такие «колонки» также являются пространственно-частотными фильтрами, работа которых четко описывается языком математики. Понятно также, что из этого «паззла» — набора линий и полос разной длины, толщины, ориентации, тонов, полутонов и цветности — можно сложить изображение любой сколь угодно высокой сложности. И действительно, относительно недавно метод и-МРТ позволил обнаружить участки коры мозга, активирующиеся только при предъявлении целостного образа определенного типа, например, фотографии лица или …автомобиля (!?). Но каким образом из набора элементарных и независимых (!) «описаний» изображения складываются целостные образы и картина мира вообще, как зрение отличает предметы от фона (они ведь и ролями поменяться могут) и многое, многое иное остается загадкой. Гипотез — масса, а понимание, что называется, «оставляет желать…» И дело тут не в недостатке знаний. Уж чего-чего, а детальных сведений о функционировании «кирпичиков» мозга — нейронах — предостаточно. Но это именно как раз тот случай, когда «за деревьями не видно леса». Наука до сих пор не располагает не то что математическим, а даже хотя бы концептуальным аппаратом, который мог бы позволить выводить свойства всей системы из свойств ее составных элементов. Например, обычный вегетативный ганглий из нескольких нейронов, выполняя свои функции невесть с каких древних пор, обеспечивает «многокомпонентное оптимальное регулирование», а способ численного решения таких задач был найден лишь в 60-х годах прошлого века. Но в мозгу человека таких нейронов десятки миллиардов! А в математической физике лишь совсем недавно был найден способ решения задачи «о взаимодействии трех тел»… Поэтому любой офтальмолог-практик, найди он время изучить труды по нейрофизиологии зрения, вполне резонно может задаться сакраментальным вопросом: «А куда к этому паровозу лошадей запрягают!?» Более того, применительно к человеку очень существенным препятствием в «поверке алгеброй» его зрения является ограниченность круга исследований, допустимых на людях, и невозможность проведения любых инвазивных экспериментов. Проще говоря, о механизмах работы зрительной системы человека мы знаем до обидного мало. Построение же концепций, основанных на результатах нейрофизиологических экспериментов на животных, требует большой осторожности, поскольку их зрение во многом иное, а в их сенсориуме, как правило, превалируют каналы совсем иной модальности.

Измеряй все, поддающееся измерению, и сделай таким все, не поддающееся измерению.

Галилео Галилей

Однако если обратиться к данным, полученным офтальмологами, то легко убедиться, что Природа и Случай, к несчастью, могут оказать на зрительную систему человека такие воздействия, которые никто не отважится осуществить специально по причинам «технического» и, прежде всего, нравственного характера. При этом многие характеристики зрения являются интегральными, отражающими состояние сразу нескольких подсистем на разных этажах зрительной системы, а в современных условиях многие измерения по точности и объективности начинают приближаться к физическим. Да и данные такого рода, к сожалению, имеются в изобилии.