Монохроматическое зрение: осьминоги и диагностика макулодистрофии у человека

Многие существа, обитающие на Земле, обладают теми или иными зрительными особенностями, обусловленными их повадками и средой обитания: кошачьи хорошо видят в темноте, хищные птицы отлично видят быстрые движения, а у раков-богомолов 16 типов фоторецепторов (у нас их всего два: колбочки и палочки), что позволяет им видеть даже инфракрасный и ультрафиолетовый цвет. На фоне всего этого разнообразия «суперсил» зрение человека кажется весьма скудным. Однако, где не справляется эволюция, человек применяет технологии, в частности и для лечения проблем со зрением. Ученые из Бристольского университета (Великобритания) изучили зрение осьминога, который отличается своей способностью обнаруживать поляризованный свет. Этот труд позволил разработать устройство ранней диагностики макулодистрофии глаза человека, когда нарушается структура сетчатки и возникают проблемы с центральным зрением. Как именно видят осьминоги, какие открытия помогли в создании устройства диагностики, и как оно работает? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Поляризация это характеристика поперечных волн, описывающая положение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Свет является электромагнитной волной, которую можно охарактеризовать векторами напряженности электрического поля (E) и напряженности магнитного поля (Н). Световые волны являются поперечными, т.е. векторы E и Н перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны.

Главным отличием естественного света (солнце или настольная лампа) от поляризованного является число направлений, в которых колеблется вектор напряженности.

Для преобразования естественного света в поляризованный необходимо пропустить первый через анизотропную среду, т.е. через поляризатор, который убирает определенные направления колебания.


Неполяризованный свет (слева) проходит через поляризатор (центр) и становится поляризованным (справа).

Поляризация бывает линейная и круговая/циркулярная. В первом случае колебания происходят в одной плоскости, во втором — конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний.

Что касается поляризационного зрения, то это обусловлено необычным строением глаза того, кто обладает этим навыком.

В зрительных нейронах таких существ фоторецепторная мембрана рабдома* свернута в трубку. Из-за этого часть молекул родопсина* не участвуют в поглощении света.

Рабдом* — светочувствительный элемент глаза, состоящий из рабдомер (скопление микроворсинок).

Родопсин* — основной зрительный пигмент, содержащийся в палочках сетчатки глаза.

Обусловлено это тем, что дипольный момент такой молекулы ориентирован параллельно вектору светового луча. Таким образом микроворсинка получает дихроизм, т.е. способность по-разному поглощать свет в зависимости от поляризации.

Среди наземных существ такая особенность чаще всего проявляется в дорсальной области глаза, которая направлена вверх (т.е. к небу, свет от которого поляризован).

Чувствительность к поляризации всего глаза встречается у многих насекомых (бабочки, стрекозы, пчелы и т.д.). Водные обитатели также не лишены подобного навыка. Многие виды ракообразных и все виды головоногих моллюсков имеют поляризационное зрение всего глаза.

Подобное зрение используется животными для решения самых разных задач, от внутривидового общения до обнаружения добычи или хищника. Для морей и океанов наличие поляризационного зрения вполне ожидаемо, так как такие среды обитания обладают стабильным поляризационным фоном. Некоторые исследования даже говорят о том, что поляризационное зрение в морской среде намного лучше цветового.

Пропускание света через морскую воду сильно зависит от длины волны, при этом короткие и длинные волны затухают быстрее, чем средние длины волн (~ 475 нм). В результате цветовое зрение становится менее полезным с увеличением глубины. Но вот полный диапазон поляризационных контрастов может присутствовать на любой глубине, посему многие животные предпочитают полагаться на поляризацию, а не на цвет. Единственная трудность в том, что поляризационные контрасты быстро размываются при малом освещении, а потому эффективны только на относительно небольших расстояниях под водой.

Мастерами поляризационного восприятия считаются головоногие моллюски, которые при этом не способны видеть цвета (используют один тип пигмента, от чего для них все вокруг монохроматическое). Нехватка цветоощущения компенсирована тем, что их рабдомерные фоторецепторы точно упорядочены по двум каналам поляризационной чувствительности, что приводит к дипольному зрению по всему глазу.

При этом их поляризационное зрение действительно уникально, так как способно обеспечивать обнаружение даже самых незначительных контрастов поляризации, что было подтверждено экспериментально. Но, как говорят ученые, в тех трудах степень поляризации была выше (∼1.0), чем встречающаяся в природе обычно (<0.7), потому полный спектр возможностей поляризационного зрения головоногих не был исследован.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые решили заполнить это пробел в знаниях, проведя опыты с двумя видами осьминогов — Abdopus aculeatus и Octopus cyanea.


Abdopus aculeatus (слева) и Octopus cyanea (справа).

В ходе опытов ученые пытались установить порог обнаружения поляризационных контрастов путем изменения как угла поляризации (AoP от angle of polarization), так и степени линейной поляризации (DoLP от degree of linear polarization) с использованием модифицированного ЖК-дисплея для визуализации стимулов динамической поляризации.

Подготовка к наблюдениям

В опытах участвовали 10 осьминогов (8 особей вида Abdopus aculeatus и 2 особи вида Octopus cyanea), пойманных на коралловых рифах вокруг острова Лизард (Большой Барьерный риф). Осьминогов содержали в индивидуальных стеклянных аквариумах (15 х 15 х 15 см), непрерывно снабжаемых фильтрованной и насыщенной кислородом океанской водой и свежей пищей, при этом поддерживался естественный цикл дня и ночи. Зная, что осьминоги обладают немалым интеллектом и талантом к побегам, верхняя крышка аквариумов была плотно закрыта и прижата свинцовыми грузиками (используются в дайвинге). Спустя 14 дней все особи были выпущены на волю.

Источником визуальных стимулов служил ЖК-дисплей (15 дюймов), расположенный перед тестовым аквариумом (на расстоянии 10–16 см от него), куда помещали по одной особи за раз во время тестов. Презентации стимулов начинались, когда осьминог был неподвижен, но бодрствовал (т.е. полностью акклиматизировался к новой среде), и когда по крайней мере один глаз смотрел на экран. Конечно, порой требовалось подождать для удовлетворения этих требований, но так можно было минимизировать стресс для животного, тем самым повысив достоверность результатов наблюдения. Во время тестирования дно и две стенки аквариума, перпендикулярные обзорной поверхности ЖК-дисплея, были покрыты белым войлоком, чтобы уменьшить внутренние отражения. Вся тестовая камера (аквариум и экран вместе) были накрыты темной тканью, чтобы движения в лаборатории не отвлекали осьминогов от визуальных стимулов на экране.


Изображение №1

ЖК-дисплей был модифицирован для отображения видео только с поляризационным контрастом и возможностью менять DoLP (передний поляризатор был удален, так что изображения менялись по AoP, а не по интенсивности).

Для управления DoLP ЖК-дисплей был дополнительно модифицирован путем удаления заднего поляризатора, а также первичного источника света, замененного светодиодом (6 Вт), который проецировал свет (вне оси под углом 30°) на один из специально разработанных фильтров DoLP, расположенных напротив задней стенки ЖК-дисплея.

Фильтры DoLP, используемые в тестах: тонкий лист акрила; фильтр нейтральной плотности (например, Lee Filters); зеленый желатиновый фильтр; тонкий (0.28 мм) лист тефлона для полной деполяризации и пространственной гомогенизации света; лист поляризатора; диффузионный / рассеивающий резервуар для уменьшения DoLP до того, как он попадет в жидкокристаллическую матрицу (1А).

DoLP варьировался за счет использования полых стеклянных сфер разной плотности (10 мкм), размещенных в воде в диффузионных баках (20 х 20 х 1 см, стенки из акрила толщиной 6 мм). Равномерное распределение стеклянных сфер поддерживалось интенсивным потоком от водяного насоса на 12 В.

Вариативность DoLP привела к изменениям общей интенсивности, передаваемой через фильтры: среднее изменение составило 7%, при этом общее изменение интенсивности от самого высокого до самого низкого DoLP фильтра составило 51% (1B). Чтобы компенсировать это, интенсивность различных фильтров DoLP была приблизительно согласована путем добавления желатиновых фильтров нейтральной плотности на задней (светодиодной) стороне тефлонового листа.

AoP света, излучаемого ЖК-дисплеем, варьировался от 45° до 130° по отношению к значению Uint8 (8-битная шкала ЖК-дисплея), которое может изменяться от 0° до 255°. Фон, на котором демонстрировался визуальный стимул, был ориентирован горизонтально (0°) путем поворота ЖК-дисплея на 45°. Деполяризующие фильтры позволяли менять DoLP всего изображения (от 0.0 до 1.0) без изменения AoP контрастности (1B).

Роль визуального стимула выполняло видео с надвигающимся объектом в виде быстро расширяющегося круга. Эффект приближения объекта был сделан с помощью PowerPoint (продолжительность расширения круга была 200 мс), а исчезновение объекта (спустя 5 с) было выполнено анимацией «сжатие» в том же PowerPoint. Размер стимула на экране составлял 4.0 см, а угол обзора осьминога составлял менее 20°.

Чтобы определить порог реакции осьминога на объект, AoP стимула относительно фона постепенно снижали, пока осьминог не переставал на него реагировать. Размер шага в процессе уменьшения AoP составлял 15 по шкале Uint8 (диапазон 0–255).

В качестве ответной реакции на стимулы принимались во внимание изменения цвета особи или движение конечностей, которые возникали не позже 200 мс после стимула и отличались от любых других движений/изменений без стимула.

Во время тестов за осьминогами наблюдал человек, а также велась видеозапись. Анализ видео помогал определить незначительные ответные реакции, которые сложно было заметить человеку в момент их проявления вживую. Дополнительно собранные видео были показаны людям, которые не знали ничего о стимулах, демонстрируемых осьминогам. Эти лаборанты должны были отметить когда и какие изменения они заметили на видео.

Ответные реакции осьминогов были разделены на пять категорий: 0 — нет ответа; 1 — очень слабый ответ; 2 — слабый ответ; 3 — средний ответ; 4 — сильный ответ.


Видео №1: демонстрация разных по силе ответный реакций осьминогов на визуальный стимул (звуки слышны только нам и соответствуют моменту, когда стимул появляется на экране; DoP = 30%).


Видео №2: демонстрация разных по силе ответных реакций осьминогов на визуальный стимул (звуки слышны только нам и соответствуют моменту, когда стимул появляется на экране; DoP = 50%).

Визуальные стимулы демонстрировались осьминогам каждые 2-5 минут. Это время было выбрано, поскольку в таких условиях осьминоги могли сохранять сильную ответную реакцию на стимулы в течение нескольких часов.

Результаты наблюдений

Чаще всего осьминоги реагировали на стимул изменением окраски в течение одной миллисекунды (2A).


Изображение №2

Любопытно, что изменение окраски было пропорционально контрастности визуального стимула. Высококонтрастные стимулы вызывали полное изменение цвета тела, а слабоконтрастные стимулы вызывали небольшие изменения, часто проявляющиеся лишь на небольшом участке тела, например несколько квадратных миллиметров одного щупальца.

Разницы в пороговых значениях реакции между исследуемыми видами (O. cyanea и A. aculeatus) обнаружено не было. Когда DoLP был высоким (> 0.3), особи обоих видов были способны реагировать на различия в AoP стимула относительно фона (ΔAoP) при среднем значении 1.3°. Когда DoLP был ниже 0.3, минимальный угловой контраст между стимулом и фоном, необходимый для проявления ответной реакции, быстро увеличивался, пока DoLP не достигал 0 (2B).

Альтернативным методом визуализации поляризационного контраста является мера поляризационного расстояния (PD от polarization distance). PD обеспечивает оценку количества контраста, обнаруживаемого системой поляризационного зрения (в данном случае осьминогами).

При построении графика функции PD, измеренные пороги поляризационного зрения примерно совпадают со средним значением PD в 0.010 (2C). Связь между этим пороговым значением и диапазоном стимулов DoLP и ΔAoP показана методом проецирования порога на ось начального стимула (пунктирная черная линия на 2B). За счет этого видно, что большая часть расхождений может быть связана с ориентацией нижележащих поляризационно-чувствительных фоторецепторов, на которых основана модель поляризационного расстояния. Некоторые расхождения также можно объяснить индивидуальностью реакции тестируемых особей, но средний порог PD для всех комбинаций ΔAoP / DoLP находился в диапазоне от 0.0049 до 0.024.

Анализ результатов наблюдений

В ходе тестов осьминоги успешно реагировали на визуальные стимулы, которые отличались от фона только по поляризационному контрасту. При этом особи демонстрировали высокую чувствительность даже к самым малым значениям ΔAoP, особенно при высоком уровне DoLP.

Большое изменение ΔAoP, необходимое для вызова ответа (1° при высоком DoLP, до 53° при низком DoLP), может быть объяснено с помощью нейрофизической модели поляризационного расстояния. Данная модель использует подход нейронной обработки для понимания контраста с точки зрения системы поляризационного зрения.

Поскольку головоногие моллюски используют дипольную систему, основанную на двух каналах поляризации, ориентированных горизонтально и вертикально по отношению к внешнему миру, контрасты AoP при низком DoLP должны быть больше, чтобы выявить эквивалентный контраст в выходе фоторецепторов по сравнению со стимулами с высоким DoLP.

Ученые отмечают, что оценка функциональности чувствительного к поляризации зрения у осьминогов требует исследования типов зрительных сцен (т.е. совокупности визуальных стимулов в той или иной ситуации в естественной среде), которые могут испытывать эти животные. Фотографическая поляриметрия, проведенная в естественной среде, показывает диапазон поляризационных контрастов, которые близки к диапазону обнаружения зрительной системы осьминога или находятся в его пределах.


Изображение №3

Другими словами, контрастные сигналы от добычи, хищников и даже от сородичей входят в диапазон чувствительности осьминогов, измеренной в ходе данного исследования. Следовательно, данный тип зрения для осьминогов необходим для охоты, для поиска партера или для обнаружения вероятной опасности.

Проведенное исследование, нацеленное на оценку чувствительности осьминогов к поляризационным контрастам, позволяет создать систему ранней диагностики макулодистрофии у человека.

Ученые заявляют, что данное устройство будет нацелено на выявление низкого уровня пигментов желтого пятна, что является фактором риска повышенной предрасположенности к дегенерации желтого пятна.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В данном труде ученые уделили внимание удивительным созданиям, обладающим неслабым интеллектом, умением пролезть куда угодно и, как оказалось, очень необычным зрением. Осьминоги не видят цвета, зато прекрасно видят поляризацию света, что позволяет им различать контрастные отличия между фоном (водой) и объектом их интереса (например, добыча, сородич или хищник). Такой тип зрения, именуемый поляризационным, неудивителен для обитателей морских глубин, так как под водой цвет не так полезен, как на суше. Хотя и вне океанов и морей есть существа, обладающие подобным навыком. К их числу относятся и пчелы. Но у осьминогов поляризационное восприятие охватывает весь глаз, тогда как у пчел только ту область, что направлена к небу.

Данное исследование не только позволило лучше понять, как осьминоги видят, но и предоставило фундамент для создания устройства диагностики макулодистрофии, т.е. дегенеративных процессов желтого пятна. Данное устройство способно оценить уровень макулярных пигментов, которые играют роль естественной защиты человека от вредного фиолетово-синего света (380-500 нм). Макулодистрофия, к сожалению, не лечится, но имея возможность вовремя заметить какие-либо изменения, что могут привести к ее развитию, мы можем принять определенные меры: использование солнцезащитных очков, изменение питания и т.д.

Важность данного устройства заключается в том, что ранее уровень макулярного пигмента нельзя было диагностировать без наличия дегенеративных изменений. Другими словами, обнаружить проблему можно было тогда, когда уже было поздно что-либо делать для ее решения. Но с помощью разработанного метода диагностику можно проводить в любом возрасте (от 5 до 95 лет), тем самым выявлять изменения разной степени на любом этапе заболевания или еще до его возникновения.

Диагностику часто называют половиной успешного лечения болезни, вторая половина это уже лекарства, операции и т.д. Это действительно так, ибо зная, с чем ты борешься, можно подобрать соответствующее оружие. Ранняя же диагностика позволяет избежать какого-либо «конфликта», поскольку мы будем вооружены самым сильным оружием — знанием. Так как зная, где и как может проявить себя болезнь, которой по факту еще нет, мы можем принять меры по ее предотвращению.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?