Быстрые движения глаз помогают мозгу отображать мир в трехмерном пространстве

Фото из открытых источников

При каждом движении глаз вся визуальная сцена проносится по сетчатке, создавая движение, которое долгое время считалось визуальным мусором, который мозг должен вычитать, чтобы поддерживать стабильность окружающего мира.

Новое исследование предполагает обратное: мозг активно использует движение, генерируемое собственными движениями глаз, для расчета местоположения объектов, их перемещения и расстояния до них в трехмерном пространстве. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Превращая то, что раньше считалось визуальным «шумом», во встроенный сигнал, зрительная система, по-видимому, полагается на собственное движение для поддержания стабильности и точного отображения окружающего мира.

В управляемых виртуальных сценах фоновые движения менялись в зависимости от того, как глаза перемещались относительно окружающей среды. 

Проанализировав эти закономерности движения объектов по всей сцене, Грегори ДеАнджелис из Медицинского центра Университета Рочестера (URMC) задокументировал, что наблюдатели постоянно использовали их для оценки местоположения объектов и характера их движения. 

Одно и то же визуальное движение на сетчатке приводило к различным результатам восприятия, когда более широкий паттерн подразумевал чистое вращение по сравнению с комбинированным вращением и движением вбок. 

Это разделение показало, что мозг сначала определяет геометрию поля зрения, прежде чем решить, рассматривать ли движение как движение объекта или как глубину.

В ходе исследования участники допускали одни и те же повторяющиеся ошибки при оценке движения и глубины, и эти ошибки оказались информативными.

Движущиеся фоновые точки создавали оптический поток — плавный рисунок движения, распространяющийся по сетчатке при каждом движении глаз, — сигнализируя о том, просто ли глаза вращаются или также скользят вбок.

В зависимости от общей картины движения, наблюдатели иногда сообщали о движении вбок, а иногда — о движении вверх-вниз, хотя цель на экране двигалась в одном и том же направлении в каждом испытании.

Как отметил ДеАнджелис, мозг не игнорирует это движение изображения: «Вместо этого он использует это движение изображения, чтобы понять сцену и точно оценить движение и глубину объекта».

Когда ваши глаза следят за проезжающим автомобилем, изображения даже припаркованных объектов мелькают на сетчатке и выглядят как движение. На протяжении десятилетий многие теории рассматривали это движение как шум и предполагали, что мозг должен его вычитать.

«Ранее считалось, что мозг должен каким-то образом компенсировать или вычесть движение изображения, возникающее из-за движений глаз, поскольку это движение считалось неприятным», — сказал ДеАнджелис.

Благодаря этому изменению, созданное вручную движение изображения становится встроенным индикатором глубины и направления, а не визуальным беспорядком.

Когда люди следят за движущимся объектом, их глаза совершают плавное слежение — устойчивое движение, которое предотвращает размытие изображения. Иногда такое слежение включает только вращение глаз, но в других ситуациях глаза также вращаются в противоположных направлениях при боковом движении головы или тела. Это боковое движение изменяет общую картину движения в визуальной сцене, заставляя близкие и удаленные объекты скользить по сетчатке в противоположных направлениях.

Этот эффект, известный как параллакс движения, обеспечивает мощную подсказку о глубине. Объекты, расположенные ближе, движутся перед глазами быстрее и часто в другом направлении, чем объекты, расположенные дальше, что позволяет мозгу оценить расстояние до них.

В задании на определение глубины участники исследования оценивали, казалась ли цель ближе или дальше от точки, на которой они фиксировали взгляд.

Поскольку мишень отображалась только одному глазу и сохраняла свой размер, движение служило основным сигналом глубины, демонстрируя, как мозг использует комбинированные движения глаз и паттерны движения по всей сцене для интерпретации трехмерного мира.

Добровольцам не требовалось специальное обучение для использования этих двигательных паттернов, и в ходе эксперимента после каждого испытания не предоставлялась обратная связь.

Даже без предварительной подготовки участники естественным образом смешивали сигналы движения глаз с движением объектов, регулируя степень доверия к каждому из этих сигналов.

В ходе исследования у разных людей возникающие перцептивные искажения оставались частичными, а не абсолютными, что указывает на то, что мозг постоянно взвешивает данные о собственном движении, а не переключается между фиксированными режимами.

Эта встроенная гибкость может помочь людям интерпретировать сложные, загроможденные сцены, хотя она также может сделать некоторых зрителей более склонными к кратковременной путанице.

Чтобы выяснить, как может возникать такая гибкость, исследователи обучили нейронную сеть — компьютерную программу, которая изучает закономерности на основе примеров, — выполнять ту же задачу.

При воздействии одних и тех же сигналов движения модель научилась определять, когда боковое движение должно указывать на глубину, а когда — на движение объекта.

В зависимости от контекста, нейроны внутри сети изменяли свою настройку, повторяя паттерны реакции, ранее наблюдавшиеся в чувствительных к движению клетках мозга.

Хотя эта параллель не означает, что мозг использует один и тот же вычислительный код, она указывает на возможные нейронные цепи, которые можно будет проверить в будущих исследованиях.

Виртуальная реальность позволяет воссоздать глубину с помощью двух изображений, однако некоторые пользователи испытывают тошноту во время сцен, снятых с использованием шлема виртуальной реальности.

Исследователи называют это киберболезнью — дискомфортом, возникающим из-за конфликта визуальных сигналов и сигналов равновесия, когда гарнитура отображает движение, которое тело не ощущает.

Движения глаз добавляют еще один движущийся элемент, поэтому игнорирование ожидаемых моделей движения может привести к тому, что некоторые сцены виртуальной реальности будут казаться менее стабильными.

Создание дисплеев виртуальной реальности, обновляющих изображения в зависимости от движений глаз, может сделать ощущение движения более стабильным, но разработчикам все еще необходимы тщательные испытания.

Чтение, распознавание лиц и ориентирование в окружающем мире — все это зависит от постоянных движений глаз.

Поэтому мозг должен постоянно различать движение, вызванное окружающей средой, и движение, создаваемое самими глазами.

Новые данные свидетельствуют о том, что вместо того, чтобы исключать эти самопроизвольные смещения, зрительная система рассматривает глобальное движение изображения как полезный сигнал, позволяющий ей корректировать движения глаз, одновременно отслеживая объекты в пространстве.

Это открытие может иметь практическое значение в клиниках и исследовательских учреждениях, где предсказуемые визуальные искажения могут помочь выявить случаи, когда сигналы движения глаз больше не соответствуют поступающей визуальной информации.

Поскольку в экспериментах использовались упрощенные точечные изображения и строго контролируемые движения глаз, исследователи теперь стремятся проверить этот эффект в более естественных условиях и в повседневной жизни.

Результаты также указывают на возможности применения в виртуальной реальности. Понимание того, как мозг использует сигналы собственного движения, может помочь разработчикам уменьшить конфликты между тем, что делают глаза, и тем, что отображается в гарнитуре, улучшая восприятие глубины и визуальный комфорт.