Исследовательская группа под руководством Микко Юусолы (Mikko Juusola) из Университета Шеффилда опубликовала в журнале Physics of Life Reviews работу о принципах работы зрения насекомых и млекопитающих. Долгое время в компьютерном зрении и физиологии сенсорные органы описывали по аналогии со статичной видеокамерой, где сетчатка неподвижно собирает свет, а мозг фильтрует полученные кадры. Расчеты по такой формуле предсказывали, что во время полета муха должна видеть сплошное размытое пятно из-за долгого отклика зрительных клеток. Авторы работы выяснили, что клетки глаза совершают непрерывные физические движения, за счет которых входящий световой поток разбивается на резкие импульсы и обрабатывается без задержек.
Механика микроворсинок и защита от засветки
Зрительная клетка мухи содержит около 30 000 светочувствительных трубочек — микроворсинок. Каждая такая трубочка работает как автономный счетчик единичных частиц света. Когда частица света попадает в микроворсинку, внутри расщепляются молекулы клеточной мембраны. Это химическое превращение вызывает механическое сжатие трубочки на 0,2–1,2 микрометра, заставляя весь фоторецептор дергаться со сверхвысокой скоростью. После этого всплеска микроворсинка временно «выключается» на 40–500 миллисекунд для восстановления чувствительности.
При непрерывном ровном освещении большинство чувствительных зон быстро уходит в неактивный режим, и глаз теряет способность замечать перепады яркости. Насекомые решают эту проблему траекторией движения: они совершают резкие повороты (саккады), сменяющиеся микроскопическими остановками. Во время остановок взгляд задерживается на более темных участках, которых в природе статистически больше из-за теней. За эти доли секунды рецепторы восстанавливают заряд, а последующий резкий рывок взгляда через светлую границу выбивает максимальный полезный сигнал без риска ослепления.
Переход сигнала от светочувствительных клеток к первым вставочным нейронам (LMC) мухи обычно рассматривали как узкое горлышко нервной системы. Авторы зафиксировали явление, названное синаптическим высокочастотным перескоком. В момент резкого перепада освещения контактная зона между нервными клетками перестраивает режим работы и переносит передачу данных в полосу частот до 1000 герц. В результате вставочный нейрон достигает пика возбуждения за 4 миллисекунды, опережая медленную фазу нарастания в самом рецепторе и полностью компенсируя задержку распространения импульса.
Разрешение выше предела оптики
Комнатная муха Musca domestica обладает фасеточными глазами с анатомическим углом между линзами около 2,9 градуса. В классической оптической системе это означает невозможность различить полосы решетки, если они расположены ближе этого значения.
В экспериментах исследователи прокручивали перед насекомыми полосы с уменьшающимся шагом. За счет механического смещения светочувствительных элементов и наложения рецептивных полей соседних фасеток зрительная система различала контрастные линии с угловым шагом до 0,7 градуса.
Физическое микросмещение рецептора навстречу движущемуся объекту превращает пространственные детали в быструю временную последовательность электрических импульсов.
Границы применимости полученных данных
Экспериментальная часть работы выполнена на насекомых (Musca domestica, Drosophila melanogaster) с подтверждением методами внутриклеточной регистрации потенциалов отдельных клеток. Для проверки гипотез авторы использовали математическую модель нейронной суперпозиции без свободных параметров подгонки, где отключение механических микродвижений приводило к потере точности отклика. При этом перенос принципов морфодинамики на высшие отделы мозга млекопитающих, память и языковые структуры в статье остается теоретической гипотезой. Ученым еще предстоит подтвердить прямыми измерениями, сопровождаются ли сложные мыслительные процессы аналогичными микромеханическими смещениями дендритных шипиков в коре головного мозга живого человека.
