Большая часть колбочек в человеческом глазу на самом деле создаёт чёрно-белое изображение окружающего нас мира, а закрашивают эту «контурную карту» те фоторецепторы, которые действительно реагируют на цвет.
Color vision may actually work like a colorized version of a black-and-white movie, a new study suggests.
Cone cells, which sense red, green or blue light, detect white more often than colors, researchers report September 14 in Science Advances. The textbook-rewriting discovery could change scientists’ thinking about how color vision works.
For decades, researchers have known that three types of cone cells in the retina are responsible for color vision. Those cone cells were thought to send “red,” “green” and “blue” signals to the brain. The brain supposedly combines the colors, much the way a color printer does, to create a rainbow-hued picture of the world (including black and white). But the new findings indicate that “the retina is doing more of the work, and it’s doing it in a more simpleminded way,” says Jay Neitz, a color vision scientist at the University of Washington in Seattle who was not involved in the study.
Red and green cone cells each come in two types: One type signals “white”; another signals color, vision researcher Ramkumar Sabesan and colleagues at the University of California, Berkeley, discovered. The large number of cells that detect white (and black — the absence of white) create a high-resolution black-and-white picture of a person’s surroundings, picking out edges and fine details. Red- and green-signaling cells fill in low-resolution color information. The process works much like filling in a coloring book or adding color to a black-and-white film, says Sabesan, who is now at the University of Washington.
Sabesan and colleagues discerned this color vision strategy by stimulating about 273 individual cone cells in the eyes of two men from the lab. The technological accomplishment of stimulating single cone cells in the retina is akin to getting people to walk on the moon, says Neitz. “It is a super technological achievement. It is an amazing thing.”
Sabesan’s team first used a microscope that could peer into living human eyes to map about 1,000 light-detecting cone cells in the two volunteers. In order to get a clear picture of the cells through the distortion of the lens and cornea, the researchers borrowed techniques that astronomers use to compensate for disturbances in the atmosphere.
With the blur from imperfections in the eye corrected, the researchers had to precisely target individual cells to hit with the laser. Because the eye is constantly jiggling, the researchers had to determine the pattern of the eye movements to predict where cone cells would be several milliseconds in the future. Over about two years, the researchers repeatedly stimulated 273 red or green cones one by one. After a flash of laser light was delivered to the cone, the men would indicate on a keyboard what color they had seen.
Of the red cones the researchers stimulated, 119 made the men see white, while only 48 flashed red. Similarly, only 21 of the green cones tested actually signaled green, while 77 registered white. Each individual cone probably signals only white or color, the researchers say. “It’s a rather inefficient arrangement,” says Donald MacLeod, a vision scientist at the University of California, San Diego. All the cone cells are capable of detecting color, but few actually seem to do so.
|
BULL’S-EYE To learn how color vision works, researchers sent a laser pulse (green flash) to individual cone cells in the eyes of two men. Colored dots indicate the color of light-detecting pigment in each cone cell. A crosshair shows where a laser flash will appear. After cells were stimulated with the laser, the men indicated what color they perceived. Many red or green cone cells send a white signal instead of a color signal to the brain, the researchers found. Cells surrounded by cones of a different color were more likely to indicate white, while those with similarly colored neighbors sent a red or green signal to the brain. |
Cells surrounded by cones that detect a different color were more likely to send white signals, the researchers found. That finding is unexpected and runs counter to a popular idea that cones ringed by cells detecting other colors would be better at color detection, MacLeod says.
These findings could be good news for people with color blindness. The results suggest that gene therapy that adds red or green cones could work even in adults, Neitz says. Although his group gave a monkey full color vision (SN: 10/10/09, p.14), many researchers thought human brains would never be able to incorporate additional color information even though the eye could detect it. The new findings indicate the brain needs to learn only that there is one more color needed to fill in to a basically black-and-white picture, a task it should accomplish easily, Neitz says.
В сетчатке глаза есть три типа фоторецепторных клеток: светочувствительные ганглионарные клетки, которые сейчас активно исследуют в связи с их ролью в регуляции биологических ритмов, и знаменитые палочки и колбочки.
Сетчатка глаза сформирована несколькими десятками типов клеток, которые уложены в ней в несколько слоев. (Фото ZEISS Microscopy / www.flickr.com/photos/zeissmicro/14256015437.)
Палочки сгруппированы большей частью по краям сетчатки, они более чувствительны, чем колбочки, но чувствительность их сконцентрирована около длины волны в 498 нм, что соответствует сине-зелёному свету. (Поэтому в сумерках нам всё кажется зеленовато-синеватым: когда освещённость падает, на первый план выходят палочки, которые ловят преимущественно сине-зелёные оттенки спектра.)
У колбочек же, как мы знаем, есть несколько фоточувствительных белков, благодаря которым колбочки делятся на «сине-фиолетовые», «жёлто-зелёные» (или просто «зелёные») и «жёлто-красные» (или просто «красные»). Считается, что задача колбочек – просто передавать в мозг цветовой сигнал, а мозг уже сам, анализируя количество сигналов того или иного цвета, их интенсивность, расположение и т. д., скомбинирует общую цветовую картину.
Однако исследования Рамкумара Сабесана (Ramkumar Sabesan) и его коллег из Калифорнийского университета в Беркли говорят о том, что механизм цветовосприятия у нас устроен немного иначе. В своих экспериментах они попытались выяснить, как отвечает на свет отдельно взятая колбочка в сетчатке человека.
В эксперименте участвовали два человека, в чьих глазах с помощью специальной микроскопической техники удалось точно определить местоположение примерно 1000 колбочек. Поскольку глаз всё время совершает микродвижения, нужно было научиться предсказывать эти микродвижения. Наконец, имея на руках карту колбочек и зная, как будет двигаться глаз, можно было приступить к главному: на определённую колбочку посылали лазерный луч, а сам участник эксперимента говорил, какого он цвета. За два года исследователям удалось перебрать 273 «зелёных» и «красных» колбочки («синие» пока что остались за бортом).
В итоге оказалось, что большая часть фоторецепторов реагирует не на цвет, а на свет. Например, 119 «красных» колбочки в ответ в ответ на красный луч посылали сигнал белого цвета – человеку казалось, что он видит белый – и только 48 видели собственно красный. Среди «зелёных» белый цвет видели 77, а сам зелёный – только 21. Иными словами, большая часть колбочек, по крайней мере, из тех 273, которые удалось проверить, на самом деле нужна для того, чтобы отличить свет от темноты.
Потенциально все фоторецепторы могут чувствовать цвет, но далеко не все это делают. Кроме того, выяснилось, что те колбочки, которые находятся в окружении рецепторов другого оттенка (например, если «зелёная» сидит в окружении «красных») скорее склонны передавать белый сигнал – что несколько расходится с привычной точкой зрения, что в таком положении фоторецептор делается ещё более чувствительным к своему цвету. Полностью полученные результаты опубликованы в Science Advances.
Получается, что сетчатка делает двойную работу: с помощью «чёрно-белых» колбочек получается некое изображение, детализированное и с достаточно высоким разрешением, с подробно прорисованными контурами и тенями, а потом те рецепторы, которые всё-таки воспринимают цвет, «заливают» эти контуры красками, причём в том, что касается оттенков, разрешение картинки получается неважным. Работу по «раскрашиванию» окружающей действительности завершает мозг, комбинируя данные по цвету.
Это далеко не первый раз, когда сетчатка заставляет нас по-новому взглянуть на её функции. Так, несколько лет назад исследователи из Университета Квинсленда обнаружили, что отростки некоторых ганглионарных клеток сетчатки реагируют на направленное движение источника света, и посылают в мозг уже готовую информацию о том, что рядом что-то движется.
И можно также вспомнить, что в 2013 году в Current Biology вышла статья, авторы которой утверждали, что некоторые биполярные нейроны сетчатки, наряду с её же ганглионарными клетками, занимаются предварительным анализом зрительной информации, кодируя некоторые параметры, вроде интенсивности и направления света, и отправляя в мозг закодированные результаты своей аналитической работы.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Сообщить об опечатке
Текст, который будет отправлен нашим редакторам: