Ученые создали новый цвет, который никто никогда не видел

Ученые создали новый цвет, которого никогда прежде не видели человеческие глаза.
Ученые из Калифорнийского университета в Беркли разработали технологию, которая позволяет напрямую стимулировать отдельные фоторецепторы в человеческой сетчатке, что дает возможность людям воспринимать цвета, которые никогда ранее не видели. Используя технику, которую они назвали "Оз", ученые создали яркий голубовато-зеленый оттенок – описанный как "беспрецедентный" по насыщенности и названный "оло" – который выходит за пределы диапазона цветов, обычно воспринимаемых человеческим зрением. Их результаты, недавно опубликованные в Science Advances, предлагают мощный новый инструмент для изучения зрения.

Целью проекта было исследовать, что происходит, когда свет направляется не широко по всему глазу, а точно к конкретным конусным клеткам, отвечающим за восприятие цвета. Исследование строится на более ранних работах по теории цвета и визуализации сетчатки. Традиционные технологии цветного отображения работают за счет смешивания красного, зеленого и синего света для стимуляции клеток L (долговолновые), M (средневолновые) и S (коротковолновые).

Но это всегда связано с наложением между различными типами конусов из-за их общей чувствительности. Система Оз пытается сделать нечто совершенно иное: стимулировать лишь один тип конуса — особенно M-конус — при этом полностью избегая других. Этот вид точной активации невозможен с помощью обычного освещения или экранов, но становится возможным благодаря точно направляемой лазерной стимуляции.

"Я преподаватель курса визуальных вычислений в UC Berkeley. Подготавливаясь к лекциям по цвету несколько лет назад, я наткнулся на работу профессора Остина Рорды по картированию клеток в живой человеческой сетчатке и стимуляции отдельных конусных клеток", - объяснил Рен Нг, доцент кафедры электротехники и информатики.

"С точки зрения теории цвета было ясно, что никакой свет не может стимулировать только M-клетки в сетчатке при нормальном зрении, поэтому я был полон любопытства по поводу того, как будет выглядеть цветной квадрат, где только M-клетки стимулируются. Мы объединили усилия, подружились и на протяжении нескольких лет продолжали это исследование вместе."

Для проведения эксперимента исследователи сначала должны были детально замотировать сетчатку каждого участника. Пять испытуемых с нормальным цветовым зрением прошли адаптивную оптическую сканирование и визуализацию сетчатки, чтобы классифицировать L, M и S конусы в небольшой области своей сетчатки. Затем, используя усовершенствованную оптическую систему, которая отслеживает движения глаз и компенсирует их в реальном времени, они доставляли лазерные микродозы непосредственно к определенным конусам в квадратной визуальной области 0.9 ° — примерно размером с зерно риса, держа его на вытянутой руке.

Это целенаправление требовало как быстрой отслеживания движения глаз, так и невероятно тонко настроенного оборудования для регулировки лазерного луча в реальном времени. Даже небольшая ошибка могла бы стимулировать неправильный конус и привести к обычным цветам. Но при точной работе стимуляция только M-конусов создала визуальный опыт, выходящий за пределы того, что люди обычно видят в природе.

"Когда я изначально написал Остину, я предположил, что цвет только M-конусов может выглядеть как 'самый зеленый зеленый, который вы никогда не видели' — поэтому мы назвали систему показывать это 'Оз Вижн', намекая на блестящий зеленый цвет Изумрудного города в 'Волшебнике страны Оз'"," - сказал Нг ПсиПост.

"Но оlo выглядел голубовато-зеленым. Когда производительность системы Оз возросла до той степени (это заняло годы улучшений), чтобы увидеть оlo в первый раз, этот оттенок поразил меня, радовал и волновал меня — потому что это было такое четкое визуальное изменение, которое означало, что сейчас система близка к нацеливанию на отдельные клетки сетчатки в масштабе популяции."

В экспериментах по сопоставлению цветов участники сравнивали этот новый цвет с другими и последовательно сообщали, что его не удается сопоставить с любым естественным или искусственным источником света. Они описали его как высоконасыщенный бирюзовый или голубовато-зеленый, который можно было бы лишь приближенно получить путем смешивания с белым светом. Это несоответствие подтвердило, что “оло” существует за пределами обычной гаммы цветов человеческого восприятия.

Исследователи не остановились на цветных пятнах. Они также использовали систему Оз для отображения линий и движущихся точек в виде изображений и видео, таких как красные формы на фоне оlo. В этих заданиях испытуемые успешно воспринимали ориентацию и движение только тогда, когда лазерные микродозы были доставлены точно. Когда нацеливание было намеренно нарушено, эти формы исчезали или теряли свои четкие цвета, снижая производительность испытуемых до угадываний. Это подтвердило, что воспринимаемые изображения формируются благодаря точной стимуляции клетка за клеткой, а не от каких-либо врожденных качеств самого лазера.

"Как мы видели за последние несколько дней, само существование оlo, гипернасыщенного бирюзового цвета, выходящего за пределы человеческой цветовой гаммы, вызвало огромное воображение публики", - сказал Нг. "Это естественно, потому что, как люди, мы очень визуальные существа, и цвет здесь, в центре нашего повседневного восприятия — что может быть более естественным и полным, чем наше личное восприятие цвета? Я надеюсь, что люди воспримут из этой истории чувство удовольствия, которое может возникнуть из научного исследования, расширения наших знаний и осознания вещей, находящихся чуть за гранью того, что мы можем увидеть сегодня."

Техническая достижимость системы Оз заключается в ее способности программировать сетчатку с беспрецедентной точностью. Хотя другие методы — такие как молчаливые замещения или эффекты адаптации — использовались для исследования активации специфических конусов, им не хватает устойчивого контроля, пространственного разрешения или диапазона, которые предоставляет Оз. Прямо стимулируя тысячи конусов с помощью быстрых импульсов света, система может создавать стабильные и измеримые цветовые впечатления, а не только мимолетные образцы.

Результаты исследования имеют значительное значение как с научной, так и с практической стороны. С научной точки зрения они предлагают новый способ понимания границ и возможностей человеческого зрения. Поскольку все предыдущие исследования восприятия цвета были ограничены спектральной чувствительностью конусных клеток, Оз открывает путь к исследованию того, что делает мозг, когда получает сигналы, которые не возникают в природе. Это также позволяет исследователям тестировать, как визуальное восприятие формируется из шаблонов активации конусов, что потенциально может прояснить модели визуальной обработки на нейронном уровне.

С практической точки зрения, платформа Оз может иметь будущие приложения в науке о зрении, клинической диагностике или даже развлечениях. Например, ее можно будет использовать для тестирования или тренировки людей с цветовыми дефектами, имитируя наличие отсутствующего фотопигмента. Она даже может позволить восприятие "воображаемых" цветов людям, которые обычно воспринимают мир только в двух или трех цветах. При дальнейшем совершенствовании, Оз потенциально мог бы улучшить виртуальные или дополненные реальности, расширив палитру воспринимаемых цветов за пределы того, что любой дисплей может сейчас показать.

Существуют ограничения текущей системы. Она работает только в небольшой области сетчатки и требует, чтобы испытуемый сохранял строгое фиксирование взгляда. Расширение этой техники для свободного просмотра или стимуляции более широкого поля зрения потребует значительных технологических достижения как в оптике, так и в вычислениях. Метод также ограничен лабораторными условиями, полагаясь на оборудование, которое в настоящее время слишком сложное и дорогое для широкого использования.

"Это базовый научный проект, а не усилие по разработке технологии или продукта", - отметил Нг. "Люди должны понимать, что они не увидят оlo на своих смартфонах или телевизорах в ближайшее время. Кроме того, Оз Вижн в настоящее время является очень маленьким дисплеем – размером с ваш ноготь на расстоянии вытянутой руки или в 5 раз больше площади полной луны."

Тем не менее, достигнутое в этом исследовании доказательство принципа является важным шагом вперед. Показав, что возможно программировать сетчатку на уровне отдельных клеток и вызывать перцепционные переживания, которые выходят за пределы естественного восприятия, исследователи ввели новый класс технологии отображения — основанный не на пикселях, а на биологии глаза.

"Оло является визуальным знаком того, что Оз Вижн теперь готов к широкой научной работе — мы можем программируемо устанавливать активацию тысяч фоторецепторов в сетчатке, как базовую платформу для науки о зрении и нейронаучных исследований", - объяснил Нг. "Некоторые непосредственные цели — это симуляция и исследование визуального восприятия, происходящего при заболеваниях, где большая доля клеток погибла, но пациенты визуально не осознают; а также исследовать увеличение цветового измерения, например, повышая цветовую слепоту до полноценного цвета, или полный цвет до тетрахроматического восприятия.

"Но долгосрочный вопрос это научная загадка, лежащая в основе восприятия. Сигналы из сетчатки так резко отличаются от нашего опыта цветового зрения, и остается загадкой, как мозг осмысляет такие сигналы и создает цветовое восприятие, которое мы наслаждаемся каждую минуту бодрствования. Система Оз Вижн позволяет нам научно исследовать это перцепционное чудо беспрецедентным образом и, надеюсь, пролить свет на лежащие в его основе нейронные механизмы."

"Хочу выделить Джеймса Фонга и Ханну Дойл, аспирантов, которые совместно вели эту работу к успеху много лет, требуя огромного таланта и настойчивости", - добавил Нг. "И моего хорошего друга и сотрудника Остина Рорду, который десятилетиями работал над наукой и технологией заглядывания в глаз, видя отдельные клетки в сетчатке и стимулируя их с поразительной точностью."

Исследование "Новый цвет через стимуляцию отдельных фоторецепторов в масштабе популяции" было написано Джеймсом Фонгом, Ханной К. Дойл, Конгли Вангом, Александрой Е. Бехм, Софи Р. Хербек, Вималом Прабху Пандианом, Брайаном П. Шмидтом, Паваном Тирувидхулой, Джоном Е. Ванстоном, Уильямом С. Тютеном, Рамкумаром Сабесаном, Остином Рорда и Реном Нг.