Зрение: глаз, сетчатка и обработка

Глаз — не камера: сетчатка уже на месте сжимает и обрабатывает изображение, прежде чем послать его в мозг.

Фоторецепторы — палочки (свет/сумерки, без цвета) и колбочки (цвет, яркий свет) — превращают фотоны в электрический сигнал.

Оптика и трансдукция

Свет проходит роговицу и хрусталик, фокусируется на сетчатке. В фоторецепторе пигмент (родопсин) поглощает фотон и запускает каскад, изменяющий мембранный потенциал. Любопытно: в темноте фоторецептор активен, а свет его гиперполяризует.

Три типа колбочек

Цвет кодируется отношением сигналов трёх типов колбочек — S (синий), M (зелёный), L (красный). Мозг сравнивает их выходы: это трёхкомпонентная теория цветового зрения.

Рецептивные поля

Ганглиозная клетка сетчатки «смотрит» на кружок поля с центром и окружением противоположного знака (on-center/off-surround). Такая структура — детектор контраста: равномерный свет почти не возбуждает клетку, а пятно на фоне — сильно.

Как работает под капотом

Смоделируем on-center/off-surround клетку: центр возбуждает, кольцо тормозит. Подадим равномерный свет и пятно:

def ganglion_response(center, surround):
    return 3.0 * center - 1.0 * surround   # центр +, окружение -

print("Равномерный свет (центр=5, окружение=5):", ganglion_response(5, 5))
print("Светлое пятно   (центр=8, окружение=2):", ganglion_response(8, 2))
print("Тёмное пятно    (центр=1, окружение=6):", ganglion_response(1, 6))

Вывод:

Равномерный свет (центр=5, окружение=5): 10.0
Светлое пятно   (центр=8, окружение=2): 22.0
Тёмное пятно    (центр=1, окружение=6): -3.0

Клетка сильнее реагирует на контраст (светлое пятно), чем на ровный свет, а тёмное пятно даже подавляет её — так сетчатка выделяет границы.

Дальше в мозг

Сигнал идёт по зрительному нерву в таламус (LGN), затем в зрительную кору V1, где нейроны детектируют ориентированные линии (работа Хьюбела и Визеля, Нобелевская премия). Дальше — всё более сложные признаки вплоть до распознавания лиц.

Частые ошибки

Думать, что глаз = фотоаппарат. Сетчатка активно обрабатывает изображение на месте.
Считать, что свет деполяризует фоторецептор — наоборот, гиперполяризует.
Путать палочки и колбочки: палочки чувствительнее, но не различают цвет.

Итог

Палочки — сумерки без цвета, колбочки (S/M/L) — цвет при ярком свете.
Рецептивные поля on-center/off-surround детектируют контраст.
Иерархия зрения: сетчатка → LGN → V1 → высшие зоны.