С помощью новой технологии под названием «Oz» учёные нашли способ заставить человеческий глаз увидеть совершенно новый цвет — сине-зелёный цвет невиданной насыщенности, который исследовательская группа назвала «olo».
«Это был невероятно насыщенный цвет между синим и зелёным… самый насыщенный природный цвет по сравнению с ним казался бледным», — говорит Остин Руорда, профессор оптометрии и науки о зрении в Школе оптометрии и науки о зрении Герберта Вертхайма при Калифорнийском университете в Беркли и один из создателей Oz.
Oz работает за счёт использования крошечных доз лазерного излучения для индивидуального управления до 1000 фоторецепторов в глазу одновременно. С помощью Oz команда может показать людям не только более потрясающий, чем что-либо в природе, зелёный цвет, но и другие цвета, линии, движущиеся точки, а также изображения младенцев и рыб.
Эта платформа также может быть использована для ответа на основные вопросы о человеческом зрении и потере зрения.
«Мы выбрали название Oz, потому что это было похоже на путешествие в страну Оз, чтобы увидеть этот яркий цвет, который мы никогда раньше не видели», — говорит Джеймс Карл Фонг, докторант в области электротехники и компьютерных наук (EECS) в Калифорнийском университете в Беркли.
«Мы создали систему, которая может отслеживать, нацеливать и стимулировать фоторецепторные клетки с такой высокой точностью, что теперь мы можем ответить на очень простые, но также и очень глубокие вопросы о природе цветового зрения человека», — говорит Фонг.
«Это даёт нам возможность изучить сетчатку человека в новом масштабе, который ранее был невозможен на практике».
Проблема с фоторецепторами
Человек способен видеть цвета благодаря трём различным типам фоторецепторных «колбочек», встроенных в сетчатку. Каждый тип колбочек чувствителен к разным длинам волн света: S-колбочки реагируют на более короткие, синие волны; M-колбочки — на средние, зеленоватые волны; а L-колбочки — на более длинные, красноватые волны.
Однако из-за эволюционной особенности световые волны, активирующие M- и L-колбочки, почти полностью перекрываются. Это означает, что 85% света, активирующего M-колбочки, также активирует L-колбочки.
«В мире нет такой длины волны, которая могла бы стимулировать только M-колбочку», — говорит старший автор исследования Рен Нг, профессор EECS в Калифорнийском университете в Беркли. — «Я начал задаваться вопросом, как бы это выглядело, если бы можно было активировать все M-колбочки. Было бы это похоже на самый зелёный из всех зелёных цветов, которые вы когда-либо видели?»
Чтобы узнать это, Нг объединился с Руордой, который создал технологию, использующую крошечные микродозы лазерного излучения для нацеливания и активации отдельных фоторецепторов. Руорда называет эту технологию «микроскопом для изучения сетчатки», и она уже используется офтальмологами для изучения заболеваний глаз.
Но чтобы человек действительно смог воспринять совершенно новый цвет, Нг и Руорда должны были найти способ активировать не одну колбочку, а тысячи.
Видеть невозможные цвета
Фонг впервые начал работать над проектом Oz в 2018 году в качестве студента-инженера и создал большую часть сложного программного обеспечения, необходимого для преобразования изображений и цветов в тысячи крошечных лазерных импульсов, направленных на человеческую сетчатку.
«Я присоединился после встречи с другим студентом, который работал с Реном и рассказал мне, что они стреляют лазерами в глаза людям, чтобы заставить их видеть невозможные цвета», — говорит Фонг.
Для работы Oz сначала нужна карта уникального расположения S, M и L колбочек на сетчатке человека. Чтобы получить эти карты, исследователи сотрудничали с Рамкумаром Сабесаном и Вималом Прабху Пандияном из Вашингтонского университета, которые разработали оптическую систему, способную визуализировать человеческую сетчатку и идентифицировать каждую колбочку.
Имея карту колбочек, система Oz может быть запрограммирована на быстрое сканирование лазерным лучом небольшого участка сетчатки, посылая крошечные импульсы энергии, когда луч достигает колбочки, которую он хочет активировать, и оставаясь выключенным в противном случае.
Лазерный луч имеет только один цвет — такой же оттенок, как у зелёной лазерной указки, — но, активируя комбинацию S, M и L колбочек, он может заставить глаз видеть изображения в полном спектре цветов. Или, преимущественно активируя M-колбочки, Oz может показать людям цвет olo.
«Если вы посмотрите на ноготь своего указательного пальца на расстоянии вытянутой руки, это будет примерно размером с дисплей», — говорит Руорда. — «Но если бы мы могли, мы бы заполнили всё визуальное пространство, как в IMAX».
Момент «вау»
Ханна Дойл, докторант по специальности EECS и соавтор статьи, разработала и провела эксперименты с участием людей с использованием Oz. Пятеро испытуемых получили возможность увидеть цвет olo, включая Руорду и Нга, которые знали о цели исследования, но не о конкретных деталях того, что они увидят.
В одном эксперименте Дойл попросила участников сравнить olo с другими цветами. Они описали его как сине-зелёный или цвет пера павлина и сообщили, что он был гораздо более насыщенным, чем ближайший монохроматический цвет.
«Самые насыщенные цвета, которые вы можете испытать в природе, — это монохроматические цвета. Одним из примеров является свет от зелёной лазерной указки», — говорит Руорда. — «Когда я сравнил olo с другим монохроматическим светом, у меня действительно возникло ощущение „вау“».
Дойл также попыталась «раскачивать» лазер Oz, направляя его слегка не в цель, чтобы световые импульсы попадали на случайные колбочки, а не только на M-колбочки. Участники сразу перестали видеть olo и начали видеть обычный зелёный цвет лазера.
«Я не был участником этого исследования, но позже видел olo, и это очень впечатляет. Вы знаете, что смотрите на что-то очень сине-зелёное», — говорит Дойл. — «Когда лазер начинает „раскачиваться“, обычный цвет лазера почти выглядит жёлтым, потому что разница настолько резкая».
Перспективы
Oz полезен не только для проецирования крошечных фильмов в глаз. Исследовательская группа уже ищет способы использования этой технологии для изучения заболеваний глаз и потери зрения.
«Многие заболевания, вызывающие ухудшение зрения, связаны с потерей колбочек», — говорит Дойл. — «Одно из направлений, которое я сейчас изучаю, — это использование этой активации колбочки за колбочкой для имитации потери колбочек у здоровых людей».
Они также изучают, может ли Oz помочь людям с цветовой слепотой увидеть все цвета радуги или может ли эта технология позволить людям видеть в тетрахроматическом цвете, как если бы у них было четыре набора колбочек.
Это также может помочь ответить на более фундаментальные вопросы о том, как мозг осмысливает сложный мир вокруг нас.
«Мы обнаружили, что можем воссоздать нормальное визуальное восприятие, просто манипулируя клетками — не проецируя изображение, а просто стимулируя фоторецепторы. И мы обнаружили, что можем расширить это визуальное восприятие, что мы и сделали с olo», — говорит Руорда.
«До сих пор остаётся загадкой, сможет ли мозг осмыслить расширенные сигналы или новые сенсорные входные данные и оценить их? И мне нравится верить, что он сможет. Я думаю, что человеческий мозг — это действительно замечательный орган, который отлично справляется с осмыслением входных данных, существующих или даже новых».
Поддержка этой работы была получена через стипендию Хеллмана, грант FHL Vive Center Seed Grant, гранты Управления научных исследований ВВС, грант Национальных институтов здравоохранения и премию карьерного роста Фонда Бурроуза Веллкома на научной границе.
Источник: Калифорнийский университет в Беркли.