С помощью этой техники исследователи позволили пяти людям увидеть новый цвет, получивший название «оло», который участники исследования описали как «сине-зеленый беспрецедентной насыщенности». Исследователи, некоторые из которых сами участвовали в эксперименте, описали свою технику и новый цвет в исследовании, опубликованном в пятницу (18 апреля) в журнале Science Advances.

«Конечная цель — обеспечить программируемый контроль над каждым фоторецептором [светочувствительной клеткой] в сетчатке», в первую очередь для исследовательских целей, — говорит соавтор работы Джеймс Фонг, докторант факультета компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли. «Несмотря на то, что до сих пор не было достигнуто такого уровня, метод, который мы представляем в данном исследовании, демонстрирует, что многие ключевые принципы возможны на практике», — сказал Фонг в электронном письме Live Science.

По словам исследователей, управление сетчаткой на таком гранулированном уровне может открыть новые пути изучения зрения. Например, ученые могут использовать систему для воспроизведения эффектов различных глазных заболеваний, чтобы лучше понять потерю зрения, которую они вызывают. Теоретически эта техника также может быть использована для имитации полноцветного зрения у людей, страдающих дальтонизмом, по сути компенсируя их недостающие или дефектные фоторецепторы.

Теоретически, если использовать систему для ознакомления мозга с новыми визуальными данными и схемами стимуляции сетчатки, «возможно, этот человек [дальтоник] научится видеть новое измерение цвета», — предположил Фонг.

Путешествие в страну Оз

Глаза человека содержат светочувствительные клетки, называемые фоторецепторами, которые бывают двух видов: палочки и колбочки. Палочки обеспечивают ночное зрение, поскольку они реагируют на относительно низкие уровни фотонов, или пакетов электромагнитного излучения.

При ярком свете за дело берутся колбочки, которые специализируются на обнаружении определенных длин волн видимого света — красного, зеленого и синего. Эти три типа колбочек называются соответственно «L», «M» и «S» — по длинным, средним и коротким длинам волн видимого спектра, к которым они наиболее чувствительны.

После активации колбочек цветовое зрение зависит от того, как мозг интерпретирует схемы активации этих трех типов клеток на сетчатке. Каждый паттерн действует как код, причем разные коды открывают разные восприятия цветов и интенсивности света.

Колбочки M наиболее чувствительны к зеленому цвету, но технически они реагируют на целый спектр цветов, который полностью перекрывает длины волн, на которые реагируют колбочки L и S. Таким образом, в естественных условиях вы не можете активировать колбочки M, не активируя при этом колбочки L и S. Ученые задались вопросом, что произойдет, если нарушить это правило и активировать исключительно колбочки M.

«Изначально мы начали этот проект специально для изучения стимуляции колбочек М», — говорит Фонг. «Но вскоре нам стало ясно, что [требуемая] базовая технология может быть широко полезна для изучения зрительных функций на новом уровне масштаба и точности».

Они назвали свою технологию стимуляции сетчатки «Оз» в честь очков с зеленым оттенком, которые носят жители Изумрудного города в оригинальных книгах «Волшебника страны Оз». Подход требует создания подробной карты сетчатки глаза каждого пользователя. Чтобы создать такую карту, исследователи начали с того, что сняли несколько видеозаписей сетчатки и сшили их вместе, чтобы получить представление о том, как выглядят ткани.

После этого колбочки L, M и S были помечены; расположение этих клеток уникально в сетчатке каждого человека, отметил Фонг. Чтобы определить идентичность каждой колбочки, исследователи использовали метод адаптивной оптической когерентной томографии (АО-ОКТ), в рамках которого светили на клетки и измеряли, как они меняют форму; эта реакция зависит от того, к каким длинам волн чувствительна та или иная колбочка.

Получив подробную карту сетчатки, команда провела эксперименты. Каждый участник сидел перед дисплеем с небольшим квадратом в центре, где разворачивалась стимуляция Oz. Стимуляция была направлена на определенные типы колбочек с помощью лазерного излучения видимой длины волны, называемого лазерными микродозами. Таким образом, чтобы включить только колбочки M, система направляла лазеры только на эти клетки.

Во время эксперимента ученые также использовали видеоизображение глаза в реальном времени, и подход учитывал тонкие движения глаза, чтобы лазеры попадали в цель.

Выявление нового цвета

Стимуляция только колбочек M позволила выявить цвет olo, название которого отсылает к координатам на 3D-карте цвета — «0, 1, 0». «О» — это ноль, означающий отсутствие стимуляции колбочек L и S, а «л» — это 1, означающая полную стимуляцию колбочек M. После изолированной стимуляции оло ученые также смогли включить этот цвет в изображения и видео, которые просматривали участники эксперимента.

Один из способов представить себе оло — подумать о свете зеленой лазерной указки, а затем увеличить его насыщенность. По сравнению с оло монохроматический лазерный свет выглядит «бледным», сказали некоторые участники. «Я не могу себе представить, как что-то еще может быть настолько насыщенным, что лазер начинает выглядеть бледным по сравнению с ним», — сказал Фонг.

Хотя Oz уже может расширить границы человеческого зрения, у него есть некоторые ограничения в его нынешней установке.

Например, участники не могут смотреть прямо на дисплей Oz, отметил Фонг, потому что колбочки в самом центре сетчатки очень маленькие, что затрудняет локализацию лазерного света. Поэтому участники исследования смотрели на Oz периферийным зрением, глядя на фиксированную точку, расположенную немного в стороне от квадрата.

В конечном итоге Oz можно будет применять на фовеа — центральной части сетчатки, которая обеспечивает сверхчеткое зрение, — но «на практике это будет очень сложно», — говорит Фонг.

Еще одно ограничение заключается в том, что в настоящее время пользователи должны фиксировать взгляд в одной точке, чтобы использовать Oz, потому что в качестве доказательства концепции ученые отобразили только небольшую часть сетчатки, содержащую тысячи колбочек. Если позволить людям свободно перемещать взгляд, это создаст «существенные технические проблемы», пишут авторы в своей работе. Это связано с тем, что необходимо будет отобразить большую часть сетчатки, а метод доставки микродоз должен быть чрезвычайно точным, чтобы отслеживать движение глаз.

Сейчас ученые изучают идею использования Oz для изучения и лечения дальтонизма, а также для стимуляции четвертого типа колбочковых клеток. Это происходит естественным образом у некоторых людей и приводит к редкой способности, называемой тетрахроматией, которая повышает их чувствительность к цвету. Команда также использует Oz для моделирования различных заболеваний глаз.

За пределами научных исследований Oz теоретически можно было бы использовать для повседневных цветных дисплеев, таких как экран телевизора или телефона, но такое применение кажется очень маловероятным, говорит Фонг.

«Наш нынешний метод зависит от высокоспециализированных лазеров и оптики, которые точно не появятся в смартфонах или телевизорах в ближайшее время», — сказал он. Так что пока оло останется редким цветом, который увидят лишь единицы.

В дальнейших исследованиях команда планирует усовершенствовать технологию Oz, чтобы она могла стимулировать большую область сетчатки и не требовала от пользователя фиксации взгляда. Это позволит сделать эксперименты более реалистичными и приблизить систему к практическому применению. Они также изучают возможность использования Oz для создания персонализированных цветовых профилей для людей с нормальным зрением. Это может позволить им видеть мир в уникальных цветовых комбинациях, недоступных для других.

Помимо изучения дальтонизма и тетрахроматии, ученые также заинтересованы в использовании Oz для исследования влияния цвета на эмоции и поведение. Они планируют проводить эксперименты, в которых участники будут подвергаться воздействию различных цветов и оттенков, созданных с помощью Oz, и измерять их физиологические и психологические реакции. Это может привести к новым открытиям о том, как цвет влияет на наше настроение, восприятие и принятие решений.

Несмотря на то, что до широкого применения Oz еще далеко, эта технология открывает новые горизонты в изучении человеческого зрения и его возможностей. Она позволяет ученым заглянуть за пределы привычного цветового спектра и исследовать, как мозг интерпретирует визуальную информацию. В будущем Oz может привести к разработке новых методов лечения заболеваний глаз, улучшению качества жизни людей с дальтонизмом и даже расширению наших представлений о том, что значит видеть.

Возможно, в один прекрасный день технология, подобная Oz, действительно появится в потребительских устройствах, позволяя нам видеть мир в совершенно новых красках. А пока мы можем только гадать, какие еще цвета скрываются за пределами нашего обычного восприятия и какие удивительные открытия ждут нас в будущем.