W oryginalnej powieści Franka Bauma The Wonderful Wizard of Oz, Emerald City jest tak genialnym odcieniem zieleni, że goście muszą nosić zielone okulary, aby chronić oczy przed „jasnością i chwałą” miasta.
Okulary są jednym z wielu oszustw czarodzieja; Miasto oglądane przez zielone okulary wyglądałyby oczywiście tylko na zielono.
Ale stosując nową technikę o nazwie „Oz”, naukowcy z University of California w Berkeley, znaleźli sposób na manipulowanie ludzkim okiem, aby zobaczyć nowy kolor-niebiesko-zielony kolor niezrównanego nasycenia, który zespół badawczy nazwał „Olo”.
„To było jak głęboko nasycona turkus… najbardziej nasycony naturalny kolor był po prostu blady” – powiedział Austin Roorda, profesor optometrii i wizji w Herbert Wertheim Science of Optometria & Vision Science UC Berkeley.
Oz działa przy użyciu drobnych dawek światła laserowego do indywidualnej kontroli do 1000 fotoreceptorów w oku jednocześnie. Korzystając z Oz, zespół jest w stanie pokazać ludziom nie tylko zielony bardziej oszałamiający niż cokolwiek w naturze, ale także inne kolory, linie, poruszające się kropki i obrazy dzieci i ryb.
Platformę można również wykorzystać do odpowiedzi na podstawowe pytania dotyczące utraty wzroku ludzkiego i wizji.
„Zdecydowaliśmy się, że Oz był nazwą, ponieważ to było tak, jakbyśmy jechali do krainy Oz, aby zobaczyć ten genialny kolor, którego nigdy wcześniej nie widzieliśmy” – powiedział James Carl Fong, doktorant z inżynierii elektrycznej i nauk komputerowych (EEC) w UC Berkeley.
„Stworzyliśmy system, który może śledzić, ukierunkować i stymulować komórki fotoreceptorów z tak wysoką precyzją, że możemy teraz odpowiedzieć na bardzo podstawowe, ale także bardzo prowokujące do myślenia, pytania o naturę ludzkiego widzenia kolorów”-powiedział Fong. „Daje nam to sposób na badanie ludzkiej siatkówki na nową skalę, która nigdy nie była możliwa w praktyce”.
Technikę Oz opisano w nowym badaniu opublikowanym w zeszłym tygodniu w czasopiśmie Science Advances. Prace zostały częściowo sfinansowane przez dotacje federalne z National Institutes of Health i Air Force Sorce Office of Scientific Research.
Niewykorzystane fotoreceptory
Ludzie są w stanie zobaczyć w kolorze dzięki trzem różnym rodzajom komórek „stożkowych” fotoreceptorów osadzonych w siatkówce. Każdy rodzaj stożka jest wrażliwy na różne długości fali światła: S stożki wykrywa krótsze, długości fali Bluer;, M -dżenki wykrywają pożywkę, zielonkawowe długości fali; i stożki L wykrywają dłuższe, czerwonawe długości fali.
Jednak z powodu ewolucyjnego dziwactwa długości fali światła aktywujące stożki M i L są prawie całkowicie pokrywające się. Oznacza to, że 85% światła, które aktywuje stożki M również aktywuje S Rones.
„Na świecie nie ma długości fali, która może stymulować tylko stożkę M” – powiedział starszy autor badania Ren Ng, profesor EECS na UC Berkeley – „zacząłem zastanawiać się, jak by to wyglądało, gdybyś mógł po prostu stymulować wszystkie komórki stożkowe. Czy byłoby jak najlepiej zielona zielona, jaką kiedykolwiek widziałeś?”
Aby się dowiedzieć, NG połączyło siły z Roordą, która stworzyła technologię, która wykorzystała małe mikrodozy światła laserowego do celowania i aktywowania poszczególnych fotoreceptorów. Roorda nazywa tę technologię „mikroskopem do patrzenia na siatkówkę” i jest już używany przez okulistyki do badania choroby oczu.
Ale aby człowiek faktycznie postrzegał zupełnie nowy kolor, NG i Roorda musieliby znaleźć sposób na aktywację nie tylko jednej komórki stożkowej, ale tysiące z nich.
Ekran filmu wielkości paznokci
Fong po raz pierwszy rozpoczął pracę nad projektem Oz w 2018 r. Jako student inżynierii licencjackiej i stworzył wiele złożonego oprogramowania potrzebnego do przetłumaczenia obrazów i kolorów na tysiące małych impulsów laserowych skierowanych na ludzką siatkówkę.
„Dołączyłem po spotkaniu z drugim uczniem, który pracował z Ren, który powiedział mi, że strzelają do laserów w oczy ludzi, aby zobaczyć niemożliwe kolory” – powiedział Fong.
Aby Oz działał, najpierw potrzebujesz mapy unikalnego układu komórek stożkowych S, M i L na siatkówce jednostki. Aby uzyskać te mapy, naukowcy współpracowali z Ramkumar Sabesan i Vimal Prahbhu Panandiyan z University of Washington, którzy opracowali system optyczny, który może wyobrazić sobie siatkówkę ludzką i identyfikować każdą komórkę stożkową.
Z mapą stożek jednostki, system Oz można zaprogramować w celu szybkiego skanowania wiązki laserowej na niewielkiej plamce siatkówki, dostarczając małe impulsy energii, gdy wiązka osiąga stożczyk, który chce aktywować, a poza tym pozostanie.
Belka laserowa ma tylko jeden kolor – ten sam odcień co zielony wskaźnik laserowy – ale poprzez aktywację kombinacji komórek stożkowych S, M i L, może oszukać oko do oglądania obrazów w pełnej technika. Lub, przede wszystkim aktywacją komórek stożkowych, Oz może pokazać ludziom kolor o olo.
„Jeśli spojrzysz na swoje indeksowe paznokcie na długości ramienia, to mniej więcej wielkości wyświetlacza” – powiedziała Roorda. „Ale gdybyśmy mogli, wypełnilibyśmy całą przestrzeń wizualną jak IMAX”.
Doświadczenie „wow”
Hannah Doyle, doktorantka w EECS i autorka, autorka artykułu, zaprojektowała i przeprowadzała eksperymenty z Oz. Pięciu ludzi miało okazję zobaczyć kolor OLO, w tym Roorda i NG, którzy byli świadomi celu badania, ale nie szczegółów tego, co zobaczą.
W jednym eksperymencie Doyle poprosił uczestników o porównanie Olo z innymi kolorami. Opisali to jako niebiesko-zieloną lub pawi zieloną i zgłosili, że był znacznie bardziej nasycony niż najbliższy monochromatyczny kolor.
„Najbardziej nasycone kolory, jakie możesz doświadczyć w naturze, to monochromatyczne. Światło z zielonego wskaźnika laserowego jest jednym z przykładów” – powiedziała Roorda. „Kiedy przypiąłem Olo przeciwko innym monochromatycznym światłem, naprawdę miałem to doświadczenie„ wow ””.
Doyle próbował także „roztrząsać” laser OZ, kierując go tak bardzo odręcznie poza cel, aby lekkie impulsy uderzały w losowe stożki, a nie tylko M. Uczestnicy natychmiast przestali widzieć Olo i zaczęli widzieć zwykłą zieleń lasera.
„Nie byłem przedmiotem tego artykułu, ale od tamtej pory widziałem Olo i to bardzo uderzające. Wiesz, że patrzysz na coś bardzo niebiesko-zielonego”-powiedział Doyle. „Kiedy laser zostaje roztrzęsiony, normalny kolor lasera prawie wygląda jak żółty, ponieważ różnica jest tak surowa”.
Sondowanie natury widzenia kolorów
Oz jest nie tylko przydatny do wyświetlania małych filmów w oku. Zespół badawczy już znajduje sposoby na wykorzystanie tej techniki do badania choroby oczu i utraty wzroku.
„Wiele chorób powodujących upośledzenie wzroku obejmuje utracone komórki stożkowe” – powiedział Doyle. „Jedną z aplikacji, którą teraz badam, jest użycie tego stożka przez aktywację stożka do symulacji utraty stożka u zdrowych osób”.
Badają również, czy Oz może pomóc osobom o ślepotę kolorów, aby zobaczyć wszystkie kolory tęczy, czy też technikę można zastosować, aby umożliwić ludziom widzieć w kolorze tetrachromatycznym, jakby mieli cztery zestawy komórek stożkowych.
Może również pomóc w odpowiedzi na bardziej fundamentalne pytania dotyczące tego, jak mózg ma sens złożonego otaczającego nas świat.
„Stwierdziliśmy, że możemy odtworzyć normalne doświadczenie wizualne, po prostu manipulowanie komórek – nie przez rzucenie obrazu, ale po prostu poprzez stymulowanie fotoreceptorów. I stwierdziliśmy, że możemy również rozszerzyć to doświadczenie wizualne, które zrobiliśmy z OLO” – powiedziała Roorda. „Nadal jest to tajemnica, czy jeśli rozszerzysz sygnały, czy wygenerujesz nowe wkłady sensoryczne, czy mózg będzie w stanie je zrozumieć i docenić? I, wiesz, lubię wierzyć, że to możliwe. Myślę, że ludzki mózg jest tym naprawdę niezwykłym organem, który świetnie nadaje sens, istniejący lub nowy”.
Dodatkowi autorzy badania to Congli Wang, Alexandra E. Boehm, Sophie R. Herbeck, Brian P. Schmidt, Pavan Tiruveedhula, John E. Vanston i William S. Tuten z UC Berkeley. Prace te były wspierane przez Hellman Fellowship, FHL Vive Center Seed Grant, Air Force Office of Scientific Research Grants (FA9550-20-1-0195, FA9550-21-1-0230) i A Burroughs Fund Award (R01EY023591, R01EY029710, U01EY032055) i A Burroughs.