生物 - 点子集

视觉

更多谱段的视觉细胞

如果人的眼睛中除了处理三种波段的细胞,还有另外的处理其他种类的视锥细胞,那么可以感受更复杂的视觉。

人类的视觉

人感受颜色是通过视锥细胞来实现的,三种视锥细胞为 L 型(长波段,红色),M 型(中间波段,绿色),S 型(短波段,蓝色段)。顺便一只人眼中大约有六七百万的视锥细胞。

三种视锥细胞能感受的光谱。来源:[File:Cones SMJ2 E.svg](https://en.wikipedia.org/wiki/File:Cones_SMJ2_E.svg) ,GNU Free Documentation License.

仔细的说来,通过视锥细胞里面的三种不同的蛋白质来响应不同的波段的光信号。然后信号被传递到大脑中,经过复杂的过程,才形成了我们的视觉。

从数学上来看,视网膜所做的,是进行零散的傅里叶展开:使用 L,M,S 三组颜色完备基矢来展开光信号。例如某种与位置和时间有关的信号落在视网膜上。我们的视网膜对光信号做了如下处理:

这里面 $r$, $\theta$ 是用来指定在视网膜上的位置的, $\lambda$ 是波长。也就是说除了偏振以外的所有的光信息可以看做一个光谱,与视网膜上的位置有关,并且随着时间变化。使用 L,M,S 三组基矢我们把这个光信息展开了。

然而这是不完备的展开,仅仅是在三色颜色空间的展开。严格来说,我们需要的是一个连续的傅里叶展开。

例如一个例子是四色型视觉(tetrachromacy)。鲫鱼和斑马鱼具有四色型视觉,他们除了能够感受人能感受到的红绿蓝之外,还能感受到紫外波段。1 另外的例子是某些鸟类,例如 斑胸草雀2 ,可以看到紫外,波长短至 300nm。既然谈到了四色型视觉,那么五色型视觉呢?六色型视觉呢?

斑马鱼可以看到紫外的波段。[^2]

斑胸草雀。来源 [File:Zebra finch.jpg](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Zebra_finch.jpg)
人类的四色型视觉

实际上有人类四色型视觉的案例。3 然而,在人的身上,即便我们有了响应第四种波段的光的细胞,这个信号能否单独的预处理并传递给大脑皮层,需要很多其他的研究需要确认。

有些人可能是潜在的四色型视觉,他们可能比正常人多出一类细胞即 L’ 型,可以感受红绿之间的一个波段。

L' 细胞的感光用虚线标出。灰色谱是被观测物体的谱。来自 [此视频](https://www.youtube.com/watch?v=9JnyL9t4U8s&list=PL0E0WeeWBt-94L7HvAxmVA2InA09a0vPt) 的屏幕截图。

既然是脑洞文,如果一个人想要看到紫外波段呢? 一个可能的脑洞是:干细胞->敲掉基因->换上新的蛋白对应的基因->培养成视锥细胞->植入视网膜(替换原来某些视锥细胞)。4 然而这解决了探测器的问题,我们还需要解决信号的传输和处理。倘若新植入的视锥细胞的信号是单独处理并且送往大脑皮层,那么视觉信息的处理会很混乱。最好的情况是,新的信息像 L,M,S 一样具有一定的独立性。这样假定大脑能够处理的话,就可以得到更加详细的频谱信息。5

多色型视觉应用:绘画中的秘密

达芬奇是一名 tetrachromat,具有四色型视觉。他在自己的一副绘画中藏了只有四色型视觉才能看到的秘密。这个秘密只能四色型视觉的人才能知道。达芬奇的后人一直保留着这幅画,但是从某一代之后就不再有四色型视觉。这个秘密在后来被其他人一个人发现了。然后……

就这样。

可控制谱段的视觉

倘若我们的光感受器中的蛋白的响应谱段是可以通过离子浓度(或其他手段)来调节的6 ,这样我们可以控制我们眼睛看到的谱段。

例如我们可以降低溶液浓度来使得蛋白质的敏感谱段像红端移动,这样我们就可以在夜晚需要活动的时候调节到这个模式,从而看到红外的光谱。

感受连续谱段的视觉细胞

更大面积的视网膜感光细胞分布

人的眼睛中存在一种 Muller 细胞,这种细胞可以起到光波导的作用。

Muller 细胞

Muller 细胞的光波导性质。来源:["Retinal Glial Cells Enhance Human Vision Acuity" A. M. Labin and E. N. Ribak, Phys. Rev. Lett. 104, 158102 (2010)](http://physics.aps.org/story/v25/st15)

我们可以设想这样一种人眼,视网膜整个内壁都是视细胞并且与视神经相连,在这些光波导的某些地方使用“分光镜”,将光线部分导入到视网膜的其他地方。(还有一部分用来观测光在眼球内的散射从而判断信息。)

而这些其他地方的视细胞或许有特殊性,例如可以探测其他波段的信息。这样大脑皮层视觉区可以有一部分专门处理这个。平时我们并不会用到,但是如果在这些波段出现了异常,我们可以感受到,并且专注在这些波段。

感受到红外波段的应用

视网膜的内壁某些可以感受红外波段的细胞,如果身边的红外热源突然发生变化,我们就可以感受到并且去观察。

例如有人从背后接近自己,我们这部分细胞会感受到有个热源越来越强,说明在靠近自己,这样我们就知道,背后有人!武林高手无法从背后被偷袭什么的,一定是这样的。

偏振

有的复眼可以看到偏振。7 偏振用处很大,通过调节偏振,我们可以消除影响我们视觉的反射光等等。

参考即注释

  1. 一本比较好的书是寿天德的 《视觉处理的脑机制》 。这本书比较详细地论证了人的视觉机制。
  1. Tetrachromacy 

  2. 斑胸草雀 

  3. Jordan, G.; Mollon, J. D. (1993). “A study of women heterozygous for colour deficiencies”. Vision research 33 (11): 1495–1508. 

  4. 感谢果壳水群中的各位,特别是@飘飘提供的干细胞思路。 

  5. 此处忽略视觉处理时 LGN,眼优势柱,XY 体系这些细节。倘若考虑的话,XY 体系和眼优势柱会非常有用。XY 这里可以用来分开传递信息,视优势柱可以设计出更好的时间相应(变成相空间的视优势柱)等等。 

  6. 蛋白质构型是取了在某个环境中的能量(自由能)极值点,改变溶液可以改变周围电势能的分布,如此改变蛋白质构型的可能性也不是没有的。或者简单的模仿细胞膜上的离子通道。 

  7. Miniaturized imaging systems