ЛАБОРАТОРИЯ ФИЗИОЛОГИИ ЗРЕНИЯ

(Зав. – к.б.н. Ольга Викторовна Жукова)

Лаборатория физиологии зрения (до 60-х г. лаборатория физиологии зрительного анализатора) создана в 1951 г. под руководством д.м.н., проф. Л.Т. Загорулько, участника ВОВ и разработчика технологий маскировки блокадного города. В 1960–1987 гг. лабораторией руководил д.б.н. проф. В.Д. Глезер, участник Великой Отечественной войны. С 1988 г. лабораторию физиологии зрения возглавлял лауреат Премии им. А.А. Ухтомского РАН д.м.н., проф. Ю.Е. Шелепин. С 2025 г. заведующей лабораторией является к.б.н. О.В. Жукова.

Проводимые в лаборатории исследования направлены на изучение физиологических механизмов зрительного восприятия, распознавания зрительных образов, построения зрительной картины мира и целенаправленной деятельности человека.

В 1950–1960-е гг. в лаборатории были выполнены работы по изучению механизмов возникновения зрительных последовательных образов; конвергенционно-аккомодационного рефлекса, саккадических движений глаз. Была предложена модель многоканальной зрительной системы, осуществляющей параллельную переработку зрительной информации о цвете и форме объектов. Исследованы нервные механизмы адаптации и перестройки рецептивных полей.

В 1970–1990-е гг. были установлены пространственно-частотные диапазоны настройки рецептивных полей нейронов стриарной, престриарной и перистриарной коры головного мозга млекопитающих, развита модель вейвлетного преобразования в рецептивных полях нейронных модулей зрительной коры. Были открыты ориентационно-оппонентные взаимодействия при описании изображений модулями зрительной коры. Предложены алгоритмы описания формы объектов. На основании экспериментальных данных создана работающая модель, обеспечивающая инвариантное описание формы изображений системой модулей зрительной коры. Открыты симметричные рецептивные поля, обеспечивающие восприятие целостной картины поля зрения. Изучена организация теменной и нижневисочной коры. Показано, как нейронные сети теменной коры участвуют в согласованном описании зрительного поля и схемы тела оператора, построении «грамматики» сцен, а нейронные сети височной коры обеспечивают формирование тезауруса для понимания семантики изображений. Была предложена и развита концепция формирования в зрительной системе предпосылок для конкретного предметного мышления.

В 1990–2000-е гг. показана взаимосвязь оптических и информационных свойств изображения и алгоритмов восприятия натуральных сцен, выделены факторы, ограничивающие восприятие информации об окружающем мире. Исследованы нейрофизиологические механизмы и алгоритмы сегментации зрительной сцены и выделения объекта из фона, механизмы обнаружения объектов на фоне флуктуирующей помехи, механизмы контрастной чувствительности, согласованной фильтрации в зрительной системе человека в норме и нарушения их работы при патологии. Впервые измерен уровень внутреннего шума, и его пространственно-частотный спектр. Показано изменение уровня и спектра внутреннего шума при патологиях мозга.

С 2000-х гг. по настоящее время проведены исследования по изучению каналов зрительной системы, обеспечивающих осознаваемое и неосознаваемое восприятие информации. Разработаны критерии качества и информационной безопасности средств видеокоммуникаций.

Впервые показана структурно-функциональная организация нейронных сетей, обеспечивающих бинокулярное и стереозрение млекопитающих. Предложены и внедрены в практику новые методы оценки утомления человека при работе в виртуальной среде.

Исследование механизмов принятия решений в норме и при патологии, позволили установить принципы оппонентной организации и перестройки в процессе обучения крупномасштабных нейронных сетей головного мозга, обеспечивающих целенаправленную деятельность человека.  Получены новые результаты в изучении механизмов распознавания окраски объектов при выделении фигуры из фона, восприятия цвета, и категоризации цвета.

Проведено исследование развития механизмов распознавания в онтогенезе. Установлены возрастные рамки развития отдельных областей зрительной системы на основании анализа психофизических, поведенческих данных с морфофизиологической организацией зрительного анализатора.

Созданы психофизиологические методы исследования работы механизмов распознавания мимики и позы в процессе невербальной коммуникации. В фМРТ исследованиях эмоционального выражения лица показан оппонентный принцип организация нейронных сетей, обеспечивающих распознавание «свой-чужой». Построена действующая модель «диагонального штрих-кода» выделения эмоциональных признаков в мимике. Она основана на нейрофизиологических данных о двумерной пространственно-частотной фильтрации в зрительной системе. Модель объясняет искажение восприятия размера, формы и ориентации изображений в ряде зрительных иллюзий. Алгоритм «диагонального штрих-кода лица» отражает неосознаваемые реакции на внешние сенсорные воздействия и возникновение стресса в процессе невербального общения. Важным направлением работ лаборатории являются исследования зрительного стресса, обусловленного физическими и семантическими свойствами биотехносферы.

В лаборатории созданы установки мирового класса, а именно аппаратно-программные комплексы для электрофизиологических исследований, обеспечивающие возможность объективных измерений остроты зрения, контрастной чувствительности, восприятия формы, эмоционального воздействия физических и семантических факторов окружающей человека сцены, изучения механизмов восприятия цвета, предложены новые методы колориметрии и новые методы для исследования цветового восприятия. Создан аппаратно-программный комплекс исследования характеристик движения глаз. Комплекс позволяет выделить неосознаваемые реакции организма на семантически значимые сигналы, оценить деятельность человека, погруженного в виртуальную среду, осуществляющего целенаправленную деятельность. Уникальный аппаратно-программный комплекс обеспечивает обработку результатов в ходе исследований, создание баз данных, моделирование искусственных нейронных сетей глубокого обучения и главное уникальное управление ходом эксперимента. В результате, достигнут принципиально новый уровень в конвергенции психофизиологических исследований и информационных нейротехнологий. Соответствующее аппаратно-программное обеспечение позволяет лаборатории проводить психофизические, психофизиологические, нейроофтальмологические измерения для межотраслевых работ в области медицины, гражданской авиации, вещательного телевидения и средств мобильной связи.

Лаборатория ведет междисциплинарные исследования в области когнитивной психофизиологии, помехоустойчивости зрительной системы, архитектуры и деятельности крупномасштабных нейронных сетей в процессе осознаваемого и неосознаваемого восприятия, нейросетевой архитектуры центрального и периферического зрения, бинокулярного и стереозрения, целенаправленной деятельности человека и ее восстановления при патологии. Кроме фундаментальных проблем физиологии зрения, лаборатория совместно с рядом отечественных и зарубежных организаций в течении более чем полувека, принимает активное участие в решении практических задач в области распознавания образов и сцен, в создании нейротехнологий, «цифровой» психофизиологии и психиатрии, нейроофтальмологии. Нейрофизиологические исследования, проведенные в лаборатории, оказали существенное влияние на развитие систем цифрового телевидения, разработки алгоритмов сжатия видеоинформации. Были предложены новые методы визоконтрастометрии, созданы базы данных и налажено производство устройств и таблиц для повседневного проведения точных измерений в клиниках офтальмологии, неврологии и психиатрии, в авиационной и космической медицине. Создана система тестов для клинической диагностики поражений зрительного анализатора, для оценки зрения грудных детей, созданы тесты профессионального отбора, разработан, создан и внедрен в практику метод восстановления когнитивных функций «i-Pavlovian».

Лаборатория физиологии зрения регулярно организует международные конференции, такие как Европейская конференция по зрительному восприятию ECVP, 2006; секции «Нейроиконики» и «Восприятие цвета» многолетних конференций по «Прикладной оптике», конференций «Обработка видео и аудиосигналов в контексте нейротехнологий» – SPCN 2016–2019 и др.

Лаборатория неоднократно получала от Британского физиологического общества звание лучшей Европейской лаборатории.

Международные связи лаборатории обширны – Азербайджан, Британия, Голландия, Израиль, Италия, Китай, Ю. Корея, США, Тайвань –Китай, Япония.

Межотраслевые связи лаборатории – ВМедА, Университет ГУАП, Университет ИТМО, Университет ЛЭТИ, СПбГУ, ГОИ, Институт телевидения, ПНД-1 СПб, Филипс, Самсунг, Хуавей, IEEE.