Способ определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы

Способ определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы

Реферат

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и предназначено для определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы.

Известно, что вначале зрительную систему рассматривали как один пространственный фильтр. Предполагали, что чувствительность зрительной системы к различным пространственным частотам определяется передаточной функцией этого фильтра [1]. Кемпбелл и Робсон впервые высказали предположение, что зрительная система состоит из множества параллельных каналов - фильтров, каждый из которых чувствителен к определенным пространственным частотам, то есть имеет свою полосу пропускания [2].

Известны эксперименты Блэкмора и Кемпбелла, установившие существование пространственно-частотных каналов в зрительной системе. Они показали, что адаптация к синусоидальной решетке определенной частоты вызывает снижение чувствительности только к этой частоте и ее ближайшим окрестностям. Вычитая из передаточной функции зрительной системы ту же функцию, полученную после адаптации к одной частоте, авторы получили пространственно-частотную характеристику канала, настроенного на эту частоту [3].

Пространственно-частотный канал имеет вполне определенный нейрофизиологический аналог в системе сетчатка-кора, представляющий собой рецептивные поля нейронов зрительной коры. Рецептивные поля со своей узкой полосой пропускания занимают некоторый участок в видимом диапазоне. Полосы пропускания рецептивных полей нейронов всей зрительной системы перекрывают весь видимый пространственно-частотный диапазон [4].

Известно определение полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы с помощью тонких светлых и темных полос, а также решеток разной пространственной частоты с синусоидальным распределением освещенности. При этом под пространственной частотой решетки понимается число периодов распределения яркости на один градус поля зрения [4, 5].

Известно определение полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы путем формирования синусоидальных решеток на экране электронно-лучевых трубок [2, 6], а также с использованием персональных компьютеров [7].

Недостатком способов является низкая точность определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы, характеризующийся тем, что испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой, затем с заданным постоянным периодом поочередно уменьшенную начальную - декрементную и увеличенную начальную - инкрементную частоты, разницу между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог зоны различения предъявляемых частот световых мельканий, причем на первом этапе измерений с заданной постоянной скоростью порядка 2 Гц/с увеличивают разницу между предъявляемыми частотами, пока испытуемый не определит надпороговое значение зоны различения декрементной и инкрементной частот, на втором этапе с заданной постоянной скоростью порядка 0,5 Гц/с последовательно уменьшают и увеличивают разницу между предъявляемыми частотами световых мельканий, зафиксированную на первом этапе измерений, пока испытуемый не определит пороговое значение зоны различения предъявляемых частот, полосу пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы определяют как пороговое значение, зафиксированное на втором этапе измерений [8].

Недостатком способа является низкая точность определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы, обусловленная необходимостью использования мнестических функций, в частности обращения к кратковременной логико-смысловой памяти.

Технический результат предлагаемого способа определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы заключается в повышении точности оценки.

Технический результат достигается тем, что испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной в видимом диапазоне частот начальной частотой, причем новым является то, что начальную частоту предъявляют одновременно с использованием двух светодиодов, после предъявления световых мельканий с начальной частотой испытуемому предъявляют на первом светодиоде световые мелькания с увеличенной по сравнению с начальной - инкрементной частотой, на втором светодиоде - с уменьшенной по сравнению с начальной - декрементной частотой, разницу между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых частот световых мельканий, причем на первом этапе измерений частоту мельканий первого светодиода непрерывно увеличивают с постоянной скоростью 1 Гц/с, частоту мельканий второго светодиода непрерывно уменьшают с той же скоростью до тех пор, пока испытуемый не определит субъективно различие между предъявляемыми частотами и не зафиксирует последние предъявленные инкрементную и декрементную частоты, после чего испытуемому предъявляют световые мелькания с зафиксированными инкрементной и декрементной частотами до начала второго этапа измерений; на втором этапе частоту мельканий первого светодиода последовательно уменьшают и увеличивают с постоянной скоростью 0,25 Гц/с, частоту мельканий второго светодиода последовательно увеличивают и уменьшают с той же скоростью до тех пор, пока испытуемый не определит пороговое значение зоны различения предъявляемых частот и не зафиксирует последние предъявленные инкрементную и декрементную частоты, полосу пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы определяют как пороговое значение, зафиксированное на втором этапе измерений.

На чертеже представлены временные диаграммы изменения частот световых мельканий, предъявляемых испытуемому в процессе измерения.

Предлагаемый способ определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы осуществляется следующим образом.

Испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной в видимом диапазоне частот начальной частотой F_н, например, 15 Гц, одновременно с использованием двух светодиодов (интервал времени 0-T₁). Затем на первом светодиоде предъявляют световые мелькания с увеличенной по сравнению с начальной - инкрементной частотой, на втором светодиоде - с уменьшенной по сравнению с начальной - декрементной частотой (интервал времени T₁-Т₆).

На первом этапе измерений частоту мельканий первого светодиода непрерывно увеличивают с постоянной скоростью 1 Гц/с, частоту мельканий второго светодиода непрерывно уменьшают с той же скоростью до тех пор, пока испытуемый не определит субъективно различие между предъявляемыми частотами (интервал времени T₁-T₂) и не зафиксирует последние предъявленные инкрементную F_и1 и декрементную F_д1 частоты (момент времени Т₂), после чего испытуемому предъявляют световые мелькания с зафиксированными инкрементной F_и1 и декрементной Р_д1 частотами до начала второго этапа измерений (интервал времени Т₂-Т₃).

На втором этапе частоту мельканий первого светодиода последовательно уменьшают и увеличивают с постоянной скоростью 0,25 Гц/с, частоту мельканий второго светодиода последовательно увеличивают и уменьшают с той же скоростью до тех пор, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых частот (интервал времени Т₃-Т₄) и не зафиксирует последние предъявленные инкрементную F_и2 и декрементную F_д2 частоты (момент времени Т₅).

Полосу пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы определяют как пороговое значение, зафиксированное на втором этапе измерений.

Заявляемый способ определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы позволяет повысить точность оценки. В известном способе [8] световые мелькания предъявляются испытуемому с использованием одного светодиода, на который подаются поочередно световые мелькания с инкрементной и декрементной частотами. В этом случае испытуемый для определения, различаются или не различаются попеременно предъявляемые частоты, обращается к кратковременной логико-смысловой памяти.

В заявляемом способе световые мелькания предъявляются испытуемому с использованием двух светодиодов, на первом светодиоде предъявляется инкрементная частота, на втором - декрементная. В этом случае испытуемый для определения, различаются или не различаются предъявляемые частоты, сравнивает частоты мельканий, предъявляемых одновременно на двух светодиодах, что не требует обращения к кратковременной логико-смысловой памяти.

Таким образом, заявляемый способ определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы обладает новыми свойствами, обусловливающими получение положительного эффекта.

Пример. Испытуемому М., 20 лет, с помощью персонального компьютера, совместимого с IBM PC, предъявляли через порт LPT на светодиоды пульта испытуемого световые мелькания с заданной начальной частотой F_н, равной 15 Гц (интервал времени 0-T₁), затем на первом светодиоде предъявляли световые мелькания с увеличенной по сравнению с начальной - инкрементной частотой, на втором светодиоде - с уменьшенной по сравнению с начальной - декрементной частотой (интервал времени T₁-T4). В процессе измерений через порт LPT на персональный компьютер с пульта испытуемого подавались сигналы с кнопок "Увеличение быстрое", "Уменьшение медленное", "Увеличение медленное" и "Измерение".

По сигналу с кнопки "Увеличение быстрое" компьютер предъявлял на первый светодиод инкрементную F_и частоту световых мельканий, на второй светодиод - декрементную F_д частоту световых мельканий, причем непрерывно увеличивал инкрементную F_и частоту мельканий первого светодиода с постоянной скоростью 1 Гц/с и непрерывно уменьшал декрементную F_д частоту мельканий второго светодиода с той же скоростью. При снятии сигнала с кнопки компьютер фиксировал последние предъявленные инкрементную F_и и декрементную F_д частоты и предъявлял испытуемому световые мелькания с зафиксированными инкрементной F_и и декрементной F_д частотами до поступления сигнала с кнопки «Уменьшение медленное».

По сигналу с кнопок "Уменьшение медленное" и "Увеличение медленное" компьютер соответственно непрерывно уменьшал и увеличивал инкрементную F_и частоту мельканий первого светодиода с постоянной скоростью 0,25 Гц/с и непрерывно увеличивал и уменьшал декрементную F_д частоту мельканий второго светодиода с той же скоростью. При снятии сигнала с кнопок компьютер фиксировал последние предъявленные инкрементную F_и и декрементную F_д частоты и предъявлял испытуемому световые мелькания с зафиксированными инкрементной F_и и декрементной F_д частотами.

При поступлении сигнала с кнопки «Измерение» компьютер фиксировал последние предъявленные инкрементную F_и и декрементную F_д частоты, вычислял пороговое значение полосы пропускания рецептивных полей нейронов ΔF, равное разности между ними, и выводил значение ΔF на экран монитора, после чего предъявлял испытуемому световые мелькания с заданной начальной F_н частотой, равной 15 Гц.

На первом этапе измерений в момент времени T₁ испытуемый замкнул кнопку «Увеличение быстрое» и удерживал ее в замкнутом состоянии до тех пор, пока не определил субъективно различие между предъявляемыми световыми мельканиями с инкрементной F_и и декрементной F_д частотами (интервал времени T₁-T₂), после чего отжал кнопку (момент времени Т₂). При этом компьютер зафиксировал последние предъявленные инкрементную F_и1 и декрементную F_д1 частоты и предъявил испытуемому световые мелькания с зафиксированными инкрементной F_и1 и декрементной F_д1 частотами (интервал времени Т₂-Т₃).

На втором этапе испытуемый, последовательно замыкая кнопки "Уменьшение медленное" и "Увеличение медленное", определил порог различения предъявляемых частот (интервал времени Т₃-Т₄) и нажал кнопку «Измерение» (момент времени Т₅). При этом компьютер зафиксировал последние предъявленные инкрементную F_и2 и декрементную F_д2 частоты, вычислил и вывел на экран монитора значение порога различения частот ΔF, равное 1,3 Гц, принимаемое за значение полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы, и предъявил начальную частоту световых мельканий F_н, равную 15 Гц, на светодиоды пульта испытуемого.

В соответствии с рекомендациями физиологов испытуемый выполнил серию из 10 измерений, в результате которой получены следующие значения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы в Гц: 1,3; 0,7; 0,5; 1,4; 1,2; 0,6; 0,5; 0,7; 1,2; 1,6. Среднее арифметическое измеренных значений полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы составило 1,0 Гц, среднее квадратическое отклонение 0,130 Гц, доверительные границы случайной составляющей погрешности результатов измерений при доверительной вероятности 0,95 с учетом коэффициента Стьюдента 0,294 Гц.

В результате измерений, выполненных испытуемым М. по известному способу [8], получены следующие значения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы в Гц: 1,9; 1,8; 0,8; 1,7; 0,6; 0,5; 1,2; 0,7; 0,5; 1,5. Среднее арифметическое измеренных значений полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы составило 1,1 Гц, среднее квадратическое отклонение 0,179 Гц, доверительные границы случайной составляющей погрешности результатов измерений при доверительной вероятности 0,95 с учетом коэффициента Стьюдента 0,404 Гц.

Уменьшение случайной составляющей погрешности измерений (среднее квадратическое отклонение) при выполнении измерений по предложенному способу по сравнению с измерениями, выполненными по известному способу [8], составило 27,4%.

Для оценки достоверности уменьшения случайной составляющей погрешности измерений проведены измерения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы по предложенному и известному способам у группы из 10 испытуемых, каждый из которых выполнил серию из 10 измерений по каждому способу. Уменьшение случайной составляющей погрешности измерений при выполнении измерений по предложенному способу по сравнению с измерениями, выполненными по известному способу, составило от 19 до 34%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет увеличить точность определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы.

Источники информации

1. Kelly D.H. Spatial frequency, bandwidth, resolution. // Appl. Optics. - 1965. - V.4. - №2. - Р.435-437.

2. Campbell F.W., Robson J. Application of Fourier analysis to the visibility of gratings. // J. Physiol. - 1968. - V.197. - №3. - Р.551-561.

3. Blakemore C.B., Campbell F.W. On the existence in the human visual system of neurons selectively sensitive to the orientation and size of retinal images. // J. Physiol. - 1969. - V.203. - №1. - P.237-260.

4. Шелепин Ю.Е., Колесникова Л.Н., Левкович Ю.И. Визоконтрастометрия: Измерение пространственных передаточных функций зрительной системы. - Л.: Наука, 1985. - 103 с.

5. Глезер В.Д. Зрение и мышление. Изд. 2-е, испр. и доп. - СПб.: Наука, 1993. - 284 с.

6. Green D.G., Campbell F.W. Effect of focus on the visual response to a sinu-soidally modulated spatial stimulus. // J. Opt. Soc. Amer. - 1965. - V.55. - №9. - P.1154-1157.

7. Болсунов К.Н. Метод и средства визоконтрастометрии для задач ранней диагностики нарушений зрения: Автореф. дис.... канд. техн. наук. - С-Пб., 1997. - 15 с.

8. Патент 2209028 РФ, А61В 3/00. Способ определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы. / В.В.Роженцов, Т.А.Лежнина (РФ). - Опубл. 27.07.2003, Бюл. №21. - 4 с.

Способ определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы, заключающийся в том, что предъявляют испытуемому световые мелькания с заданной в видимом диапазоне частот начальной частотой, затем одновременно световые мелькания с увеличенной по сравнению с начальной - инкрементной частотой и с уменьшенной по сравнению с начальной - декрементной частотой, разницу между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог зоны различения предъявляемых частот световых мельканий; на первом этапе измерений с постоянной скоростью 2 Гц/с увеличивают разницу между предъявляемыми частотами, пока испытуемый не определит надпороговое значение зоны различения декрементной и инкрементной частот, на втором этапе с постоянной скоростью 0,5 Гц/с последовательно уменьшают и увеличивают разницу между предъявляемыми частотами световых мельканий, зафиксированную на первом этапе измерений, пока испытуемый не определит пороговое значение зоны различения предъявляемых частот, полосу пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы определяют как пороговое значение, зафиксированное на втором этапе измерений, отличающийся тем, что начальную частоту предъявляют одновременно с использованием двух светодиодов, после чего на первом светодиоде предъявляют световые мельканий с инкрементной частотой, на втором светодиоде - с декрементной.