Näetkö punaista – vai sinistä? Osa II

Sateenkaari

Artikkelin edellisessä osassa selvisi, että näemme värit jokseenkin samanlaisina, mutta nimeämme erilaiset värisävyt usein eri tavoin. Ja näemmekö ne aina oikein?

Vaikka havaitsemme värit jokseenkin samalla tavalla, määrätty väri voi näyttää eri ympäristöissä erilaiselta. Värien havaitseminen on tieteellisesti ilmaistuna ”kontekstisensitiivinen tulkinta”: tietyn värisävyn mieltämiseen vaikuttavat muut lähettyvillä olevat värit.

Jos rinnakkain ovat sininen ja keltainen tai sininen ja vihreä, sininen näyttää erilaiselta, vaikka kyse olisi täsmälleen samasta värisävystä.   

Ilmiön taustalla on monia syitä, joista osa on vielä hämärän peitossa.

”Osittain se johtuu näkötiedon käsittelyn organisoitumisesta. Signaaleja prosessoivat reseptiiviset kentät ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja siksi värit vaikuttavat toisiinsa”, selvittää  Jukka Häkkinen, joka tutkii Helsingin yliopistossa visuaalista kognitiota eli näköaistiin perustuvaa havaitsemista.

Toistaiseksi ei tiedetä, onko kyseessä vain näköaistiin liittyvä sivutuote vai onko ilmiöllä jokin funktio, tietty tarkoitus.

Joka tapauksessa se tekee saman värin eri sävyjen erottamisen toisistaan joskus hankalaksi. Jos rinnakkain on esimerkiksi viisi vihreän sävyä, jotka poikkeavat vain hyvin vähän toisistaan, kaikki eivät näe viittä sävyä, vaan ainoastaan kaksi tai kolme.

Hankaluuksia tulee myös silloin, jos värejä yrittää tunnistaa ulkomuistista. Rautakaupassa omaa vuoronumeroa odotellessa voi joutua kuuntelemaan sanaharkkaa, kun pariskunta on valitsemassa maalia hyllykköön, jonka taustalla oleva seinä on vaikkapa ruskea.

Ilman värinäytettä yksimielisyyteen ruskean sävystä ja siihen sopivasta uudesta väristä on yleensä hyvin vaikea päästä. Ja vaikka sopu syntyisikin, valittu väri osoittautuu kotona todennäköisesti vääräksi.

 

Synnynnäistä ja opittua

Musiikin puolella tunnetaan absoluuttinen sävelkorva eli kyky tunnistaa tai tuottaa säveliä pelkästään havaitun äänenkorkeuden perusteella. Onko olemassa vastaavanlaista absoluuttista värisilmää, joka olisi oivallinen ominaisuus esimerkiksi juuri sopivaa maalia valittaessa?

”Epäilen. Uskoisin, että värien ja värisävyjen tunnistaminen perustuu kiinnostukseen ja harjoitteluun. Jos väreihin kiinnittää keskimääräistä enemmän huomiota, ne jäävät myös paremmin mieleen.”

Mielenkiintoinen näköaistiin liittyvä ilmiö on toisaalta värin pysyvyys. Riippumatta siitä, millainen on esimerkiksi tietystä esineestä silmään tulevan valon aallonpituusjakauma, sen väri nähdään samanlaisena.

Osittain kyse on värimuistista. Jos kotisohvalla on sininen ja punainen tyyny, ne nähdään sinisenä ja punaisena valaisipa niitä ikkunasta tuleva auringonpaiste tai lämminsävyinen energiansäästölamppu.

Tyynyjen tiedetään olevan tietyn värisiä.

Värimuisti ei kuitenkaan toimi samalla tavalla oudossa ympäristössä.

”Silloin näköaisti turvautuu diagnostisiin objekteihin, väreiltään tuttuihin kohteisiin. Sellaisia ovat esimerkiksi banaani, mansikka ja kesäinen nurmikko. Väriaistimus kalibroituu niiden perusteella.”

Häkkisen mukaan aivot tekevät myös eräänlaista skaalausta näkymän yleisen aallonpituusjakauman suhteen. Jos kaikki vaikuttaa ylenpalttisen punasävyiseltä, aistimus ”säätyy” siten, että värit asettuvat kohdalleen.

”Näköaisti on kehittynyt havaitsemaan värejä kontekstissa, suhteessa ympäristöön ja muihin väreihin. Jos koehenkilö katselee laboratoriossa pientä tasaväristä lätkää, tilanne on täysin teoreettinen.”

Silti iso osa näkötutkimuksesta on tehty juuri tällä tavoin. Tarkasteltavan kohteen koko vastaa kahden asteen kulmaa eli se näyttää halkaisijaltaan neljä kertaa suuremmalta kuin täysikuu.

Nykyisenä suuntauksena on käyttää yhä enemmän ärsykkeitä, jotka ovat luonnollisia. Sellaisia, joihin törmää jokapäiväisessä elämässä.      

”Tutkimus tuottaa jatkuvasti uutta tietoa, ja värien aistimiseen liittyviä ilmiöitä ja mekanismeja löytyy lisää.”

 

Ikänäkö ei muuta värejä

Yksi yllättävistä havainnoista liittyy ikääntymiseen. Iän karttuessa näkökyky muuttuu monin tavoin, joista yksi johtuu silmän linssin eli mykiön vähittäisestä sumentumisesta.

Linssi läpäisee valon eri aallonpituuksia eri tavalla lapsuudessa ja nuoruudessa kuin vanhemmalla iällä. Voisi kuvitella, että se vaikuttaa myös värien näkemiseen.

Tutkimusten mukaan ei vaikuta.

Kokeet ovat osoittaneet, että näemme värit samalla tavalla riippumatta kertyneistä ikävuosista. Aivot osaavat kalibroida värit kohdalleen, vaikka verkkokalvolle lankeavan valon aallonpituusjakauma on erilainen.

”Asiaa on tutkittu nuorilla koehenkilöillä, joiden silmien edessä oli sumentuneen mykiön vaikutusta simuloiva suodin. Luonnollisessa ympäristössä kalibroituminen tapahtui lähes välittömästi.”

Näkymä oli ensin ruskean- tai kellertävänsävyinen, mutta vain hetkistä myöhemmin värit erottuivat koehenkilöiden kuvauksen mukaan juuri sellaisina kuin ne todellisuudessakin olivat.

Laboratorio-olosuhteissa tilanne on hieman toinen. Kun pimeässä huoneessa heijastetaan seinälle pieni yksivärinen ympyrä, sitä onkin paljon vaikeampi luonnehtia oikein.

”Kun tarjolla ei ole vertailukohtia tai kiintopisteitä, aivojen on paljon vaikeampi kalibroida tietyn aallonpituusjakauman tuottamaa väriä kohdalleen.”

Värit siis vaikuttavat väreihin.

The Dress

Yksi kuva valehtelee enemmän kuin tuhat sanaa

Kaikessa mukautuvuudessaan ja herkkyydessään silmä on instrumenttina melko kehno. Kuva on pieni, se tärisee ja väreistä on vain jonkinlainen aavistus. Sekä näkö- että väriaistimus syntyy vasta aivoissa. Ja kumpikin voi olla väärä.

Kymmenisen vuotta sitten netissä kiersi kuva valkoisesta mekosta, jossa oli kullanväriset pitsisomisteet.

”Ei, se oli tietenkin sinimusta!”

Juuri tästä meemissä oli kyse: ihmiset näkivät mekon värit kahdella hyvin eri tavalla.

Kuvan oli ottanut skotlantilainen Cecilia Bleasdale, joka hankki mekon tyttärensä häihin. Nettiin päätynyt kuva levisi kulovalkean lailla ympäri somea ja sai nimen The Dress. Se keräsi kymmeniä miljoonia katseluja, kommentteja ja jakoja.

Osa ihmisistä näki sen valkoisena ja kultaisena, osa sinisenä ja mustana.

Kuvaan liittyvästä erikoisesta ilmiöstä on julkaistu suuri määrä tutkimuksia. Otoksen klassikkoasemasta kertoo, että Jukka Häkkinen on käsitellyt sitä havaintopsykologian luennoillaan.

Todellisuudessa mekko oli sininen ja siinä oli mustia pitsisomisteita. Kuvaa ei ollut manipuloitu millään tavalla, ja silti osa ihmisistä näki värit oikein, osa väärin. Miksi?

”Taustalla on edellä mainittu värin pysyvyys ja ilmiö nimeltä discounting the illumination eli valaistuksen poislukeminen. Toinen aivojen tekemä tulkinta on, että valonlähde on katsojan takana ja valaisee mekkoa, toinen taas se, että valo tulee mekon takaa eli se on varjossa.”

Aivot tulkitsevat jälkimmäisen tilanteen siten, että ne ”vähentävät” hämäräksi mielletystä kuvasta oletetun varjon vaikutuksen, vaikka mitään varjoa ei ole. Siksi monet näkevät värit väärin, valkoisena ja kultaisena.

The Dress on loistava esimerkiksi siitä, että valon aallonpituudella ei ole mitään tekemistä havaitun värin kanssa, vaan kyse on aina tulkinnasta.”

Aivot tekevät ensin arvion siitä, mikä on kulloinenkin valaistustilanne, ja vähentävät sitten näin saadun valon oletetun aallonpituusjakauman näkymästä, jolloin tuloksena on aistimus tietyistä väreistä.

Joka voi olla täysin väärä.

Kuvat: Markus Hotakainen, Cecilia Bleasdale

Näetkö punaista – vai vihreää? Osa I

Revontulia Nuuksion taivaalla

Miten näemme värit? Punainen, keltainen ja sininen – jokainen tietää, miltä ne näyttävät. Perinteisen käsityksen mukaan ne ovat kolme pääväriä. Mutta miten itse kukin meistä näkee kolmikon – tai ylipäätään eri värit ?

”Yllättävän samalla tavalla”, toteaa Jukka Häkkinen, joka tutkii Helsingin yliopistossa visuaalista kognitiota eli näköaistiin perustuvaa havaitsemista.

Väriaistimuksen synty lähtee liikkeelle siitä, kun silmään päätynyt valo lankeaa mykiön ylösalaisin kääntämänä kuvana verkkokalvolle. Siinä tapahtuu värierottelu.

Useasta kerroksesta muodostuvassa verkkokalvossa on valoa aistivia soluja, sauvoja ja tappeja. Tappisoluja on kolmenlaisia ja ne ovat herkkiä eri aallonpituusalueilla.

Silmässä on noin kuusi miljoonaa tappisolua. Punaiselle herkkiä on noin 3,5 miljoonaa, viherherkkiä vajaat kaksi miljoonaa ja siniherkkiä runsaat puoli miljoonaa.

”Kukin solutyyppi aktivoituu tietyllä tavalla ja se kertoo, mistä väristä on kyse.”

Tappisolut reagoivat valon eri aallonpituuksiin, mutta se ei vielä riitä tuottamaan väriaistimusta. Aivojen pitää saada signaaleja, joita ne pystyvät käsittelemään.

”Tappisolujen aktivoitumisen jälkeen gangliosolut tekevät koodauksen.”

Voisi kuvitella, että nämä koodarit ovat valon kulkusuuntaan nähden tappisolujen jälkeen, mutta niin ei ole: gangliosolut ovat verkkokalvon etupinnalla.

Hermoverkko välittää punaiselle, vihreälle ja siniselle herkistä tappisoluista viestejä, jotka ”sytyttävät” tai ”sammuttavat” gangliosolujen väripareista jomman kumman. Tuloksena on signaali, joka sisältää tiedon havaitusta väristä.      

Punavihreä ei ole väri

Koodaaminen tapahtuu vastavärien pohjalta. Väriparit muodostuvat punaisesta ja vihreästä sekä sinisestä ja keltaisesta. Kolmas koodauspari on musta ja valkoinen.

Gangliosoluissa syntyvät signaalit välittävät tiedon väristä joko-tai-periaatteella. Punainen tai vihreä, sininen tai keltainen.

”Niitä ei voi sekoittaa eli ei ole olemassa punavihreää tai sinikeltaista väriä.”

Värierottelun ja koodauksen tuloksena syntyneet signaalit kulkevat näköhermoa ja -juostetta pitkin aivojen takaosassa sijaitsevaan näkökeskukseen. Siellä tapahtuu signaalien prosessointi, jonka tuloksena näemme värejä. Emmekä pelkästään punaista, vihreää, sinistä ja keltaista, vaan laajan kirjon erilaisia sävyjä.

Verkkokalvolla olevien tappisolujen herkkyysalueissa on yksilöllisiä eroja eivätkä ne kaikilla reagoi samalla tavalla esimerkiksi punaiseen väriin.

Lisäksi tappisolujen määrä vaihtelee huomattavan paljon, mikä puolestaan vaikuttaa väriaistin tarkkuuteen.

”Sensoreissa on vaihtelua, mutta aivot kalibroivat ympäristöstä tekemämme värihavainnot näyttämään jokseenkin samanlaiselta katsojasta riippumatta.”

Punainen on punaista ja vihreä vihreää. Kiistelyä aiheutuu yksityiskohtaisemmasta tulkinnasta eli mikä on värin sävy. Onko suosikkimuki tai kulunut kesäpusakka sinivihreä, petroolinsininen vai turkoosi? Mielipiteitä voi olla yhtä monta kuin katsojiakin.

”Toisaalta siihen vaikuttaa harjaantuminen. Treenaamalla värisävyjen hahmottamista oppii näkemään pienetkin erot.”

Se ei silti takaa yksimielisyyttä. Vielä suurempaa yksilöllistä vaihtelua on nopeudessa: kuinka pikaisesti pystyy erottamaan värisävyjä toisistaan. Ja siihen taas vaikuttavat kulttuurierot.

Jos kielessä on siniselle ja vaaleansiniselle omat nimityksensä, ne kuuluvat väriaistimuksen kannalta eri kategorioihin, ja silloin sävyjen erottaminen käy sujuvammin.

Ei nimi väriä pahenna

Värien näkeminen ei siis ole pelkästään fysiologinen ja neurologinen prosessi, se on myös kulttuurisidonnainen ilmiö. Väreillä täytyy olla nimityksiä, jotta pystymme kommunikoimaan.

Värien havaitsemisen ohella oleellinen tekijä onkin niiden nimeäminen, ja siinä tulee esiin selviä eroja. Eri kulttuureissa värit nimetään eri tavoin ja värejä kuvaavia sanoja on myös erilainen määrä.

Joissakin kielissä esimerkiksi sinisellä ja vaaleansinisellä värillä on omat nimityksensä toisin kuin vaikkapa suomessa, missä käytetään paljon johdoksia: vaaleanvihreä, tummanpunainen, rikinkeltainen.

Toisaalta mekin kutsumme sinipunaista väriä violetiksi. Vähemmän toisistaan poikkeavien värisävyjen kohdalla näkemyserot kasvavat entisestään.

”Selkeiden värien raja-alueilla esiintyy paljon tällaista hajontaa. Siihen vaikuttaa varmasti oppiminen, mutta myös mielenkiinto värejä kohtaan.”

Kuvataiteista kiinnostuneet ja etenkin taidealaa opiskelevat omaksuvat helposti hyvin toisenlaisen väripaletin kuin värien kanssa vähemmän tekemisissä olevat.

Värien havaitsemista on kohtalaisen hankala tutkia, sillä toisen ihmisen silmän tai pikemminkin pään sisään on mahdoton päästä.

Väri- tai ylipäätään näköaistimus kun ei synny silmässä: se on vain instrumentti, joka kerää valon ja syöttää sen edelleen aivojen muodostamaan tietojenkäsittelyjärjestelmään.

Huimasti kehittyneillä aivokuvantamisen menetelmillä, eritoten toiminnallisella magneettikuvauksella, pystytään tutkimaan, mitä aivoissa tapahtuu, kun ihminen saa erilaisia aistiärsykkeitä.

Toistaiseksi ei vielä kyetä määrittämään, mitä väriä koehenkilö kulloinkin katselee, mutta se on jo hyvin tiedossa, mitkä aivojen alueet aktivoituvat, kun näköhavainto syntyy. Ja näkeekö koehenkilö värejä.

”Sekä tappi- että gangliosolujen toimintaa pystytään selvittämään jo yksittäisten solujen tasolla. Niihin voidaan kiinnittää elektrodeja, jotka välittävät tietoja siitä, miten solut reagoivat erilaisiin ärsykkeisiin ja millaisia signaaleja ne saavat aikaan.”

Tulokset ovat kuitenkin usein ristiriitaisia eikä läheskään kaikkea väri- tai ylipäätään näköaistimuksen synnystä vielä tiedetä.

 

kesäyö, hämärä, kuu

Hämärässä kaikki on harmaata

”Yleinen väärinkäsitys on, että tietty valon aallonpituus vastaa tiettyä havaittua väriä”, Jukka Häkkinen muistuttaa.

Valo kuitenkin välittää näkymän silmään ja saa aivoissa aikaan väriaistimuksen. Valon vähetessä värit erottuvat yhä huonommin, ja jossain vaiheessa kaikki alkaa näyttää pelkästään harmaalta ja sen eri sävyiltä – kunnes pilkkopimeässä ei näy enää mitään.

Vähäisessä valossa tappisolujen väriherkkyys ei sinänsä heikkene, mutta niihin osuvien fotonien määrä on niin pieni, että aistimusta väreistä ei synny.

Samalla niiden rinnalla verkkokalvolla sijaitsevien, hämäränäöstä vastaavien sauvasolujen toiminta tulee hallitsevaksi. Sauvat tavallaan jyräävät tapit alleen – myös lukumäärällään, sillä niitä on noin 120 miljoonaa.

Tappisolut ovat keskittyneet verkkokalvon keskikuoppaan eli foveaan, tarkan näön alueelle. Sauvasolut kattavat muun osan verkkokalvosta.

”Tappisolujen pitää toimia hyvin tehokkaasti, sillä kirkkaassa päivänvalossa niihin voi osua miljoona fotonia sekunnissa. Sauvasolut sen sijaan ovat ikään kuin haaveja, jotka keräävät hieman pidemmällä ’valotusajalla’ vähäisestäkin valosta näköaistimuksen syntyyn riittävän määrän fotoneja.”

Sauvasoluissa kehittyy hämärässä rodopsiinia eli näköpurppuraa, jonka ansiosta ne ovat herkkiä hyvin himmeälle valolle. Sauvasolut eivät kuitenkaan erota värejä, vaan ainoastaan harmaan eri sävyjä.

Näköpurppura hajoaa nopeasti kirkkaassa valossa, mutta sen muodostuminen on hidasta. Valoisista sisätiloista yötaivaan alle siirryttäessä taivaalta alkaa erottua tähtiä vain verkkaan. Täydelliseen pimeäadaptaatioon menee aikaa puolisen tuntia.

Näköpurppuran ansiosta sauvasolut ovat herkimpiä sinivihreillä aallonpituuksilla, minkä vuoksi hämärässä työskennellessä ja erilaisissa merkkivaloissa käytetään yleensä punaista. Sauvasolut eivät siihen reagoi eikä näköpurppura sen vaikutuksesta hajoa, mutta tappisolut erottavat sen helposti.     

Värien aistiminen on tulosta evoluutiosta, joka on ollut paitsi hidasta myös vaiheittaista. Gangliosoluissa tapahtuva sini-keltakoodaus kehittyi jo yli 100 miljoonaa vuotta sitten.

Dinosaurusten valtakaudella eläneet varhaiset pikkunisäkkäät olivat hämäräaktiivisia, joten niiden silmät sopeutuivat toimimaan niukassa valaistuksessa. Kattavalle värien näkemiselle ei ollut tarvetta.

Puna-viherkoodaus kehittyi kymmeniä miljoonia vuosia myöhemmin, vasta nykyisten kädellisten esivanhempien alkaessa viihtyä päivänvalossa. Silloin oli etua, jos esimerkiksi kypsät ja ravinteikkaat hedelmät erotti raakileista.   

Kehityksen myöhäisestä vaiheesta kertoo myös se, että useimmat muut nisäkkäät, kuten kissat, koirat ja hevoset, eivät erota punaista väriä. Eivät myöskään härät, vaikka etiikaltaan kyseenalaisessa espanjalaisessa kansanhuvissa sarvipäitä ärsytetään punaisella muletalla.

Kuvat: Markus Hotakainen

 

 

 

Kahvikiihdytin-podcast

Kahvikiihdytin on Tiedetuubin uusi podcast-sarja. Säännöllisen epäsäännöllisesti ilmestyvässä podcastissa jutellaan – yllättäen – tieteeseen ja tekniikkaan liittyvistä asioista kevyesti ja hauskasti, mutta myös asiallisesti sekä rauhallisesti.

20.11.2024

Kahvikiihdytin on Tiedetuubin uusi podcast-sarja. Säännöllisen epäsäännöllisesti ilmestyvässä podcastissa jutellaan – yllättäen – tieteeseen ja tekniikkaan liittyvistä asioista kevyesti ja hauskasti, mutta myös asiallisesti sekä rauhallisesti.

YouTuben lisäksi podcast on kuullentavissa (pelkkänä puheena) Spotifyssä:

 

Jokaisessa jaksossa on isompia keskusteluaiheita, kunkin osallistujan huomaama jännä tiedeuutinen ja lopussa knoppi.

Tässä ensimmäisessä osassa Markus Hotakainen kyseli "Missä kaikki ovat?", eli jos muualla avaruudessa on älyllistä elämää, niin miksi he eivät ole ottaneet yhteyttä meihin? Voi tietysti olla niin, että tarpeeksi älyllistä elämää ei ole – tai vieraat sivilisaatiot katsovat, että emme ole tarpeeksi älykkäitä...

Mari Heikkilä heittää puolestaan esiin kysymyksen sitä, pitäisikö ihmisten kloonaaminen sallia. Eläimiä jo kloonataan, ja se näyttää onnistuvan hyvin.

Jari Mäkinen puolestaan mietiskelee tunteita herättävää asiaa: sähköautoja. Uutisissa kerrotaan, että niiden myynti on romahtanut, vaikka todellisuudessa myynnin kasvu on laskenut (monissa maissa, ei maailmanlaajuisesti) ja esimerkiksi lokakuussa Suomessa ensirekisteröitiin enemmän sähköautoja kuin polttomoottoriautoja. Mistä sähköautojen vastustus tulee?

Uutisissa esillä oli laserin varjo, rasvasolujen muisti ja likinäköisyys. Alla linkit uutisiin:

Scientists discover laser light can cast a shadow

Fat cells have a ‘memory’ of obesity — hinting at why it’s hard to keep weight off

Why we now think the myopia epidemic can be slowed – or even reversed

Ja lopuksi viime viikonlopun "superkuun" innoittamana: Oletko aina katsonut Kuuta väärin?

Täysikuu Bordeaux'n kuuluisan Pont de pierre -kivisillan päällä
Kahvi

Yllättävä tulos: paino vaikuttaa astronauttien näkökykyyn

Painottomuuden tai tarkemmin sanottuna mikrogravitaation on todettu heikentävän avaruuslentäjien näkökykyä. Kaikilla niin ei tapahdu ja nyt on löytynyt yksi asiaan vaikuttava tekijä.

SANS-oireyhtymä (spaceflight-associated neuro-ocular syndrome) saa aikaan silmässä näkökykyyn vaikuttavia rakenteellisia muutoksia, kuten turvotusta ja verisuoniston poimuttumista silmän takaosassa.

Maan vetovoimassa ihmisen oma paino aiheuttaa painetta kehon eri puolilla, mikä puolestaan vaikuttaa esimerkiksi verenpaineeseen. Jos elopaino on isompi, on syntyvä painekin luonnollisesti suurempi.

Painottomuudessa samanlaista painetta ei esiinny, jolloin kehon eri osissa ja elimissä voi tapahtua merkittäviäkin muutoksia. Tutkijoiden mukaan nämä muutokset näyttävät olevan sitä isompia mitä suurempi muutos paineessa tapahtuu.

Toisin sanoen painavammilla astro- ja kosmonauteilla fysiologiset muutokset ovat suurempia.

Tutkimusta varten kerättiin tietoja astronauteista, jotka olivat avaruusasemalla pitkiä aikoja, keskimäärin 165 vuorokautta. Pituuden, painon ja muiden kehon mittojen lisäksi tarkasteltiin silmissä tapahtuneita muutoksia.

Tulosten perusteella yksikään naisastronautti ei kärsinyt SANS-oireyhtymästä. Sukupuoli ei kuitenkaan selitä ilmiötä kokonaan, sillä miehillä havaittiin selvä riippuvuus kehon koon ja painon sekä SANS-oireiden välillä: mitä kookkaampi ja painavampi astronautti, sitä todennäköisemmin pitkäaikainen oleskelu painottomassa tilassa aiheutti silmissä muutoksia, jotka vaikuttivat näkökykyyn.

Tutkimuksella on merkitystä paitsi avaruusasemalle tehtävien lentojen myös tulevien Mars- ja mahdollisten asteroidilentojen kannalta, sillä niiden aikana matkalaiset ovat väistämättä pitkiä aikoja painottomuudessa – ellei aluksiin kehitetä keinotekoista gravitaatiota pyörimisliikkeen avulla.

Tutkimuksesta kerrottiin American Physiological Societyn uutissivuilla ja se on julkaistu American Journal of Physiology -tiedelehdessä.

Kuva: NASA

Keinonäkö etenee – saako silmiä kohta kaupasta?

Ihmissilmä on huippuluokan instrumentti, jos kohta varsinainen näköaistimus syntyykin aivoissa. Keinotekoisen silmän kehittäminen on siksi aikamoinen haaste.

Harvardin yliopiston tutkijat ovat ottaneet aimo harppauksen kohti toimivaa keinotekoista silmää – tai oikeastaan panneet vielä paremmaksi.

Tasomaiseen metalinssiin ja tekolihakseen perustuva optiikka tarkentuu kohteeseen samaan tapaan kuin ihmissilmä, mutta samalla se korjaa mahdollisen hajataiton.

Tähän saakka on onnistuttu valmistamaan vain koristehileen hiutaleiden kokoisia metalinssejä. Niiden toiminta perustuu näkyvän valon aallonpituutta pienempiin nanorakenteisiin, joten linssin rakennetta koskevan informaation määrä on suuri.

"Jos siirrytään 100 mikronin kokoisesta linssistä senttimetrin läpimittaiseen, linssiä kuvaavan informaation määrä kasvaa kymmentuhatkertaiseksi. Aina kun yritimme kasvattaa linssin kokoa, sitä koskevan tiedoston koko paisui giga- tai jopa teratavujen suuruiseksi", toteaa tutkimusta johtanut Alan She.

Ongelma ratkesi, kun tutkijat kehittivät uudenlaisen algoritmin, jolla tiedostokokoa saatiin pienennettyä. Linssien valmistuksessa sovellettiin sitten samaa tekniikkaa kuin mikropiirien tuotannossa. Näin metalinssien läpimittaa pystyttiin kasvattamaan senttimetriin ja sen ylikin.

 

Pelkkä linssi ei kuitenkaan vielä riitä silmän rakentamiseen, siihen tarvitaan myös säätömekanismia. Ihmissilmässä tehtävää hoitaa rengasmainen sädelihas, joka korvattiin keinosilmässä dielektrisellä elastomeerilla. Sen kutistumista ja venymistä voidaan ohjata sähköisesti.

Elastomeerin avulla saadaan muutettua metalinssissä olevien nanorakenteiden sijaintia toistensa suhteen, jolloin linssin tarkennus muuttuu. Samalla on mahdollista korjata optisia virheitä, kuten hajataittoa.

Metalinssin ja keinotekoisen lihaksen paksuus on vain 30 mikronia eli 30 metrin miljoonasosaa. Koska rakenne on näin ohut, se helpottaa optisten laitteiden rakentamista ja vähentää niissä esiintyviä vääristymiä.

Aivan pian ei ole odotettavissa ihmiselle soveltuvaa keinotekoista silmää, mutta tekniikan arvellaan olevan hyödyksi entistä tarkempien ja parempaan kuvanlaatuun pystyvien kameroiden ja mikroskooppien kehittelyssä.

Uudenlaisesta keinosilmästä kerrottiin Harvardin yliopiston uutissivuilla ja sitä koskeva tutkimus on julkaistu Science Advances -tiedelehdessä.

Kuvat: Capasso Lab/Harvard SEAS

Perinteinen kuva murtui: silmän tappi- ja sauvasolut toimivat yhdessä

Kirkkaassa valossa näkemisen on yleisesti uskottu olevan tappisolujen ja hämärässä näkemisen sauvasolujen vastuulla. Miten sitten on mahdollista, että ihmiset, joilla ei ole toimivia tappisoluja, pystyvät kohtuullisen hyvin toimimaan näköaistin varassa päivänvalossakin?

Aalto-yliopiston, Tübingenin yliopiston ja Manchesterin yliopiston tutkijat osoittavat tuoreessa Nature Communications -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa, että sauvasolujen synnyttämiä signaaleita voidaankin mitata sekä verkkokalvolta että aivoista paitsi hämärässä myös hyvin kirkkaassa valossa.

Tietyillä valojen kirkkausasteilla signaalit jopa voimistuvat valon kirkastuessa, kun niiden on tähän asti ajateltu saturoituvan kirkkaassa valossa kokonaan.

”Tutkimustulos kyseenalaistaa perinteisen jaon, jonka mukaan sauvasoluilla olisi merkitystä vain hämärässä", sanoo Aalto-yliopiston professori Petri Ala-Laurila.

"Itse asiassa sauvasoluilla on merkitystä aivan kaikissa tutkimissamme olosuhteissa ja niiden toimintakyky paranee pitkään jatkuvissa kirkkaammissa valaistusolosuhteissa. Toki on syytä edelleen muistaa, että tappisolut vastaavat pääosin näkemisestä kirkkaassa valossa ja sauvojen kontribuutio on erittäin pieni, mutta silti mitattavissa."

Ala-Laurila uskoo, että tulokset voivat parhaimmillaan myös auttaa löytämään uusia hoitomuotoja monokromaateille, eli potilaille, joilla ei ole toimivia tappisoluja.

”Kun sauva- ja tappisolujen toimintaa aletaan ymmärtää paremmin, voidaan myös pureutua silmäsairauksien syntymekanismeihin. Elinympäristöissämme on paljon kirkkaita valoja, joissa näkemisen on perinteisesti kuviteltu nojautuvan puhtaasti tappisoluihin. Sauvanäköä tehostamalla voisi löytää mielenkiintoisia uusia hoitomuotoja."

Tutkimusta varten rakennettu matemaattinen malli huomioi uusimman tiedon siitä, miten sauvasolut sopeutuvat eri kirkkausasteisiin.

Tutkimus suoritettiin Thomas Münchin (Tübingenin yliopisto) ja Rob Lucaksen(Manchesterin yliopisto), tutkimusryhmissä hiirillä, joilta on geneettisellä muuntelulla poistettu tappisolut. Aalto-yliopiston professori Petri Ala-Laurila osallistui tulosten matemaattiseen mallintamiseen.

Tulokset julkaistiin Nature Communications –tiedejulkaisussa. Linkki julkaisuun (nature.com)

*

Juttu on lähes suoraan Aalto-yliopiston tiedote.

Video: Näin keinoiiris reagoi valoon kuin ihmissilmä

Video: Näin keinoiiris reagoi valoon kuin ihmissilmä

Älykkäästä, valolla liikuteltavasta polymeerimateriaalista valmistettu keinoiiris reagoi tulevaan valoon sanoin kuin oikea silmä. Yllä oleva video näyttää miten keinoiiris toimii.

15.06.2017

Ihmissilmän iiris on kudos, jonka tehtävänä on säädellä silmään pääsevän valon määrää muuttamalla pupillin kokoa valon määrän mukaan.

Näin verkkokalvoille pääsee aina sopiva määrä valoa. Valon määrän hallinta on tärkeää myös kuvantamissovelluksissa, kuten esimerkiksi kameroissa. Niissä automaattiseen valon määrän säätelyyn ja siten korkealaatuisen kuvan syntyyn tarvitaan kuitenkin monimutkainen tunnistinjärjestelmä.

Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) Smart Photonic Materials -tutkimusryhmä on kehittänyt keinoiiriksen, joka toimii ihmissilmän tavoin. Se esiteltiin 7.6. ilmestyneessä materiaalitieteen alan arvostetussa Advanced Materials -julkaisussa.

"Autonominen iiris, joka pystyy säätämään itsenäisesti aukkonsa kokoa valon määrän mukaan, on uutta valo-ohjattavien materiaalien saralla", kertoo tutkimusryhmää johtava Akatemiatutkija, Associate Professor (tenure track) Arri Priimägi TTY:n kemian ja biotekniikan laboratoriosta.

TTY:n tutkijat kehittivät iiriksen yhdessä Varsovan yliopiston tutkijoiden kanssa. Keinoiiris valmistettiin valoon reagoivasta nestekide-elastomeerista. Sen valmistuksessa hyödynnettiin niin sanottua photoalignment-teknologiaa, jota käytetään myös esimerkiksi kännyköiden näytöissä.

"Keinoiiris muistuttaa hieman piilolinssiä, ja sen keskiosa avautuu ja sulkeutuu sen mukaan, miten paljon siihen osuu valoa", Priimägi sanoo.

Sovelluksia silmälääketieteessä?

Priimägin mukaan keksinnön tekee merkittäväksi se, että laite toimii itseohjautuvasti ilman ulkoisia virtalähteitä tai valoilmaisimia.

"Tämän tutkimuksen innoittajana toimi lääkäri, jonka mukaan itseohjautuvalle iirikselle voi löytyä sovelluksia silmälääketieteessä", Priimägi kertoo.

"Matka käytännön sovelluksiin on pitkä, mutta seuraava tavoitteemme on saada keinoiiris toimimaan myös nestemäisessä ympäristössä. Toinen tärkeä tavoite tulee olemaan laitteen herkkyyden kasvattaminen, jotta se reagoisi nykyistä pienempiin valon määrän muutoksiin. Nämä edistysaskelet veisivät meidät askeleen lähemmäksi mahdollisia biosovelluksia."

Tutkimusryhmän johtaja kiittelee ryhmänsä tutkijoiden tutkijatohtori Hao Zengin ja tohtoriopiskelija Owies Wanin tärkeää panosta keinoiiristutkimuksen onnistumisessa.

Smart Photonic Materials -ryhmä julkaisi aiemmin keväällä Nature Communications -lehdessä myös tutkimuksen kärpäsloukkukasvin idealla toimivasta optisesta polymeerikourasta, joka osaa tunnistaa itsenäisesti objekteja ja valita niistä oikeat. Tutkimus avaa uusia mahdollisuuksia pehmeiden mikrorobottien kehityksessä.

Keinoiiristutkimus on tehty ERC-rahoituksella.

Artikkeli perustuu TTY:n tiedotteeseen ja video on peräisin Smart Photonic Materials -tutkimusryhmältä.

Valoisan ja pimeän vaihtelu luo mielikuvan liikkeestä

Darth Vader oli oikeassa: pimeä puoli on vetovoimaisempi. Ruhrin yliopiston tutkijat ovat selvittäneet, että muutokset valoisan ja pimeän alueen rajoilla saavat aivoissa aikaan aktiivisuusaaltoja, jotka todennäköisesti liittyvät liikkeen havaitsemiseen.

Jos katsoo mustista ja valkoisista alueista rakentuvaa kuvaa, silmien alituinen liike saa aikaan niiden rajoilla nopeita muutoksia. Ne puolestaan synnyttävät näkökeskuksessa aaltoja, joiden jatkokäsittely muilla aivojen alueilla antaa mielikuvan liikkeestä.

Luonnossa on lukemattomia esimerkkejä siitä, miten saaliseläimet välttävät petoja sulautumalla ympäristöön. Usein on oleellista kyetä jäljittelemään tummia ja vaaleita alueita, pimeää ja valoisaa. 

"Näköhavainnon ensimmäinen askel on erottaa toisistaan tummat ja vaaleat alueet. Minkä tahansa näkemiseen liittyvän järjestelmän ongelmana on mielekkään järjestyksen luominen mutkikkaista valon luomista kontrasteista, jotta kohteen voisi tunnistaa. Yksi tehokas mekanismi saattaa olla hahmottaa yhtenäisiä valoisuuden muutoksia, joita väistämättä tapahtuu, kun jokin liikkuu taustaa vasten", toteaa tutkimusta johtanut Dirk Jancke.

Tutkijat osoittivat, että lähekkäisten alueiden valoisuudessa samanaikaisesti tapahtuvat päinvastaiset muutokset – pimeästä valoisaan ja valoisasta pimeään – saavat aikaan näkökeskuksen aktivoitumisen. Seurauksena on havainto liikkeestä.

Tutkimuksessa käytetyssä kokeessa näyttöruudulla oli pieniä harmaita neliöitä, joiden kirkkaus vaihteli tummasta vaaleaan ja takaisin. Samanaikaisesti mitattiin koehenkilöiden aivojen aktiivisuutta. Yllättävänä tuloksena oli, että aivot rekisteröivät neliöiden muuttumisen tummaksi aikaisemmin kuin niiden vaalenemisen. 

"Se osoittaa, että samanaikaisissa valoisuuden muutoksissa tapahtui aivoissa aikasiirtymä", päättelee Sascha Rekauzke

Jo aiemmin tiedettiin, että valoisan ja pimeän käsittelyssä on pieni, joidenkin millisekuntien suuruinen ero. Silmän valoherkkien solujen signaalit valon ja pimeän esiintymisestä etenevät aivoihin hieman eri tahtiin. 

Nyt selvisi, että aivot vahvistavat pienen aikaeron noin kymmeneen millisekuntiin. Siitä on seurauksena valoisuuden – tummien ja vaaleiden alueiden – havaitsemisessa esiintyvä aikasiirtymä, joka saa aikaan epäsymmetrisesti etenevän aktiivisuusaallon. Aivot tulkitsevat sen havainnoksi liikkeestä.

Samankaltaiseen epäsymmetriaan perustuu myös äänen tulosuunnan havaitseminen. Eri suunnista tulevat ääniaallot osuvat korviin hieman eri aikaan ja sillä perusteella aivot "laskevat", mistä suunnasta ääni kuuluu.

Tutkimuksesta kerrottiin Ruhrin yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Journal of Neuroscience -tiedelehdessä.

Kuva: Dirk Jancke/RUB

 

Silmä huimassa lähikuvassa

Silmä


Päivän kuvassa on tänään valokuvausharrastaja Grégoire Lannoyn äidin silmä lähikuvassa. Siinä silmä on kuin musta aukko, jonka ympärillä on haituvista koostuva rengas – ja niinhän asian vähän onkin.


Päivän kuvaTämä tarina täytyy aloittaa ponnettomasti: ihmisessä on todellakin monta ihmeellistä elintä ja asiaa, mutta varmasti eräs kummallisimmista ja nerokkaimmista elimistä on ihmisen silmä.

Kuva on tästä vain yksi osoitus.

Siinä näkyy keskellä hyvin selvästi pupilli, eli mustuainen, jonka ympärillä on värillinen reunus, värikalvo eli iiris.

Iiriksessä olevat säteittäiset lihakset ja sen reunaa kiertävä rengaslihas voivat laajentaa tai supistaa värikalvoa riippuen valaistuksesta. Kirkkaassa valossa ihmissilmän pupillin halkaisija on noin 1,5 millimetriä, mutta hämärässä se voi olla jopa kahdeksan millimetriä.

Suonikalvossa on heti värikalvon takana rengasmainen paksunnos, sädekehä, jossa on samanlaisia ja samalla tavalla toimivia lihaksia kuin värikalvossakin. Sädekehään kiinnittyy ohuilla ripustinsäikeillä lasinkirkas kaksoiskupera mykiö eli linssi, joka taittaa ulkoapäin tulevat valonsäteet ja luo ylösalaisen pienoiskuvan verkkokalvolle.

Verkkokalvo eli retina ei näy kuvassa, mutta se sijaitsee silmämunan takaosassa. Se on itse asiassa silmän sisäpinnalle levinnyt näköhermon pää; siinä sijaitsevat silmän valoherkät solut, sauva- ja tappisolut.

Tavallisesti ihmisellä on kolmenlaisia tappisoluja, jotka aktivoituvat herkimmin punaisesta, vihreästä ja sinisestä valosta. Sauvasoluja on vain yhdenlaisia: ne eivät kykene yksinään erottelemaan värejä, mutta toimivat tappisoluja paremmin hämärässä. Karkeasti ottaen voidaan sanoa, että tappisolut reagoivat väreihin, kun taas sauvasolut mahdollistavat hämärässä näkemisen.

Silmämunan kalvoista uloin on kovakalvo, jonka alla on suonikalvo. Siinä silmävaltimot ja -laskimot muodostavat tiheän verisuoniverkon.

Silmän etuosassa sijaitsee puolestaan hieman kupera, kellonlasin muotoinen läpinäkyvä sarveiskalvo.

Silmämunaa suojelee ulkoapäin ihopoimujen muodostamat ylempi ja alempi silmäluomi, joiden vapaa reuna on silmäripsien reunustama. Kolmas silmäluomi on vilkkuluomi, joka on ihmisellä surkastunut. Se näkyy silmän sisäkulmassa vain pienenä punertavana jäänteenä. Silmäluomien sisäpintaa sekä silmän näkyvää osaa, “valkuaista” peittää sarveiskalvoa lukuun ottamatta sidekalvo.

Kuva: Grégoire Lannoy / Flickr
Suuri osa tekstistä on poimittu Wikipedian (ihmis)silmää käsittelevistä artikkeleista.