Uusi läpimurtotutkimus kuvaa stereonäköaistin toimintaa – tulokset sovellettavissa myös konenäön kehittämiseen

Samankaltaiset hermoston toimintaan liittyvät vaihekoodausperiaatteet todennäköisesti tukevat banaanikärpästen lisäksi muiden eläinten ja ihmisten stereonäköä eli kykyä nähdä maailma kolmiulotteisena. Toimintaperiaatteet perustuvat peilisymmetrisesti liikkuviin antureihin, jotka keräävät kolmiulotteista tietoa maailmasta, kertoo uusi syvyysnäköön perehtynyt tutkimus.

Banaanikärpäset näkevät maailman selkeämmin ja tarkemmin kuin aiemmin on ajateltu. Aiemman käsityksen mukaan banaanikärpästen silmien sisäinen toimintamekanismi ei ole sisältänyt liikettä, sillä ulkopuolelta katsottuna hyönteisen verkkosilmät eivät näytä liikkuvan. Siksi on pitkään ajateltu, että kärpäset näkevät vain matalaresoluutioisen, ”pikselöityneen” kuvan maailmasta ja kykenevät hahmottamaan syvyyseroja vain hieman tai ei lainkaan.

Oulun yliopiston NANOMO-yksikön tutkijat ovat osallistuneet Sheffieldin yliopiston tutkijoiden johtamaan kansainväliseen tutkimukseen, jossa havaittiin että silmän valoaistinsolut eli valon muutoksiin reagoivat solut nykivät järjestelmällisesti, mikä tuottaa tarkan ja yksityiskohtaisen kuvan katsotusta kohteesta. Tutkimuksessa hyödynnettiin mm. in-vivo synkrotronikuvantamista, jonka kehityksessä oululaistutkijoilla on paljon kokemusta.

Tutkimusryhmä sai selville, että banaanikärpäsillä on korkearesoluutioinen stereonäkö, koska niiden valoaistinsolut keräävät enemmän tietoa ympäristöstä kuin aiemmin luultiin. Tämä tapahtuu niin, että valoaistinsolut reagoivat valon muutoksiin ultranopeilla peilisymmetrisillä liikkeillä, joita kutsutaan valoaistinsolun mikrosakkadeiksi. Kun kärpänen liikkuu eteenpäin, valoaistinsolut keräävät kuvahavaintoja maailmasta sekä kärpäsen liikkumasuunnan mukaisesti että sen vastaisesti.

Valoaistinsolujen keräämä kuvatieto ei tällöin ole karkeasti ”pikselöitynyttä” vaan hyvin yksityiskohtaista ja jatkuvaa kuvatietovirtaa. Valoaistinsoluista tieto välittyy aivoihin, jotka puolestaan prosessoivat sen kärpäsen näköhavainnoksi.

Professori Mikko Juusola Sheffieldin yliopistosta kertoo: ”Monella eläimellä on kaksi silmää, joiden ansiosta ne näkevät maailman kolmiulotteisena. Koska silmät ovat toisistaan erillään, ne näkevät samasta näkymästä kaksi erillistä kuvaa hieman eri kulmista. On hyvin tiedossa, että näköaistin on hyödynnettävä tätä kuvien pientä eriparisuutta eli dispariteettia määrittääkseen visuaalisten kohteiden sijainnin ja etäisyyden meistä sekä niiden kolmiulotteisen rakenteen. Emme kuitenkaan tiedä tarkasti, miten silmät ja aivot muuttavat tämän kaksiulotteisen informaation kolmiulotteiseksi käsitykseksi ympäristöstä.”

Banaanikärpästen silmiä tutkittiin hiukkaskiihdyttimessä

”Uudet tutkimustulokset syvyys- ja stereonäön toiminnasta ovat niin merkittäviä, että oppikirjat on kirjoitettava uusiksi. Oulun yliopiston tutkijoiden osuus tutkimuksessa oli ideoida ja osallistua synkrotroni kuvantamiseen, jossa muun muassa tarkasteltiin hiukkaskiihdyttimellä banaanikärpästen eri silmien valoaistielinten välistä dynamiikkaa”, selittää kokeellisen elektronispektroskopian professori Marko Huttula, nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksikkö NANOMOsta, tutustu yksikköön englanniksi.

Löydösten saavuttamiseksi tutkijoiden oli kehitettävä useita uusia tutkimusmenetelmiä, joita ei ole koskaan aikaisemmin hyödynnetty näön tutkimuksessa. Esimerkiksi mitatakseen valoaistinsolujen mikrosakkadidynamiikkaa paikallisesti ja kokonaisuutena kummassakin silmässä he kokeilivat ensimmäisinä maailmassa nopeita mikrotason infrapuna- ja nanotason röntgenkuvantamismenetelmiä elävissä kärpäsissä. Kokeiden löydösten pohjalta toteutettiin biofyysisesti tarkat morfodynaamiset mallit, joilla simuloitiin verkkosilmien tuoreeltaan havaittua korkean resoluution adaptiivista optiikkaa. Mallit tuottivat teoreettisia ennusteita siitä, miten hyvin kärpästen pitäisi nähdä maailma, ja niiden pohjalta kehitettiin uusia visuaalisia ärsykkeitä. Lopuksi näiden ärsykkeiden avulla testattiin banaanikärpästen superresoluutioista viestinvälitystä aivoverkoissa sekä oppimiskäyttäytymistä lentosimulaattorijärjestelmässä. Kokeiden tarkoituksena oli selvittää, miten kärpäset erottavat superresoluutioisia kolmiulotteisia kohteita, ja ne paljastivat kärpästen hämmästyttävän hyvän stereonäön todelliset rajat.

Löydökset voivat olla merkittäviä ihmisen näköaistin kannalta: banaanikärpäsen hermosto on kehittynyt havaitsemaan kolmiulotteisen maailman tehokkaasti, ja on hyvin todennäköistä, että ihmisten ja banaanikärpästen stereonäkö toimii samankaltaisilla periaatteilla. Tutkijat esittävät myös, että peilisymmetrisen visuaalisen tiedon keräämisen periaatteita ja matemaattista teoriaa voitaisiin tulosten perusteella hyödyntää keinotekoisten anturien kehittämisessä sekä soveltaa suoraan konenäköön ja robotiikkaan.

Arvostettu Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) julkaisi tutkimustulokset 17.3.2022:

• Binocular Mirror-Symmetric Microsaccadic Sampling Enables Drosophila Hyperacute 3D-Vision. Joni Kemppainen, Ben Scales, Keivan Razban Haghighi et al. PNAS 2022: https://doi.org/10.1073/pnas.2109717119