蛙眼和电子检测器

蛙眼和电子检测器

17世纪初期，一位耶稣教会修士史钦纳将眼球后面逐层剥离。当他将不透明的层剥清后，竟发现在视网膜上显示出一幅那位死者临终前一瞬间所见到的事物的印象。以后直到19世纪末期，人们能用化学物品把视网膜上的印象固定下来，事物通过透镜成像在视网膜上这一见解才被人们公认。最近，俄罗斯破获了一件前苏联遗留下来的骇人听闻的凶杀案，一个灭绝人性的杀人狂在过去19年中，极其残忍地杀害了数十名无辜的妇女和少年，由于凶手过于狡猾，得以长期逍遥法外。破案后，侦破组负责人答记者问时谈及：他们发现被害者的尸体都有一个共同点，就是双眼都被挖去，这一点引起侦破人员的注意，经过仔细分析，认为可能是凶手怕自己的形象在作案时被留在受害人的视网膜上。如果这个分析是正确的话，那么按此推理，凶手具有一定的文化知识，在日常生活中，一定会避免与人正视，同人交往，不敢与人目光对视，并且外出经常戴墨镜等。侦破人员以此线索作为突破点，深入调查，解开一个个疑点，终于挖出凶手。这个凶残而又狡黠的杀人狂害怕视网膜成像留下罪证，企图挖眼毁证，逃避法网，没料到天网恢恢，聪明的俄罗斯侦破员正是根据他的这一行为才打开僵局，最终将他送上审判台。

人们对自己和别的动物的视网膜所知不多。也许永远不能了解客观世界究竟在动物眼内是什么样子，因为在研究和分析中难免不带主观性。通过研究，发现一些动物所见到的世界同人们所见到的并不一样。人的眼睛大体上可说是动物界中最复杂和最完备的了，但是人眼不能感觉到昆虫能感觉到的紫外光，而有些动物不能辨别颜色，蛙眼则对不动的物体没有反应。然而，人们就是根据已知不多的有关视网膜的认识，设计出一批视网膜机能电子模型，并收到很好的应用效果。蛙眼的模拟就是一个较成功的事例。

莱特文和马图兰把微电极插入青蛙视神经上，并接到一台示波器和扬声器上。这样，当青蛙视网膜上感光细胞受到光刺激后产生的电脉冲就会在示波器上显示波形，并在扬声器上发出噼啪声来。

蛙类视网膜上的神经细胞分布在三个层次上：第一层是感光细胞，约有100万个。第二层是双极细胞、无轴突细胞和水平连接细胞，约有300万个。第三层是神经节细胞，约有50万个。它们发出神经纤维组成视神经与大脑相接，神经节细胞根据其输出纤维连接场所的不同，分成五种类型。他们把微电极插到青蛙视网膜上的各种细胞上进行试验，给青蛙看黑色的各种几何形状的物质，看黑色和白色的图像，包括青蛙在自然环境中可能见过的景色彩照。给青蛙看灯光、熄灯和灯光由亮变暗等各种刺激，再观察示波器上显示的波形和扬声器上发出的声音的变化。发现这五种类型的细胞各自起着不同的作用。

第一类细胞最小，只能感觉到物体的边缘轮廓，故称轮廓检测器。第二类细胞较大，只对那些比背景暗的并向视野中心移动的小凸体发生反应，称为昆虫检测器，也就是说青蛙对静止的物体不感兴趣，青蛙注意的目标主要是其共性，而目标的个性是次要的。第三类细胞对时间上的亮度变化，如目标的移动起反应，叫活动边缘检测器。第四类细胞只对光从强到弱，如发生阴影起反应，叫转阴检测器。第五类细胞只对一种“水蓝色”的色调起反应，叫颜色检测器。

五种神经节细胞接受从感光细胞传来的信息，各按自己的方式去进行分析，差不多十分之九的信息都在视网膜处立即处理，最后通过神经传入大脑去作综合，形成一个崭新的组合图像，就像书刊上的彩色图版由各种颜色套印而成一样。处理过的信息随即送往大脑的一个反射中枢，及时发出应作出相应动作的命令，因此，蛙眼看到的只是对其生存有关的事物，此外什么也置之不顾。在自然环境中生活的蛙类，通常也不食死物。当一只飞虫进入它的视野时，青蛙立即会张口将其吞下，动作之敏捷，令人叫绝。有人曾将一只死虫抛向青蛙，它一张口就将其吞下。又将一只烟蒂抛向青蛙，它照样将其吞入口中，反应之快，如同吞食一只活的飞虫一样，但它很快又将烟蒂吐出。可见青蛙不是不食死物，而是对不动的物体无反应。相反，只要是运动着的如同飞虫一样大小的物体都能使其作出捕食反应。这主要是边缘检测器和昆虫检测器所起的作用。漫步在水池边，当你走近时，潜伏在草丛中的青蛙它会立即跳入水中躲避。这主要是转暗检测器所起的作用。蛙眼五种类型的神经细胞综合作用，保证了蛙的生存。

科学家们模拟蛙视网膜，设计出蛙眼电子模型——电子检测器，由7个代替感光细胞的光电管和一个人造神经元组成。其中一个光电管位于中央，并与人造神经元的抑制性输入端相接。6个光电管以等距离排列在四周，并与人造神经元的兴奋性输入端相接。当7个光电管都受到光照射时，人造神经元输出为零。若一个不透光的运动物体的阴影挡住外周的任意一个光电管时，人造神经元输出为负，当运动物体移入中心，遮住中心光电管时，使抑制性输入为零，而6个光电管的兴奋性输入之和为正，人造神经元立即有信号传出。这架电子模型具有感受边缘、运动、“昆虫”和光强减弱等能力。根据这个模型研究图像识别，已设计出有效的雷达跟踪系统，提高了雷达的辨别性能，只检出转向雷达飞来的飞机，并立即告知监视人员。然而，这架当时造价20万美元的模型，重500磅，体积近2立方米，与两只春雨蛙相比，人们又会发出什么感叹呢？另外，蛙类不消三个月就能自行将被切断的视神经纤维一一连接起来，使视觉恢复正常。这种令人难以想象的“自修复”功能，也值得研究“自修复”结构的人员去模拟的。