Provate a concentrarvi su un solo punto e noterete che i vostri occhi continueranno a muoversi leggermente, anche se pensate di tenerli fermi. Questi movimenti sono chiamati “movimenti oculari di fissazione” (FEM). Gli scienziati stanno cercando di capire se questi errori migliorino la nostra capacità visiva o la ostacolino, essendo un difetto intrinseco del sistema motorio.
Tuttavia, un nuovo studio presenta una spiegazione alternativa che suggerisce che i gesti umani non siano affatto del tutto casuali. Sviluppando un modello matematico avanzato delle prime fasi del sistema visivo, gli scienziati hanno appreso di più sulla complessa interazione tra questo e la nostra percezione del mondo esterno. Sembra che, nella maggior parte dei casi, i nostri “tremori” abbiano effettivamente uno scopo importante.
Piccoli movimenti, grandi effetti
Un recente articolo pubblicato su Physical Review Research offre una spiegazione innovativa. Lo scopo di questo studio era dimostrare come i movimenti oculari di tipo “deriva” contribuiscano alle informazioni estratte durante la visione. A tal fine, è stato costruito un modello matematico analitico del sistema visivo primario che incorpora la risposta della retina, l’adattamento, la sfocatura oculare e il rumore.
La loro analisi mostra un delicato equilibrio tra deriva e immagine. Lievi derive degli occhi possono, a seconda delle circostanze, favorire la visione, interferire con essa o non avere alcun effetto significativo. Gli effetti dei movimenti oculari di fissazione possono essere positivi o negativi, ma non sempre.
Ad esempio, i movimenti oculari di fissazione (FEM) possono favorire o ostacolare il rilevamento di stimoli specifici, a seconda della durata dell’esposizione e delle proprietà spaziali delle immagini in questione. “I nostri risultati dimostrano che l’effetto dei movimenti oculari di fissazione dipende fortemente dai parametri adimensionali che ne definiscono le caratteristiche temporali e dalla loro interazione con le caratteristiche spazio-temporali dello stimolo visivo.”
Spiega inoltre diversi misteri. Uno studio sulla fisiologia della retina ha dimostrato che, inaspettatamente, l’introduzione di piccoli movimenti tremolanti migliorava la capacità di decodificare i segnali retinici, portando gli autori a concludere che “le derive oculari della fissazione aumentano la precisione della rappresentazione retinica”. Questo modello fornisce una spiegazione del perché ciò accada a volte. Il tremolio diffonde i dettagli spaziali nel tempo, consentendo una più facile elaborazione neuronale. Tuttavia, ci sono casi in cui una deriva eccessiva o insufficiente può sfocare l’immagine, come confermato dai risultati di altri studi.
Quando troppo poco o troppo movimento si ritorce contro
L’intuizione fondamentale è che le minuscole derive dei nostri occhi convertono i dettagli spaziali in un segnale intermittente. La retina è estremamente sensibile ai cambiamenti nel tempo, ma “sfoca” anche i dettagli più fini (l’ottica dell’occhio non è perfetta). La nuova spiegazione mostra che velocità di deriva moderate producono un mix ottimale: spostano l’immagine quel tanto che basta per contrastare l’adattamento senza però compromettere i dettagli. Infatti, inserendo le stime del sistema visivo umano, i ricercatori hanno scoperto che i tassi misurati di deriva oculare naturale si collocano in prossimità di questo punto ottimale.
Come osservano, “I tassi misurati di deriva oculare della fissazione sono calibrati per fornire il massimo beneficio data la presenza di sfocatura ottica, un’indicazione che ancora una volta un processo biologico opera vicino a un limite imposto dai principi fisici”. In altre parole, i nostri tremori oculari involontari sono sorprendentemente vicini alla quantità ideale per la nostra ottica e i nostri neuroni.
Che aspetto ha? Immaginate di osservare un motivo a strisce sottili. Senza alcun movimento di deriva, le strisce svanirebbero dalla vista. Un leggero movimento di deriva le fa brillare sulla retina, mantenendole visibili. Ma se la velocità di deriva fosse molto maggiore, le strisce potrebbero sfocarsi e diventare grigie.
I ricercatori hanno dimostrato che, nell’ambito di una vasta gamma di stimoli visivi quotidiani, si possono trovare situazioni in cui i movimenti oculari fini favoriscono la visione e altre in cui la ostacolano. Questo spiega perché le classiche misurazioni della sensibilità al contrasto umano (quanto bene riusciamo a distinguere pattern di diversa finezza) sembrano difficili da conciliare: la cosiddetta forma a banda passante della nostra sensibilità potrebbe emergere proprio da questo equilibrio tra movimento oculare, sfocatura e adattamento. Lo studio riprende persino i classici esperimenti di fissazione (come gli esperimenti di Barlow con immagini stabilizzate) e mostra come i loro risultati si discostino naturalmente una volta tenuto conto di queste interazioni. In breve, i piccoli movimenti oculari intrecciano le dimensioni spaziali e temporali della visione in modi inaspettati.
Sintonizzato da blur
Lo studio suggerisce anche possibili applicazioni pratiche. Se i minimi spostamenti oculari corrispondessero fedelmente alla sfocatura della visione umana, allora le variazioni di questi movimenti potrebbero influenzare la nitidezza della vista. Ciò potrebbe rivelarsi importante in futuro per le protesi visive , i display con tracciamento oculare o persino i sistemi di visione artificiale che imitano il movimento costante dell’occhio umano.
Ma la lezione più profonda è difficile da ignorare. Le piccole oscillazioni che non notiamo potrebbero non essere affatto dei difetti. Sembrano invece essere straordinariamente ben calibrate rispetto ai limiti della fisica e della biologia.
Quindi, quando vi ritrovate a fissare un oggetto immobile, tenete presente che i vostri occhi sono in realtà in costante movimento, e questa potrebbe essere una spiegazione del perché tutto ci appare così nitido.
I nostri occhi non sono mai immobili. Anche durante la fissazione, mostrano piccoli movimenti tremolanti. Sebbene si sia a lungo sostenuto che questi movimenti oculari di fissazione (FEM) favoriscano l’acquisizione di informazioni visive, è mancata una descrizione teorica completa del loro impatto sulle informazioni disponibili nel sistema visivo primario. In questo studio, consideriamo la componente di deriva dei FEM. Descriviamo questi FEM come un processo diffusivo e costruiamo un modello teorico minimale della risposta visiva primaria, includendo il processo critico di adattamento (una risposta che si attenua a un’immagine fissa). Stabiliamo l’effetto dei FEM sull’informazione mutua tra uno stimolo visivo e questa risposta. Il nostro approccio identifica i parametri adimensionali chiave che caratterizzano l’effetto dei movimenti oculari di fissazione e rivela i regimi in cui questo effetto può essere benefico, dannoso o trascurabile. Assumendo valori dei parametri appropriati per la visione umana, dimostriamo che gli accoppiamenti spazio-temporali indotti dai movimenti oculari di fissazione possono spiegare le caratteristiche qualitative della funzione di sensibilità al contrasto umana, così come i classici esperimenti sull’integrazione temporale. A nostra conoscenza, la considerazione dei movimenti oculari di fissazione in quest’ultimo contesto è unica, e i nostri risultati suggeriscono la necessità di futuri esperimenti per determinare i meccanismi con cui le risposte spaziali e temporali sono accoppiate nel sistema visivo umano.
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