Entrades amb l'etiqueta ‘retina’

L’ull i la mirada

dissabte, 15/07/2017

L’ull és una caixa de sorpreses, que tot just ara estem començant a entendre. De fet, de mica en mica anem descobrint que el nostre sistema visual és una de les grans meravelles biològiques que ens ha regalat l’evolució, després d’anar-lo perfeccionant durant milions i milions d’anys.

Dins dels col·loquis sobre fotografia que va organitzar l’Acadèmia de Ciències francesa, n’hi ha un que em va cridar especialment l’atenció. Es tracta de la conferència que va impartir en Jose Alain Sahel, i que podeu veure (i us podeu descarregar) d’aquesta web.

La retina és plena de fotoreceptors, cèl·lules que capten les imatges que veiem. Els bastons, uns cent milions a cada ull, només són sensibles a la claror o foscor, mentre que els cons (uns 6 milions) són de tres tipus. Poden distingir els tons de vermell, verd i blau, i es concentren a la zona foveal. Els bastons ens donen únicament una visió perifèrica en blanc i negre, més aviat poc detallada, mentre que els detalls els captem a la fòvea. Quan ens volem fixar en alguna cosa, girem l’ull, hi dirigim la vista, fem que es projecti a la fòvea, i ja ho podem veure en color i amb tot detall. Ara bé, no tot són cons, bastons i fòvea. En Jose Alain Sahel parla dels nous descobriments pel que fa al substrat retinal, que conté mes de 100 milions de neurones, i la seva funcionalitat. Aquest substrat s’estructura en una vintena de capes formades per mosaics de circuits neuronals, i serveix per processar les imatges que veiem abans d’enviar-les al cervell. El substrat retinal prepara i “digereix” les imatges, creant fins a 20 tipus d’informació d’alt nivell que faciliten la feina al sistema perceptiu cerebral. En Jose-A. Sahel ens explica que tot això s’ha descobert en paral·lel a la invenció dels implants retinals, sistemes que, al principi, eren petites plaques de sensors com els de les càmeres digitals de fotos que s’implantaven a la zona foveal. Es va veure, però, que si es connectava directament el senyal dels sensors dels píxels de l’implant al nervi òptic, els pacients no veien res, perquè el sistema no tenia en compte el processat d’imatges que fa el substrat retinal. Ara, en canvi, els nous implants inclouen una certa optimització numèrica de la informació visual, i la restauració visual s’aconsegueix estimulant elèctricament el circuit retinal residual de manera que s’aprofita el tractament retinal de la informació que encara és actiu. La idea és captar imatges com ara es fa a les càmeres digitals, processar-les parcialment, estimular elèctricament el circuit retinal, i deixar que aquest acabi de fer la resta del processat. Aquí teniu un article que en parla. S’ha vist que els pacients, al principi, tenen percepcions no interpretables; però al cap d’uns mesos, i gràcies a la plasticitat cerebral, obtenen una bona recuperació funcional i poden percebre les formes.

La relació entre l’ull i el cervell és complexa. Fins fa pocs anys es creia que la retina captava imatges, el nervi òptic les enviava al cervell, i aquest les processava per crear la pel·lícula del que estem veient. Ara ens estem adonant que això no és cert, perquè aquesta seria una solució molt ineficient i amb excessiva despesa energètica. Les imatges del món real que pensem que veiem no són les que capta la retina: només són al cervell. El que el nervi òptic envia al cervell és informació visual ja processada i molt “digerida”. I, a més, si no hi ha res de nou, el cervell no rep cap senyal, perquè el temps és la informació clau. És con si el cervell pintés un quadre. Si al nostre entorn tot és quiet, el cervell aprofita el quadre que ja havia pintat instants abans. Quan alguna cosa es mou, ens hi fixem, l’ull ho mira, el nervi òptic envia la informació que ha canviat, i el cervell retoca només aquells petits trossets del quadre que pensa que cal modificar. A diferència de les càmeres digitals de fotos i vídeo, el nostre sistema de percepció visual és sobretot memòria, amb petits retocs constants. I, en tot això, un dels aspectes claus és el de “ens hi fixem”. Els ulls exploren l’entorn amb successives fixacions, en funció de mecanismes d’atenció i del que anem veient a la fòvea. Els moviments microsacàdics i els mecanismes de fixació fan que ens aturem en certs detalls i que en canvi no donem importància a altres coses que passen. Creiem que ho veiem tot ben detallat però no és cert: només veiem bé allò que el nostre ull i el nostre cervell han decidit en algun moment que es projectés a la zona foveal de la retina (que és on dirigim allò que volem mirar bé; la resta de la retina, en canvi, ens aporta visió perifèrica i ens avisa del que pot requerir la nostra atenció perquè canvia bruscament). Anem saltant d’un punt a l’altre, agafant detalls d’aquí i d’allà, i així, amb quatre pinzellades, ens fem una idea del món.

Com bé ens explicava Henry David Thoreau, hi ha coses que passen per davant nostre i que no veiem, perquè és cert que es troben en el nostre raig visual, però no en el nostre “raig intel·lectual”. Coneixeu el vídeo de les jugadores de bàsquet? És aquest. Si teniu un moment, mireu-lo, compteu quantes vegades es passen la pilota les jugadores blanques, i sorpreneu-vos. Perquè, com diu en Thoreau, només veiem el món que volem veure. O, en altres paraules, tenim una mirada que ens regala justament allò que ens interessa i ens amaga la resta. I anem tant cofois, pensant que tenim un coneixement objectiu del món…

La imatge de dalt l’he baixada d’aquesta pàgina web.

Per cert, en Henry David Thoreau també es preguntava si hi podia haver un miracle més gran que el poder de mirar, encara que només fos un instant, a través dels ulls dels altres. Perquè, deia, qui pot dir què és allò que la vida ofereix als altres?

Els colors invisibles

dijous, 28/04/2016

Som animals visuals. La immensa majoria de la informació que percebem és visual. Els ulls ens expliquen el món, ens llegeixen llibres i ens mostren fotos i pel·lícules. Els humans percebem el color gràcies a unes cèl·lules de la retina anomenades cons. De fet, tenim tres tipus de cons que detecten zones diferents de l’espectre. Uns tenen màxima sensibilitat en la zona dels vermells, uns altres en la dels verds i uns darrers en la zona dels blaus. En el seu funcionament, la nostra retina no és massa diferent dels sensors de les càmeres de fotos digitals, que també capten per separat el vermell, el verd i el blau. Només que en lloc de megapíxels, tenim megacons: uns sis milions i mig de cons a cada retina. Això sí, complementats amb prop de 120 milions de bastons que només poden captar informació en blanc i negre i tons de gris. En d’altres paraules, la nostra percepció visual és bàsicament no cromàtica, com podem observar al capvespre: quan es fa fosc, hi ha un moment en què perdem els colors i només hi veiem en blanc, gris i negre.

El nostre sistema perceptiu ha anat evolucionant durant milions d’anys i ha acabat en un sistema que filtra i processa senyals de cons i bastons. El cervell ho integra tot, però tots els nostres records visuals es basen en el que han captat els bastons i els cons dels tres canals vermell, verd i blau. Un sistema que ens és òptim i suficient per sobreviure.

La física ens diu que el color és una propietat de la llum, que la llum són fotons, que hi ha fotons de moltíssimes longituds d’ona, i que cada color és una determinada barreja de fotons de diferents zones de l’espectre visible. Fixeu-vos en aquesta imatge, que podeu trobar també en aquesta pàgina web. Mostra quatre diagrames de potència espectral, corresponents a la llum solar, a la d’una bombeta de LEDs, a una bombeta típica d’incandescència i a un fluorescent. Bàsicament ens diu quina és la barreja que hem de fer de fotons de diferents longituds d’ona (fotons que corresponen als colors purs de l’arc de sant Martí) per obtenir el color de cada una d’aquestes llums. Veiem que la llum solar és una barreja bastant uniforme de fotons de tot tipus, mentre que la de les bombetes incandescents, més groga, és una barreja amb pocs fotons de la zona dels blaus i molts més de la zona dels grocs, taronges i vermells. Altrament, la llum dels fluorescents és poc (massa poc) diversa.

Imagineu que els nostres ulls tinguessin uns “super-cons” capaços de detectar la barreja exacta de fotons que arriba a cada un dels punts de la retina. Veuríem els colors amb tota la seva plenitud, perquè cada super-con estaria enviant al cervell la corba espectral de la llum que li arriba. En una habitació il·luminada amb un fluorescent, quan obríssim la finestra i entrés la llum del sol, podríem distingir la barreja harmònica de fotons a les zones banyades per la llum del Sol de la pobresa cromàtica dels objectes que només reben la llum artificial. Si sortíssim al camp, sabríem veure quins arbres tenen problemes i envelliran més ràpid, perquè el color verd dels arbres sans té un diagrama de potència espectral diferent al dels malalts. Però nosaltres només tenim sensors retinals en tres canals cromàtics; simplement veiem els arbres verds perquè no podem distingir totes les possibles barreges de fotons. De fet, hi ha una paraula per aquest fenomen: els colors diferents però que el nostre ull no pot distingir s’anomenen metàmers.

Els nostres ulls no tenen super-cons perquè és un luxe que l’evolució no ens ha permès. Però en podem fabricar. Hem aprés a fabricar ulls artificials que veuen i poden distingir els colors que ens són invisibles. Són els espectròmetres d’imatge o càmeres hiper-espectrals. Un dels més sofisticats, l’Airbone del projecte AVIRIS, capta fotons en 224 canals distribuïts al llarg de tot l’espectre. En lloc d’una simple imatge en color, l’espectròmetre d’imatge del projecte AVIRIS genera un volum de color, com podem veure en aquesta web, amb 224 valors a cada píxel que ens diuen com hauríem de barrejar fotons de cada una d’aquestes 224 regions de l’arc de sant Martí (incloent infraroig i ultraviolat) per tal de reconstruir de manera molt precisa l’estructura de la llum que ha captat aquest píxel. El volum de color de les càmeres hiper-espectrals és a l’espai (x,y,L), on (x,y) son les típiques coordenades 2D de les imatges digitals i L (lambda) és la longitud d’ona dels fotons.

L’interessant de tot plegat és que aquests colors invisibles que capten els espectròmetres d’imatge ens diuen la composició química del que veiem a cada píxel de la imatge, perquè cada compost químic té un patró diferent d’absorció de fotons. L’observatori orbital del carboni, OCO-2, que dona voltes a la Terra des de fa més d’un any, ha pogut fotografiar les plomes o columnes de diòxid de carboni que pugen cap al cel als llocs on es cremen boscos (est del Brasil, sud de l’Àfrica, nord d’Austràlia) i que són invisibles als nostres ulls i a les càmeres digitals. Aviat podrem detectar les columnes inverses a les regions que absorbeixen i capturen diòxid de carboni, perquè aquests espectròmetres d’imatge detecten concentracions de CO2 de només una molècula per milió. La imatge de dalt és del vídeo de la selva humida de l’Amazones a Perú que podeu veure a aquesta pàgina web, obtingut a partir de les imatges captades per un espectròmetre d’imatge a bord d’un avió. Els arbres sans es poden distingir perfectament dels que demanen més aigua. Greg Asner, autor de l’article, diu que aquestes tècniques són com una mena d’anàlisi de sang dels boscos i de la salut del planeta. L’altre autor, Painter, explica que durant la propera dècada, amb nous satèl·lits equipats amb espectròmetres d’imatge, podrem identificar arbres individuals des de l’espai i saber la seva espècie i el seu grau d’estrès hídric. Seran sistemes de diagnosi del planeta, locals i precisos. Asner i Pinter acaben dient que nosaltres i la nostra tecnologia som la única esperança que tenim per guarir tot el que hem causat. Esperem-ho…

———

Per cert, i ves per on, L’Aràbia Saudita vol acabar amb la seva «addicció» al petroli. El seu projecte inclou mesures per diversificar l’economia en els propers 14 anys amb la finalitat de poder sortir-se’n a curt termini sense petroli.

Agricultura i arqueologia

dimecres, 10/07/2013

Agricultura_Precision.jpg En què s’assemblen l’agricultura i l’arqueologia?

Fa uns anys, aquesta pregunta podia semblar estranya i absurda. Però els humans som constructors d’eines. I entre moltes d’altres, n’hem dissenyat una que serveix tant als arqueòlegs com als agricultors: les càmeres d’infraroigs dels satèl·lits.

Els satèl·lits artificials estan fotografiant constantment la Terra. Les seves fotos ens serveixen per entendre l’evolució dels núvols, per poder fer prediccions meteorològiques, per navegar amb Google Earth i reconèixer els nostres indrets, per mesurar l’extensió de neu a les muntanyes, per avaluar els danys després d’un incendi forestal i per moltes coses més.

Els sensors CCD de les càmeres digitals dels satèl·lits són sensibles en una zona força gran de l’espectre. Aquesta imatge, que podeu trobar a la pàgina web de Hamamatsu, ens mostra la sensibilitat dels sensors CCD de tres tipus (els estàndard, els “Blue-Plus” que són més sensibles al blau i els “Black-Thinned“) tot comparant-los amb la sensibilitat escotòpica dels bastons de la nostra retina i amb la sensibilitat fotòpica dels cons retinals humans. Tenim molts més bastons que cons, i això fa que siguem molt més sensibles a la claror/foscor que a la percepció fotòpica de la cromaticitat. Pel que fa als sensors CCD, veiem que tant els de les nostres càmeres digitals com els dels satèl·lits tenen una bona sensibilitat en la zona dels grocs i vermells i en canvi són menys sensibles en els blaus i violats. D’altra banda, tots ells són sensibles a les radiacions electromagnètiques de l’infraroig, les que es troben més enllà del vermell i que veiem a la dreta del gràfic. Els sensors CCD capten els colors invisibles que no podem veure, reaccionen davant el xoc de fotons de longitud d’ona superior als 800 nanòmetres que són totalment ignorats per les cèl·lules de les nostres retines.

Les nostres càmeres digitals són càmeres de tres canals. Cada foto en color que fem i compartim és de fet un conjunt de tres fotos en blanc i negre, fetes amb filtres. En el cas d’una escena estàtica és com si féssim tres fotos amb la càmera fixada amb un trípode: primer amb un filtre vermell, després amb un filtre verd i finalment amb un filtre blau. Quan féssim la primera foto, el filtre deixaria passar els tons vermells i els sensors CCD només podrien captar els fotons que tinguessin una longitud d’ona de l’ordre de 650 o 700 nanòmetres. Després, amb el filtre verd, els sensors CCD només podrien captar els tons verds dels fotons amb longitud d’ona d’uns 500 nanòmetres, i el mateix passaria quan poséssim el filtre blau. Els filtres són els que permeten que els sensors CCD, que no distingeixen entre els colors, puguin acabar captant tonalitats cromàtiques. L’únic que passa és que, en les càmeres digitals, no es fan tres fotos sinó que es fa tot a la vegada. Cada píxel conté més d’un sensor i cada sensor té el seu propi filtre vermell, verd o blau, de la mateixa manera que els cons de la nostra retina tenen foto-pigments, filtres bioquímics per a poder captar de manera diferenciada les tonalitats del vermell, del verd i del blau. Els cons de la retina humana són els nostres píxels, els punts retinals sensibles a les tonalitats del vermell, verd i blau. No ens calen més de tres canals a les càmeres de fotos perquè al final, les fotos les mirarem amb ulls que justament distingeixen aquests tres canals: vermell, verd i blau.

Els satèl·lits, en canvi, capten imatges amb més de tres canals. Tot es fa de la mateixa manera, només cal utilitzar els filtres adequats. Amb un filtre que només deixi passar els raigs ultra-violetes i sempre que el CCD sigui sensible en aquesta zona de l’espectre, podrem obtenir fotos de la radiació ultra-violeta. I amb un filtre que només deixi passar els fotons de la zona dels infraroigs, obtindrem fotos “en blanc i negre” que podrem interpretar  fàcilment: en les zones fosques no hi ha emissió de fotons infraroigs mentre que en les zones clares sí que n’hi ha. El sensor CCD sempre és el mateix, només cal que utilitzem el filtre apropiat i podrem captar imatges que detectaran fotons en diferents regions de l’espectre, siguin visibles o no. En tot cas, i com que estem captant fotons de colors que no podem veure, haurem de combinar les imatges dels diferents canals tot inventant nous colors que expliquin el que hem captat. És la tècnica anomenada de “fals color”. El que veieu a la imatge de dalt és una foto en el canal de l’infraroig on les zones amb poca radiació infraroja s’han pintat de color verd i les zones amb més radiació infraroja s’han pintat grogues o vermelloses.

Les fotos en el canal de l’infraroig són fotos que capten variacions subtils de temperatura. No capten els colors, però detecten el que és més calent i el que és més fred. Poden fotografiar l’activitat biològica dels éssers vius i captar imatges de la vida.

L’agricultura de precisió es basa en el coneixement de les necessitats de cada arbre i de cada planta, per tal d’aportar-los aigua i nutrients en la mesura que els necessiten. Aquest coneixement s’obté amb sensors remots, que poden ser càmeres d’infraroigs muntades en avions o les càmeres d’infraroigs dels satèl·lits quan no ens cal tanta resolució i detall. Fixeu-vos en la imatge de dalt. Les zones més verdes són parts del cultiu que creixen bé i tenen prou aigua. Les zones vermelloses, en canvi, tenen una temperatura una mica més elevada i emeten més radiació infraroja. Els camins, inerts, és clar que surten en tons vermells. Però, a més dels camins, veiem una part del cultiu que també és vermellosa. Això ens indica que tenim problemes, perquè la temperatura de les plantes que passen set és més elevada que la de les plantes sanes. El reg automàtic està fallant en una zona que podem identificar perfectament. La imatge d’infraroigs és el mapa que ens porta directament al punt on hem de reparar el reg.

Les mateixes càmeres que ens informen de quines plantes tenen set, ens poden servir per a detectar restes arqueològiques des de satèl·lit. Són ulls artificials per a veure a través de la sorra del desert, ulls que capten el que es troba sota la sorra. Una possible explicació rau en què les pedres són més bones conductores de la calor que la sorra. Als matins, quan el Sol comença a escalfar el desert, la sorra que amaga pedres i runes és una mica més freda que l’altra perquè la seva calor s’ha anat canalitzant tota la nit a través de les pedres subterrànies. De fet, els arqueòlegs han descobert que el millor moment per detectar aquestes restes soterrades és al matí de les darreres setmanes de l’hivern Egipci, que són especialment humides i afavoreixen la dissipació de la calor. En aquesta web podeu veure imatges i un vídeo d’aquest projecte, que ha permès descobrir 17 piràmides, unes mil noves tombes i els carrers de l’antiga cuitat de Tanis. I aquí teniu la imatge d’una piràmide amagada, captada per la càmera d’infraroig d’un satèl·lit des de 700 quilòmetres d’alçada.

Les càmeres que capten fotos en la zona infraroja tenen moltes més aplicacions, però deixeu-me que em quedi amb les dues que hem vist. Són una eina per a poder saber adaptar el reg a les necessitats d’aigua de cada arbre i de cada planta, en una agricultura que ni malgasta aigua ni fa passar set. I aquesta mateixa eina que ens permet cultivar amb saviesa, veu a través de la sorra i fa radiografies dels deserts, tot mostrant-nos les runes d’antigues civilitzacions que han desaparegut i que ara podrem redescobrir.