Froskar sjá einungis hluti á hreyfingu. Þessi rauðaugna trjáfroskur hefur séð fljúgandi fluguna af því að hún endurvarpar stöðugt ljósi sem skellur á nýjum stað á nethimnu auga hans.

Orðtakið „að stara sig blindan” ber að taka bókstaflega. Ef maður einblínir á tiltekinn punkt í kyrru landslagi hverfur afgangurinn af sjónsviðinu smám saman.

En sem betur fer getum við ekki haldið augunum grafkyrrum. Þegar við horfum á andlit manneskju, hreyfist augað lítillega í sífellu og við beinum athygli okkar til skiptis að nefinu, augunum, munninum eða t.d. litlu öri á kinninni. Þrátt fyrir að við einblínum stundarkorn á eitthvað smáatriði eða jafnvel þó við teljum okkur stara stíft á eitthvað tiltekið þá eru augun aldrei kyrr. Agnarsmáar, ósýnilegar hreyfingar augans hnika stöðugt til fókuseringunni og án þessara hreyfinga værum við einfaldlega ekki fær um að skerpa sjón, þar sem taugafrumur augans myndu þreytast á því að glápa á sama fyrirbærið lengur en örskamma stund.

Taugarnar senda boð til heilans

Þegar við sjáum ljósið endurkastast frá umhverfinu, lendir það á sjónhimnu augans þar sem er að finna um 125 milljón taugar. Þetta eru ljósnemarnir sem hver og einn inniheldur milljónir sameinda af ljósnæma prótíninu rhódopsín. Verði slík sameind fyrir einungis einni ljóseind – sem er minnsti mögulegi skammtur ljóss – slæst hún bókstaflega til. Þegar ljósið skellur á ljósnemanum bregst taugin við með því að senda frá sér boð sem berst eldskjótt til heilans. En rétt eins og aðrar taugar hafa ljósnemarnir tilhneigingu til að dofna verði þær eru ekki stöðugt fyrir áreiti.

Froskar sjá einungis hreyfingar

Besta dæmi um hvernig taugarnar dofna er sú tilfinning í húð og líkama sem við skynjum, þegar við klæðum okkur í buxur, bol eða sokka á morgnanna. Við getum glöggt fundið hvort klæðin sitji rétt en skömmu síðar finnum við ekki lengur hvernig klæðið snertir húðina. Vissulega snerta þau enn fjölmargar skyntaugar húðarinnar með sama hætti, en eftir nokkurra sekúndna stöðugt áreiti aðlaga taugarnar sig smám saman aðstæðum, svo það þarf frekara áreiti til að þær sendi boð til heilans.

Taugarnar hætta ekki virkni sinni – ef við hreyfum okkur þannig að klæðin þrengja meira að líkamanum finnum við ennþá fyrir því – en aðlögunin veitir heilanum frið til að taka við stöðugum straumi annarra upplýsinga sem hafa forgang.

Þessi geta til að laga sig að viðvarandi áreiti er hluti af eðli allra tauga og á því einnig við um ljósnema augans. Þetta er greinilegt hjá froskum sem einungis geta séð þegar þeir sjálfir eða fyrirbæri er á hreyfingu.

Ef fluga situr grafkyrr framan við jafn óhagganlegan frosk munu þeir ljósgeislar sem endurkastast frá flugunni stöðugt hitta á sömu ljósnema í sjónhimnu frosksins. Þessu venjast þær skjótt og hætta að senda taugaboð til heilans þannig að flugan verður ósýnileg fyrir froskinum. Þegar flugan flýgur af stað endurkastast ljósið inn í ferska ljósnema sem virkjast og veita heilanum boð.

Sömu meginreglur er að finna hjá mönnunum og ástæða þess að við getum yfirhöfuð séð kyrrstæð fyrirbæri er sú að augun eru á sífelldri hreyfingu.

Þegar við lítum á andlit eða landslag sveima augun um í blöndu af meðvituðum og ómeðvituðum hreyfingum sem varða ekki einungis sjálft augað heldur einnig höfuðið. Hreyfingar þessar mætti nefna kippi (e. saccade) og örkippi (e. microsaccade) augans.

Stefna þeirra er jafnan í átt að eða burtu frá einhverju sem hreyfist eða að einhverju sem við höfum nýverið skoðað, en geta þó einnig fylgt ófyrirsegjanlegu mynstri. Yfir daginn framkvæma augun jafnan slíkar örhreyfingar fimmtungs tímans meðan hinn hluta tímans nýtum við til að horfa á tiltekin fyrirbæri.

En jafnvel þegar við teljum okkur einblína á eitthvað, titra augu okkar áfram með þrenns konar mismunandi hætti – bara ósýnilega. Mestar þessarra hreyfinga eru örkippirnir. Þær vara í um 25 millisekúndur í hvert sinn og flytja augað í beinni línu þannig að endurvarpaður ljósgeisli skelli á nýjum ljósnema í um 0,05 millimetra fjarlægð (sem svarar til um 20 ljósnema) frá hinum fyrsta. Örkippirnir eru samstundis leystir af hólmi með svonefndu reki (e. drift) sem er hægari og aðeins skammvinnri hreyfing og getur varað í allt að sekúndu. Rekið hreyfist í sveig og fer ætíð saman með skjálfta (e. tremor) sem er nokkru minni en afar hraðar hreyfingar upp og niður.

Einn slíkur titringur flytur augað sem svarar til eins ljósnema. Hins vegar verður þeirra vart um 100 sinnum meðan á einu reki stendur. Um leið og rek-skjálftahrinan er yfirstaðin taka nýir örkippir við og þannig heldur augað sér í stöðugri hreyfingu.

Síðasti taugakliður fyrir heiladauða

Markmiðið með þessum allra minnstu augnhreyfingum, reki og skjálfta, er óljóst. Mögulega stafa þær af eins konar taugaklið frá heilastofni en staðreyndin er sú að viðlíka taugaboð eru einhver þau síðustu sem nema má áður en manneskja er talin heiladauð. Vísindin eru öllu nær um örkippina og á þessu sviði er spænski taugasérfræðingurinn Susana Martinez-Conde við Barro Neurological Institute í Phoenix, BNA, ein sú fremsta á sínu sviði. Árið 2006 var hún fyrst til að sýna fram á að örkippirnir eru bein ástæða þess að ljósnemarnir þreytast ekki þegar augu okkar fókusera á eitthvað.

Dr. Martinez-Conde og samstarfsfélagar hennar hafa nýtt sér háþróaða myndavél til að fylgjast með augnhreyfingum nokkurra þátttakenda. Með tölvugreiningu var unnt að skilja örkippina frá öðrum gerðum augnhreyfinga.

Þátttakendurnir voru látnir horfa á fastan punkt á skjái, meðan þeir áttu samtímis að fylgjast með lýsandi depli rétt við hliðina. Tilraun þessi er afbrigði af hinni sígildu Troxler-sjónvillu, þar sem litaður hringur umhverfis brennipunkt virðist verða stöðugt ógreinilegri, þar til hann hverfur og verður sýnilegur aftur. Í tilrauninni var þessi lýsandi blettur með sama hætti stundum ósýnilegur (þrátt fyrir að hann hafi í raun sést á skjánum), og með því að ýta á hnapp gátu þátttakendur skrásett hvenær lýsandi bletturinn hvarf og hvenær hann birtist aftur.

Tilraunin sýndi að örkippirnir fylgdu fremur ólíkum mynstrum hjá átta þátttakendum, en að hreyfingarnar áttu að jafnaði tvennt sameiginlegt: virkni örkippa féll ævinlega rétt áður en bletturinn hvarf og hann varð sýnilegur þátttakendum strax og örkippirnir hófust á ný. Þar sem þátttakendum í tilrauninni var gert að einblína á miðlægan punkt bældu þau náttúrulega hina náttúrulegu stóru augnhreyfingu, augnkippina. Þannig reyndust örkippirnir eini möguleikinn fyrir því að einstakir ljósnemar í nethimnunni gætu fengið eitthvað nýtt að sjá, þar sem þessar smávægilegu augnhreyfingar flytja ljósnemana til miðað við lýsandi blettinn á skjánum.

Örkippirnir orsaka sjónvillur

Ályktun vísindamanna er sú að þegar augað er í hvíld og alveg kyrrt án örkippa, þá eiga ljósnemarnir sem stöðugt verða fyrir áreiti af lýsandi blettinum, það til að þreytast.

Þegar ljósnemarnir glata orkugjafanum hætta þeir að skjóta taugaboðum til heilans sem getur því ekki lengur séð lýsandi blettinn. Þegar örkippirnir fara skömmu síðar aftur af stað er nýjum ljósnemum veitt undir ljósgeislann og þeir bregðast strax við með því að senda boð til heilans, sem aftur getur séð blettinn lýsandi. Vísindamennirnir telja að örkippirnir hafi í sífellu þessa virkni – ekki aðeins í Troxler-prófinu – og að hreyfingarnar skipti þannig sköpum fyrir sjón okkar. Segja má að án örkippanna værum við hreint ekki fær um að sjá nokkurt kyrrstætt fyrirbæri 80% þess tíma sem við einblínum á eitthvað.

Susana Martinez-Conde og félagar hennar uppgötvuðu á síðasta ári að örkippirnir eiga einnig hlut að máli í öðru sígildu sjónvilluprófi: Enigma. Þá horfir maður afslappaður, og án þess að þurfa að fókusera á nokkurt sérstakt, á nokkra litaða hringi sem liggja hver innan í öðrum á bakgrunni þunnra svartra strika sem geislast út frá sameiginlegri miðju hringanna. Sjónvillan gerir það að verkum að heilinn ætlar hringina snúast um með hraða sem virðist til skiptist vera hægur eða hraður.

Vísindamennirnir tóku upp myndir af augnhreyfingum þátttakenda og komust að því að örkippunum fjölgar rétt áður en þátttakendur fá á tilfinninguna að hringirnir fari hraðar og hraðar um. Að sama skapi minnkar virkni örkippanna á því tímabili sem hringirnir virðast fara að hægja á sér eða jafnvel stöðvast.

Heilinn fyllir út í blinda bletti

Ekki er vitað hvernig örkippir geta skapað tálsýn hreyfinga, en árið 2008 komu vísindamenn fram með nýja rannsókn sem veitir innsýn í þýðingu augnhreyfinganna fyrir venjulega sjón manna. Í ljós hefur komið að örkippirnir skapa ekki einungis tálsýn hreyfingar eða tryggja að fyrirbæri hverfi ekki úr sjónsviði okkar – þær geta í raun einnig hindrað að heilinn telji sér trú um að sjá hluti sem eru ekki til staðar.

Rannsóknin var framkvæmd með næstum sama hætti og Troxler-prófið, en í stað þess að fylgjast með lýsandi bletti á tómum skjá áttu þátttakendurnir að einblína á lítið bert svæði á skermi sem var fullur af skældu mynstri.

Tilraun þessi samsvarar til tilviljanakendra blindra bletta sem mígrenissjúklingar geta upplifað sem og þeir sem þjást af mænusiggi eða öðrum taugasjúkdómum. Í slíkum tilvikum stafa blindu blettirnir af því að ljósnemarnir á viðkomandi svæði eru skaddaðir og geta ekki sent boð til heilans.

Heilinn er hins vegar fær um að bæta upp fyrir skort á upplýsingum. Hann gengur út frá að ekki eigi að finnast „gat“ í landslaginu og fyllir upp í það með upplýsingum sem svara til nánasta umhverfis.

Niðurstöður tilraunarinnar sýna að þátttakendur gátu aðeins séð bert svæðið í mynstrinu þegar virkni er í örkippum augans. Þegar örkippirnir eru leystir af hólmi með öðrum augnhreyfingum, flýtur mynstrið út og þekur beran blettinn, þannig að manni sýnist vera mynstur yfir allan skjáinn. Þessi nýuppgötvaða virkni örkippanna stafar af því að heilinn, við það að augað hreyfist í sífellu, er hindraður í að bæta upp í myndina. Örkippirnir hafa þannig annað og allt eins skilvirkt hlutverk hvað varðar úrvinnslu heilans á taugaboðum frá auganu.

Augun afhjúpa áhuga okkar

Þrátt fyrir að mörg rannsóknarteymi hafi á síðustu árum gaumgæft örkippina hefur innan vísinda leikið mikill vafi á í hve miklum mæli þessar agnarsmáu ósýnilegu hreyfingar eiga sér stað meðan við einblínum á eitthvað tiltekið fyrirbæri.

Á síðasta ári birti Susana Martinez-Conde og teymi hennar niðurstöður af röð umfangsmikilla tilrauna sem geta bent til að þessir örkippir augans skipti allt eins miklu máli þegar við leitum uppi eitthvað í sjónsviðinu eða t.d. horfum bara í kringum okkur.

Vísindamennirnir skrásettu og greindu augnhreyfingar þátttakenda þegar þeir horfðu á einsleitan gráan flöt eða náttúrulegt landslag eða leystu þrautir tengdar sjóninni eins og t.d. „Finnið fimm villur“ eða „Hvar er Valli?“

Niðurstöðurnar sýna að örkippirnir verða tíðari þegar horft er á flókið myndsvið eða við að leysa krefjandi sjónrænt verkefni. Þetta á við óháð því hversu mikið eða hve lengi horft er og fókuserað á tiltekinn stað.

Þegar þátttakendurnir horfðu á einsleitan flötinn fókuseruðu þeir oft og lengi á bókstaflega ekki neitt. En í þeim tilvikum var um litla örkippi að ræða. Rétt eins og varðar stærri og einatt meðvitaðri augnhreyfingar, augnkippina, eiga örkippirnir að líkindum sinn þátt í að beina athygli okkar að þeim hluta sjónsviðsins sem við teljum einkar áhugaverðan.

Susana Martinez-Conde hefur sett fram tilgátu um að þessar tvær ólíku augnhreyfingar skarist og að þeim sé stjórnað af sömu taugabrautum í heilanum. Rannsóknirnar sýna nefnilega einnig að hreyfingar í augnkippum geta stundum verið allt eins litlar eins og í örkippum, og að þær nýtist jafn vel til að flytja fókusinn á nýjan stað í sjónsviðinu.

Aðrir vísindamenn hafa komist að niðurstöðum sem styðja þessa tilgátu. Ralph Engbert og Reinhold Kliegl við Potsdam-háskólann í Þýskalandi hafa þannig sannað, að þrátt fyrir að við einblínum á tiltekinn punkt, afhjúpa örkippirnir ef eitthvað áhugavert birtist í jaðri sjónsviðsins. Í slíkum tilvikum eykst fjöldi örkippanna og í stað þess að hreyfast skilyrðisbundið í allar mögulegar áttir hafa þeir tilhneigingu til að leita í átt að þessu nýja og kannski meira spennandi fyrirbæri.

Fjöldi örkippa og stefna þeirra getur þannig sýnt hvað það er sem manneskja hefur fest sjónir sínar á, þrátt fyrir að svo virðist sem hún horfi á annað. Einu má gilda hversu mikið við leitumst við að horfa ekki á fallega manneskju nærri okkur, því hætt er við að ástvinur okkar uppgötvi dulinn áhuga á keppinaut, ef ástvinurinn, vel að merkja, býr yfir háþróaðri upptökuvél sem getur skrásett örkippina.

Nýjar rannsóknir á töfrabrögðum

Í kjölfar rannsókna sinna hefur Susana Martinez-Conde fengið aukinn áhuga á lífeðlisfræðilegum skýringum á sjónhverfingum, sem og getu töframanna til að villa um fyrir sjónskyni okkar. Sjónhverfingar, töfrar og galdrar myndast bæði í auga og heila og samanstanda af margvíslegum tálsýnum, sem veita okkur skerta eða bjagaða skynjun á raunveruleikanum, og hún vonast til að komast að því hvort uppruni þeirra sé í augunum, í vinnsu heilans frá sjóntauginni, væntingum okkar til aðstæðna eða kannski í því að athygli okkar er afvegaleidd.