DOI: https://doi.org/10.1167/iovs.67.3.9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41784332
تاريخ النشر: 2026-03-05
المؤلف: Giulia Giada Pulcini وآخرون
الموضوع الرئيسي: آليات الإدراك البصري والمعالجة
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تأثير التكيف العصبي على إدراك فرش هايدينغر، وهو ظاهرة داخلية تسمح للجهاز البصري البشري بإدراك الاستقطاب. كانت الأبحاث تهدف إلى تحليل كيفية تفاعل سرعة دوران نمط مستقطب مع مستويات مختلفة من استقطاب ضوء المدخل، وتحديد القيم المعيارية بين مجموعة من 37 فردًا صحيًا. استخدم الإعداد التجريبي مصدرين من LED، حيث تم تصفية أحدهما بواسطة مستقطب خطي دوار، مما يسمح بإجراء تعديلات على كل من سرعة الدوران ومستويات الاستقطاب. خضع المشاركون لاختبارات أحادية العين عبر سبعة مستويات استقطاب، مع اختبارات حد صاعدة وهابطة لتحديد عتبات سرعة الدوران.
تشير النتائج إلى انخفاض خطي في عتبات سرعة الدوران مع لوغاريتم مستوى الاستقطاب. كان جميع المشاركين قادرين على إدراك نمط فرش هايدينغر على الأقل عند 20% استقطاب، لكن كان هناك انخفاض كبير في الإدراك عند مستويات استقطاب 10% و5%. تم تقدير متوسط عتبة الاستقطاب عند 9.7 ± 1.2%. من الجدير بالذكر أن العتبات الدورانية الأولية الأقل عند أقصى تباين كانت مرتبطة بعتبات استقطاب أقل. تؤكد النتائج على أهمية سرعة الدوران في إدراك فرش هايدينغر، خاصة عند مستويات الاستقطاب المنخفضة، وتبرز أهمية هذه النتائج في تطوير أجهزة الفحص التي تهدف إلى الكشف المبكر عن اعتلال الشبكية وأمراض الشبكية الأخرى، حيث تتعلق بتوزيع وكثافة صبغة الشبكية.
الطرق
يتضمن الإعداد التجريبي الموصوف في هذا القسم نظام LED مزدوج RGB مصمم للتحقيق في ديناميات الإدراك تحت ظروف ضوء أزرق عالي التباين. يتم التحكم في LEDs، التي لها قمم انبعاث عند 468 نانومتر (أزرق)، 520 نانومتر (أخضر)، و632 نانومتر (أحمر)، بواسطة Arduino UNO ويتم تجميعها باستخدام عدسات ثنائية المحدبة. يجمع مقسم الشعاع 50:50 بين مصادر الضوء، بينما يتم تصفية أحد LEDs من خلال مستقطب خطي يتم تحريكه للدوران. تركز الدراسة على ضبط شدة LEDs النسبية للتلاعب بمستوى الاستقطاب، المشار إليه بـ $p$، مع إجراء معايرة أولية تحدد عامل التخفيف $\eta = 0.44$ لـ LED غير المستقطب.
لضمان قياسات دقيقة، كانت القوة الكلية عند العين حوالي 23 ميكرووات، وتم تثبيت المكونات البصرية على لوحة دائرية محمولة مع مسند ذقن قابل للتعديل لاستقرار المشاركين. تم دمج نظامين عرض: أحدهما لقراءات درجة الاستقطاب في الوقت الحقيقي والآخر لمراقبة سرعة دوران المستقطب. تضمنت عملية المعايرة استخدام مستقطب ثابت وكاميرا CCD لقياس تغيرات الشدة وفقًا لقانون مالوس، مما يسمح بحساب سرعة الدوران الفعالة وتحديد عامل التحجيم $\rho = 0.453$ لتحويل قراءات سرعة المحرك إلى ثورات فعلية في الدقيقة للمستقطب.
النتائج
تشير النتائج إلى أن توزيع عتبات سرعة الدوران، المقاسة بالثورات في الثانية، مائل إيجابيًا ويمثل بشكل أفضل توزيع لوغاريتمي أكثر من توزيع غاوسي. وهذا يشير إلى أن لوغاريتم العتبات موزع بشكل طبيعي، مما يسمح للمتوسط الهندسي بأن يكون تقديرًا مركزيًا مناسبًا. تكشف التحليلات أنه مع انخفاض درجة الاستقطاب، تزداد العتبة الدورانية المتوسطة، مع وجود علاقة خطية ملحوظة بين لوغاريتم مستويات الاستقطاب وعتبات الدوران. على وجه التحديد، تتراوح العتبة المتوسطة من 0.1 ثورة/ثانية للضوء المستقطب بالكامل إلى حوالي 0.7 ثورة/ثانية عند مستوى استقطاب 10%، مع زيادة مقدرة قدرها 0.7 ثورة/ثانية لكل ترتيب من تقليل الاستقطاب.
علاوة على ذلك، تشير الدراسة إلى أن جميع المشاركين كانوا قادرين على إدراك النمط عند مستويات استقطاب تصل إلى 20%، لكن حدثت انخفاضات كبيرة في الإدراك عند مستويات استقطاب 10% و5%، مصحوبة بزيادة تشتت القياسات. وُجد أن متوسط عتبة الاستقطاب المقدرة كان 9.7 ± 1.2%، وهو أقل من 15% المبلغ عنها في أبحاث سابقة. بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى أن العتبات الدورانية الأولية الأقل ترتبط بزيادة احتمال إدراك الأنماط عند مستويات استقطاب منخفضة، مع عتبات متوسطة قدرها 7.2 ± 0.8% للمشاركين في الربع السفلي و12.0 ± 1.0% لأولئك الذين فوق الوسيط الأولي للعتبة.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة في هذه الدراسة حساسية الإنسان لاستقطاب الضوء، خاصة من خلال إدراك فرش هايدينغر، وهي ظاهرة مرتبطة بتوزيع غير متساوي لصبغات الشبكية خلال تطور النقطة المركزية. تؤكد النتائج على دور التكوين الشعاعي لألياف هينل وسلوك الصبغات الكاروتينية في تصفية الضوء الأزرق، مما يؤدي إلى إدراك نمط ضعيف على شكل ربطة عنق متوافقة مع محور الاستقطاب. من الجدير بالذكر أن الدراسة تكشف أن حركات العين الثابتة لا تمنع التكيف العصبي لفرش هايدينغر، مما يتطلب تركيزًا حاسمًا على سرعة الدوران كمعامل رئيسي يؤثر على العتبات الإدراكية جنبًا إلى جنب مع مستويات الاستقطاب. تشير النتائج إلى أن تقليل الاستقطاب يقلل من التباين، مما يؤدي إلى زيادة متطلبات سرعة الدوران لإدراك الأنماط، وبالتالي إنشاء علاقة غير خطية بين هذه العوامل.
علاوة على ذلك، تبرز الدراسة إمكانية استخدام فرش هايدينغر كأداة غير جراحية لتقييم سلامة الشبكية، مع آثار على الكشف المبكر عن اعتلالات الشبكية مثل التنكس البقعي المرتبط بالعمر (AMD) واعتلال الشبكية السكري. تقترح الأبحاث أن حساسية هذه الظاهرة لتغيرات كثافة صبغة الشبكية تجعلها ملحقًا واعدًا للطرق التشخيصية الحالية، مما يمكّن من التدخلات المبكرة. يدعو المؤلفون إلى تطوير أجهزة فحص تعتمد على إدراك فرش هايدينغر، مشددين على أهمية معايرة كل من درجة الاستقطاب وسرعة الدوران لتعزيز دقة التشخيص. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تحسين طرق تقدير العتبات واستكشاف تأثيرات العمر والاختلافات الفردية على العتبات الإدراكية، مما يسهم في تحسين الممارسات السريرية في طب العيون.
DOI: https://doi.org/10.1167/iovs.67.3.9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41784332
Publication Date: 2026-03-05
Author(s): Giulia Giada Pulcini et al.
Primary Topic: Visual perception and processing mechanisms
Overview
This study investigates the influence of neural adaptation on the perception of Haidinger’s brushes, an entoptic phenomenon that allows the human visual system to perceive polarization. The research aimed to analyze how the rotational speed of a polarized pattern interacts with varying levels of input light polarization, establishing normative values among a cohort of 37 healthy individuals. An experimental setup utilized two LED sources, with one filtered by a rotating linear polarizer, allowing for adjustments in both rotational speed and polarization levels. Participants underwent monocular testing across seven polarization levels, with both ascending and descending limit tests to ascertain rotational speed thresholds.
The results indicate a linear decrease in rotational speed thresholds with the logarithm of the polarization level. All participants were able to perceive the Haidinger’s brush pattern at least at 20% polarization, but there was a significant decline in perception at 10% and 5% polarization levels. The average polarization threshold was estimated at 9.7 ± 1.2%. Notably, lower initial rotational thresholds at maximum contrast were associated with lower polarization thresholds. The findings underscore the importance of rotational speed in the perception of Haidinger’s brushes, particularly at lower polarization levels, and highlight the relevance of these results for developing screening devices aimed at the early detection of maculopathy and other macular diseases, as they relate to macular pigment distribution and density.
Methods
The experimental setup described in this section involves a dual RGB LED system designed to investigate perception dynamics under high-contrast blue light conditions. The LEDs, with emission peaks at 468 nm (blue), 520 nm (green), and 632 nm (red), are controlled by an Arduino UNO and collimated using biconvex lenses. A 50:50 beam splitter combines the light sources, while one LED is filtered through a linear polarizer that is motorized for rotation. The study focuses on adjusting the relative intensity of the LEDs to manipulate the polarization level, denoted as $p$, with an initial calibration determining the attenuation factor $\eta = 0.44$ for the non-polarized LED.
To ensure accurate measurements, the total power at the ocular was approximately 23 µW, and the optical components were mounted on a portable breadboard with an adjustable chinrest for participant stability. Two display systems were integrated: one for real-time polarization degree readouts and another for monitoring the rotational speed of the polarizer. The calibration process involved using a fixed polarizer and a CCD camera to measure intensity variations according to Malus’ law, allowing for the calculation of an effective rotational speed and the determination of a scaling factor $\rho = 0.453$ to convert motor speed readings into actual revolutions per minute of the polarizer.
Results
The results indicate that the distribution of rotational speed thresholds, measured in revolutions per second, is positively skewed and better represented by a lognormal distribution than a Gaussian one. This suggests that the logarithm of the thresholds is normally distributed, allowing the geometric mean to serve as a suitable central estimate. The analysis reveals that as the degree of polarization decreases, the average rotational threshold increases, with a linear relationship observed between the logarithm of polarization levels and rotational thresholds. Specifically, the average threshold ranges from 0.1 rev/s for fully polarized light to approximately 0.7 rev/s at a 10% polarization level, with an estimated increase of 0.7 rev/s for each order of magnitude reduction in polarization.
Furthermore, the study notes that all participants could perceive the pattern at polarization levels down to 20%, but significant drops in perception occurred at 10% and 5% polarization levels, accompanied by increased measurement dispersion. The estimated average polarization threshold was found to be 9.7 ± 1.2%, which is lower than the 15% reported in previous research. Additionally, the findings suggest that lower initial rotational thresholds correlate with a higher probability of perceiving patterns at low polarization levels, with average thresholds of 7.2 ± 0.8% for participants in the lower quartiles and 12.0 ± 1.0% for those above the median initial threshold.
Discussion
The discussion section of this study delves into the human sensitivity to light polarization, particularly through the perception of Haidinger’s brushes, a phenomenon linked to the anisotropic distribution of macular pigments during foveal development. The findings underscore the role of the radial configuration of Henle’s fibers and the dichroic behavior of carotenoid pigments in filtering blue light, which results in the perception of a weak bow-tie pattern aligned with the polarization axis. Notably, the study reveals that fixational eye movements do not prevent neural adaptation for Haidinger’s brushes, necessitating a critical focus on rotational speed as a key parameter influencing perceptual thresholds alongside polarization levels. The results indicate that decreasing polarization reduces contrast, leading to increased rotational speed requirements for pattern perception, thereby establishing a nonlinear relationship between these factors.
Furthermore, the study highlights the potential of Haidinger’s brushes as a noninvasive tool for assessing macular integrity, with implications for early detection of maculopathies such as age-related macular degeneration (AMD) and diabetic maculopathy. The research suggests that the sensitivity of this phenomenon to variations in macular pigment density makes it a promising adjunct to existing diagnostic methods, enabling earlier interventions. The authors advocate for the development of screening devices based on Haidinger’s brush perception, emphasizing the importance of calibrating both polarization degree and rotational speed to enhance diagnostic accuracy. Future research directions include refining threshold estimation methods and exploring the effects of age and individual differences on perceptual thresholds, ultimately contributing to improved clinical practices in ophthalmology.