BIOFIZYKA NARZĄDU WZROKU Bilińska Sylwia

Pytania Z czego zbudowane jest oko? Dlaczego widzimy? Jakie wielkości charakteryzują narząd wzroku? Dlaczego widzimy świat kolorowy? Dlaczego drzewo jest przesunięte kiedy patrzymy jednym okiem, a jak dwoma to jest na środku? Po co oku zbroja?

Budowa narządu wzroku Oko niczym najdoskonalsza kamera filmowa rejestruje obrazy otaczającego nas świata i za pośrednictwem nerwu wzrokowego przesyła je do mózgu, gdzie powstają wrażenia wzrokowe. Jest jednym z najważniejszych zmysłów, dzięki niemu odbieramy ok. 80% wrażeń.

Czopki i pręciki System pręcików Układ receptorów czopkowych - jest ich około 120 mln na siatkówce oka, mają długość około 60 µm i szerokość 2 µm - pozwala na rozróżnianie zarysów przedmiotów - zapewnia orientację przestrzenną - umożliwia odbieranie bodźców przy minimalnym oświetleniu percepcja pręcików zachodzi przy słabym oświetleniu –widzenie skotopowe Układ receptorów czopkowych -znajdują się głównie wewnątrz dołka środkowego (plamki żółtej), gdzie ich zagęszczenie wynosi około 200 000/mm2, poza dołkiem jest ich mniej; odpowiada za dokładne widzenie drobnych kształtów przedmiotów umożliwia widzenie barwne zapewnia najwyższą ostrość wzroku - liczba czopków na siatkówce jednego oka to około 6 mln. ich szerokość wynosi 4 µm, a długość 40 µm. percepcja czopkowa zachodzi jedynie przy dobrym oświetleniu – widzenie fotopowe

Budowa siatkówki Rozkład pręcików i czopków na siatkówce oka

Czopki i pręciki Proces widzenia ma charakter elektrochemiczny. Kiedy w siatkówce komórki pręcikowe lub czopki zostają pobudzone światłem, to chemiczna kompozycja pigmentu zmienia się chwilowo. Powoduje to bardzo mały prąd elektryczny, który przechodzi do mózgu poprzez włókna nerwowe. Około sto pręcików jest połączonych z pojedynczym włóknem nerwowym. W efekcie tego grupy pręcików są wysoce światłoczułe z powodu efektu sumowania się ich stymulacji. Z drugiej strony, ostrość jest niska, ponieważ mózg nie potrafi rozróżnić pojedynczych pręcików w grupie. W warunkach widzenia wyłącznie pręcikowego otrzymuje się raczej zamazany obraz. Pręciki nie rozróżniają kolorów, ale wrażliwość pigmentu pręcika różni się dla różnorodnych kolorów widmowych. Maksymalna wrażliwość występuje przy falach o długości 507 nm (światło zielone). Pręciki i czopki umieszczone są na nabłonku barwnikowym siatkówki

Jak działa oko? Światło wpadające do oka biegnie przez rogówkę ,komorę przednią oka, soczewkę i ciało szkliste, by zakończyć swą podróż na siatkówce wywołując wrażenie wzrokowe przekazywane do mózgu za pośrednictwem nerwów łączących się w nerw wzrokowy. Nad osią symetrii oka znajdują się parametry dotyczące oka nieakomodującego (oznaczone indeksem o), natomiast pod osią – akomodującego (oznaczenie indeksem a). Powierzchnie soczewki zaznaczone są liniami przerywanymi.

Jak działa oko? Układ optyczny z pewnym przybliżeniem uważać można za centryczny. Środki krzywizn rogówki i soczewki leżą na prostej zwanej osią optyczną oka. Występuje jednak rozbieżność osi optycznej i osi widzenia, która jest wynikiem przesunięcia dołka środkowego poza oś optyczną oka. W efekcie występuje obrót osi widzenia względem osi optycznej średnio o około 5 stopni.

Własności widzenia Obraz tworzony na siatkówce jest: rzeczywisty zmniejszony odwrócony

Własności widzenia Układ optyczny: • soczewka o zmiennej ogniskowej • rogówka (przesłona) regulująca ilość światła dostającego się do wnętrza oka. Oko jest prostą soczewką skupiająca. Promienie świetlne dochodzące od przedmiotu do soczewki po załamaniu się w niej tworzą ostry obraz przedmiotu na siatkówce. Współczynnik załamania jest różny w poszczególnych warstwach oka. Ponadto występują różne napięcia mięsni siatkówki powodujące zmianę jej kształtu ( mniej bądź bardziej wypukła). Dzięki temu zdolność skupiająca oka jest zmienna. Umożliwia to tworzenie obrazów dalekich lub bliskich przy praktycznie stałej odległości układu optycznego od siatkówki.

Własności widzenia AKOMODACJA - zjawisko dostosowania się oka do oglądania przedmiotów znajdujących się w różnych odległościach. Dostosowanie to polega na odpowiednim doborze ostrości widzenia. Zakres akomodacji (odległość między punktem bliży i dali wzrokowej) oka człowieka: Punkt bliży wzrokowej - najbliższy punkt, jaki oko jest w stanie ostro widzieć dzięki akomodacji soczewki (ok. 10 cm); określany jako sB Punkt dali wzrokowej - najbliższy punkt powyżej którego soczewka nie akomoduje (ok. 6 m); określany jako sD

Własności widzenia ZDOLNOŚĆ SKUPIAJĄCA OKA Soczewka przy rozluźnionych mięśniach rzęskowych ma zdolność skupiającą 13D. Zdolność skupiająca dla typowego oka ludzkiego przy rozluźnionych mięśniach akomodacyjnych wynosi więc 58,5 dioptrii, a ogniskowa 17,1mm.

Własności widzenia REFRAKCJA – odwrotność odległości sD mierzonej w dioptriach. R = 0 to oko jest miarowe , wtedy siatkówka jest styczna do płaszczyzny ogniskowej oka nieakomodującego R = 0 to oko obarczone jest wadą KROTKO- bądź DALEKOWZROCZNOŚCI.

Własności widzenia ZDOLNOŚĆ ROZDZIELCZA OKA- - wyznaczona jest przez gęstość elementów światłoczułych (w oku to będą czopki i pręciki, w aparacie fotograficznym ziarna w emulsji lub dołki w sensorze). Własność pozwalająca rozróżnić szczegóły danego obrazu. Zdolność rozdzielcza zdrowego oka wynosi około 1 minuty kątowej. Oznacza to, że detale oglądane pod takim kątem będą jeszcze rozróżnialne. Jeżeli na siatkówce oka wyświetlany jest obraz o większej ilości szczegółów (na określonej powierzchni) niż jego zdolność rozdzielcza to nie dostrzeżemy całego bogactwa szczegółów obrazu, ponieważ będą one zlewały się ze sobą Z drugiej strony jeśli na siatkówce jest wyświetlony nadmiernie (w stosunku do rozdzelczości obiektywu) powiększony obraz to okiem nie dostrzeżemy nowych detali a obraz sprawia wrażenie nieostrego, rozmytego. Takie przesadzone powiększenie określa się teraminem "puste powiększenie".

Własności widzenia Kryterium Rayleigha Przy wizualnej obserwacji dwóch punktów o jednakowej intensywności, zgodnie z tzw. kryterium Rayleigha, granicznym warunkiem rozdzielenia ich obrazów jest pokrycie się głównego maksimum jednego z punktów z pierwszym minimum plamki dla drugiego punktu. Kryterium to odnosi się do oświetlenia niekoherentnego. Miarą zdolności rozdzielczej jest odwrotność kąta granicznego.

Własności widzenia ADAPTACJA Adaptacja pozwala oku widzieć przy różnych poziomach oświetlenia Adaptacja zawiera w sobie co najmniej dwa procesy: 1) Zmiana wielkości źrenicy. 2) Adaptacja fotochemiczna.

Więc chodź pomaluj mi świat… Fala elektromagnetyczna mieszcząca się w zakresie tzw. okna optycznego (ok.400nm-ok.. 700nm); Promieniowanie, które wniknie do oka w różnym stopniu wywołuje reakcje elektrochemiczne w czopkach i pręcikach stając się źródłem bodźców; Przyjmuje się maksimum czułości czopków na 550nm, a pręcików na 510nm; Za widzenie barw odpowiedzialne są fotoreceptory czopkowe;

Teoria trzech stymulantów (Younga-Helmoltza) Oko zawiera trzy rodzaje czopków każdy ma maksimum wrażliwości przypadające na inną długość fali: typu X – 64 % czopków; · 580 nm – R (pomarańczowo-czerwony) typu Y- 32 % czopków; · 545 nm – G (zielony) typu Z- 4% czopków; · 440 nm – B (niebieski) Jednakowe pobudzenie receptorów r : g : b = 1:1:1 odpowiada wrażeniu bieli, przy dużej sumie sygnałów lub szarości, przy małej sumie. Percepcyjnie wszystkie postrzegane kolory powstają jako kombinacje liniowe trzech barw podstawowych. Ludzkie oko rozróżnia 35 tysięcy – 8 milionów kolorów

Teoria trzech stymulantów (Younga-Helmoltza)

Efekt Purkyniego (ślepota zmierzchowa) Efekt ten polega na tym, że w zależności od intensywności oświetlenia, zmienia się względna jasność różnych kolorów, odbieranych przez oko. Przy bardzo niskim poziomie oświetlenia, gdy czopki przestają już funkcjonować, działanie przejmują pręciki. Kolory niebieskie stają się wtedy jaśniejsze w porównaniu z barwami czerwonymi. Wynika to z faktu, że podczas widzenia przy dobrym świetle siatkówka jest bardziej wrażliwa na długofalowe barwy światła, a podczas ciemności na krótkofalowe Krzywa czułości względnej oka ludzkiego dla widzenia fotopowego V(λ) i skotopowego V' (λ)

Widzenie przestrzenne (spektroskopowe) - jest wynikiem interpretacji jakiej dokonuje mózg porównując dwa, różniące się nieco obrazy pochodzące z każdego oka niezależnie. Co daje nam widzenie spektroskopowe? perspektywa geometryczna; zasłanianie przedmiotów dalszych przez bliższe; cienie; perspektywa powietrzna (zamglenie); pozorna różnica prędkości przesuwającego się krajobrazu; nieostrość przedmiotów położonych poza płaszczyzną fiksacji;

Widzenie przestrzenne (spektroskopowe) Prawie w każdym przypadku używamy obu naszych oczu do patrzenia na jeden cel. Jeżeli obiekt, na który patrzymy jest w oddali, oczy będą ustawione tak, aby linie wzroku obu oczu były względem siebie równoległe. Gdy patrzymy na obiekt umiejscowiony blisko, linie wzroku obu oczu będą się przecinały w punkcie celu. Jest to osiągnięte poprzez obrócenie oczu do środka, co nazywane jest zbieżnością

Oko uzbrojone wady wzroku oko krótkowzroczne • promienie światła załamane w układzie optycznym ogniskują się przed siatkówką • soczewka rozpraszająca przesuwa ognisko na siatkówkę oko dalekowzroczne • promienie załamane w układzie optycznym ogniskują się poza siatkówką • soczewka skupiająca przesuwa ognisko na siatkówkę

Oko uzbrojone wady wzroku Amplituda akomodacji: -miarowość oka Zdolność skupiająca okularu: gdzie l - odległość soczewki od oka (dla soczewki korekcyjnej l = 0) R - refrakcja Zdolność skupiająca soczewki: Zdolność rozdzielcza:

Oko uzbrojone wady wzroku Astygmatyzm - wadą polegającą na zniekształceniu widzenia wskutek niesymetryczności rogówki oka. Jeżeli promień krzywizny rogówki oka w płaszczyźnie pionowej jest inny niż w płaszczyźnie poziomej, to promienie świetlne padające na różne części rogówki załamywane są w różnym stopniu. Powoduje to, że obraz widziany przez pacjenta jest nieostry. astygmatyzm regularnym, gdzie oko posiada dwie ogniskowe. Po pokazaniu pacjentowi znak krzyżyka, on widzi ostro tylko jedno jego ramię - pionowe lub poziome. astygmatyzm nieregularny, cechujący się większą ilością ogniskowych i spowodowany nierówną powierzchnią rogówki.

Oko uzbrojone wady wzroku Daltonizm (Deutenaropia)- wada wzroku, odmiana ślepoty barw, polegająca na nierozpoznawaniu barwy zielonej (lub myleniu jej z barwą czerwoną) Jest wynikiem braku czopków reagujących na barwę zieloną. Nazwa „daltonizm” pochodzi od angielskiego chemika Johna Daltona, który w 1794 r. na własnym przypadku opublikował jej opis. Zdrowe oko Deutenaropia

Bibliografia „Biofizyka” pod red. prof.dr hab.F.Jaroszyk „Zjawiska optyczne w przyrodzie” - W. Bułat „Fizjologia człowieka z elementami fizjologii klinicznej” -W. Z. Traczyk, A. Trzebski Wykłady: prof. B. Kostek, dr Iwona Mróz, pan Marek Zając, prof. dr hab. inż. Krzysztof Patorski

DODATKOWE CIEKAWOSTKI

Teoria Heringa (antagonistyczna) W oku istnieją komórki wrażliwe na promieniowanie trzech par przeciwstawnych barw: czerwonej-zielonej, żółtej-niebieskiej i białej-czarnej. • W każdej z nich zachodzi mieszanie impulsów powodujących powstawanie barw, na które są wrażliwe. • Założenie o czterech podstawowych barwach: czerwonej, żółtej, zielonej i niebieskiej odpowiada intuicyjnemu odróżnianiu tych barw w widmie jako barw samodzielnych, niestanowiących wrażenia mieszaniny jak np. fioletowa czy pomarańczowa.

Para oczu pozwala widzieć nam na wylot hipoteza Marka Changizi Do tej pory biolodzy uważali, że największą korzyścią płynącą z posiadania dwojga oczu jest trójwymiarowy obraz. Amerykański uczony Mark Changizi jest jednak przekonany, że w przypadku m.in. ludzi oraz zwierząt żyjących w środowiskach leśnych równie ważna była też zdolność do patrzenia poprzez małe przeszkody - takie jak na przykład liście. Jego zdaniem właściwości ludzkiego wzroku pod pewnym względem dadzą się porównać do promieni rentgenowskich.

Wyostrzony wzrok Siatkówka jest czuła na pojedyncze fotony Gdy ludzkie oko jest całkowicie przystosowane do ciemności, może ono wtedy, przy korzystnych warunkach, dostrzec nawet pojedynczy foton. Jest to jedyne subatomowe zjawisko, które może być dostrzeżone przez istotę ludzką. Niemniej, niektóre zwierzęta mają jeszcze bardziej wyostrzoną wrażliwość oka – około sześć do siedmiu razy w wypadku oka kociego (Rys. 3). Może to być wytłumaczone poprzez fakt, że źrenica oka kota – przy pełnym otwarciu – jest o wiele większa w relacji do ogniskowej, niż u człowieka, co powoduje wyższe naświetlenie siatkówki przy danym oświetleniu. Dodatkowo za siatkówką kota jest jeszcze warstwa odbijająca światło, co oznacza że światło przechodzi przez siatkówkę dwa razy, dając większą szansę na jego wykrycie.