BIOFIZYKABIOFIZYKANARZĄDUNARZĄDUWZROKUWZROKU

Bilińska Sylwia

Pytania

1) Z czego zbudowane jest oko?2) Dlaczego widzimy? 3) Jakie wielkości charakteryzują narząd wzroku?4) Dlaczego widzimy świat kolorowy?5) Dlaczego drzewo jest przesunięte kiedy

patrzymy jednym okiem, a jak dwoma to jest na środku?

6) Po co oku zbroja?

Budowa narządu wzrokuOko 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 Układ receptorów czopkowychUkład receptorów czopkowych

-znajdują się głównie wewnątrz dołka -znajdują się głównie wewnątrz dołka środkowego (plamki żółtej), gdzie ich środkowego (plamki żółtej), gdzie ich zagęszczenie wynosi około zagęszczenie wynosi około 200 000/mm2, poza dołkiem jest ich 200 000/mm2, poza dołkiem jest ich mniej;mniej;

- odpowiada za dokładne widzenie odpowiada za dokładne widzenie drobnych kształtów przedmiotówdrobnych kształtów przedmiotów

- umożliwia widzenie barwneumożliwia widzenie barwne

- zapewnia najwyższą ostrość wzrokuzapewnia najwyższą ostrość wzroku

- liczba czopków na siatkówce jednego - liczba czopków na siatkówce jednego oka to około 6 mln. ich szerokość oka to około 6 mln. ich szerokość wynosi 4 µm, a długość 40 µm.wynosi 4 µm, a długość 40 µm.

percepcja czopkowa zachodzi jedynie percepcja czopkowa zachodzi jedynie przy dobrym oświetleniu – przy dobrym oświetleniu – widzenie widzenie fotopowefotopowe

System pręcikówSystem pręcików

- jest ich około 120 mln na siatkówce oka, - jest ich około 120 mln na siatkówce oka, mają długość około 60 µm i szerokość mają długość około 60 µm i szerokość 2 µm2 µm

- pozwala na rozróżnianie zarysów- pozwala na rozróżnianie zarysówprzedmiotówprzedmiotów

- zapewnia orientację przestrzenną- zapewnia orientację przestrzenną

- umożliwia odbieranie bodźców przy - umożliwia odbieranie bodźców przy minimalnym oświetleniuminimalnym oświetleniu

percepcja pręcików zachodzi przypercepcja pręcików zachodzi przysłabym oświetleniu –słabym oświetleniu –widzenie skotopowewidzenie skotopowe

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?

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.

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.

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 widzeniaUkład 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 - AKOMODACJA - zjawisko dostosowania się oka do oglądania zjawisko dostosowania się oka do oglądania przedmiotów znajdujących się w różnych odległościach. Dostosowanie to przedmiotów znajdujących się w różnych odległościach. Dostosowanie to polega na odpowiednim doborze ostrości widzenia.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 OKAZDOLNOŚĆ 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

REFRAKCJAREFRAKCJA – 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.

DSR 1

Własności widzeniaZDOLNOŚĆ ROZDZIELCZA OKA-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 widzeniaKryterium RayleighaKryterium 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

ADAPTACJAADAPTACJA

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 XX – 64 % czopków; · 580 nm – R (pomarańczowo-czerwony)

• typu YY- 32 % czopków; · 545 nm – G (zielony)

• typu ZZ- 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 jakokombinacje liniowe trzech barw podstawowych.

Ludzkie oko rozróżnia 35 tysięcy – 8 milionów kolorów

Teoria trzech stymulantów (Younga-Helmoltza)

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.

Efekt Purkyniego(ślepota zmierzchowa)

Wynika to z faktu, że podczaswidzenia 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;

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 zbieżnością

Widzenie przestrzenne (spektroskopowe)

Oko uzbrojonewady wzroku

oko dalekowzroczneoko dalekowzroczne• promienie załamane w układzie optycznymogniskują się poza siatkówką• soczewka skupiająca przesuwa ognisko nasiatkówkę

oko krótkowzroczneoko krótkowzroczne• promienie światła załamane w układzieoptycznym ogniskują się przed siatkówką• soczewka rozpraszająca przesuwa ogniskona siatkówkę

Oko uzbrojonewady wzroku

Amplituda akomodacji:

Zdolność skupiająca okularu:

Zdolność rozdzielcza:

BD ssA 11

01

Ds-miarowość oka

lRRDk

1

AlD 11

gdzie l - odległość soczewki od oka (dla soczewki korekcyjnej l = 0) R - refrakcja

RDk Zdolność skupiająca soczewki:

Oko uzbrojonewady wzroku

Astygmatyzm -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 uzbrojonewady wzroku

Daltonizm (Daltonizm (Deutenaropia)-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 DODATKOWE CIEKAWOSTKICIEKAWOSTKI

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.