Главная > Эндорфины > Как работает человеческий глаз и зачем мозгу фотошоп. Глаза как показатель состояния. Лазерные ожоговые травмы глаз


Как работает человеческий глаз и зачем мозгу фотошоп. Глаза как показатель состояния. Лазерные ожоговые травмы глаз




Глазное яблоко представляет собой сферу диаметром около 25 мм, состоящую из трёх оболочек. Наружная, фиброзная оболочка, состоит из непрозрачной склеры толщиной около 1мм, которая спереди переходит в роговицу.

Снаружи склера покрыта тонкой прозрачной слизистой оболочкой — конъюнктивой. Средняя оболочка называется сосудистой. Из её названия понятно, что она содержит массу сосудов, питающих глазное яблоко. Она образует, в частности, цилиарное тело и радужку. Внутренней оболочкой глаза является сетчатка.
Глаз имеет также придаточный аппарат, в частности, веки и слёзные органы. Движениями глаз управляют шесть мышц — четыре прямые и две косые.

Строение переднего отрезка глаза

Свет, попадая в глаз, сначала проходит через роговицу — прозрачную линзу, имеющую куполообразную форму (радиус кривизны примерно 7,5 мм, толщина в центральной части примерно 0,5 мм). В ней отсутствуют кровеносные сосуды и имеется много нервных окончаний, поэтому при повреждениях или воспалении роговицы развивается так называемый роговичный синдром, (слезотечение, светобоязнь и невозможность открыть глаз).
Передняя поверхность роговицы покрыта эпителием, который обладает способностью к регенерации (восстановлению) при повреждении. Глубже располагается строма, состоящая из коллагеновых волокон, а изнутри роговица покрыта одним слоем клеток — эндотелием, который при повреждении не восстанавливается, что приводит к развитию дистрофии роговицы, то есть к нарушению её прозрачности.
Поэтому во время проведения полостных операций глаза (когда манипуляции проводятся с внутренней стороны роговицы) этот слой всегда требует защиты специальными веществами — вискоэластиками.

Периферия роговицы по всей окружности практически соединяется с радужкой, образуя так называемый угол передней камеры, через анатомические элементы которого (шлеммов канал, трабекула и другие образования, имеющие общее название — дренажные пути глаза), происходит отток жидкости, постоянно циркулирующей в глазу, в венозную систему.

Эта способность, называемая аккомодацией, с возрастом (после 40 лет) теряется из-за уплотнения вещества хрусталика — зрение вблизи ухудшается.
Иногда цинновы связки полностью или частично отрываются (в результате травмы или с возрастом) от места своего прикрепления и хрусталик меняет своё положение — происходит его так называемый подвывих или вывих. При наличии катаракты такое положение хрусталика может вносить свои коррективы в операцию по ее удалению.
Хрусталик по своему строению похож на имеющую одну косточку виноградину — в нём есть оболочка — капсульный мешок, более плотное вещество — ядро (напоминающее косточку), и менее плотное вещество (напоминающее виноградную мякоть) — хрусталиковые массы. В молодости ядро хрусталика мягкое, однако, к 40-50 годам оно уплотняется. Передняя капсула хрусталика обращена к радужке, задняя — к стекловидному телу, а границей между ними служат цинновы связки. Такое подробное описание анатомии хрусталика даст нам возможность понять, каким образом удаляется катаракта — мутный хрусталик, а также как в глаз имплантируется искусственный хрусталик.

Строение заднего отрезка глаза

За хрусталиком располагается стекловидное тело, занимающее большую часть глаза и придающее ему форму. Других функций оно не имеет, а свет практически не преломляет. Оно имеет желеобразную структуру в большинстве случаев, однако иногда оно может разжижаться. С другой стороны, в нем могут появляться уплотнённые участки в виде нитей или глыбок, наличие которых пациент ощущает в виде «мушек» и плавающих точек. Считается, что такие изменения часто возникают при близорукости и и усиливаются с ростом её степени, а также с увеличением возраста пациента. В некоторых местах стекловидное тело тесно спаяно с сетчаткой, поэтому при образовании в нём уплотнений, стекловидное тело может тянуть на себя сетчатку, иногда вызывая ее отслойки.

Некоторые воспалительные заболевания глаз (так называемые увеиты), также могут приводить к появлению выраженных помутнений в стекловидном теле.
Стекловидное тело изучено очень мало. В некоторых ситуациях (если за счёт помутнений зрение пациента значительно снижается) оно может быть замещено специальным раствором (правда, путём достаточно сложной операции).

Врач при помощи специальной аппаратуры осматривающий глазное дно через зрачок пациента, видит место выхода зрительного нерва в виде диска (ДЗН), который в норме имеет бледно-розовый цвет. В центре ДЗН виден сосудистый пучок- место входа на сетчатку глазной вены и артерии. Недалеко от ДЗН видна так называемая макула (ML) или жёлтое пятно (названо по соответствующему световому рефлексу, получаемому в норме при осмотре)- точка сетчатки, ответственная за центральное зрение.

Оптическая система глаза и преломление света (рефракция)

Зрительное восприятие – многозвеньевой процесс, начинающийся с проекции изображения на сетчатку глаза и возбуждения фоторецепторов и заканчивающийся принятием высшими отделами зрительной сенсорной системы решения о наличии в поле зрения того или иного зрительного образа. В связи с необходимостью наводить глаза на рассматриваемый объект, вращая их, природа создала у большинства видов животных шарообразную форму глазного яблока. На пути к светочувствительной оболочке глаза – сетчатке – лучи света проходят через несколько светопроводящих сред – роговицу, влагу передней камеры, хрусталик и стекловидное тело, назначение которых преломлять их и фокусировать в области расположения рецепторов на сетчатке, обеспечивать четкое изображение на ней.

Камера глаза имеет 3 оболочки. Наружная непрозрачная оболочка – склера, переходит спереди в прозрачную роговицу. Средняя сосудистая оболочка в передней части глаза образует ресничное тело и радужную оболочку, обусловливающую цвет глаз. В середине радужки имеется отверстие – зрачок, регулирующий количество пропускаемых световых лучей. Диаметр зрачка регулируется зрачковым рефлексом, центр которого находится в среднем мозге. Внутренняя сетчатая оболочка (сетчатка) содержит фоторецепторы глаза (палочки и колбочки) и служит для преобразования световой энергии в нервное возбуждение.

Основными преломляющими средами глаза человека являются роговица (обладает наибольшей преломляющей силой) и хрусталик, который представляет собой двояковыпуклую линзу. В глазу преломление света проходит по общим законам физики. Лучи, идущие из бесконечности через центр роговицы и хрусталика (т.е. через главную оптическую ось глаза) перпендикулярно к их поверхности, не испытывают преломления. Все остальные лучи преломляются и сходятся внутри камеры глаза в одной точке – фокусе . Такой ход лучей обеспечивает четкое изображение на сетчатке, причем оно получается уменьшенным и обратным (рис. 26).

Рис. 26. Ход лучей и построение изображений в редуцированном глазу:

АВ – предмет; аb – его изображение; Dd – главная оптическая ось

Аккомодация. Для ясного видения предмета необходимо, чтобы лучи от его точек попадали на поверхность сетчатки, т.е. были здесь сфокусированы. Когда человек смотрит на далекие предметы, их изображение сфокусировано на сетчатке и они видны ясно. При этом близкие предметы видны неясно, их изображение на сетчатке расплывчато, т.к. лучи от них собираются за сетчаткой (рис. 27). Видеть одновременно одинаково ясно предметы, удаленные от глаза на разное расстояние, невозможно.

Рис. 27.Ход лучей от близкой и далекой точки:

От далекой точки А (параллельные лучи) изображение а получается на сетчатке при ненапряженном аккомодационном аппарате; при этом от близкой точки В изображениев образуется за сетчаткой

Приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов называется аккомодацией. Этот процесс осуществляется за счет изменения кривизны хрусталика и, следовательно, его преломляющей способности. При рассматривании близких предметов хрусталик делается более выпуклым, благодаря чему лучи, расходящиеся от светящейся точки, сходятся на сетчатке. При рассмотрении далеких предметов хрусталик становится менее выпуклым, как бы растягиваясь (рис. 28). Механизм аккомодации сводится к сокращению ресничных мышц, которые изменяют выпуклость хрусталика .

Существует две главные аномалии преломления лучей (рефракции) в глазу: близорукость и дальнозоркость. Они обусловлены, как правило, ненормальной длиной глазного яблока. В норме продольная ось глаза соответствует преломляющей силе глаза. Однако у 35 % людей имеются нарушения этого соответствия.

В случае врожденной близорукости продольная ось глаза больше нормы и фокусировка лучей происходит перед сетчаткой, а изображение на сетчатке становится расплывчатым (рис. 29). Приобретенная близорукость связана с увеличением кривизны хрусталика, возникающая, в основном, при нарушении гигиены зрения. В дальнозорком глазу, наоборот, продольная ось глаза меньше нормы и фокус располагается за сетчаткой. В результате изображение на сетчатке тоже расплывчато. Приобретенная дальнозоркость возникает у пожилых людей из-за уменьшения выпуклости хрусталика и ухудшения аккомодации. В связи с возникновением старческой дальнозоркости ближняя точка ясного видения с возрастом отодвигается (от 7 см в 7 – 10 лет до 75 см в 60 лет и более).

Отдельные части глаза (роговица, хрусталик, стекловидное тело) обладают способностью преломлять проходящие через них лучи. С точки зрения физики глаз представляет собой оптическую систему, способную собирать и преломлять лучи.

Преломляющую силу отдельных частей (линз в прибо ре) и всей оптической системы глаза измеряют в диоптриях.

Под одной диоптрией понимают преломляющую силу линзы, фокусное расстояние которой составляет 1 м. Если преломляющая сила увеличивается, фокусное расстояние уко рачивается. Отсюда следует, что линза, у которой фокусное расстояние равно 50 см, будет обладать преломляющей силой, равной 2 диоптриям (2 D).

Оптическая система глаза является весьма сложной. Достаточно указать, что только преломляющих сред имеется несколько, причем каждая среда имеет свою преломляющую силу и особенности строения. Все это крайне усложняет изучение оптической системы глаза.

Рис. Построение изображения в глазу (объяснение в тексте)

Глаз часто сравнивают с фотоаппаратом. Роль камеры играет полость глаза, затемненная сосудистой оболочкой; светочувствительным элементом является сетчатка. В камере имеется отверстие, в которое вставлена линза. Лучи света, попадая в отверстие, проходят через линзу, преломляются и падают на противоположную стенку.

Оптическая система глаза представляет собой преломляющую собирательную систему. Она преломляет проходящие через нее лучи и опять собирает их в одну точку. Таким образом возникает действительное изображение реального предмета. Однако изображение предмета на сетчатке получается обратное и уменьшенное.

Чтобы понять это явление, обратимся к схематическому глазу. Рис. дает представление о ходе лучей в глазу и получении обратного изображения предмета на сетчатке. Луч, отходящий от верхней точки предмета, обозначенной буквой а, проходя через линзу, преломляется, меняет направление и занимает на сетчатке положение нижней точки, обозначенной на рисунке а 1 Луч от нижней точки предмета в, преломляясь, падает на сетчатку как верхняя точка в 1 . Соответствующим же образом падают лучи от всех точек. Следовательно, на сетчатке получается действительное изображение предмета, но оно обратное и уменьшенное.

Так, расчеты показывают, что размер букв данной книги, если при чтении она находится на расстоянии 20 см от глаза, на сетчатке будет равен 0,2 мм. обстоятельство, что мы видим предметы не в их перевернутом изображении (вверх ногами), а в их естественном виде, вероятно, объясняется накопленным жизненным опытом.

Ребенок в первые месяцы после рождения путает верхнюю и нижнюю сторону предмета. Если такому ребенку показать горящую свечку, ребенок, стараясь схватить пламя, протянет руку не к верхнему, а к нижнему концу свечи. Контролируя в течение дальнейшей жизни показания глаза руками и другими органами чувств, человек начинает видеть предметы так, как они есть, несмотря на их обратное изображение на сетчатке.

Аккомодация глаза. Человек не может одновременно одинаково четко видеть предметы, находящиеся на разных расстояниях от глаза.

Для того чтобы хорошо видеть предмет, надо, чтобы лучи, отходящие от этого предмета, собирались на сетчатке. Только в том случае, когда лучи падают на сетчатку, мы видим ясное изображение предмета.

Приспособление глаза к получению отчетливых изображений предметов, находящихся на разных расстояниях, называется аккомодацией.

Для того чтобы в каждом случае получить четкое изобра жение, необходимо изменять расстояние между светопреломляющей линзой и задней стенкой камеры. Так устроен фотоаппарат. Чтобы получить четкое изображение на задней стенке камеры, отодвигают или приближают объектив. По такому принципу происходит аккомодация у рыб. У них хрусталик при помощи специального приспособления отодвигается или приближается к задней стенке глаза.

Рис. 2 ИЗМЕНЕНИЕ КРИВИЗНЫ ХРУСТАЛИКА ПРИ АККОМОДАЦИИ 1 - хрусталик; 2 - сумка хрусталика; 3 - ресничные отростки. Верхний рисунок - увеличение кривизны хрусталика. Ресничная связка расслаблена. Нижний рисунок - кривизна хрусталика уменьшена, ресничные связки натянуты.

Однако четкое изображение можно получить и в том случае, если изменяется преломляющая сила линзы, а это возможно при изменении ее кривизны.

По этому принципу происходит аккомодация у человека. При видении предметов, находящихся на разных расстояниях, кривизна хрусталика изменяется и благодаря этому точка, где сходятся лучи, приближается или удаляется, попадая каждый раз на сетчатку. Когда человек рассматривает близкие предметы, хрусталик делается более выпуклым, а при рассмотрении дальних предметов - более плоским.

Как же происходит изменение кривизны хрусталика? Хрусталик находится в специальной прозрачной сумке. От степени натяжения сумки зависит кривизна хрусталика. Хрусталик обладает эластичностью, поэтому, когда сумка натягивается, он становится плоским. При расслаблении же сумки хрусталик в силу своей -эластичности приобретает более выпуклую форму (рис.2). Изменение натяжения сумки происходит при помощи специальной круговой аккомодационной мышцы, к которой прикреплены связки капсулы.

При сокращении аккомодационных мышц связки сумки хрусталика ослабевают и хрусталик приобретает более выпуклую форму.

От степени сокращения этой мышцы зависит и степень изменения кривизны хрусталика.

Если находящийся на далеком расстоянии предмет постепенно приближать к глазу, то на расстоянии 65 м начинается аккомодация. По мере дальнейшего приближения предмета к глазу аккомодационные усилия возрастают и на расстоянии 10 см оказываются исчерпанными. Таким образом, точка ближнего видения будет находиться на расстоянии 10 см. С возрастом эластичность хрусталика постепенно уменьшается, а следовательно, меняется и способность к аккомодации. Ближайшая точка ясного видения у 10-летнего находится на расстоянии 7 см, у 20-летнего - на расстоянии 10 см, у 25-летнего - 12,5 см, у 35-летнего - 17 см, у 45-летнего - 33 см, у 60-летнего - 1 м, у 70-летнего - 5 м, у 75-летнего способность к аккомодации почти теряется и ближайшая точка ясного видения отодвигается в бесконечность.

Инородный предмет - объект, который попал в глаз снаружи. Может быть чем угодно: от пылевой частицы до металлического осколка. Посторонний предмет, скорее всего, затронет роговицу или конъюнктиву.

Роговица – специальное защитное покрытие передней части глаза, а конъюнктива - слизистая оболочка, закрывающая белок глаз.

Нужно идти в отделение скорой помощи, если в глазу находится посторонний предмет. Не надо пытаться удалить его самостоятельно.

Роговица представляет собой прозрачный купол, который закрывает переднюю поверхность глаза. Он служит специальным защитным покрытием для передней части глаза. Свет попадает в глаз через роговицу. Он также помогает фокусировать свет на сетчатке.

Конъюнктива представляет из себя слизистую оболочку, покрывающую склеру или белок глаза. Конъюнктива достигает края роговицы. Она также покрывает влажную область под веками.

Посторонний предмет, попавший в переднюю часть глаза, не может потеряться за глазным яблоком, но он может поцарапать роговицу. Эти царапины обычно незначительны. Однако некоторые типы посторонних предметов могут стать причиной заражения или повреждения зрения.

Симптомы инородного тела в глазу

  • Ощущение дискомфорта;
  • Ощущение, что в глазу находится какой-то объект;
  • Головная боль;
  • Слезоточивость;
  • Боль про ярком свете;
  • Чрезмерное моргание;
  • Покраснения, налитый кровью глаз.


Проникновение постороннего предмета в глаз встречается довольно редко. Обычно объекты, попавшие в глаз, результат интенсивного, быстрого удара, подобного взрыву. Посторонние предметы, проникающие в глаз, называются внутриглазными объектами. Другими симптомами внутриглазного объекта считаются выделение жидкости, кровоточивость глаз.

Причины инородного тела в глазу

В конъюнктиву глаза объекты попадают в результате неудач, возникающих во время повседневного досуга.

  • Ресницы;
  • Щепки;
  • Грязь;
  • Песок;
  • Косметические средства;
  • Контактные линзы;
  • Металлические детали;
  • Осколки стекла.

Грязь и песок, обычно, приносит в глаза ветер. Грубые материалы, например металл или стекло, попадают в глаза в результате взрывов или случаев, связанных с использованием инструментов, таких как молотки, электроинструменты или газонокосилки.

Посторонние предметы, попадающие в глаз с высокой скоростью, представляют наибольший риск получения травм.

Если в глазу инородный объект, точная диагностика и правильное лечение предотвратят инфекцию и потенциальные повреждения зрения. Это особенно важно при экстремальных и внутриглазных случаях .

Удаление постороннего предмета самолично может привести к серьезному повреждению глаз .

  • Имеет острые или грубые края;
  • Достаточно велик, чтобы препятствовать закрытию глаза;
  • Содержит химикаты;
  • Попал в глаз с высокой скоростью;
  • Вызывает кровотечение в глазу.

Если в глаз попал посторонний предмет, или вы помогаете кому-то с той же проблемой, очень важно немедленно обратиться за медицинской помощью .

  • Ограничить движение глаз;
  • Сделать повязку глаза с помощью чистой ткани или марли;
  • Если объект слишком велик, чтобы сделать повязку, нужно накрыть глаз бумажной чашкой;
  • Закрыть неповрежденный глаз. Это поможет предотвратить движение в пострадавшем глазу.
  • У вас все еще есть ощущение, что что-то в глазу есть;
  • У вас необычное зрение, есть слезоточивость или мигание;
  • На роговице есть облачное пятно;
  • Общее состояние глаза ухудшается.
  • Помощь в домашних условиях

Если есть подозрения, что в глаз попал посторонний предмет, важно своевременно получить лечение, чтобы избежать заражения и дальнейшего повреждения зрения.

  • Не давите на глаза;
  • Не используйте около поверхности глаза такие предметы, как пинцеты или ватные тампоны;
  • Не снимайте контактные линзы, если конечно нет внезапного отека или вы получили химическую травму.

Если есть подозрения, что посторонний предмет попал в глаз, или вы помогаете кому-то другому с той же проблемой, нужно выполнить следующие шаги перед каким либо уходом в домашних условиях:

  • Помойте руки;
  • Посмотрите на пораженный глаз в области с ярким светом;
  • Чтобы исследовать глаз и найти объект, нужно посмотреть вверх, потянув нижнее веко вниз.

Самый безопасный способ удаления постороннего предмета из глаза будет отличаться в зависимости от типа объекта, который надо удалить, и того, где он находится в глазу.

Наиболее распространенным местом нахождения постороннего предмета является верхнее веко.

  • Погрузите пострадавшую сторону лица в плоский контейнер с водой. Пока глаз находится под водой, нужно несколько раз открыть и закрыть глаз, чтобы вымыть объект;
  • Тех же результатов можно достичь с помощью наглазника, купленного в аптеке;
  • Если объект застрял, вытяните верхнее веко и растяните его над нижним веком, чтобы ослабить предмет.
  • Вытяните нижнее веко или нажмите вниз на кожу под веком, чтобы увидеть, что под ним;
  • Если объект виден, попробуйте прикоснуться к нему влажной ватной палочкой.

попробуйте вымыть его, пролив воду на веко, когда держите его открытым.
Также можно попробовать использовать наглазник для вымывания объекта.

Придется вымывать частями вместо того, чтобы удалять их целыми по отдельности.

Помощь специалиста

  • Не удается удалить посторонний предмет дома;
  • Зрение остается размытым, иным, ненормальным после удаления постороннего предмета;
  • Первоначальные симптомы разрыва, мигания и припухлости сохраняются и не улучшаются;
  • Состояние глаза все равно ухудшается.

Нужно пройти осмотр, который состоит из следующих шагов:

  • Капли для обезболивания, анестезия поверхности глаза;
  • Краситель флуоресцин. Он светится при специальном освещении, будет нанесен через глазные капли. Краситель показывает поверхностные объекты и ссадины;
  • Врач будет использовать лупу для обнаружения и удаления посторонних предметов;
  • Объекты могут быть удалены с помощью влажной ватной палочки или вымыты водой.


Если первоначальными методами не удастся удалить объект, врач может использовать иглы.

Если посторонний предмет вызвал ссадины роговицы, врач может дать антибиотическую мазь , чтобы инфекция не прогрессировала.

Для более крупных ссадин роговицы - глазные капли, содержащие циклопентолат или гоматропин , чтобы держать зрачок расширенным. Болезненные мышечные спазмы могут возникать, если зрачок стягивается до заживления роговицы.

Врач даст ацетаминофен для лечения боли от более крупных повреждений роговицы.

Для дальнейшего исследования внутриглазного объекта может потребоваться КТ или другие исследования.

Предпишут направление к врачу, который специализируется на уходе за глазами для дальнейшей оценки или лечения.

Восстановление


Если удается удалить посторонний предмет из глаза, глаз должен начать выглядеть и чувствовать себя лучше примерно через один-два часа . В течение этого времени любая значительная боль или покраснение должны ослабевать. Раздражающее ощущение или незначительный дискомфорт могут оставаться на день или два .

Повреждения роговицы, вызванные посторонним предметом, обычно заживают в течение 1-3 дней . Тем не менее, инфекции более вероятны, если инородный предмет был грязным, например, содержал почву. Нужно позвонить доктору , если симптомы не улучшаются.

Внутриглазные инородные объекты создадут эндофтальмит . Это инфекция внутренней части глаза. Если посторонний предмет повреждает роговицу или хрусталики глаз, зрение может быть повреждено или потеряно.

Как предотвратить попадание постороннего предмета в глаз?


Трудно предвидеть или избежать случайного попадания постороннего предмета в глаз во время повседневной деятельности.

Можно предотвратить попадание постороннего предмета в глаза, надев специальные очки.

  • При работе с пилами, строительными машинами или электроинструментами;
  • При работе с опасными или токсичными химикатами;
  • При работе с газонокосилками.

Биофизические основы зрения

Глаз человека является оптическим прибором. Несмотря на всю сложность, основные принципы функционирования его светопроводящей системы могут быть описаны законами геометрической оптики. С другой стороны, механизм генерации зрительного ощущения является фотобиологическим процессом. Поэтому изучение светопреобразующей системы глаза требует привлечения законов взаимодействия света с веществом, а также аппарата квантовой механики и квантовой биофизики.

Оптическая система глаза

Глаз имеет не совсем правильную сферическую форму. Его вертикальный, горизонтальный и осевой размеры равны соответственно 23,4; 23,6; 24,3 мм. Свет попадает в глаз через роговицу. Показатель преломления вещества 1,376, радиус кривизны передней поверхности 7,7, задней – 6,8 мм. Эта часть глаза обладает наибольшими преломляющими свойствами: оптическая сила ее передней поверхности – 50 дптр. За роговицей находится хрусталик, представляющий собой двояковыпуклую линзу с радиусом кривизны передней поверхности 10, задней – 6 мм. Хрусталик состоит из пластинчатых слоев, неодинаковых как по радиусу кривизны, так и по показателю преломления. Общий показатель преломления вещества хрусталика 1,414 -1,424, оптическая сила в наиболее уплощенном состоянии 19,1 дптр. Пространство между роговицей и хрусталиком заполнено водянистой влагой, а внутренняя часть глаза – стекловидным телом – прозрачной гелеобразной массой, состоящей из внеклеточной жидкости с коллагеном и гиалуроновой кислотой в коллоидном растворе. Водянистая влага и стекловидное тело имеют показатель преломления 1,336.

Внутренний слой глаза, содержащий зрительные элементы, называется сетчаткой . К сетчатке подходит зрительный нерв, отводящий нервные импульсы в зрительный центр головного мозга. В области примыкания зрительного нерва к сетчатке находится слепое пятно , нечувствительное к свету, а в середине сетчатки – область, где острота зрения при дневном освещении максимальна – желтое пятно .

Через геометрический центр роговицы и хрусталика проходит главная оптическая ось ОО, а через центр хрусталика и желтое пятно – зрительная ось О"О". Зрительная ось совпадает с направлением наилучшей светочувствительности. Угол между главной оптической и зрительной осями составляет примерно 5°.

Рис.1. Положение главной оптической ОО и зрительной О"О" осей.

Так как показатели преломления воздуха и внутренней среды глаза не равны, то

1. Фокусные расстояния f 1 и f 2 не равны . Для сферической поверхности фокусные расстояния, как со стороны предметов, так и со стороны изображения могут быть вычислены по формуле: f = n 2 R/(n 2 -n 1), где n 1 – показатель преломления первой среды (из которой исходят параллельные лучи); n 2 – показатель преломления второй среды; R – радиус кривизны поверхности раздела двух сред. Соответственно оптическая сила сферической поверхности равна: D = 1/f = (n 2 -n 1)/n 2 R. Оптическая сила линзы с двумя преломляющими поверхностями: D = D 1 +D 2 - d/n D 1 D 2 , где D 1 и D 2 – оптическая сила передней и задней поверхностей линзы соответственно; d – расстояние между ними; n – показатель преломления заключенной между ними среды.

2. Главные плоскости оптической системы глаза, перпендикулярные главной оптической оси и проходящие через главные точки Н 1 и Н 2 , не совпадают . Н 1 и Н 2 – это точки, для которых линейное увеличение равно +1: Г = а 2: а 1 = +1, где а 1 – расстояние от предмета до линзы; а 2 – расстояние от линзы до изображения.

3. С главными плоскостями не совпадают плоскости, перпендикулярные главной оптической оси и проходящие через узловые точки N 1 и N 2 . Для этих точек угловое увеличение равно Z = tgφ 2 /tgφ 1 = 1, где φ 1 – угол раскрытия пучка лучей точки предмета; φ 2 - угол раскрытия пучка лучей для сопряженной точки изображения.

Рис.2. Оптические системы глаза: F 1 и F 2 – фокусы; f 1 и f 2 – фокусные расстояния; H 1 и H 2 – главные точки; N 1 и N 2 – узловые точки. Расстояния даны в мм.

Глаз имеет четыре преломляющие поверхности, образованные роговицей, водянистой влагой и хрусталиком. Снаружи эта оптическая система ограничена воздухом, изнутри – стекловидным телом. Часто для упрощения вычисления всю оптическую систему глаза представляют линзой, которая со стороны пространства предметов окружена воздухом, а со стороны пространства изображений – жидкостью с показателем преломления 1,336, главные Н 1 и Н 2 и узловые N 1 и N 2 точки совмещают. Оптическая сила такой системы составляет 58,6 дптр, а сама система называется приведенным редуцированным глазом .

Чем дальше предмет удален от глаза, тем меньше его изображение на сетчатке. Наименьший угол зрения, при котором человек ещё способен видеть отдельно две различные точки предмета (угловая разрешающая способность ), составляет примерно одну минуту. При расположении предмета на расстоянии 25 см линейная разрешающая способность человеческого глаза составляет 70 мкм, а размер изображения этих точек на сетчатке – 5 мкм, что, в свою очередь, равно среднему расстоянию между колбочками.

Рис.3. Построение изображения предмета на сетчатке глаза.

Из геометрической оптики известно, что при равных показателях преломления среды с обеих сторон линзы справедливо соотношение (f 1: а 1) + (f 2: а 2) = 1. Поэтому для получения четкого изображения различно удаленных предметов должно изменяться либо расстояние а 2 , либо фокусное расстояние f 2 . В глазе человека реализуется последний способ. Возможность фокусирования на сетчатке изображений различно удаленных предметов за счет изменения кривизны хрусталика, особенно его передней поверхности, называется аккомодацией . Чем ближе расположен предмет, тем больше должна быть кривизна хрусталика и его оптическая сила.

Хрусталик заключен в капсулу, которая по краям переходит в волокна цилиарной связки. Эти волокна всегда натянуты. Поэтому в расслабленном состоянии хрусталик максимально растянут, и его оптическая сила минимальна. В этом состоянии глаз способен различать предметы, находящиеся только на очень далеком расстоянии. Механическое напряжение волокон цилиарной связки регулируется цилиарной мышцей. При сокращении мышцы, иннервируемой парасимпатическими волокнами глазодвигательного нерва, натяжение цилиарной связки уменьшается, и хрусталик за счет своей эластичности принимает более выпуклую форму. С возрастом в результате обезвоживания эластичность хрусталика уменьшается, в результате чего ограничивается возможность регуляции его радиуса кривизны, развивается так называемая старческая дальнозоркость . При этом рассматривание близких предметов, требующее для аккомодации малых радиусов кривизны хрусталика, затруднено, а далеко расположенные предметы видны по-прежнему хорошо. У здорового молодого человека аккомодация не вызывает напряжения при рассматривании предметов, находящихся на расстоянии более 25 см. Это наименьшее расстояние называется расстоянием наилучшего видения .

Недостатки оптической системы глаза человека

Оптическая система глаза имеет ряд недостатков. Роговица и хрусталик чаще всего имеют неправильную сферическую форму и напоминают собой сегмент эллипсоида вращения. Это приводит к явлению астигматизма . При этом оптическая сила в вертикальной плоскости не равна оптической силе в горизонтальной плоскости (обычно первая несколько больше второй), то есть глаз по вертикали может быть близоруким, а по горизонтали – дальнозорким. Астигматизм присущ в небольшой степени почти всем людям. Если разница в оптических силах не превышает 0,5 дптр, то астигматизм называют «физиологическим» и не корректируют очками. При большей степени дефекта зрение корригируется цилиндрическими линзами, а при «нерегулярном» астигматизме – только контактными линзами.

Другими недостатками оптической системы глаза являются сферическая и хроматическая абберация.

Сферическая абберация возникает из-за того, что фокусное расстояние центральной части и роговицы, и хрусталика больше фокусного расстояния периферической части. Этот недостаток почти не проявляется при малых значениях диаметра зрачка, когда вклад периферических отделов оптической системы в построение изображения невелик. С увеличением диаметра зрачка изображение становится все более нерезким.

Хроматическая абберация возникает вследствие явления дисперсии белого света: показатель преломления света зависит от его длины волны, чем она короче, тем больше показатель преломления. Поэтому синие предметы, требующие меньшей аккомодации, кажутся более удаленными, чем расположенные на том же расстоянии красные предметы. Этот эффект широко использовался при создании витражей готических храмов: фон делался синим, а все остальные предметы и фигуры окрашивались в другие цвета. В результате плоское изображение приобретало объем. Помимо естественных недостатков существуют патологии зрения. На рисунке 4 приведены примеры хода лучей в нормальном (а), близоруком (б) и дальнозорком (в) глазе.

При близорукости (миопии) вследствие увеличения переднезаднего размера глазного яблока фокус расположен перед сетчаткой, что вызывает размытое изображение далеко расположенных предметов. Для близорукого глаза расстояние наилучшего видения меньше 25 см. Этот недостаток зрения корригируется рассеивающими (вогнутыми) линзами. При дальнозоркости (гиперметропии), наоборот, осевая длина глазного яблока уменьшена, и лучи фокусируются за сетчаткой. Далеко расположенные предметы при этом видны отчетливо, а для рассматривания близко расположенных предметов необходима коррекция собирающими (выпуклыми) линзами. Расстояние наилучшего видения для дальнозорких людей – больше 25 см.

Молекулярный механизм зрения

Функциональные особенности фоторецепторных клеток

В основе зрения лежит способность светочувствительных клеток сетчатки реагировать на изменение светового потока. Глаз позвоночных содержит два вида рецепторных клеток: палочки, являющиеся более чувствительными к свету и обеспечивающие зрение в сумерках и ночью (скотопическое зрение ), и колбочки, обеспечивающие восприятие зрительных образов при ярком освещении и цветовое зрение (фотопическое зрение ). Колбочки, кроме того, обладают лучшей способностью к восприятию деталей изображения и поэтому значительно улучшают разрешающую способность глаза. Кривая спектральной чувствительности глаза имеет максимум около 500 нм при скотопическом зрении и около 555 нм при фотопическом.

Палочки имеют длину 63-81 мкм, диаметр 1,8 мкм; для колбочек эти параметры равны соответственно 35 и 5-6 мкм. На сетчатке глаза человека находится приблизительно 110-125 млн палочек и 6-7 млн колбочек. Палочки и колбочки расположены на сетчатке неравномерно: в центре её напротив зрачка в области желтого пятна находятся в основном колбочки, на периферии – только палочки. В связи с этим для получения наилучшего качества изображения световой поток должен попадать в центр сетчатки.

Сетчатка состоит из нескольких слоев клеток. Ближе всего к свету расположены слои нервных клеток, отводящие электрические сигналы от палочек и колбочек в мозг. Далее располагаются сами фоторецепторные клетки. Каждая из них имеет два сегмента: наружный и внутренний, соединенные между собой тонкой ножкой. Своим наружным сегментом, содержащим зрительные пигменты, эти клетки ориентированы в сторону, противоположную свету. Зрительные пигменты имеют в своем составе хромофор, который поглощает свет. Таким образом, свет, прежде чем попасть на зрительные пигменты, должен пройти через роговицу, хрусталик, стекловидное тело и несколько слоев клеток. При этом поглощается не более 50% света. Дополнительные потери возникают в связи с тем, что одна часть света отражается от роговицы, а другая, прошедшая мимо светочувствительных элементов, поглощается клетками эпителия глаза. И только 10% квантов света, попавших на глаз, поглощаются зрительными пигментами в палочках.

У человека наружный слой сетчатки покрыт слоем, в состав которого входит пигмент фуксин, обладающий большим коэффициентом поглощения. В отсутствие отражения и рассеяния света четкость изображения повышается. У некоторых ночных животных между зрительными элементами и пигментным слоем имеется отражающий слой, благодаря которому не зрительные пигменты попадают не только прямые, но и отраженные лучи. В результате в условиях дефицита освещенности повышается возможность восприятия света. За счет отражения падающего света у таких животных глаза в темноте светятся.

Закон Вебера и психофизический закон Вебера-Фехнера

Минимальная яркость светового пятна, которую способен воспринять глаз на абсолютно черном фоне при полной световой адаптации, называется абсолютным порогом чувствительности . Для человека эта величина составляет (2,1-5,7) 10 -17 Дж. Это соответствует 58-148 квантам сине-зеленого цвета. Минимальная обнаруживаемая разность между яркостью освещенного фона и яркостью светового пятна называется разностным порогом чувствительности . А отношение минимальной обнаруживаемой разности к яркости освещенного фона называется дифференциальным порогом . Согласно закону Вебера , дифференциальный порог остается постоянным при изменении яркости фона. Таким образом, величина разностного порога чувствительности увеличивается с увеличением яркости фона.

Зависимость между интенсивностью ощущения и интенсивностью света описывается законом Вебера-Фехнера : если интенсивность света возрастает по логарифмическому закону, то интенсивность ощущения света растет линейно: ψ = k ln I/I 0 , где I – интенсивность света; I 0 – абсолютный порог чувствительности; k – константа. Этот закон носит также название психофизического закона Вебера-Фехнера . Он пригоден для описания любых сенсорных процессов, кроме процессов, идущих при очень слабой стимуляции.

Изомеризация ретиналя

Изомеризация ретиналя является первичным фотохимическим процессом. Лучше всего фотопроцессы изучены в палочках. В ответ на поглощение квантов света их мембраны, содержащие зрительный пигмент родопсин, генерируют электрический сигнал. Родопсин является хромопротеином. Он состоит из белковой части – опсина и небелковой – ретиналя (половины молекулы β–каротина). Ретиналь является хромофором родопсина. Он имеет множество изомеров, но в зрительных пигментах встречается только как 11-цис-ретиналь, а в некоторых редких случаях как 9-цис-ретиналь. Ретиналь связан с опсином ковалентной протонировнной альдиминовой связью. Эта связь располагается между альдегидной группой ретиналя и ε–аминогруппой лизина молекулы опсина.

В молекуле опсина выделяются большой гидрофобный участок, погруженный в фосфолипидную мембрану, и меньший гидрофильный, выступающий над её поверхностью. Фоторецепторная мембрана отличается крайне низкой вязкостью вследствие высокого содержания полиненасыщенных жирных кислот. Это способствует быстрой вращательной и латеральной диффузии молекул родопсина и облегчает их конформационные превращения после поглощения света.

Изолированный ретиналь имеет максимум поглощения в области 370-380, а опсин – в области 278 нм. Их взаимодействие сдвигает максимум спектра поглощения родопсина в видимом диапазоне в область 500 нм. Это явление называется батохромным сдвигом . Кроме этого родопсин имеет ещё один максимум поглощения - на длине волны 350 нм (ультрафиолетовая область). Благодаря преимущественному поглощению зеленых и голубых лучей, изолированный родопсин имеет красный цвет. Со спектром поглощения родопсина совпадает спектр поглощения палочек, который близок к кривой спектральной чувствительности скотопического зрения.

В темноте ретиналь находится в цис-конфигурации, что обеспечивает его полное стерическое соответсвие молекуле опсина. Поглощение фотона π–электронами сопряженных двойных связей переводит молекулу ретиналя в возбужденное состояние и вызывает разрыв π–связи. Тогда одна часть молекулы поворачивается вокруг оставшейся σ–связи, и ретиналь переходит в полностью транс-конфигурацию. После ряда превращений, в ходе которых происходит депротонирование и изменение конформации опсина, связь между ретиналем и опсином разрывается. Выделившийся при этом ретиналь находится в транс-конфигурации. Этот процесс называется фотолизом родопрсина . Обратное превращение транс-ретиналя в 11-цис-ретиналь происходит с помощью фермента ретинальизомеразы, после чего 11-цис-ретиналь присоединяется к опсину с образованием родопсина.

Рис.5. Структура органа зрения:

1 – разрез глаза; 2 – колбочки; 3 – палочки (М-скопление митохондрий); 4 – диск наружного сегмента палочки; 5 – фрагмент мембраны диска со встроенной в неё молекулой родопсина; 6 – хромофорная группировка родопсина – ретиналь в 11-цис и полностью транс-конформациях.

Механизм возникновения электрического сигнала

Для возникновения сигнала, передающего информацию о зрительном ощущении в мозг, необходимо изменение трансмембранного потенциала палочки.

В состоянии покоя цитоплазматическая мембрана наружного сегмента палочек проницаема в основном для натрия, а не для калия. Поэтому в отличие от всех других известных клеток, цитоплазма наружного сегмента палочек заряжена положительно. Поглощение кванта света и следующие за ним фотопревращения родопсина приводят к тому, что проницаемость палочек для натрия уменьшается. Каждый поглощенный квант вызывает блокаду 100-300 натриевых каналов. Предполагается, что механизмом передачи информации о фотолизе родопсина натриевым каналам является блокада, вызываемая внутриклеточными медиатороми, которые появляются при воздействии света на зрительные пигменты. Этими медиаторами являются ионы кальция и циклический 3"-5"-гуанозинмонофосфат (цГМФ). При возбуждении изменяется только проницаемость мембраны для натрия, для других ионов эта величина остается на прежнем уровне. Поэтому в условиях блокады натриевых каналов на первое место выступают калиевые. Диффузия К + наружу из клетки в сторону меньшей концентрации вызывает появление там положительного заряда, а в клетке, наоборот, - отрицательного.

Формирование электрических потенциалов сетчатки

Сразу после поглощения кванта света возникает ранний рецепторный потенциал (РРП) продолжительностью 1 мс. Предполагается, что РРП вызывается перемещением молекулы родопсина в мембране при конформационных превращениях в нем. Молекула родопсина содержит фиксированные заряды, и их смещение относительно липидного бислоя приводит к формированию РРП. Амплитуда РРП зависит от интенсивности вспышки, но не превышает 5 мВ. Чем меньше квантов света падает на сетчатку, тем выше вероятность их взаимодействия с молекулами невыцветшего родопсина и соответственно выше амплитуда РРП.

Через 1 мс после РРП возникает поздний рецепторный потенциал (ПРП), вызываемый уже не конформационными перестройками молекулы родопсина, а транспортом ионов через мембрану. Амплитуда ПРП растет с увеличением интенсивности света по закону A = α I/ I+ kI s , где I s – интенсивность светового стимула (число фотонов, падающих за единицу времени на единицу площади); α и k – константы, зависящие от длины падающего света.

Зрительный пигмент колбочек отличается от такового для палочек. В качестве хромофора по-прежнему выступает 11-цис-ретиналь, а белковая часть образована светочувствительным элементом йодопсином. Существуют три вида йодопсинов, имеющих максимумы поглощения при 445 нм (синий цвет), 535 нм (зеленый) и 570 нм (оранжевый). Каждая колбочка имеет только один вид этих молекул. Согласно трехкомпонентной теории зрения, сформулированной в 1801 году Т.Юнгом и развитой затем Г.Гельмгольцем, всякий цвет оказывает воздействие на каждый тип колбочек, но в разной степени. Комбинация полученных сигналов передается в головной мозг, где анализируется. В результате возникает ощущение того или иного цвета. В настоящее время эта теория работает только для колбочек, однако на уровне сетчатки и нейронов действуют другие механизмы, которые еще до конца не изучены.

Иногда вследствие генетических заболеваний нарушается синтез красного или зеленого йодопсина. Нарушение восприятия какого-либо цвета называется дальтонизмом . Так как информация о патологии цветового восприятия передается по наследству как рецессивный признак, сцепленный с Х-хромосомой, то дальтонизмом чаще всего страдают мужчины (примерно 8%) и гораздо реже женщины (менее 0,4%).