Wie Vision funktioniert

Obwohl das Auge klein ist, ist es ein sehr komplexes Organ. Flashfilm / Getty Images

Es ist kein Zufall, dass die Hauptfunktion der Sonne im Zentrum unseres Sonnensystems darin besteht, Licht zu liefern. Licht ist das, was das Leben antreibt. Es ist schwer, sich unsere Welt und unser Leben ohne sie vorzustellen.

Die Wahrnehmung von Licht durch Lebewesen ist nahezu universell. Pflanzen nutzen Licht durch Photosynthese, um zu wachsen. Tiere verwenden Licht, um ihre Beute zu jagen oder um Raubtiere zu spüren und ihnen zu entkommen.

-Einige sagen, dass es die Entwicklung des stereoskopischen Sehens zusammen mit der Entwicklung des großen menschlichen Gehirns und der Befreiung der Hände von der Fortbewegung ist, die es dem Menschen ermöglicht hat, sich auf ein so hohes Niveau zu entwickeln. In diesem Artikel werden wir das Erstaunliche diskutieren Innenleben des menschlichen Auges!

Inhalt

1. Grundlegende Anatomie
2. Licht wahrnehmen
3. Farbsehen
4. Farbenblindheit
5. Vitamin A-Mangel
6. Brechung
7. Normales Sehen
8. Brechungsfehler
9. Astigmatismus
10. Tiefenwahrnehmung
11. Blindheit

Obwohl das Auge klein ist, ist es ein sehr komplexes Organ. Das Auge ist ungefähr 2,54 cm breit, 1 Zoll tief und 2,3 cm groß.

Die harte, äußerste Schicht des Auges heißt Sklera. Es behält die Form des Auges bei. Das vordere Sechstel dieser Schicht ist klar und heißt das Hornhaut. Alles Licht muss zuerst durch die Hornhaut gehen, wenn es in das Auge eintritt. An der Sklera sind die Muskeln befestigt, die das Auge bewegen extraokulare Muskeln.

Das Aderhaut (oder Uvealtrakt) ist die zweite Schicht des Auges. Es enthält die Blutgefäße, die die Strukturen des Auges mit Blut versorgen. Der vordere Teil der Aderhaut enthält zwei Strukturen:

• Das Ziliarkörper - Der Ziliarkörper ist ein Muskelbereich, der an der Linse befestigt ist. Es zieht sich zusammen und entspannt sich, um die Größe des Objektivs für die Fokussierung zu steuern.
• Das Iris - Die Iris ist der farbige Teil des Auges. Die Farbe der Iris wird durch die Farbe des Bindegewebes und der Pigmentzellen bestimmt. Weniger Pigment macht die Augen blau; mehr Pigment macht die Augen braun. Die Iris ist eine einstellbare Membran um eine Öffnung namens Schüler.

Die Iris hat zwei Muskeln: Die Dilatator Muskel macht die Iris kleiner und damit die Pupille größer und lässt mehr Licht ins Auge; das Schließmuskel Muskel macht die Iris größer und die Pupille kleiner, so dass weniger Licht ins Auge fällt. Die Pupillengröße kann sich von 2 Millimeter auf 8 Millimeter ändern. Dies bedeutet, dass das Auge durch Ändern der Größe der Pupille die Lichtmenge, die in die Pupille eintritt, um das 30-fache ändern kann.

Die innerste Schicht ist die Retina -- der lichtempfindliche Teil des Auges. Es beinhaltet Stabzellen, die für das Sehen bei schlechten Lichtverhältnissen verantwortlich sind, und Kegelzellen, die für Farbsehen und Details verantwortlich sind. Im Augenhintergrund, in der Mitte der Netzhaut, befindet sich die Makula. In der Mitte der Makula befindet sich ein Bereich namens Fovea Centralis. Dieser Bereich enthält nur Zapfen und ist dafür verantwortlich, feine Details klar zu sehen.

Die Netzhaut enthält eine Chemikalie namens Rhodopsin, oder "visuell lila". Dies ist die Chemikalie, die Licht in elektrische Impulse umwandelt, die das Gehirn als Vision interpretiert. Die Nervenfasern der Netzhaut sammeln sich im Augenhintergrund und bilden die Sehnerv, welches die elektrischen Impulse zum Gehirn leitet. Die Stelle, an der der Sehnerv und die Blutgefäße aus der Netzhaut austreten, wird als bezeichnet Papille. Dieser Bereich ist ein blinder Fleck auf der Netzhaut, da sich an dieser Stelle keine Stäbchen oder Zapfen befinden. Sie sind sich dieses toten Winkels jedoch nicht bewusst, da jedes Auge den blinden Fleck des anderen Auges abdeckt.

Wenn ein Arzt durch ein Ophthalmoskop auf den Augenhintergrund schaut, ist hier die Ansicht:

Im Augapfel befinden sich zwei mit Flüssigkeit gefüllte Bereiche, die durch die Linse getrennt sind. Der größere Rückenteil enthält ein klares, gelartiges Material namens Glaskörper. Der kleinere vordere Teil enthält ein klares, wässriges Material namens Kammerwasser. Das Kammerwasser ist in zwei Abschnitte unterteilt, die als Vorderkammer (vor der Iris) und Hinterkammer (hinter der Iris) bezeichnet werden. Der Kammerwasser wird im Ziliarkörper produziert und durch den geleitet Kanal von Schlemm. Wenn diese Drainage blockiert ist, wird eine Krankheit genannt Glaukom kann dazu führen.

Das Linse ist eine klare, bikonvexe Struktur mit einem Durchmesser von etwa 10 mm (0,4 Zoll). Die Linse ändert ihre Form, weil sie an den Muskeln im Ziliarkörper befestigt ist. Das Objektiv dient zur Feinabstimmung der Sicht.

Auf der Innenseite der Augenlider und der Sklera befindet sich eine Schleimhaut namens Bindehaut, Das hilft, das Auge feucht zu halten. Eine Infektion dieses Bereichs wird genannt Bindehautentzündung (auch rosa Auge genannt).

Das Auge ist insofern einzigartig, als es sich in viele Richtungen bewegen kann, um das Sichtfeld zu maximieren, und dennoch durch eine knöcherne Höhle namens "vor Verletzungen geschützt" ist Augenhöhle. Das Auge ist in Fett eingebettet, das für eine gewisse Dämpfung sorgt. Die Augenlider schützen das Auge durch Blinken. Dies hält auch die Oberfläche des Auges feucht, indem Tränen über die Augen verteilt werden. Wimpern und Augenbrauen schützen das Auge vor Partikeln, die es verletzen könnten.

Tränen entstehen in der Tränendrüsen, die sich über dem äußeren Segment jedes Auges befinden. Die Tränen fließen schließlich in den inneren Augenwinkel, in den Tränensack, dann durch den Nasengang und in die Nase. Deshalb läuft deine Nase, wenn du weinst.

An der Sklera sind sechs Muskeln angebracht, die die Bewegungen des Auges steuern. Sie werden hier gezeigt:

Primäre Muskeln und Funktionen:

• Rektus medialis: Bewegt das Auge in Richtung Nase
• Seitlicher Rektus: Bewegt das Auge von der Nase weg
• Oberer Rektus: hebt das Auge
• Unterer Rektus: senkt das Auge
• Überlegenes schräges rotierendes Auge
• Inferior schräg dreht das Auge

Im nächsten Abschnitt erfahren Sie, wie das Auge Licht wahrnimmt.

Wenn Licht in das Auge eintritt, passiert es zuerst die Hornhaut, dann den Kammerwasser, die Linse und den Glaskörper. Letztendlich erreicht es die Retina, Das ist die lichtempfindliche Struktur des Auges. Die Netzhaut enthält zwei Arten von Zellen, Stäbchen und Zapfen genannt. Stangen Umgang mit Sicht bei schlechten Lichtverhältnissen und Zapfen Umgang mit Farbsehen und Details. Wenn Licht diese beiden Zelltypen berührt, kommt es zu einer Reihe komplexer chemischer Reaktionen. Die gebildete Chemikalie (aktiviertes Rhodopsin) erzeugt elektrische Impulse im Sehnerv. Im Allgemeinen ist das äußere Segment der Stäbe lang und dünn, während das äußere Segment der Kegel eher kegelförmig ist. Unten sehen Sie ein Beispiel für eine Stange und einen Kegel:

Das äußere Segment eines Stabes oder Kegels enthält die lichtempfindlichen Chemikalien. In Stäben wird diese Chemikalie genannt Rhodopsin;; In Zapfen werden diese Chemikalien genannt Farbpigmente. Die Netzhaut enthält 100 Millionen Stäbchen und 7 Millionen Zapfen. Die Netzhaut ist mit schwarzem Pigment ausgekleidet Melanin -- So wie das Innere einer Kamera schwarz ist - um die Reflexion zu verringern. Die Netzhaut hat einen zentralen Bereich, der als Makula, das enthält eine hohe Konzentration von nur Zapfen. Dieser Bereich ist für eine scharfe, detaillierte Sicht verantwortlich.

Wenn Licht in das Auge eindringt, kommt es mit der lichtempfindlichen Chemikalie Rhodopsin (auch genannt) in Kontakt visuell lila). Rhodopsin ist eine Mischung aus einem Protein namens Scotopsin und 11-cis-Netzhaut -- Letzteres wird aus Vitamin A gewonnen (weshalb ein Mangel an Vitamin A Sehprobleme verursacht). Rhodopsin zersetzt sich, wenn es Licht ausgesetzt wird, weil Licht eine physikalische Veränderung im 11-cis-retinalen Teil des Rhodopsins verursacht und es in verändert all-trans Netzhaut. Diese erste Reaktion dauert nur wenige Billionstelsekunden. Das 11-cis-Retinal ist ein anguliertes Molekül, während das all-trans-Retinal ein gerades Molekül ist. Dies macht die Chemikalie instabil. Rhodopsin zerfällt in mehrere Zwischenverbindungen, bildet sich aber schließlich (in weniger als einer Sekunde) Metarhodopsin II (aktiviertes Rhodopsin). Diese Chemikalie verursacht elektrische Impulse, die auf das Gehirn übertragen und als Licht interpretiert werden. Hier ist ein Diagramm der gerade diskutierten chemischen Reaktion:

Aktiviertes Rhodopsin verursacht elektrische Impulse auf folgende Weise:

1. Die Zellmembran (äußere Schicht) einer Stabzelle ist elektrisch geladen. Wenn Licht Rhodopsin aktiviert, bewirkt es eine Verringerung des zyklischen GMP, wodurch diese elektrische Ladung zunimmt. Dies erzeugt einen elektrischen Strom entlang der Zelle. Wenn mehr Licht erfasst wird, wird mehr Rhodopsin aktiviert und mehr elektrischer Strom erzeugt.
2. Dieser elektrische Impuls erreicht schließlich eine Ganglienzelle und dann den Sehnerv.
3. Die Nerven erreichen den optischen Abgrund, wo sich die Nervenfasern von der inneren Hälfte jeder Netzhaut zur anderen Seite des Gehirns kreuzen, während die Nervenfasern von der äußeren Hälfte der Netzhaut auf derselben Seite des Gehirns bleiben.
4. Diese Fasern erreichen schließlich die Rückseite des Gehirns (Okzipitallappen). Hier wird das Sehen interpretiert und als das bezeichnet primärer visueller Kortex. Einige der Sehfasern gelangen in andere Teile des Gehirns, um die Augenbewegungen, die Reaktion der Pupillen und der Iris sowie das Verhalten zu steuern.

Schließlich muss Rhodopsin neu gebildet werden, damit der Prozess wiederkehren kann. Das all-trans-Retinal wird in 11-cis-Retinal umgewandelt, das dann mit Scotopsin rekombiniert, um Rhodopsin zu bilden, um den Prozess erneut zu beginnen, wenn es Licht ausgesetzt wird.

Die farbempfindlichen Chemikalien in den Zapfen werden genannt Kegelpigmente und sind den Chemikalien in den Stäben sehr ähnlich. Der retinale Teil der Chemikalie ist der gleiche, jedoch wird das Scotopsin durch Photopsine ersetzt. Daher bestehen die auf Farbe ansprechenden Pigmente aus Netzhaut und Photopsinen. Es gibt drei Arten von farbempfindlichen Pigmenten:

• Rotempfindliches Pigment
• Grünempfindliches Pigment
• Blauempfindliches Pigment

Jede Kegelzelle hat eines dieser Pigmente, so dass es für diese Farbe empfindlich ist. Das menschliche Auge kann fast jede Farbabstufung erkennen, wenn Rot, Grün und Blau gemischt werden.

In der obigen Abbildung sind die Wellenlängen der drei Kegeltypen (rot, grün und blau) dargestellt. Das Spitzenabsorption Das blauempfindliche Pigment beträgt 445 Nanometer, das grünempfindliche Pigment 535 Nanometer und das rotempfindliche Pigment 570 Nanometer.

Farbenblindheit ist die Unfähigkeit, zwischen verschiedenen Farben zu unterscheiden. Der häufigste Typ ist die rot-grüne Farbenblindheit. Dies tritt bei 8 Prozent der Männer und 0,4 Prozent der Frauen auf. Es tritt auf, wenn entweder der rote oder der grüne Kegel nicht vorhanden sind oder nicht richtig funktionieren. Menschen mit diesem Problem können Rot oder Grün nicht vollständig sehen, verwechseln jedoch häufig die beiden Farben.

Das ist ein Erbkrankheit und betrifft Männer häufiger, da sich die Fähigkeit zum Farbsehen auf dem befindet X-Chromosom. (Frauen haben zwei X-Chromosomen, daher ist die Wahrscheinlichkeit hoch, mindestens ein X mit normalem Farbsehen zu erben. Männer haben nur ein X-Chromosom, mit dem sie arbeiten können. Klicken Sie hier, um weitere Informationen zu Chromosomen zu erhalten.) Die Unfähigkeit, eine Farbe zu sehen oder nur in verschiedenen Graustufen zu sehen, ist sehr selten.

Weitere Informationen zur Farbenblindheit finden Sie hier.

Wenn ein schwerer Vitamin-A-Mangel vorliegt, dann nacht Blindheit tritt ein.

Vitamin A ist notwendig, um sich zu bilden Netzhaut, welches Teil des Rhodopsinmoleküls ist. Wenn der Gehalt an lichtempfindlichen Molekülen aufgrund eines Vitamin-A-Mangels niedrig ist, ist nachts möglicherweise nicht genügend Licht vorhanden, um das Sehen zu ermöglichen. Bei Tageslicht gibt es genug Lichtstimulation, um trotz geringer Netzhautwerte Sehvermögen zu erzeugen.

Wenn Lichtstrahlen eine abgewinkelte Oberfläche eines anderen Materials erreichen, werden die Lichtstrahlen gebogen. Das nennt man Brechung. Wenn Licht eine konvexe Linse erreicht, biegen sich die Lichtstrahlen zur Mitte hin:

Wenn Lichtstrahlen eine konkave Linse erreichen, biegen sich die Lichtstrahlen von der Mitte weg:

Das Auge hat mehrere abgewinkelte Oberflächen, die dazu führen, dass sich das Licht biegt. Diese sind:

• Die Grenzfläche zwischen der Luft und der Vorderseite der Hornhaut
• Die Schnittstelle zwischen der Rückseite der Hornhaut und dem Kammerwasser
• Die Schnittstelle zwischen dem Kammerwasser und der Vorderseite der Linse
• Die Schnittstelle zwischen der Rückseite der Linse und dem Glaskörper

Wenn alles richtig funktioniert, gelangt Licht durch diese vier Schnittstellen und gelangt in perfektem Fokus auf die Netzhaut.

Vision oder Sehschärfe wird getestet, indem eine Snellen-Sehtafel in einer Entfernung von 20 Fuß gelesen wird. Durch das Betrachten vieler Menschen haben Augenärzte entschieden, was ein "normaler" Mensch sehen kann, wenn er 20 Fuß von einer Sehtafel entfernt steht. Wenn Sie 20/20 sehen, bedeutet dies, dass Sie sehen können, was ein "normaler" Mensch sehen kann, wenn Sie 20 Fuß von der Karte entfernt stehen. (In metrischen Zahlen beträgt der Standard 6 Meter und heißt 6/6 Vision). Mit anderen Worten, wenn Sie 20/20 sehen, ist Ihr Sehen "normal" - eine Mehrheit der Menschen in der Bevölkerung kann sehen, was Sie bei 20 Fuß sehen können.

Wenn Sie 20/40 sehen, bedeutet dies, dass Sie, wenn Sie 20 Fuß von der Karte entfernt stehen, nur sehen können, was ein normaler Mensch sehen kann, wenn Sie 40 Fuß von der Karte entfernt stehen. Das heißt, wenn eine "normale" Person 40 Fuß von der Karte entfernt steht und Sie nur 20 Fuß von der Karte entfernt stehen, können Sie und die normale Person dasselbe Detail sehen. 20/100 bedeutet, dass Sie nur 20 Fuß von der Karte entfernt sehen können, was eine normale Person, die 100 Fuß entfernt steht, sehen kann. 20/200 ist der Grenzwert für legale Blindheit in den Vereinigten Staaten.

Sie können auch eine Vision haben, die besser als die Norm ist. Eine Person mit 20/10 Sehvermögen kann bei 20 Fuß sehen, was eine normale Person sehen kann, wenn sie 10 Fuß von der Karte entfernt steht.

Falken, Eulen und andere Greifvögel sehen viel genauer als Menschen. Ein Falke hat ein viel kleineres Auge als ein Mensch, aber viele Sensoren (Zapfen) sind in diesen Raum gepackt. Dies ergibt eine Falkenvision, die achtmal akuter ist als die eines Menschen. Ein Falke könnte 20/2 Vision haben!

Normalerweise kann Ihr Auge ein Bild genau auf die Netzhaut fokussieren:

Kurzsichtigkeit und Weitsichtigkeit treten auf, wenn die Fokussierung nicht perfekt ist.

Wann Kurzsichtigkeit (Kurzsichtigkeit) vorhanden ist, kann eine Person nahe Objekte gut sehen und hat Schwierigkeiten, weit entfernte Objekte zu sehen. Lichtstrahlen werden vor der Netzhaut fokussiert. Dies wird durch einen zu langen Augapfel oder ein Linsensystem verursacht, das zu stark fokussiert werden kann. Kurzsichtigkeit wird mit a korrigiert Konkave Linse. Diese Linse bewirkt, dass das Licht leicht divergiert, bevor es das Auge erreicht, wie hier gezeigt:

Wann Weitsichtigkeit (Weitsichtigkeit) vorhanden ist, kann eine Person entfernte Objekte gut sehen und hat Schwierigkeiten, Objekte in der Nähe zu sehen. Lichtstrahlen werden hinter der Netzhaut fokussiert. Dies wird durch einen zu kurzen Augapfel oder durch ein Linsensystem mit zu geringer Fokussierungskraft verursacht. Dies wird mit a korrigiert konvexe Linse, wie hier zu sehen:

Weitere Informationen finden Sie unter Funktionsweise von Problemen mit dem refraktiven Sehen und Funktionsweise von Korrekturlinsen.

Astigmatismus ist eine ungleichmäßige Krümmung der Hornhaut und verursacht eine Sehstörung. Um dies zu korrigieren, wird eine Linse geformt, um die Unebenheiten zu korrigieren.

Warum verschlechtert sich das Sehvermögen mit zunehmendem Alter??

Wenn wir älter werden, wird die Linse weniger elastisch. Es verliert seine Fähigkeit, seine Form zu ändern. Das nennt man Presbyopie und ist auffälliger, wenn wir versuchen, Dinge aus der Nähe zu sehen, weil sich der Ziliarkörper zusammenziehen muss, um die Linse dicker zu machen. Der Elastizitätsverlust verhindert, dass die Linse dicker wird. Infolgedessen verlieren wir die Fähigkeit, uns auf nahe Objekte zu konzentrieren.

Zuerst halten die Leute die Dinge weiter weg, um sie im Fokus zu sehen. Dies macht sich normalerweise bemerkbar, wenn wir Mitte vierzig sind. Schließlich kann sich das Objektiv nicht mehr bewegen und wird mehr oder weniger permanent auf einen festen Abstand fokussiert (der für jede Person unterschiedlich ist)..

Um dies zu korrigieren, Bifokalbrille sind erforderlich. Bifokale sind eine Kombination aus einer unteren Linse für Nahsicht (Lesen) und einer oberen Linse für Fernsicht.

Das Auge verwendet drei Methoden, um die Entfernung zu bestimmen:

• Die Größe, die ein bekanntes Objekt auf Ihrer Netzhaut hat - Wenn Sie aus früheren Erfahrungen Kenntnis von der Größe eines Objekts haben, kann Ihr Gehirn die Entfernung anhand der Größe des Objekts auf der Netzhaut messen.
• Bewegliche Parallaxe - Wenn Sie Ihren Kopf von einer Seite zur anderen bewegen, bewegen sich Objekte in Ihrer Nähe schnell über Ihre Netzhaut. Objekte, die weit entfernt sind, bewegen sich jedoch nur sehr wenig. Auf diese Weise kann Ihr Gehirn ungefähr erkennen, wie weit etwas von Ihnen entfernt ist.
• Stereosicht - Jedes Auge erhält ein anderes Bild eines Objekts auf seiner Netzhaut, da jedes Auge etwa 5 cm voneinander entfernt ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich ein Objekt in der Nähe Ihrer Augen befindet. Dies ist weniger nützlich, wenn Objekte weit entfernt sind, da die Bilder auf der Netzhaut umso identischer werden, je weiter sie von Ihren Augen entfernt sind.

Rechtsblindheit wird normalerweise als Sehschärfe definiert weniger als 20/200 mit Korrekturlinsen. Nachdem Sie die Anatomie des Auges und seine Funktionsweise kennengelernt haben, wird es einfacher zu verstehen, wie die folgenden Zustände zur Erblindung führen können:

• Katarakte - Dies ist eine Trübung in der Linse, die verhindert, dass Licht die Netzhaut erreicht. Es wird häufiger, wenn wir älter werden, aber Babys können mit einem Katarakt geboren werden. Wenn es sich verschlechtert, kann eine Operation erforderlich sein, um die Linse zu entfernen und eine Intraokularlinse zu platzieren.
• Glaukom - Wenn der Kammerwasser nicht richtig abfließt, baut sich im Auge Druck auf. Dadurch sterben die Zellen und Nervenfasern im Augenhintergrund ab. Dies kann mit Medikamenten und Operationen behandelt werden.
• Diabetische Retinopathie - Menschen mit Diabetes können eine Verstopfung der Blutgefäße, ein Auslaufen der Blutgefäße und Narben bekommen, die zur Erblindung führen können. Dies kann mit einer Laseroperation behandelt werden.
• Makuladegeneration - Bei einigen Personen kann sich die Makula (die für feine Details im Sehzentrum verantwortlich ist) aus unbekannten Gründen mit dem Alter verschlechtern. Dies führt zu einem Verlust des zentralen Sehvermögens. Dies kann manchmal mit Laserchirurgie geholfen werden.
• Trauma - Direkte Traumata oder chemische Verletzungen können die Augen ausreichend schädigen, um eine ausreichende Sicht zu verhindern.
• Retinitis pigmentosa - Dies ist eine Erbkrankheit, die eine Degeneration der Netzhaut und überschüssiges Pigment verursacht. Es verursacht zuerst Nachtblindheit und dann Tunnelblick, der oft allmählich zu völliger Blindheit führt. Es ist keine Behandlung bekannt.
• Trachom - Dies ist eine Infektion, die durch einen Organismus namens Chlamydia trachomatis verursacht wird. Es ist eine häufige Ursache für Blindheit weltweit, aber in den Vereinigten Staaten selten. Es kann mit Antibiotika behandelt werden.

Es gibt viele andere Ursachen für Blindheit, wie Vitamin A-Mangel, Tumore, Schlaganfälle, neurologische Erkrankungen, andere Infektionen, Erbkrankheiten und Toxine. Weitere Informationen finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.

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Über den Autor

Carl Bianco, M. D., ist ein Notarzt, der am Dorchester General Hospital in Cambridge, Maryland, praktiziert. Dr. Bianco besuchte die medizinische Fakultät der Georgetown University School of Medicine und erhielt seinen Bachelor-Abschluss an der Georgetown University mit den Schwerpunkten Krankenpflege und Medizin. Er absolvierte ein Praktikum und ein Praktikum in Notfallmedizin am Akron City Hospital in Akron, Ohio.

Dr. Bianco lebt mit seiner Frau und zwei Kindern in der Nähe von Baltimore.