Hur Vision fungerar

Även om det är litet i storlek är ögat ett mycket komplext organ. flashfilm / Getty Images

Det är ingen slump att solens huvudfunktion i mitten av vårt solsystem är att ge ljus. Ljus är det som driver livet. Det är svårt att föreställa sig vår värld och vårt liv utan den.

Att känna av ljus genom levande saker är nästan universal. Växter använder ljus genom fotosyntes för att växa. Djur använder ljus för att jaga sina byten eller för att känna och fly från rovdjur.

-Vissa säger att det är utvecklingen av stereoskopisk syn, tillsammans med utvecklingen av den stora mänskliga hjärnan och frigöring av händer från rörelse, som har gjort det möjligt för människor att utvecklas till en så hög nivå. I den här artikeln kommer vi att diskutera det fantastiska inre arbeten i det mänskliga ögat!

Innehåll

1. Grundläggande anatomi
2. Uppfattar ljus
3. Färgvision
4. Färgblindhet
5. Vitamin A-brist
6. Refraktion
7. Normal vision
8. Refraktionsfel
9. Astigmatism
10. Djupuppfattning
11. Blindhet

Även om det är litet i storlek är ögat ett mycket komplext organ. Ögat är ungefär 1 tum (2,54 cm) brett, 1 tum djupt och 0,9 tum (2,3 cm) stort.

Det hårda, yttersta lagret i ögat kallas sklera. Det upprätthåller formen på ögat. Den främre sjätte delen av detta lager är tydligt och kallas hornhinnan. Allt ljus måste först passera genom hornhinnan när det kommer in i ögat. På musklerna fästs musklerna som rör sig ögat, kallad extraokulära muskler.

De åderhinnan (eller uveal tract) är ögats andra lager. Den innehåller blodkärlen som tillför blod till ögats strukturer. Choroidens främre del innehåller två strukturer:

• De ciliary body - Den ciliära kroppen är ett muskulärt område som är fäst vid linsen. Den drar sig ihop och slappnar av för att kontrollera linsens storlek för fokusering.
• De iris - Iris är den färgade delen av ögat. Irisfärgen bestäms av färgen på bindvävnad och pigmentceller. Mindre pigment gör ögonen blå; mer pigment gör ögonen bruna. Iris är ett justerbart membran runt en öppning som kallas elev.

Iris har två muskler: dilator muskel gör iris mindre och därför pupillen större, vilket tillåter mer ljus i ögat; de sfinkter muskel gör iris större och pupillen mindre, vilket ger mindre ljus i ögat. Elevstorleken kan ändras från 2 millimeter till 8 millimeter. Detta innebär att genom att ändra storleken på eleven kan ögat ändra mängden ljus som kommer in i det med 30 gånger.

Det innersta skiktet är näthinnan -- den ljuskänsliga delen av ögat. Det innehåller stavceller, som är ansvariga för synen i svagt ljus, och tappar, som ansvarar för färgsyn och detaljer. På baksidan av ögat, i mitten av näthinnan, är makula. I mitten av makula finns ett område som kallas fovea centralis. Detta område innehåller endast kottar och ansvarar för att se fina detaljer tydligt.

Näthinnan innehåller en kemikalie som kallas rhodopsin, eller "visuell lila." Detta är den kemikalie som omvandlar ljus till elektriska impulser som hjärnan tolkar som syn. Retinal nervfibrerna samlas på baksidan av ögat och bildar synnerv, som leder de elektriska impulserna till hjärnan. Den plats där synsnerven och blodkärlen lämnar näthinnan kallas optisk disk. Detta område är en blind plats på näthinnan eftersom det inte finns några stavar eller kottar på den platsen. Du är emellertid inte medveten om den blinda fläcken eftersom varje öga täcker det blinda fläcken för det andra ögat.

När en läkare tittar på baksidan av ögat genom ett oftalmoskop, här är vyn:

Inne i ögongloben finns två vätskefyllda sektioner åtskilda av linsen. Den större baksektionen innehåller ett klart, gelliknande material som kallas glaskropp. Det mindre främre avsnittet innehåller ett klart, vattnigt material som kallas vattenhaltig humor. Den vattenhaltiga humorn är indelad i två sektioner som kallas den främre kammaren (framför iris) och den bakre kammaren (bakom iris). Den vattenhaltiga humorn produceras i den ciliära kroppen och dräneras genom Schlemm-kanalen. När denna dränering är blockerad, kallas en sjukdom glaukom kan resultera.

De lins är en klar, bi-konvex struktur med ungefär 10 mm (0,4 tum) i diameter. Linsen ändrar form eftersom den är fäst vid musklerna i ciliärkroppen. Linsen används för att finjustera synen.

Täcker insidan av ögonlocken och sklera är ett slemhinna som kallas konjunktiva, vilket hjälper till att hålla ögat fuktigt. En infektion i detta område kallas konjunktivit (kallas även rosa öga).

Ögat är unikt genom att det kan röra sig i många riktningar för att maximera synfältet, men ändå skyddas från skador av ett benhåligt hålrum kretslopp. Ögat är inbäddat i fett, vilket ger en viss dämpning. Ögonlocken skyddar ögat genom att blinka. Detta håller också ögat fuktigt genom att sprida tårar över ögonen. Ögonfransar och ögonbrynen skyddar ögat mot partiklar som kan skada det.

Tårar produceras i lacrimala körtlar, som är belägna ovanför det yttre segmentet av varje öga. Tårarna dräner så småningom in i ögat innersta hörnet, i lacrimala säck, sedan genom näsan och in i näsan. Det är därför näsan rinner när du gråter.

Det finns sex muskler anslutna till sklera som styr ögats rörelser. De visas här:

Primära muskler och funktioner:

• Medial rektus: rör ögat mot näsan
• Lateral rektus: flyttar ögat bort från näsan
• Superior rectus: höjer ögat
• Inferior rectus: sänker ögat
• Överlägsen sned roterar ögat
• Underlägsen sned roterar ögat

I nästa avsnitt lär du dig hur ögat uppfattar ljus.

När ljus kommer in i ögat, passerar det först genom hornhinnan, sedan vattenhaltig humor, lins och glasartad humor. I slutändan når den näthinnan, vilket är den ljuskänsliga strukturen i ögat. Netthinnan innehåller två typer av celler, kallade stavar och kottar. Rods hantera syn i svagt ljus, och koner hantera färgsyn och detaljer. När ljus kommer i kontakt med dessa två typer av celler inträffar en serie komplexa kemiska reaktioner. Kemikalien som bildas (aktiverat rodopsin) skapar elektriska impulser i synnerven. I allmänhet är det yttre segmentet av stavar långt och tunt, medan det yttre segmentet av kottar är mer, väl, konformade. Nedan visas ett exempel på en stav och en kon:

Det yttre segmentet av en stång eller en kon innehåller de ljuskänsliga kemikalierna. I stavar kallas denna kemikalie rhodopsin; i kottar kallas dessa kemikalier färgpigment. Netthinnan innehåller 100 miljoner stavar och 7 miljoner kottar. Näthinnan är fodrad med svart pigment som kallas melanin -- precis som kamerans insida är svart - för att minska reflektionsmängden. Näthinnan har ett centralt område, kallad makula, som innehåller en hög koncentration av endast kottar. Detta område ansvarar för skarp, detaljerad vision.

När ljus kommer in i ögat kommer det i kontakt med den ljuskänsliga kemiska rodopsin (även kallad visuell lila). Rhodopsin är en blandning av ett protein som kallas scotopsin och 11-cis-retinal -- det senare härrör från vitamin A (varför bristen på vitamin A orsakar synproblem). Rhodopsin sönderdelas när det utsätts för ljus eftersom ljus orsakar en fysisk förändring i den 11-cis-retinal delen av rhodopsin, och ändrar den till all-trans näthinnan. Den första reaktionen tar bara några biljoner sekund. 11-cis-näthinnan är en vinklad molekyl, medan all-trans retinal är en rak molekyl. Detta gör kemikalien instabil. Rhodopsin bryts ned i flera mellanliggande föreningar, men bildar så småningom (på mindre än en sekund) metarhodopsin II (aktiverat rodopsin). Denna kemikalie orsakar elektriska impulser som överförs till hjärnan och tolkas som ljus. Här är ett diagram över den kemiska reaktionen vi just diskuterade:

Aktiverad rodopsin orsakar elektriska impulser på följande sätt:

1. Cellmembranet (yttre skiktet) hos en stavcell har en elektrisk laddning. När ljus aktiverar rhodopsin orsakar det en minskning av cyklisk GMP, vilket gör att den elektriska laddningen ökar. Detta ger en elektrisk ström längs cellen. När mer ljus upptäcks aktiveras mer rodopsin och mer elektrisk ström produceras.
2. Denna elektriska impuls når så småningom en ganglioncell och sedan synsnerven.
3. Nerverna når den optiska klyftan, där nervfibrerna från den inre halvan av varje näthinna går över till andra sidan av hjärnan, men nervfibrerna från den yttre halvan av näthinnan förblir på samma sida av hjärnan.
4. Dessa fibrer når så småningom baksidan av hjärnan (occipital lob). Det är här visionen tolkas och kallas primär visuell cortex. Några av de visuella fibrerna går till andra delar av hjärnan för att hjälpa till att kontrollera ögonrörelser, elevernas respons och iris och beteende.

Så småningom måste rhodopsin formas om så att processen kan återkomma. Alltrans retinal omvandlas till 11-cis-retinal, som sedan rekombineras med scotopsin för att bilda rhodopsin för att starta processen igen när den utsätts för ljus.

De färgresponsiva kemikalierna i kottarna kallas konpigment och är mycket lik kemikalierna i stavarna. Retinaldelen av kemikalien är densamma, men scotopsin ersätts med fotopsiner. Därför är de färgresponsiva pigmenten gjorda av näthinnor och fotopsiner. Det finns tre typer av färgkänsliga pigment:

• Rödkänsligt pigment
• Grönkänsligt pigment
• Blåkänsligt pigment

Varje koncell har ett av dessa pigment så att det är känsligt för den färgen. Det mänskliga ögat kan känna nästan varje färggradering när röd, grön och blå blandas.

I diagrammet ovan visas våglängderna för de tre kottyperna (röd, grön och blå). De maximal absorbans av blåkänsligt pigment är 445 nanometer, för grönkänsligt pigment är det 535 nanometer, och för röttkänsligt pigment är det 570 nanometer.

Färgblindhet är oförmågan att skilja mellan olika färger. Den vanligaste typen är rödgrön färgblindhet. Detta förekommer hos 8 procent av män och 0,4 procent av kvinnor. Det inträffar när antingen de röda eller gröna kottarna inte finns eller inte fungerar korrekt. Personer med detta problem kan inte helt se rött eller grönt, men förvirrar ofta de två färgerna.

Detta är en ärftlig störning och påverkar män oftare eftersom kapaciteten för färgvision är belägen på X-kromosom. (Kvinnor har två X-kromosomer, så sannolikheten för att ärva minst ett X med normal färgsyn är hög; män har bara en X-kromosom att arbeta med. Klicka här för mer om kromosomer.). Oförmågan att se någon färg, eller se bara i olika gråtoner, är mycket sällsynt.

För mer om färgblindhet, klicka här.

Då allvarlig vitamin A-brist finns nattblindhet inträffar.

Vitamin A är nödvändigt för att bilda retinal, som är en del av rhodopsin-molekylen. När nivåerna av ljuskänsliga molekyler är låga på grund av vitamin A-brist kanske det inte finns tillräckligt med ljus på natten för att möjliggöra syn. Under dagsljus finns det tillräckligt med ljusstimulering för att producera syn trots låga näthinnor.

När ljusstrålarna når en vinklad yta av ett annat material, får det ljusstrålarna att böjas. Det här kallas refraktion. När ljus når en konvex lins böjs ljusstrålarna mot mitten:

När ljusstrålarna når en konkav lins böjs ljusstrålarna bort från mitten:

Ögat har flera vinklade ytor som får ljus att böjas. Dessa är:

• Gränssnittet mellan luften och framsidan av hornhinnan
• Gränssnittet mellan baksidan av hornhinnan och den vattenhaltiga humor
• Gränssnittet mellan vattnet och linsens framsida
• Gränssnittet mellan linsens baksida och den glasartade humorn

När allt fungerar korrekt gör ljuset det genom dessa fyra gränssnitt och når fram till näthinnan i perfekt fokus.

Vision eller synskärpa testas genom att läsa ett Snellen-ögondiagram på ett avstånd av 20 fot. Genom att titta på massor av människor har ögonläkare beslutat vad en "normal" människa ska kunna se när man står 20 meter från ett ögondiagram. Om du har 20/20 syn, betyder det att när du står 20 meter från diagrammet kan du se vad en "normal" människa kan se. (I metrisk är standarden 6 meter och den kallas 6/6 vision). Med andra ord, om du har 20/20 syn är din vision "normal" - en majoritet av befolkningen kan se vad du kan se på 20 fot.

Om du har 20/40 syn, betyder det att när du står 20 meter från diagrammet kan du bara se vad en normal människa kan se när du står 40 meter från diagrammet. Det vill säga, om det finns en "normal" person som ligger 40 meter från diagrammet, och du står bara 20 meter från diagrammet, kan du och den normala personen se samma detalj. 20/100 betyder att när du står 20 meter från diagrammet kan du bara se vad en normal person som står 100 meter bort ser. 20/200 är avbrottet för juridisk blindhet i USA.

Du kan också ha en vision som är bättre än normen. En person med 20/10 syn kan se på 20 fot vad en normal person kan se när han står 10 meter från diagrammet.

Hökar, ugglor och andra rovfåglar har mycket mer akut syn än människor. En hök har ett mycket mindre öga än en människa men har massor av sensorer (kottar) packade i det utrymmet. Detta ger en hökvision som är åtta gånger mer akut än en människas. En hök kan ha 20/2 syn!

Normalt kan ditt öga fokusera en bild exakt på näthinnan:

Närsynthet och långsynthet uppstår när fokuseringen inte är perfekt.

När närsynthet (myopi) är närvarande, en person kan se nära föremål väl och har svårt att se föremål som är långt borta. Ljusstrålar fokuseras framför näthinnan. Detta orsakas av ett ögonglob som är för långt eller av ett linssystem som har för mycket kraft att fokusera. Närsynthet korrigeras med en konkav lins. Denna lins gör att ljuset avviker något innan det når ögat, som det ses här:

När långsynthet (översynthet) är närvarande, en person kan se avlägsna objekt väl och har svårt att se föremål som är nära. Ljusstrålar blir fokuserade bakom näthinnan. Detta orsakas av ett ögonglob som är för kort eller av ett linssystem som har för lite fokuseringskraft. Detta korrigeras med en konvex lins, som ses här:

Se hur refraktiva synproblem fungerar och hur korrigerande linser fungerar för detaljer.

Astigmatism är en ojämn krökning av hornhinnan och orsakar en snedvridning i synen. För att korrigera detta formas en lins för att korrigera ojämnheten.

Varför försämras synen när vi åldras?

När vi blir äldre blir linsen mindre elastisk. Den förlorar sin förmåga att ändra form. Det här kallas presbyopi och är mer synlig när vi försöker se saker som är på nära håll, eftersom ciliary kroppen måste sammandras för att göra linsen tjockare. Förlusten av elasticitet förhindrar att linsen blir tjockare. Som ett resultat förlorar vi förmågan att fokusera på nära objekt.

Till att börja med börjar människor hålla saker längre bort för att se dem i fokus. Detta märks oftast när vi når mitten av fyrtiotalet. Så småningom kan linsen inte röra sig och blir mer eller mindre permanent fokuserad på ett fast avstånd (vilket är annorlunda för varje person).

För att korrigera detta, bifokala krävs. Bifocals är en kombination av en nedre lins för nära syn (läsning) och en övre lins för avståndsvision.

Ögat använder tre metoder för att bestämma avstånd:

• Storleken ett känt objekt har på näthinnan - Om du har kunskap om storleken på ett objekt från tidigare erfarenheter, kan din hjärna mäta avståndet baserat på storleken på objektet på näthinnan.
• Flytta parallax - När du flyttar huvudet från sida till sida rör sig objekt som är nära dig snabbt över näthinnan. Men föremål som är långt borta rör sig väldigt lite. På detta sätt kan din hjärna berätta ungefär hur långt någonting är från dig.
• Stereosyn - Varje öga får en annan bild av ett objekt på näthinnan eftersom varje öga är cirka 2 tum från varandra. Detta gäller särskilt när ett objekt är nära ögonen. Detta är mindre användbart när objekt är långt borta eftersom bilderna på näthinnan blir mer identiska ju längre de är från dina ögon.

Rättslig blindhet definieras vanligtvis som synskärpa mindre än 20/200 med korrigerande linser. Nu när du har lärt dig något ögats anatomi och hur det fungerar blir det lättare att förstå hur följande tillstånd kan leda till blindhet:

• Katarakt - Detta är en molnighet i linsen som hindrar ljus från att nå näthinnan. Det blir vanligare när vi åldras, men spädbarn kan föds med en grå starr. När det förvärras kan det kräva kirurgi för att ta bort linsen och placera en intraokulär lins.
• Glaukom - Om den vattenhaltiga humorn inte rinner ut på rätt sätt, byggs trycket upp i ögat. Detta gör att cellerna och nervfibrerna på baksidan av ögat dör. Detta kan behandlas med mediciner och kirurgi.
• Diabetisk retinopati - Personer med diabetes kan få blockering av blodkärl, läckage av blodkärl och ärrbildning som kan leda till blindhet. Detta kan behandlas med laseroperation.
• Makuladegeneration - Hos vissa personer kan makula (som är ansvarig för fin detalj i centrum av synen) försämras med åldern av okända skäl. Detta orsakar förlust av central syn. Detta kan ibland hjälpa till med laseroperationer.
• Trauma - Direkt trauma eller kemiska skador kan orsaka tillräcklig skada på ögonen för att förhindra adekvat syn.
• Retinitis pigmentosa - Detta är en ärftlig sjukdom som orsakar en degeneration av näthinnan och överskott av pigment. Det orsakar först nattblindhet och sedan tunnelsyn, som ofta gradvis utvecklas till total blindhet. Det finns ingen känd behandling.
• trakom - Detta är en infektion orsakad av en organisme som kallas Chlamydia trachomatis. Det är en vanlig orsak till blindhet över hela världen men är sällsynt i USA. Det kan behandlas med antibiotika.

Det finns många andra orsaker till blindhet, såsom vitamin A-brist, tumörer, stroke, neurologiska sjukdomar, andra infektioner, ärftliga sjukdomar och toxiner. För mer information, kolla in länkarna på nästa sida.

relaterade artiklar

• Hur problem med brytningsvision fungerar
• Hur korrigerande linser fungerar
• Så fungerar färgblindhet
• Varför har människor röda ögon i några blixtfotografier?
• Varför tar det mina ögon flera minuter att vänja mig till mörker?
• Kommer att läsa i svagt ljus skada mina ögon?
• Hur fungerar guidehundar

Fler bra länkar!

• Ögonresurser på Internet
• National Institute of Health: National Eye Institute
• Gallery of Illusions
• UC Davis: Neurological Eye Simulator

Om författaren

Carl Bianco, M.D., är en akutläkare som utövar på Dorchester General Hospital i Cambridge, Maryland. Dr. Bianco deltog i medicinsk skola vid Georgetown University School of Medicine och fick sin grundexamen från Georgetown University med stora föräldrar inom omvårdnad och pre-med. Han avslutade en praktikplats och uppehåll i akutmedicin vid Akron City Hospital i Akron, Ohio.

Dr. Bianco bor nära Baltimore med sin fru och två barn.