Zasada działania oka – proces widzenia

Opisując zasadę działania oka należy mówić o całym procesie. Zaczyna się on w oku. Obraz zarejestrowany przez siatkówkę jest przez nią wstępnie przetworzony i nerwem wzrokowym skierowany do mózgu. Tam przez odpowiednie ośrodki jest rejestrowany, przetwarzany i interpretowany. Dzięki temu zdobywamy około 83% informacji, które docierają do nas z otoczenia.

Dwie funkcje widzenia połączone w jednym narządzie

Unikalne właściwości oka to ogromny zakres wrażliwości w połączeniu z dużą zdolnością rozdzielczą i możliwością rozróżniania pomiędzy 100000 odcieni kolorów (przy dobrym oświetleniu). Uwzględniając procesy adaptacyjne, oko ludzkie może odbierać sygnały w zakresie od 0,000001 cd/m2 do 100000 cd/m2. Właściwości te przypisywane są faktowi, że oko łączy w sobie dwie funkcje widzenia w jednym narządzie.

Za funkcje te odpowiedzialne są pręciki i czopki. Pręciki są wysoce światłoczułe i głównie odpowiedzialne za wykrywanie kształtu i ruchu. Nie mogą one jednak rozróżniać kolorów. Z drugiej strony czopki są mniej wrażliwe na światło, ale posiadają zdolność rozróżniania kolorów. Umożliwiają one nam również postrzeganie drobnych szczegółów.

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 (rys. 1). 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).

Uproszczony schemat budowy siatkówki oka

Rys. 1 Uproszczony schemat budowy siatkówki oka
A – czopki i pręciki podłączone do włókna nerwowego;
B – pojedyncze czopki podłączone do włókna nerwowego;
C – grupa pręcików podłączona do włókna nerwowego

Rozkład pręcików i czopków na siatkówce oka

Rys. 2 Rozkład pręcików i czopków na siatkówce oka

Czopki występują rzadko na powierzchni całej siatkówki, ale są gęsto upakowane w żółtej plamce (rys 2). Inaczej niż pręciki, każdy czopek w dołku środkowym jest połączony indywidualnie z mózgiem. Rezultatem tego jest wysoka zdolność rozdzielcza. Z drugiej strony wrażliwość na światło jest o wiele niższa dla czopków niż dla pręcików. Z tego powodu, przy poziomach luminancji 3,5 cd/m2 i mniejszych, czopki stopniowo przestają działać. Punkt maksymalnej czułości czopków występuje dla fali o długości 555 nm (kolor jasno żółty). Przy bardzo niskim poziomie oświetlenia, gdy czopki przestają już funkcjonować, działanie przejmują pręciki. Kolory niebieskie stają się wtedy jaśniejsze w porównaniu z barwami czerwonymi. Zjawisko to zostało odkryte w 1825 roku przez czeskiego fizjologa o nazwisku Johann Evangelista Purkinje i jest od tego czasu zwane zjawiskiem Purkinjego (w literaturze można również spotkać określenia „przesunięcie Purkinjego” oraz „objaw Purkinjego”.

Połączenie oka z mózgiem

Sposób, w jaki siatkówki obu oczu, połączona jest z korą wzrokową półkul mózgowych w obu częściach mózgu, nie jest tak prosty jak można by oczekiwać. Nerwy wzrokowe obu oczu łączą się bezpośrednio przed wejściem do wgłębienia czaszki, tworząc tak zwane skrzyżowanie wzrokowe. Później dzielą się one ponownie na dwa rozgałęzienia, tak zwane drogi wzrokowe, które łącząc się z ciałem kolankowatym bocznym prowadzą do obu części kory wzrokowej półkul mózgowych (rys. 3). Skrzyżowanie wzrokowe jest miejscem, gdzie nerw wzrokowy z każdego oka rozdziela się na dwie drogi wzrokowe w taki sposób, że każda z nich zawiera włókna wzrokowe pochodzące z obu oczu. W układzie tym lewa połowa kory wzrokowej przetwarza informacje wizualne pochodzące z lewej strony siatkówki obu oczu (prawa strona pola widzenia), natomiast prawa połowa kory wzrokowej zajmuje się prawą stroną każdej z siatkówek (lewa strona pola widzenia).

Schemat ideowy drogi wzrokowej

Rys. 3 Schemat ideowy drogi wzrokowej, pokazujący jak siatkówki obu oczu są połączone z oboma połówkami kory wzrokowej (1 – siatkówka, 2 – nerw wzrokowy, 3 – skrzyżowanie wzrokowe, 4 – droga wzrokowa, 5 – ciało kolankowate boczne, 6 – kora wzrokowa)

Każde włókno nerwowe tworzy połączenia pomiędzy jego końcem na siatkówce i szczegółowo zdefiniowanym miejscem w płatach potylicznych kory mózgowej. Z tego powodu możliwe jest przyporządkowanie określonej powierzchni siatkówki do punktów kory wzrokowej. Godny uwagi jest fakt, że obszar żółtej plamki zajmuje proporcjonalnie o wiele większy region kory wzrokowej niż pozostałe obszary siatkówki.

Materiały źródłowe:
[1] Correspondence Course Lighting Application „Vision”, Philips Lighting B.V.,1985
[2] Wieczesław Demidow “Patrzeć i widzieć”, NOT-SIGMA, Warszawa 1989
[3] Multimedialna Encyklopedia Powszechna „Wiem 2001”, www.wiem.onet.pl
[4] „Technika Świetlna ‘98”, artykuł Agnieszki Wolskiej „Psychofizjologia widzenia” s. 135, Polski Komitet Oświetleniowy, Stowarzyszenie Elektryków Polskich, Warszawa 1998
[5] materiały udostępnione przez dr inż. Małgorzatę Górczewską
[6] materiały prezentacyjne Philips Lighting