Как устроен глаз человека: оптика, рецепторы и передача сигнала в мозг
Глаз человека устроен как миниатюрная фотокамера с автофокусом и автоматической настройкой экспозиции. Свет проходит через роговицу, зрачок и хрусталик, фокусируется на сетчатке, где специальные клетки преобразуют световые сигналы в электрические импульсы, которые по зрительному нерву поступают в мозг. Весь этот процесс занимает доли секунды.
Оболочки и камеры глаза
Глазное яблоко взрослого человека имеет форму, близкую к шарообразной, диаметром около 24 миллиметров. Снаружи оно покрыто тремя оболочками. Наружная фиброзная оболочка состоит из двух частей: прозрачной роговицы спереди и белой непрозрачной склеры сзади. Роговица занимает около одной шестой поверхности глаза и несёт основную оптическую нагрузку: её преломляющая сила составляет около 43 диоптрий из общих 60.
Под склерой расположена сосудистая оболочка, богатая кровеносными сосудами. Спереди она переходит в ресничное тело с мышцами, управляющими хрусталиком, и в радужную оболочку с отверстием в центре, которое называется зрачком. Внутренняя оболочка глаза называется сетчаткой: именно здесь происходит преобразование света в нервный сигнал. Пространство между роговицей и хрусталиком заполнено водянистой влагой, а большую часть глаза за хрусталиком занимает стекловидное тело — прозрачный гель, поддерживающий форму глаза.
Хрусталик и механизм фокусировки
Хрусталик представляет собой двояковыпуклую эластичную линзу диаметром около 9 миллиметров, не содержащую кровеносных сосудов и нервов. Он питается за счёт диффузии из водянистой влаги. Хрусталик подвешен на тонких волоконцах цинновой связки, которые идут к ресничной мышце. Когда мышца сокращается, связки расслабляются, хрусталик становится более выпуклым и сильнее преломляет свет. Это позволяет рассматривать близкие предметы. При взгляде вдаль мышца расслабляется, связки натягиваются, хрусталик уплощается.
Этот механизм называется аккомодацией. Молодой хрусталик очень эластичен и меняет форму в широком диапазоне. С возрастом его вещество уплотняется, эластичность падает, и способность фокусироваться на близких объектах ухудшается. Это явление называется пресбиопией и возникает примерно после 40 лет у большинства людей.
Сетчатка: палочки, колбочки и обработка сигнала
Сетчатка содержит около 130 миллионов фоторецепторов двух типов. Палочек насчитывается около 120 миллионов: они расположены по всей сетчатке, кроме центра, и чувствительны к слабому свету, но не различают цвета. Именно они обеспечивают зрение в сумерках. Колбочек около 7 миллионов, и большинство сосредоточено в центральной ямке, зоне наиболее острого зрения. Колбочки трёх видов реагируют на красный, зелёный и синий свет соответственно: смешение сигналов от них даёт восприятие всего цветового спектра.
Фоторецепторы содержат специальные светочувствительные белки, фотопигменты. В палочках это родопсин, в колбочках три разновидности йодопсина. Когда фотон света попадает на молекулу пигмента, она меняет форму, запуская цепочку химических реакций, которая в итоге изменяет электрический потенциал клетки. Этот сигнал передаётся на биполярные клетки сетчатки, затем на ганглиозные клетки, аксоны которых формируют зрительный нерв.
Зрительный нерв и обработка в мозге
Зрительный нерв содержит около 1,2 миллиона нервных волокон и выходит из глаза в точке, где нет фоторецепторов. Это слепое пятно: мозг заполняет его информацией из окружающей области, поэтому человек не замечает дыры в поле зрения. Зрительные нервы от обоих глаз частично перекрещиваются в зрительном перекресте: информация от левых половин сетчаток обоих глаз уходит в левое полушарие мозга, от правых половин — в правое.
Основная обработка зрительной информации происходит в затылочной доле коры головного мозга. Здесь нейроны выделяют контуры, движение, цвет и глубину. Стереоскопическое зрение достигается за счёт того, что мозг сравнивает два немного различающихся изображения от правого и левого глаза и по разнице между ними вычисляет расстояние до объектов. Вся эта сложнейшая обработка позволяет человеку за доли секунды опознать лицо, прочитать текст или поймать летящий предмет.
