Зрение
Глаз и обработка света — от сетчатки до зрительной коры.
Зрение: как свет становится изображением
Зрение — это способность воспринимать свет и превращать его в осмысленную картину окружающего мира. Глаз не «видит» предметы сам по себе: он улавливает отражённый от них свет, фокусирует его на светочувствительной оболочке и переводит в нервные импульсы. Затем эти импульсы идут в мозг, где и возникает изображение.
Зрительная система — это не только два глаза. В неё входят глазные яблоки, зрительные нервы, несколько промежуточных участков мозга и зрительная кора — участок в затылочной доле мозга, где сигналы превращаются в форму, цвет, движение, расстояние и узнаваемые предметы. Общий принцип работы органов чувств разобран в разделе Сенсорные системы.
Глаз: живая оптическая система
Глазное яблоко — почти шаровидный орган диаметром около 24 мм. Оно лежит в костной глазнице черепа и защищено веками, ресницами, слёзной плёнкой и окружающими мышцами. Свет проходит через прозрачные среды глаза, фокусируется на сетчатке, а затем зрительная информация уходит в мозг по зрительному нерву.
У глаза есть три оболочки, расположенные одна внутри другой. Они образуют его стенку и выполняют разные задачи.
Склера (от греч. «skleros» — «твёрдый») — плотная белая наружная оболочка глаза. Она сохраняет форму глазного яблока и защищает его. Спереди склера переходит в прозрачную выпуклую роговицу — главное «окно» глаза, через которое входит свет.
Сосудистая оболочка — слой с густой сетью кровеносных сосудов, питающих глаз. В передней части она образует радужку (ирис), определяющую цвет глаз, и ресничное тело, которое помогает хрусталику менять форму для фокусировки.
Сетчатка — тонкая светочувствительная оболочка на задней внутренней поверхности глаза. В ней находятся фоторецепторы — палочки и колбочки, которые превращают свет в электрические сигналы. Сетчатка — часть нервной системы, вынесенная на периферию тела.
Свет проходит через роговицу, жидкость передней камеры глаза, зрачок, хрусталик и стекловидное тело — прозрачное гелеобразное вещество, заполняющее большую часть глазного яблока. Вместе они преломляют и направляют свет к сетчатке.
Путь света внутри глаза
Чтобы получить чёткое изображение, глазу нужно собрать световые лучи и точно сфокусировать их на сетчатке. Свет проходит через глаз в строгой последовательности.
- Роговица — прозрачная передняя поверхность глаза. Она даёт большую часть преломляющей силы всей оптической системы: именно здесь свет меняет направление наиболее заметно.
- Зрачок — круглое отверстие в центре радужки. Сам зрачок не является отдельным органом или чёрной «точкой»: это проём, через который свет попадает внутрь глаза.
- Радужка — цветная часть глаза вокруг зрачка. Её мышцы сужают или расширяют зрачок: на ярком свету он становится меньше, в темноте — больше. Так глаз регулирует количество поступающего света.
- Хрусталик — прозрачная эластичная двояковыпуклая «линза» за радужкой. Он тонко подстраивает фокус, чтобы изображение предметов на разном расстоянии попадало на сетчатку.
- Стекловидное тело — прозрачный гель, который проводит свет к сетчатке и поддерживает форму глаза изнутри.
Изображение на сетчатке получается перевёрнутым и уменьшенным — как в фотоаппарате. Мозг автоматически обрабатывает этот сигнал, поэтому мы воспринимаем мир в привычной ориентации и не замечаем переворота.
Аккомодация: фокус на близком и далёком
Аккомодация (от лат. «accommodatio» — «приспособление») — способность глаза менять оптическую силу, чтобы чётко видеть предметы на разном расстоянии. Она происходит главным образом за счёт изменения формы хрусталика.
Когда человек смотрит вдаль, ресничная мышца расслаблена, хрусталик становится более плоским. При взгляде на близкий предмет мышца сокращается, натяжение поддерживающих хрусталик волокон меняется, и хрусталик делается более выпуклым. Чем выпуклее линза, тем сильнее она преломляет свет и тем ближе может быть точка фокуса.
Сетчатка: место, где свет становится сигналом
Сетчатка — тонкий слой нервной ткани, выстилающий заднюю стенку глаза изнутри. Свет проходит через её внутренние слои и достигает фоторецепторов, лежащих ближе к сосудистой оболочке. Эти клетки запускают зрительный сигнал, который затем проходит через несколько слоёв нейронов сетчатки и собирается в зрительный нерв.
Главные фоторецепторы сетчатки — палочки и колбочки. Они различаются по чувствительности и задачам.
Палочки очень чувствительны к слабому свету. Благодаря им мы видим в сумерках и различаем движение на периферии поля зрения. Цвета палочки почти не различают, поэтому ночью мир кажется серым. Палочек в сетчатке около 120 миллионов.
Колбочки работают при ярком освещении, обеспечивают остроту зрения и цветовое восприятие. У человека обычно есть три типа колбочек, чувствительных преимущественно к коротким, средним и длинным волнам света; мозг сравнивает их сигналы и создаёт всё богатство цветов. Колбочек около 6 миллионов.
Жёлтое пятно и слепое пятно
В центре сетчатки находится жёлтое пятно (макула) — небольшой участок с особенно высокой плотностью колбочек. В самой его середине лежит центральная ямка (фовеа) — точка самого чёткого зрения. Когда человек рассматривает мелкий текст или лицо собеседника, он непроизвольно направляет взгляд так, чтобы изображение попало именно на фовеу.
Немного ближе к носу от макулы расположено слепое пятно — место выхода зрительного нерва из глаза. Здесь нет ни палочек, ни колбочек, поэтому свет не воспринимается. Обычно мы его не замечаем: мозг «достраивает» недостающий участок изображения, а поле зрения одного глаза перекрывается полем зрения другого.
Путь сигнала: от сетчатки к зрительной коре
После обработки в сетчатке сигналы собираются в зрительный нерв — пучок примерно из миллиона нервных волокон. Он несёт информацию от каждого глаза к мозгу.
Зрительные нервы от правого и левого глаза встречаются у основания мозга в перекрёсте зрительных нервов (лат. «chiasma opticum», зрительная хиазма). Здесь волокна от внутренних, носовых половин сетчаток переходят на противоположную сторону, а волокна от наружных, височных половин остаются на своей стороне. В результате левая половина зрительного поля обоих глаз обрабатывается в правом полушарии мозга, а правая половина поля — в левом.
Дальше путь идёт через таламус — важную «переключающую станцию» мозга — и достигает зрительной коры затылочной доли. Здесь мозг сопоставляет информацию от обоих глаз, выделяет границы, форму, цвет, движение и глубину, а затем связывает их с памятью. Так мы не просто замечаем пятна света, а узнаём предмет, читаем слово или видим лицо знакомого человека.
Защита и движение глаз
Глаза постоянно находятся в контакте с внешней средой, поэтому у них есть несколько уровней защиты.
- Веки и ресницы механически защищают глаз от пыли, яркого света и мелких частиц. Моргание быстро закрывает глаз при угрозе.
- Слёзный аппарат производит слёзную жидкость. Она смачивает роговицу, уменьшает трение, смывает частицы и содержит вещества, участвующие в защите от микробов.
- Глазодвигательные мышцы — шесть небольших мышц, прикреплённых к глазному яблоку. Они синхронно поворачивают оба глаза, чтобы удерживать интересующий предмет в центральной зоне зрения.
- Зрачковый рефлекс меняет размер зрачка при изменении освещённости, регулируя количество света, попадающего в глаз, и улучшая качество изображения.
Что происходит при нарушениях
Нарушение зрения может возникнуть на любом этапе: при фокусировке света, в сетчатке, в зрительном нерве или на уровне мозга. Самые распространённые состояния связаны с оптикой глаза и изменениями его тканей.
При миопии фокус изображения оказывается перед сетчаткой — вдаль видно нечётко. При гиперметропии фокус оказывается за сетчаткой — труднее видеть вблизи, особенно при выраженном нарушении. Оба состояния обычно корректируются очками, контактными линзами или хирургическими методами после оценки специалистом.
Астигматизм возникает, когда роговица или хрусталик имеют разную кривизну в разных направлениях. Световые лучи не собираются в одну чёткую точку, и изображение кажется размытым или искажённым на разном расстоянии.
Катаракта — помутнение хрусталика, из-за которого свет хуже проходит к сетчатке. Глаукома — группа заболеваний, при которых повреждается зрительный нерв; часто это связано с повышенным внутриглазным давлением, но повреждение возможно и при нормальном давлении. Оба состояния требуют наблюдения и лечения у офтальмолога.
Возрастная макулярная дегенерация — заболевание центральной зоны сетчатки (макулы), при котором ухудшается чёткое центральное зрение. При этом периферическое зрение может долго сохраняться. Это одна из частых причин выраженного снижения зрения в пожилом возрасте.
Связи с другими системами
- Нервная система: сетчатка, зрительный нерв и зрительная кора — части нервной системы, обеспечивающие путь зрительного сигнала. Подробнее — в разделе Нервная система.
- Сенсорные системы: зрение работает вместе со слухом, равновесием, осязанием и проприоцепцией, создавая единую картину окружающего мира. Подробнее — в разделе Сенсорные системы.
- Опорно-двигательная система: глазодвигательные мышцы поворачивают глаза, а зрение помогает координировать движения тела и рук. Подробнее — в разделе Опорно-двигательная система.
- Сердечно-сосудистая система: сетчатка и зрительный нерв нуждаются в постоянном кровоснабжении; изменения сосудов при диабете и высоком давлении могут отражаться на зрении. Подробнее — в разделе Сердечно-сосудистая система.
- Эндокринная система: сахарный диабет влияет на мелкие сосуды сетчатки и может вызывать диабетическую ретинопатию — одно из осложнений болезни. Подробнее — в разделе Эндокринная система.
Таким образом, зрение — это путь света от внешнего мира к мозгу. Роговица и хрусталик фокусируют свет на сетчатке, палочки и колбочки превращают его в нервные импульсы, зрительный нерв передаёт их через промежуточные структуры мозга в зрительную кору, а она создаёт осмысленную картину. Чёткое зрение зависит от точной работы каждого звена: оптики глаза, сетчатки, нервных путей и мозга.