Humanbio - Optischer Apparat

Sehen

Wahrnehmung visueller Reize über lichtempfindliche Zelle

Entwicklung Sehsinn

• Verschiedene Augentypen, die sich konvergent entwickelt haben

  • Komplexauge von Insekten

  • Grubenauge mit ganz kleiner Öffnung für Lichteinfall

Adäquater Reiz

• Reiz, auf den ein Rezeptor optimal reagiert -> mit minimaler Energie eine Erregung auslöst

• = Reiz für den der Rezeptor die größte Empfindlichkeit besitzt

Adäquater Reiz beim Sehen

• Elektromagnetische Strahlung (oder Wellen) / sichtbares Licht = für Menschen adäquater Reiz

Elektromagnetisches Spektrum

• Von energiereichen Gammastrahlen im Pikometer-Bereich bis zu energiearmen Radiowellen im Kilometerbereich

• Sichtbares Licht nur kleiner Teil

  • 400 Nanometer bis 750 Nanometer

  • Anthropozentrische Sichtweise, denn es ist vom Menschen aus gedacht

    • Insekten/ Vögel können bis in den UV-Bereich sehen -> ihr "sichtbares Licht"

• Organismen die Infra-Rot sehen können -> Prachtrundbarsche -> Nahrung reflektiert Infra-rot-Strahlung

Amplitude (A)

• Differenz zwischen Wellenberg und arithmetischem Mittel (Nulllinie)

• = maximale Ausdehnung

Wellenlänge

Abstand zwischen 2 Wellenbergen

Frequenz

Hier: 2 komplette Durchgänge pro Sekunde -> Welle hat eine Frequenz von 2 Hertz

Ausbreitungsgeschwindigkeit

• Auch Lichtgeschwindigkeit -> Ausbreitung der Wellen im Vakuum als geraden Strahl (Raum ohne Marteria) = 299.792.000 m/s

• Abhängig von Frequenz und Wellenlänge

Optik - Definition

Lehre von Lichtstrahlen und ihren Wechselwirkungen mit der Atmosphäre und Objekten

Wie bewegen sich Wellen im Vakkum?

Im Vakuum bewegen sich Wellen gerade als Strahl

Reflexion

Zurückwerfen der Lichtstrahlen von einer Oberfläche

Absorption

Übertragung von Lichtenergie auf einen Partikel oder eine Oberfläche

Brechung

• Richtungsänderung einer Welle durch die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit in zwei verschiedenen Medien, weil Medien unterschiedliche Dichten haben

  • Medien mit unterschiedlicher Dichte

  • Abhängig von Dichte des zu durchquerenden Mediums

  • z.B. Luft und Wasser haben unterschiedliche Dichte

• Wasser hat größere Dichte -> Lichtstrahl wird zum Loht hin gebrochen

• Brechzahl

  • = Ausbreitungsgeschwindigkeit in Vakuum

  • c₀ dividiert durch Ausbreitungsgeschwindigkeit in Medium

  • Brechzahl Vakuum = c₀ = 1

Optische Linsen

• In der Regel zwei lichtbrechende Flächen

  • Mindestens eine Fläche gewölbt - konvex oder konkav

Brennweite f

Abstand des Brennpunktes (Fokus) von der Linse (in m)

Brechkraft D

• Kehrwert der Brennweite

• Einheit: Dioptrien dpt

• D = f¹

Arten von Linsen

Konvexe und Konkave Linsen - Eigenschaften

• Wölbung

• Linsenart

• Lage des Brennpunkts

• Weit- oder Kurzsichtigkeit

• Dioptrienzahl

Linsenauge - Abbildung

Harte Augenhaut - latein

Sklera

Harte Augenhaut

Bindegewebskapsel -> Form des Bulbus

Hornhaut - latein

Kornea

Hornhaut - Blutgefäße + Krümmung

• Kleine Blutgefäße -> durchsichtig

• Starke Krümmung -> Lichtbrechung (+43 dpt)

Dioptrischer Apparat - Bestandteile (3)

Hornhaut, Kammerwasser, Linse

Optischer Apparat - Summe der Dioptrien

+59 dpt

Äußere Augenhaut - Bestandteile (2)

Harte Augenhaut + Hornhaut

Mittlere Augenhaut - Bestandteile (3)

Aderhaut + Ciliarkörper + Regenbogenhaut

Ciliarkörper - Aufbau

Ciliarmuskel + Linsenbänder = Zonulafasern

Ciliarkörper - Funktion

Verformung der Linse ->Scharfstellung/ Akkommodation

Regenbogenhaut - latein

Iris

Iris - Funktion

Weite der Pupille durch Irismuskeln variierbar -> Lichteinfall

Akkommodation - Abbildung

Innere Augenhaut - anderer Name + latein

Netzhaut = Retina

Innere Augenhaut - Bestandteile (2)

Stratum nervosum + Pigmentepithel

Stratum nervosum - Funktion

• Lichtempfindlich

• Enthält Fotorezeptoren und Neurone

• Funktion: Sehprozess

Pigmenthepithel

• Melanin

• Funktion: unter anderem Stoffaustausch + Ernährung

• Blut-Retina-Schranke

• Lichtfilter -> Absorption

Linse im menschlichen Auge

Bikonvexe Sammellinse

Glaskörper

Gallertartige Masse

Glaskörper - Funktion

Stützfunktion

Gelber Fleck - latein

Makula

Gelber Fleck - Besonderheiten (2)

• Größte Dichte an Sehzellen

• Schärfstes Sehen

Sehgrube - latein

Fovea

Sehgrube - Ort

• Dünnste Stelle der Netzhaut in der Makula

• Zentrale Stelle der Makula

Blinder Fleck

• Austritt des Sehnervs

• Keine Fotorezeptoren

Weitsichtigkeit - latein

Hyperopie

Weitsichtigkeit - Problem

Bulbus zu kurz

Weitsichtigkeit - Korrektur

durch Sammellinse

Kurzsichtigkeit - latein

Myopie

Kurzsichtigkeit - Korrektur

durch Zerstreuungslinse

Kurzsichtigkeit - Problem

Bulbus zu lange

Besonderheit Retina im Vergleich bei Wirbeltier und Cephalopoden

Ciliäre Fotorezeptoren

Membranauffaltungen eines apikalen Ciliums

Außenglied der Stäbchen - Funktion

Lichtabsorbierender Teil

Zäpfchen - Funktion

• Farbsehen

• 3 Typen

Stäbchen - Funktion

hell-dunkel-Sehen

Zapfen und Stäbchen - Abbildung

Zapfen und Stäbchen - Funktion - Abbildung

Sehpigment in Stäbchen

Rhodopsin → Retinal + Opsin

Stäbchen - Funktionsweise

Durch Licht ändert sich die Konformation des Retinals

Zapfen - Arbeitsweise

spezifische Zapfenopsine → Iodopsine

Zapfen uns Stäbchen - Abbildung 2

Signaltransduktion im Stäbchen - 4 Zyklen

• 1. Rhodopsinzyklus

• 2. Transducinzyklus (Transducin -> G-Protein)

• 3. PDE-Zyklus

• 4. GMP-Zyklus

Besonderheit bei Fotorezeptoren im Gegensatz zu anderen Sinneszellen

Hyperpolarisation bei Erregung

Auswirkung von Licht auf die Stäbchen

• Je nach Glutamatrezeptortyp wird die Bipolarzelle depolarisiert oder hyperpolarisiert

Signalverarbeitung in der Netzhaut - Abbildung

Direkte Verschaltung (Fovea)

Fotorezeptor -> Bipolarzelle -> Ganglienzelle

Laterale (indirekte) Verschaltung

Über Interneurone → Horizontalzellen, amakrine Zellen

Hohe Konvergenz an der Netzhaut

• Ca. 130 Millionen Fotorezeptoren -> 1 Millionen Ganglienzellen

• Aber: Zapfen in Fovea → 1:1-Verschaltung (nur direkte Verschaltung

Kontrastverstärkung durch laterale Hemmung

Ganglienzellen in der Retina - Funktion

• leiten Informationen über den Sehnerv ins Gehirn

• einzige Zellen der Netzhaut, die APs auslösen

• haben rezeptive Felder

Rezeptive Felder an der Netzhaut - Funktion Bipolarzellen

Alle Bipolarzellen eines Feldes leiten die Informationen an eine Ganglienzelle

2 Typen von Ganglienzellen

ON- und OFF-Zellen

ON-Zentrum-Zelle

Reagiert bei Licht im Zentrum mit Erregung, bei Licht in Peripherie mit Hemmung

OFF-Zentrum-Zelle

Reagiert bei Licht im Zentrum mit Hemmung, bei Licht in Peripherie mit Erregung

Ganglienzellen - Funktionsweise

• Feuern auch spontan (ohne Belichtung)

• Können durch Lichtreiz erregt und gleichzeitig gehemmt werden

• Haben rezeptive Felder (Fotorezeptoren, die auf eine Ganglienzelle konvergieren)

Farbsehen beim Menschen - Abbildung

Sehbahn des Menschen

Vollständige Verschaltung (100%) der Informationen der rechten/ linken Gehirnfelder auf die jeweils kontralaterale Seite

Sehkreuzung - latein

Chiasma opticum

Folgen von Durchtrennung von Teilen der Sehbahn - Abbildung

• Durchtrennung des linken Sehnervs

• Durchtrennung des linken Tractus opticus

• Durchtrennen der Sehnerv-Kreuzung

Tractus opticus

Sehbahn, mit der visuelle Information des Auges über Sehnerven und Strahlung zur Sehrinde geleitet werden

Wahrnehmung

das was man mit den Sinnen bemerkt

Wahrnehmung - Funktionsweise und Rolle von Erfahrungen

• Reize lösen eine Erregung aus, die an das Gehirn übermittelt und fort ausgewertet wird

• Das Gehirn stellt Hypothesen von der Realität auf, dafür greift es auf Annahmen zurück

  • Annahmen müssen nicht immer richtig sein!

• Gehirn kann schneller entscheiden

Gestaltungsregeln bei der Wahrnehmung von Objekten (5)

• Gruppierung

• Fortsetzung

• Gemeinsames Schicksal

• Vertrautheit

• Einfachheit

Welche Gestaltungsregel?

Gruppierung

Welche Gestaltungsregel?

Fortsetzung

Welche Gestaltungsregel?

Gemeinsames Schicksal

Welche Gestaltungsregel?

Vertrautheit

Welche Gestaltungsregel?

Einfachheit

Beispiel Wolf → verschiedene Gestaltungsregeln (4)

• Gruppierung

  • Gleiche Farbe der beiden Hälften des Wolfes

• Fortsetzung

  • Beide Hälften werden mit einer Linie verbunden

• Vertrautheit

  • Verbindet man beide Teile ergibt sich ein vertrautes Muster -> der Wolf

• Einfachheit

  • Es ist wahrscheinlicher, dass es sich um einen Wolf handelt und nicht um zwei

Netzhaut - Aufbau

Fotorezeptoren (2)

Zapfen und Stäbchen

Bipolarzellen

direkte Verschaltung zu Ganglienzellen

Horizontalzellen

Vernetzung zwischen Bipolarzellen und Fotorezeptoren → wichtig für Kontrastsehen

Amakrinzellen

Interagieren mit Bipolar- und Ganglienzellen → wichtig für Bewegungssehen

Ganglienzellen

Axone bilden den Sehnerv → Informationsweiterleitung ans Gehirn

Stäbchen - Anzahl

125 Millionen

Zapfen - Anzahl

6 Millionen

3. Klasse an Fotorezeptoren

intrinsisch fotosensitive Ganglienzellen → 1-3% der Ganglienzelle

→ nur für circadiane Rhythmik zuständig

→ enthalten Melanopsin als Fotopigment