МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ СТАВРОПОЛЬСКОГО КРАЯ МБОУ СОШ 7 Минеральные Воды, 2012 Иванская Диана

Глаза Мозг Зрительная система человека

Роговица, прозрачный роговой слой, покрывающий глазное яблоко, строит вместе с хрусталиком глаза изображение объектов на сетчатке внутренней поверхности глаза.

Таким образом, глаз в некоторых отношениях похож на фотоаппарат, в котором тоже есть линза (хрусталик), экран (сетчатка) для построения изображения. Хрусталик тоже позволяет наводить изображение на резкость. Однако в фотоаппарате все поступающие световые лучи собирает линза, а в глазу фокусировка производится за счет кривизны поверхности и лишь незначительную роль в этом играет хрусталик. Правда, тот факт, что хрусталик способен быстро изменять кривизну поверхности при построении резкого изображения разно удаленных объектов, придает глазу гибкость фокусировки, недоступную для фотоаппарата, в котором приходится перемещать линзу. Построить на пленке изображение, в котором близкие и далекие объекты выглядели бы одинаково резкими, чрезвычайно сложно.

палочкикоробочки Поглощают свет и преобразуют его в электрические сигналы Вызывают изменения в длинной цепи клеток, ведущих к коре или внешней оболочке головного мозга

Сетчатка содержит несколько видов нервных клеток, которые частично анализируют информацию, полученную от палочек и колбочек, прежде чем передать ее в мозг. При тусклом освещении зависит от палочек; При обычном дневном освещении и определении цветов зависит от колбочек. Зрение человека

Колобочек В глазу есть три вида колбочек, и коробочки каждого вида содержат свой особый пигмент. Каждый пигмент поглощает лучи определенной части спектра в большей степени, чем другие.

Если мозг чувствителен к цвету, ему необходим механизм, который сравнивал бы сигналы, посылаемые колбочками трех разновидностей. На пути к мозгу сигналы должны через промежуточные стадии поступить в нервные узлы ганглии, которые обеспечивают окончательный выход информации из сетчатки. Колбочки при помощи сложных соединений связаны с ганглиями.

«Противоположный» Ганглий определенного вида, может получить «возбуждающие» сигналы от коробочки одного вида - сигналы, которые, будучи однородными, заставят ганглий передать сигнал мозгу. Но ганглий может и «выключиться», если одновременно примет «запрещающие» сигналы от колбочек другого вида. «Непротивоположный» Они принимают возбуждающие сигналы, например, и от красночувствительных, и от зеленочувствительных колбочек. Таким образом, эти клетки передают скорее не цвет, а яркость сигнала.

Палочки существуют только одного вида, и они наиболее чувствительны к сине-зеленым лучам. Вот почему в сумерки, когда действуют одни палочки, мы не в состоянии различать цвета, а объекты, которые при дневном свете выглядят синими, кажутся нам ярче объектов, которые при дневном свете выглядят красными.

При рассмотрении очень мелких деталей или при тусклом свете зрение нормального человека сходно со зрением дальтоника, у которого совершенно отсутствуют синие колбочки. Поэтому в цветных рисунках нет смысла использовать тонкие синие линии: их трудно отличить от черных. Во многом это объясняется тем фактом, что синечувствительных колбочек почти нет в ямке самой чувствительной во всех других отношениях области сетчатки, соответствующей зрительной оси. Мы особенно нечувствительны к мелким или бледным синим деталям, когда смотрим непосредственно на них.

Самый яркий свет, с которым может справиться глаз, в 10 миллиардов раз ярче самого тусклого света. Глаз, как и фотоаппарат, должен приспосабливать свою чувствительность к данной силе света. В глазу имеется изменяемое отверстие зрачок, который сужается при ярком свете. Но сужением зрачка можно уменьшить количество света, поступающего глаз, всего на одну шестнадцатую. В основном же изменение чувствительности глаза достигается за счет автоматического регулирования чувствительности клеток в сетчатке. Каждый вид колбочек управляет чувствительностью самостоятельно. Эта самостоятельность и позволяет глазу приспосабливаться к цвету окружающего освещения. Лист бумаги, который выглядит белым при дневном освещении, останется белым и когда мы привыкнем к свету лампы накаливания в комнате, хотя синих лучей в таком свете гораздо меньше. Как же удается глазу приспосабливаться к свету? При обычном дневном свете, который содержит лучи все длин волн примерно в равной пропорции, колбочки трех видов одинаково чувствительны. Лист бумаги выглядит белым, потому что он отражает уравновешенные лучи спектра. Через некоторое время после того, как мы посидели при свете лампы накаливания, чувствительность синих колбочек по сравнению с красными и зелеными повышается, компенсия недостаток синих лучей в таком свете. Несмотря на то, что бумага отражает теперь меньше синих лучей, чем красных или зеленых, синечувствительные колбочки посылают тот же сигнал, что и прежде.

Такая подстройка очень полезна для нас, поскольку позволяет нам видеть объекты как бы постоянными по яркости и цвету независимо от больших изменений в интенсивности и качестве освещения. Однако подстройка зрения срабатывает не мгновенно и поэтому приводит иногда к ошибке и возникновению миражей. Одним из таких миражей является дополнительное остаточное изображение. Если мы некоторое время будем смотреть на лист красной бумаги, а затем переведем взгляд на белую поверхность, то увидим сине-зеленое (голубое) пятно, которое будет следовать за нашим взглядом. В этом случае понижается чувствительность красных колбочек в результате утомления небольшой части сетчатки, раздраженной изображением бумаги. Когда мы потом смотрим на белую поверхность, эти колбочки реагируют на белый свет слабее, чем обычно, а сигналы сине- и зеленочувствительных колбочек изменяются мало. Таким образом, общая система сигналов, поступающих в мозг, напоминает сигналы, возникающие под воздействием нacтoящего голубого пятна.

Не поддавайтесь искушению наклонить голову. Потом посмотрите на черно-белый узор. Вам покажется, что во втором случае полосы, наклоненные влево, имеют бледную зелено-голубую окраску, дополнительную к цвету наклоненных влево полос в первом узоре. А полосы, наклоненные вправо, примут розовый оттенок, дополнительный к зеленому цвету соответствующих полос в первом узоре. Цвета «привязаны» к полосам и не следуют за взглядом. Более того, если повернуть черно белый узор на 90°, то полосы в данной части узора изменят воображаемую окраску в соответствии с изменением наклона. Это показывает, что в настоящем случае имеет значение не положение полос, а центровка их по осям. Эффект может продолжаться несколько дней, если не часто смотреть на черно-белый узор. Эффект Макколлоу показывает, что на каком-то этапе обработки мозгом зрительных сигналов существует связь между формой и цветом. Попробуйте в течение одной минуты внимательно рассматривать узор на рисунке.

Фигуру на большой картинке увидят все, но большинство людей с недостатком цветного зрения не смогут разглядеть на ней купальник или шляпу. На нижней правой картинке невосприимчивые к красному цвету увидят только лопату, а невосприимчивые к зеленому только вилы. Люди с нормальным зрением увидят оба предмета. На правой верхней картинке те, кто не воспринимает зеленый цвет или путает красный с зеленым, увидят трость, а остальные зонт (цвета переданы здесь не так точно, как на настоящих контрольных картинках).

Как только оптическая система глаза сфокусировала свет на сетчатке, происходит восприятие и обработка получаемой электромагнитной энергии. Первый этап обработки световой информации – это получение светового сигнала фоточувствительными ячейками на сетчатке глаза. В этот момент свет порождает химическую реакцию, основой которой является фото пигмент, находящийся на сетчатке. Результатом реакции является электрический сигнал, посылаемый далее в мозг.

Фоточувствительные сенсоры глаза не одинаково чувствительны во всех областях видимого диапазона. Вещество палочек – родопсин (зрительный пигмент), имеет колоколообразную кривую реакции на свет, с пиком в области 500 нм (сине-зеленая область). Это согласуется с чувствительностью зрительной системы в ночное время, когда света не хватает для работы колбочек, и палочки становятся доминирующим сенсором.

Ситуация с колбочками несколько иная. В глазу есть три вида колбочек, и колбочки каждого вида содержат свой особый пигмент. Три типа колбочек называют либо как B, G и R (в соответствии с условными цветами монохроматического излучения, соответствующего пикам чувствительности), либо как S, M и L (от Smal, Medium, Long). Пики их чувствительности приходятся примерно на 440 нм, 545 нм и 580 нм (для "усредненного" наблюдателя).

Единственной информацией, посылаемой палочкой или колбочкой является факт стимуляции фото пигмента светом, т.е. информации о длине световой волны не передается! Это называется "принципом одномерности". Вероятность поглощения фотона конкретным рецептором является функцией спектральной чувствительности рецептора и интенсивности света (т.е. если рецептор на 30% чувствителен на некоторой длине волны, то около 30 их 100 фотонов будут поглощены). Выход рецептора прямо пропорционален усредненному по некоторому временному отрезку числу фотонов, но при этом нет способа определить частотное распределение этих фотонов. Таким образом, зрительная система может восстановить интенсивность и цветовую характеристику входного сигнала только путем комбинации сигналов фоторецепторов с разной чувствительностью. Считается, что такая реконструкция выполняется на одном из ранних этапов визуальной обработки.

До этого момента мы обсуждали отклик глаза на единичный фотон. На деле, химические процессы в фоторецепторе длятся несколько миллисекунд и дополнительные фотоны, попавшие на рецептор в течение этого времени, добавляются к общему отклику. Таким образом появляется эффект, называемый временным сглаживанием. Временное сглаживание влияет на восприятие мигающего света. Когда мигание медленное, мы воспринимаем индивидуальные вспышки света, но после увеличения частоты мигания до некоторой критической отметки мигания сливаются в одно. Критическая частота для человека при наилучших условиях находится около 60Hz (значения сильно зависят от большого количества факторов, таких как общий уровень освещения, размер объекта и т.п.). Ранние фильмы производили эффект мигания, т.к. скорость воспроизведения пленки была недостаточна для того, чтобы глаз передавал интегрированное, гладкое изображение вместо последовательности статичных картинок.

Наши глаза могут различать очень широкий диапазон интенсивности света. Это достигается за счет явления адаптации, которое увеличивает чувствительность рецепторов при низком уровне освещения и уменьшает при высоком. Конечно, идеальным вариантом была бы максимальная чувствительность на всех уровнях освещения, однако этот вариант сталкивается с физическими и биологическими ограничениями. Диапазон адаптации крайне широк. В таблице ниже перечислены некоторые явления, соответвующие уровнями уровням излучений, доступным глазу: