Einführung in die Anatomie und Physiologie für Nicht-Mediziner, WS 2005/2006 Einführung in die Anatomie und Physiologie für Nicht-Mediziner Wintersemester 2007-2008 Auge und visuelles System Bau und Funktion des Sehapparats, Pupillenreaktion, Akkommodation und Konvergenzreaktion, Brechungsanomalien, Augenhintergrund und Netzhaut, Phototransduktion, Sehbahn und Gesichtsfeldausfälle, zentrale Verarbeitung visueller Information, Farbensehen Clemens Forster Institut für Physiologie und Pathophysiologie forster@physiologie1.uni-erlangen.de Schnitt durch das Auge Kornea Vordere Augenkammer Hintere Augenkammer Linse Iris Schlemm-Kanal Ziliarkörper Zonulafasern Glaskörper Retina Papillae N.opticus Fovea centralis Abb. aus: Klinke, Silbernagel: Lb. d. Physiologie: 1
Die Iris Trennt vordere und hintere Augenkammer, bildet die Pupille Bestimmt die Augenfarbe durch Melanin-Einlagerung Regulation der einfallenden Lichtmenge: Pupillenreflex Pupillenverengung (Miosis) durch den M.sphincter pupillae, parasympathisch innerviert Pupillenerweiterung (Mydriasis) durch den M.dilatator pupillae, sympathisch innerviert Konvergenzreaktion Erhöht die Schärfentiefe beim Blick auf nahe Gegenstände Abb: Schmidt, Thews: Physiologie d. Menschen: Vermindert Fehler durch die sphärische Aberration (Randstrahlen werden an der Linse stärker gebrochen) Sichtbares Licht Optik - 1 Luft Glas Lichtgeschwindigkeiten 300 000 km/s 200 000 km/s 3/2 Dichte 1.5 Einfallslot α sin α sin ß = n 2 n 1 n 1 n 2 β Beim Übergang vom optisch dünnen ins optisch dichtere Medium wird das Licht zum Einfallslot hin gebrochen. konvex konkav 2
Optik - 2 Brechung des Lichtes hängt ab von: Dichteverhältnis der brechenden Medien Krümmung der Oberfläche Brechkraft wird in Dioptrien (dpt) gemessen dpt = 1 / f; f=brennweite Wovon hängt die Brechkraft des Auges ab? Unterschiede in der optischen Dichte Krümmung der Oberflächen 1.0 (Luft) 1.33 (Wasser) 1.40 1.34 Optische Achse Abb: Schmidt, Thews: Physiologie d. Menschen: Gesamtbrechkraft: ca 59 dpt Anteil der Cornea: 2/3 (43 dpt) Anteil der Linse: 1/3 (16 dpt) 3
Alles verstanden? Folgender Effekt trägt nicht zur Lichtbrechung im Auge bei: A) Übergang des Lichts von Luft in die Cornea B) Übergang von der Cornea in die vordere Augenkammer C) Übergang von der vorderen Augenkammer in die Linse D) Übergang von der Linse in die hintere Augenkammer E) Krümmung der Linse Folgende Aussage zur Optik ist richtig: A) Konkave Linsen bündeln das Licht B) Sichtbares Licht liegt im Wellenlängenbereich von etwa 400µm bis etwa 700µm C) Beim Übergang vom optisch dünnen ins optisch dichtere Medium wird das Licht zum Einfallslot hin gebrochen. D) Die Brechkraft wird in Dioptrien gemessen, welche proportional der Brennweite ist. E) Licht wird beim Austritt von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium nicht gebrochen. Strahlengeometrie der Linse Gegenstand Hinterer Brennpunkt Vorderer Brennpunkt Gegenstandsweite g Brennweite f dpt = 1/f Bildweite b Bild Grenzfälle: Gegenstand im "Unendlichen : Abbildung im hinteren Brennpunkt Gegenstand zwischen vorderen Bp. und Linse: keine reelle Abbildung 4
Sehwinkel Minimaler Sehwinkel zum Erkennen zweier getrennter Punkte: α = 1 Winkelminute Bildebene G α g b B tan(α) = G/g = B/b Berechnung der Bildgröße auf der Retina (b=17mm): Objekt von G=1 cm in g=100 cm Abstand tan(α) = 10 / 1000 (mm) = B / 17 (mm) B = Bei minimalem Sehwinkel α = 1/60: B = 17mm * tan (1/60) = Bestimmung der Sehschärfe (Visus) α Visus V = 1 α α wird in Winkelminuten angegeben. Normbereich: 0,8 1,5 5
Nahakkommodation durch Brennweiten-Änderung Bildebene falsche Bildebene Mechanismus der Fern- und Nahakkommodation Fernakkomodation Nahakkomodation Abb. aus: Klinke, Silbernagel: Lb. d. Physiologie: 6
Fernpunkt, Nahpunkt, Akkommodationsbreite Fernpunkt: Abstand des weitest entfernten Punktes, an dem der Sehwinkel noch minimal ist, d.h. "noch scharf gesehen werden kann". Beim Normalsichtigen im Unendlichen Nahpunkt: Abstand des nächsten Punktes, an dem der Sehwinkel noch minimal ist. Akkommodationsbreite: Fernpunkt Nahpunkt, üblicherweise in Dioptrien angegeben: 1 / Nahpunkt - 1/ Fernpunkt Beispiel: Nahpunkt bei 25 cm 1 / 0.25-1 / = 4 dpt Akkommodationsbreite Ohne Akkommodation liegt der Nahpunkt des Normalsichtigen bei ca. 3 m Akkommodationsbreite nimmt mit zunehmendem Alter ab: Presbyopie Nahpunkt rückt in die Ferne Korrektur durch Lesebrille Akkommodationsbreite und Presbyopie Akkommodationsbreite der Linse (jugendliches Auge) fern-akkommodiert: 19 dpt; nah-akkommodiert: 31 dpt 12 dpt für Naheinstellung Nahpunkt bei 1/12 m = 8,3 cm griechisch: altes Auge Presbyopie: Korrektur durch Sammellinsen (Lesebrille) Abb: Deetjen Speckmann: Physiologie Presbyopie 7
Alles verstanden? - Richtig oder falsch? 1) Der wesentlichen Anteil der Gesamtbrechkraft des Auges wird durch die Linse bestimmt. 2) Wenn der Sehwinkel gegenüber einem Normalsichtigen 4 mal so groß ist, beträgt der Visus 25%. 3) Die Einstellung des Auges auf ferne Gegenstände erfolgt durch Zunahme der Linsendicke 4) Die Akkommodationsbreite (in Dioptrien) entspricht bei einem Normalsichtigen dem Kehrwert seines Nahpunktes. Brechungsanomalien - Hyperopie Hyperopie Bulbus zu kurz... im Verhältnis zur Brechkraft des dioptrischen Apparates des Auges. Krankheitswert: z.b. Kopfschmerzen bei Schulkindern : +dpt Abb: Schmidt, Thews: Physiologie d. Menschen: 8
Brechungsanomalien - Myopie Hyperopie Bulbus zu lang... im Verhältnis zur Brechkraft des dioptrischen Apparates des Auges. Erstes Auftreten häufig in der Pubertät. Bei starker Myopie Gefahr der Netzhautablösung -dpt Abb: Schmidt, Thews: Physiologie d. Menschen: Brechungsanomalien - Astigmatismus Stäbchensichtigkeit Ursache: Brechkraftunterschied in verschiedenen Ebenen (Abbildung: vertikal stärkere Brechkraft als horizontal) Korrektur: zylindrisch konvexe Linse Physiologischer Astigmatismus (Unterschied <0,5 dpt) pathologischer Astigmatismus, der Korrektur erfordert. irregulärer Astigmatismus, z.b. nach Verletzungen 9
Weitere optische Aberrationen Sphärische Aberration Randstrahlen werden stärker gebrochen Effekt wird durch Engstellung der Pupillen vermindert chromatische Aberrationen kurzwelliges Licht wird stärker gebrochen als langwelliges Streulicht im optischen Apparat des Auges Gelöste Makromoleküle im Glaskörper führen zu Dispersion des Lichtes fliegende Mücken Trübungen im optischen Apparat z.b. Linsentrübung grauer Star Alles verstanden? Welche Aussage zum fehlsichtigen Auge trifft zu? A) Beim myopen (kurzsichtigen) Auge liegt der Brennpunkt beim Blick ins Unendliche hinter der Netzhaut. B) Die Fehlsichtigkeit eines hyperopen (weitsichtigen) Auges kann mit einer Zerstreuungslinse korrigiert werden. C) Ein hyperopes Auge kann seine Fehlsichtigkeit kurzfristig durch Akkommodation korrigieren. D) Beim physiologischen Astigmatismus ist die Brechung in der vertikalen Ebene größer als in der horizontalen. E) Durch die sphärische Aberration der Linse wird kurzwelliges Licht stärker gebrochen als langwelliges. 10
Querschnitt durch die Netzhaut Richtung des Lichteinfalls Richtung der Signalverarbeitung Abb: Schmidt, Thews: Physiologie d. Menschen: amakrine Zellen Bipolarzellen Ganglienzellen Nervenfasern Horizontalzellen Sensoren: Stäbchen, Zapfen äußere Körnerschicht Sensoren: Außenglieder Pigmentepithel Stäbchen und Zapfen - 1 Zapfen sind für das Farbensehen verantwortlich: Photopisches Sehen, Tag-Sehen Es gibt drei Zapfen-Typen: L-, M-, S-Typ (Rot-, Grün-, Blau- Z.) Stäbchen ermöglichen Hell-Dunkel- und Kontrastwahrnehmung: Skotopischen Sehen, Nacht-Sehen Insgesamt gibt es in der Retina Zapfen finden sich vor allem in der Fovea Centralis (Ort des schärfsten Sehens) ca. 6,400,000 Zapfen in der Fovea ca 160,000 Zapfen/mm 2 ca. 120,000,000 Stäbchen. Im Mittel: 80-100,000 Stäbchen/mm 2. Blinder Fleck Rechtes Auge von oben Abb. aus: Klinke, Silbernagel: Lb. d. Physiologie: 11
Stäbchen und Zapfen - 2 Die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges hat ein Maximum bei etwa 555 nm (photopisch) bzw. 500 nm (skotopisch): Abb: Schmidt, Thews: Physiologie d. Menschen: Stäbchen sind haben hohe Epfindlichkeit im grünen Bereich des Spektrums Rote Brillen zum Blend-Schutz Rote Polizei-Blitzlichter Signalverarbeitung in der Retina Vom Lichtquant zur Erregung: Phototransduktion Die Sensoren enthalten lichtempfindliche Moleküle, in den Stäbchen: Rhodopsin Lichtquant trifft Rhodopsin-Molekül Rhodopsin verändert innerhalb von wenigen Millisekunden seine Form (von der 11-cis über die All-trans-Form zu Metharhodopsin 2) Metharodopsin löst eine Signalkaskade aus, die zur Hyperpolarisation des Stäbchens führt. Abb: Deetjen Speckmann: Physiologie 12
Signalverarbeitung in der Retina Licht-Wahrnehmung Weiterleitung zu den Ganglienzellen Dunkel-Wahrnehmung Sensor Bipolar- Zelle Horizontal- Zelle Ganglien- Zelle On-Zelle Off-Zelle Abb. aus: Klinke, Silbernagel: Lb. d. Physiologie: Sehnerv Sehnerv Alles verstanden? Folgende Aussage zur retinalen Funktion ist richtig: A) Stäbchen sind am empfindlichsten im roten Bereich des Licht-Spektrums B) In der Retina gibt es mehr Stäbchen als Zapfen C) Der Punkt des schärfsten Sehens liegt im Bereich der Papillae D) Wenn Licht auf ein Stäbchen trifft, wird dies depolarisiert E) Adaptation der Sehzellen führt zum Phänomen der Kontrastverschärfung bei der Herrmannschen Gittertäuschung 13
Die zentrale Sehbahn Prinzipien der zentralen Sehbahn Kreuzung der nasalen Anteile des N.opticus im Chiasma opticum, temporale Anteile bleiben ipsilateral Eine Gesichtsfeldhälfte wird jeweils im contralateralen visuellen Cortex abgebildet. Die Sehbahn und das zentrale visuelle System sind retinotop organisiert; dabei ist aber die Fovea centralis deutlich größer repräsentiert als ein entsprechend großes Areal der Netzhautperipherie Rechtes Gesichtsfeld Linkes Gesichtsfeld Primäre Sehrinde Gesichtsfeld-Ausfälle bei Läsionen der zentralen Sehbahn: Skotome Hohlkugelperimeter linkes Auge rechtes Auge normal normal a b c c Abb: Schmidt, Thews: Physiologie d. Menschen: e 14
Höhere Funktionen des Sehens V1: Lichtbalken V2: Konturen best. Orientierung, Scheinkont. V3: Bewegung V4: Farbe MT/V5: richtungsspezifische Bewegung Visuell kontrollierte Motorik und Aufmerksamkeit: wohin Raumerkennung: wo Visuell emotionale und -soziale Komponenten Objekterkennung was Elementares Sehen 15