DARK ADAPTATION Τρισεύγενη Γιαννακοπούλου Ήταν το 1866 όταν ιστολογικές µελέτες του Max Schultze σε αµφιβληστροειδείς διαφόρων ειδών θηλαστικών οδήγησαν στο συµπέρασµα της ύπαρξης δύο διαφορετικών τύπων φωτοϋποδοχέων, που σήµερα τα ονοµάζουµε κωνία και ραβδία. Ο Schultze µάλιστα έκανε την παρατήρηση ότι τα κωνία ήταν περισσότερα στα ηµερόβια είδη (αυτά που ήταν «δραστήρια κατά την διάρκεια της ηµέρας) από ότι στα νυκτόβια that cones were relatively more common in diurnally active species than in nocturnal ones. Αργότερα, σχεδόν ταυτόχρονα, ο Parinaud (1898) και ο Von Kries (1896) ανέπτυξαν την θεωρία ότι τα κωνία διεκπεραιώνουν την όραση την ηµέρα, ενώ τα ραβδία λειτουργούν στο σκοτάδι. Στα µέσα του 19 ου αιώνα, ψυχοφυσικές µελέτες έδειξαν ότι σχεδόν όλες οι δοκιµασίες αξιολόγησης της οπτικής απόδοσης µπορούν να διαχωριστούν σε δύο τµήµατα: ένα τµήµα που ανταποκρίνεται σε χαµηλά επίπεδα φωτεινότητας (σκοτοπική όραση) και οφείλεται στη λειτουργία των ραβδίων, κι ένα τµήµα που ανταποκρίνεται σε υψηλά επίπεδα φωτεινότητας και οφείλεται στη λειτουργία των κωνίων (φωτοπική όραση). Ως αποτέλεσµα, το οπτικό µας σύστηµα είναι ικανό να λειτουργήσει σε ένα πολύ µεγάλο εύρος φωτεινών εντάσεων, σε µία κλίµακα 8-12 λογαριθµικών µονάδων (βλ. Σχ.1). Όπως διαπιστώνεται, σε πολύ υψηλά επίπεδα φωτεινότηας µόνο τα κωνία λειτουργούν. Όσο µειώνεται η φωτεινότητα τα κωνία γίνονται πιο ευαίσθητα (i.e., µέγιστη οξύτητα στα 4.0 log φωτοπικά tds). Σε επίπεδα ~1.4 log φωτοπικά tds τα ραβδία αρχίζουν να λειτουργούν. Ραβδία και κωνία λειτουργούν ταυτόχρονα για περίπου 3.5 λογαριθµικές µονάδες (µεσοπική όραση). Η λειτουργία των κωνίων αναστέλλεται σε φωτεινότητες < 10-3 cd/m 2. Εποµένως, τα ραβδία λειτουργούν σε αµυδρό φως (ηµίφως) και στο σκοτάδι, όταν τα περισσότερα ερεθίσµατα είναι πολύ αδύνατα ώστε να διεγείρουν τα κωνία, αλλά στο έντονο φως χάνουν αυτή τη δυνατότητα. Αντίθετα, τα κωνία είναι λιγότερο ευαίσθητα από τα ραβδία αλλά είναι υπεύθυνα για την όρασή µας στο φως.
Luminance (log cd/m2) Pupil diameter (mm) -6-4 -2 0 2 4 6 8 7.8 7.5 6.3 4.0 2.5 2.2 2.0 2.0 Retinal illuminance (log td) Luminance of white paper in photopic 1.1-4.8-2.8-1.0 0.7 scotopic starlight moonlight 2.7 4.6 6.5 8.5 indoor lighting sunlight Visual function Scotopic Rod threshold No colour vision Poor acuity Cone threshold Mesopic Mesopic Rod saturation begins Photopic Best acuity Good colour vision Good acuity Damage possible Σχ.1. Εύρος λειτουργίας του οπτικού συστήµατιος; φωτοπικές (photopic), µεσοπικές (mesopic) και σκοτοπικές φωτεινότητες. Όταν επιστρέφουµε σε σκοτεινό χώρο µετά από έκθεση των οφθαλµών µας σε έντονο φως, χρειάζεται να περάσουν λίγα λεπτά µέχρι να αποκατασταθεί η φωτεινή µας ευαισθησία σε κανονικά της επίπεδα. Αυτό το φαινόµενο καλείται προσαρµογή στο σκοτάδι ή dark adaptation. Ο χρόνος που απαιτείται για την αποκατάσταση της φωτεινής ευαισθησίας εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Μερικοί από αυτούς µελετήθηκαν το 1935 ο Selig Hecht, o Charles Haid και o George Wald. Αρχικά παρουσίασαν αποτελέσµατα των µετρήσεών τους για την κεντρική περιοχή του αµφιβλητροειδή, µεταβάλλοντας το µέγεθος του φωτεινού ερεθίσµατος ενώ στη συνέχεια ακολούθησε µια σειρά πειραµάτων, όπου µελετήθηκε η προσαρµογή στο σκοτάδι για τα περιφερικά πεδία του αµφιβληστροειδή, χρησιµοποιώντας πάλι ερεθίσµατα διαφόρων µεγεθών, µε σκοπό να διευκρινιστεί η συνολική συµπεριφορά του αµφιβληστροειδή. Για τις µετρήσεις τους χρησιµοποίησαν µια συσκευή η οποία περιελάµβανε έναν λαµπτήρα 3,8 Volt σε συνδυασµό µε ένα opal γυαλί που βοηθούσε στο να διαχέεται το φως οµοιόµορφα. Επίσης µια «σφήνα» και φίλτρα χρησιµοποιήθηκαν στην οπτική διάταξη για την µεταβολή της φωτεινότητας του ερεθίσµατος. Το φρωτεινό ερέθισµα µπορούσε να παρατηρηθεί µέσω της κόρης εξόδου (που είχε σταθερή διάµετρο 2,85 mm) και µέσω του
ενός φακού που βοηθούσε στην προσαρµογή του οφθαλµού του παρατηρητή (δεδοµένου ότι η απόσταση από την κόρη εξόδου µέχρι το πεδίο ήταν µόνο 10 cm). Για κάθε ένα σετ µετρήσεων που οργανώθηκε προηγήθηκαν 2 λεπτά προσαρµογής σε µια φωτεινότητα χαµηλής έντασης (300 millilambert), που επιτεύχθηκε µε την χρήση µιας άλλης φωτεινής πηγής σε συνδυασµό µε ένα opal γυαλί για την οµοιογενη διάχυσή του. Μετά την έκθεση στο φως ακολοθούσε η µέτρηση της φωτεινής ευαισθησίας (στην πραγµατικότα του threshold) η οποία ήταν απαραίτητο να ολοκληρωθεί όσο το δυνατόν γρηγορότερα δεδοµένου οτι το threshold τα πρώτα λεπτά της σκοτεινής προσαρµογής µειωνότανε πολύ γρήγορα. Μετά το πέρας της έρευνας τους οδηγήθηκαν στα παρακάτω συµπεράσµατα: α) η µείωση του threshold κατά τη διάρκεια της προσαρµογής στο σκοτάδι ακολουθεί δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο είναι σύντοµο και οφείλεται στη λειτουργία των κωνίων, ενώ το δεύτερο είναι αργό και παρατεταµένο και οφείλεται στη λειτουργία των ραβδίων. β) όσο το µέγεθος του στόχου µεγάλωνε, τόσο ταχύτερη και µεγαλύτερη ήταν η µεταβολή της ευαισθησίας. γ) µεγαλύτερη µεταβολή ευαισθησίας εµφανίζεται σε πεδίο 2 σε διαφορετικές θέσεις στην περιφέρεια του αµφιβληστροειδή. δ) η συµπεριφορά των κεντρικά τοποθετηµένων ερεθισµάτων καθορίζεται κυρίως απο την ευαισθησία του αµφιβληστροειδή (αλλάζει βαθµιαία απο το κέντρο προς την περιφέρεια). ε) η µέγιστη ευαισθησία επιτυγχάνεται όταν τα ραβδία της περιφέρειας ενεργοποιούνται (20 στην περιφέρεια του αµφιβληστροειδή). Χαρακτηριστικά Προσαρµογής στο σκοτάδι Η προσαρµογή στο σκοτάδι είναι µια διαδικασία που διαρκεί τουλάχιστον 30 λεπτά και παρουσιάζει δύο φάσεις ανάκτησης και αυτό οφείλεται στις διαφορετικές ταχύτητες αναγέννησης των φωτοχρωστικών που βρίσκονται στα ραβδία (ροδοψίνη) και στα κωνία. Στο παρακάτω σχήµα βλέπουµε τη χαρακτηριστική καµπύλη σκοτεινής προσαρµογής. Οι δύο φάσεις της καµπύλης υποδεικνύουν τη δραστηριότητα των κωνίων αρχικά και µετέπειτα τη δραστηριότητα των ραβδίων.
Σχ.2 Η χαρακτηριστική καµπύλη της σκοτεινής προσαρµογής. Η πρώτη φάση, στην οποία κυριαρχεί η λειτουργία των κωνίων, ολοκληρώνεται σε 5-8 λεπτά και οδηγεί σε αύξηση της φωτεινής ευαισθησίας του οφθαλµού κατά 1.5 λογαριθµική µονάδα. Η δεύτερη φάση αντιπροσωπεύει τη λειτουργία των ραβδίων, παρουσιάζει µεγαλύτερο χρόνο ανάκτησης περίπου 30 λεπτά και οδηγεί σε αύξηση της φωτεινής ευαισθησίας του οφθαλµού κατά 5 ή περισσότερες λογαριθµικές µονάδες (αλλά ταυτόχρονη µείωση της ευκρίνειας των εικόνων). Η προσαρµογή σε διάφορα επίπεδα φωτισµού, εκτός από τις αλλαγές στη συγκέντρωση των φωτοχρωστικών, συνεπάγεται και άλλες φυσικές αλλαγές, π.χ στο µέγεθος της κόρης (η διάµετρος της κόρης συστέλλεται και διασπάται µεταξύ 1.5 και 8 mm, που ισοδυναµεί µε 30 φορές διαφορά στην ποσότητα του φωτός που εισέρχεται στον οφθαλµό). Παράγοντες που επηρεάζουν το Dark Adaptation Ο ρυθµός αύξησης της φωτεινής ευαισθησίας του οφθαλµού και ο συνολικός χρόνος ανάκτησής της εξαρτώνται, από το µέγεθος και το µήκος κύµατος του ερεθίσµατος, απο την θέση στον αµφιβληστροειδή, τη διάρκεια και την ένταση του φωτεινής πηγής που χρησιµοποιείται για την έκθεση. Επίσης σηµαντικός παράγοντας αποτελεί και η ηλικία του εξεταζόµενου. Μέγεθος του ερεθίσµατος : Είναι προφανές ότι ανάλογα µε το µέγεθος του ερεθίσµατος ανταποκρίνονται περισσότερα ή λιγότερα ραβδία. Ως αποτέλεσµα µεγαλύτερα µεγέθη οδηγούν σε υψηλότερες τιµές µέγιστης ευαισθησίας. Επίσης µικρά µεγέθη προκαλούν ενεργοποίηση µόνον των κωνίων µε αποτέλεσµα την αύξηση της διάρκειας της πρώτης φάσης, που οφείλεται στα κωνία.
Σχ.3 Καµπύλες προσαρµογής στο σκοτάδι ανάλογα µε το µέγεθος του ερεθίσµατος Αµφιβληστροειδική θέση : Είναι γνωστό ότι η κεντρική περιοχή του βοθρίου (1 - foveola), στερείται ραβδίων και εµφανίζει τη µέγιστη ευκρίνεια, λόγω της υψηλής πυκνότητας κωνίων. Η πυκνότητα των κωνίων ελαττώνεται στην εγγύς περιφέρεια ενώ ο αριθµός των ραβδίων αυξάνεται όσο αποµακρυνόµαστε απο το κεντρικό βοθρίο, φτάνοντας την υψηλότερη πυκνότητα 20 περιφερικά. Είναι εποµένως ευνόητο ότι η µέγιστη ευαισθησία θα αυξάνεται για περιφερικά ερεθίσµατα. Σχ.4 Μεταβολή της καµπύλης προσαρµογής στο σκοτάδι ανάλογα µε την θέση του ερεθίσµατος στον αµφιβληστροειδή Ένταση φωτεινής πηγής πριν την προσαρµογή : Όσο µεγαλύτερη είναι η φωτεινότητα τηςν φωτεινής πηγής που εκτίθεται ο οφθαλµός πριν την προσαρµογή, τόσο πιο αργή είναι η ανάκτηση της των ραβδίων. Σε υψηλές φωτεινότητες η καµπύλη των ραβδίων εµφανίζεται µετά από 12 λεπτά παραµονής στο σκοτάδι. Σε χαµηλές φωτεινότητες η ανακτήση της φωτεινής ευασθησίας είναι πολύ πιο γρήγορη και σύντοµη (βλ. Σχ. 5).
Σχ.5 Καµπύλες προσαρµογής στο σκοτάδι σε σχέση περιβαλλοντικού φωτισµού-σκοτεινής. ιάρκεια παραµονής στο φως πριν την προσαρµογή : Μικρή διάρκεια παραµονής στο φως πριν την προσαρµογή έχει σαν αποτέλεσµα µια καµπύλη που ξεκινά απο χαµηλό threshold και καταλήγει σε γρήγορη ανάκτηση της µέγιστης ευαισθησίας. Όσο η διάρκεια παραµονής στο φως αυξάνεται, η ταχύτητα της προσαρµογής στο σκοτάδι µειώνεται ενώ ο συνολικός χρόνος ανάκτησης αυξάνεται (βλ. Σχ. 6). Σχ.6 Καµπύλες προσαρµογής στο σκοτάδι σε σχέση µε την διάρκεια έκθεσης στο φως Ηλικία : Με την αύξηση της ηλικίας µειώνεται ο ρυθµός αύξησης της φωτεινής ευαισθησίας του οφθαλµού (τόσο για τα κωµία όσο και για τα ραβδία) και του
συνολικού χρόνου ανάκτησης. Η µείωση οφείλεται κυρίως στη γήρανση του φακού (µείωση διαπερατότητας), στη µείωση της διαµέτρου της κόρης, σε αλλαγές στο µεταβολισµό και στη νευρωνική εκφύλιση. Absolute threshold (cd/m 2 ) Χρόνος στο σκοτάδι (λεπτά) Σχ.7 Ηλικία και µεταβολές στην ικανότητα προσαρµογής στο σκοτάδι. Μήκος κύµατος: ένας άλλος λόγος που επηρεάζει τις καµπύλες προσαρµογής στο σκοτάδι, είναι το µήκος κύµατος του ερεθίσµατος. Η µέγιστη ευαισθησία κατά την προσαρµογή στο σκοτάδι παροθιάζεται µειωµένη για µεγάλα µήκη κύµατος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η κορύφωση της καµπύλης απορρόφησης των ραβδίων είναι «µετατοπισµένη» σε χαµηλότερα µήκη κύµατος σε σχέση µε αυτή των κωνίων. Εποµένως, µεγάλα µήκη κύµατος δεν ενεργοποιούν τα ραβδία. Για παράδειγµα, σε ορισµένες περιπτώσεις το threshold των ραβδίων για υψηλά µήκη κύµατος (R II, Violet) είναι σχεδόν το ίδιο µε το threshold των κωνίων για χαµηλά µήκη κύµατος. Σχ.8 Το R I στο παραπάνω σχήµα αντιστοιχεί σε πολύ έντονο κόκκινο 680 µm, το R II 635 µm, το yellow 573 µm, το green 520 µm, το white παρουσιάζει την επίδραση απο τη χρησιµοποίηση πλήρους φάσµατος των µήκων κύµατος, το violet 485 µm.
Η προσαρµογή στο σκοτάδι ως µία φωτοχηµική διαδικασία Η υποδοχή του φωτεινού ερεθίσµατος πραγµατοποιείται στα κύτταρα-φωτουποδοχείς, δηλαδή στα ραβδία και τα κωνία. Τα φωτοευαίσθητα αυτά κύτταρα παρουσιάζουν δύο κύρια τµήµατα, το έσω και το έξω, που διαχωρίζονται µεταξύ τους από την έξω αφοριστική µεµβράνη. Το έξω κύριο τµήµα των φωτουποδοχέων αποτελείται, απο έξω προς τα µέσα, από 3 επιµέρους τµήµατα: το εξωτερικό επιµέρους τµήµα, τον συνδετικό κροσσό, και το εσωτερικό επιµέρους τµήµα. Το εξωτερικό επιµέρους τµήµα των φωτουποδοχέων είναι στα µεν ραβδία κυλινδρικό, στα δε κωνία κωνικό και στο επίπεδο αυτό πραγµατοποιείται η φωτουποδοχή. Το τµήµα αυτό σχηµατίζεται απο 600-1000 δίσκους, κανονικά διατεταγµένους ο ένας επί του άλλου, που περιβάλλονται από την κυτταρική µεµβράνη. Οι δίσκοι που βρίσκονται στην κορυφή των φωτουποδοχέων φαγοκυτταρώνονται από τα κύτταρα του µελάγχρουν επιθηλίου και αντικαθίστανται συνεχώς από νέους δίσκους. Η µεµβράνη που περιβάλλει τους εν λόγω δίσκους αποτελείται από ένα στρώµα λιπιδίων και ένα στρώµα πρωτεινών, και περιέχει στα µεν ραβδία µία πρωτεογλυκάνη, τη ροδοψίνη, στα δε κωνία τις πρωτεογλυκάνες ιωδοψίνες. Οι πρωτεογλυκάνες αυτές είναι οι κατ'εξοχήν υποδοχείς των οπτικών πληροφοριών. Υπάρχουν 3 είδη ιωδοψινών, µια για κάθε βασικό χρώµα, δηλαδή κόκκινο, πράσινο, κυανό. Η ροδοψίνη είναι συνδυασµός µιας πρωτεογλυκάνης (οψίνης), και της ρετινάλης, αλδεύδης της βιταµίνης Α. Η βιταµίνη Α (ρετινόλη) βρίσκεται σε αφθονία στο µελάγχρουν επιθήλιο, όπου αποθηκεύεται µε τη µορφή cis και all-trans αλκοολικών εστέρων. Η ρετινάλη πρέπει να ισοµερισθεί από τη µορφή all-trans στη µορφή 11-cis-ρετινάλη, για να είναι ικανή να συνδεθεί µε την οψίνη και να συνδέσει τη ροδοψίνη. Όταν πάψει να υφίσταται τον φωτεινό ερεθισµό η all-trans-ρετινάλη µετατρέπεται σε 11-cisρετινάλη, επανασυνδέεται µε την οψίνη και σχηµατίζει τη ροδοψίνη µε απόδοση ενέργειας. Στο σκοτάδι, το εσωτερικό επιµέρους τµήµα του φωτουποδοχέα αποβάλλει συνεχώς Να + προς τα έξω, δηµιουργώντας µ'αυτόν τον τρόπο ένα αρνητικό δυναµικό στο εσωτερικό του. Ταυτόχρονα, η µεµβράνη του εξωτερικού επιµέρους τµήµατος επιτρέπει τη διέλευση ιόντων Να + στο εσωτερικό του κυττάρου, ελαττώνοντας έτσι σηµαντικά το αρνητικό δυναµικό του. Με αυτόν τον τρόπο δηµιουργείται ένα ρεύµα ιόντων Να + από το εσωτερικό προς το εξωτερικό επιµέρους τµήµα του φωτουποδοχέα(εικ.9.1α). Τα ιόντα Να + µη µπορώντας να εισέλθουν εύκολα, συσσωρεύονται στην εξωτερική επιφάνεια του εξωτερικού επιµέρους τµήµατος του φωτουποδοχέα και προκαλούν αύξηση διαφοράς δυναµικού µεταξύ της επιφάνειας και του εσωτερικού υποδοχέα(υπερπόλωση)(εικ.6.1β).
Η υπερπόλωση αυτή µεταδίδεται κεντρικά κατά µήκος του οπτικού κυττάρου και φθάνει στο συναπτικό σφαιρίδιο του ραβδίου, όπου προκαλείται απελευθέρωση κάποιας νευροδιαβιβαστικής ουσίας, η οποία µε τη σειρά της µεταβάλλει το δυναµικό της µεµβράνης των διπόλων κυττάρων. Η µεταβολή αυτή επεκτείνεται και στα γαγγλιακά κύτταρα µε αποτέλεσµα το ηλεκτρικό αυτό σήµα να µεταβιβάζεται κεντρικότερα, προς τον οπτικό φλοιό, κατά µήκος της οπτικής οδού. Εικ.9 1 (αριστερά) Μηχανισµός διέγερσης του φωτουποδοχέα. Το παχύ βέλος δεξιά δείχνει την φορά της διέγερσης του οπτικού κυττάρου. Εικ.9 2 (δεξιά) Το εξωτερικό τµήµα των φωτουποδοχέων. Βιταµίνη Α : Όταν ο αµφιβληστροειδής εκτεθεί στην επίδραση ισχυρού φωτός για µεγάλο χρονικό διάστηµα, η ροδοψίνη µετατρέπεται σε µεγάλη ποσότητα σε βιταµίνη Α, µε αποτέλεσµα τη σηµαντική ελλάτωσή της στους φωτουποδοχείς. Αντίθετα, όταν το άτοµο παραµείνει στο απόλυτο σκοτάδι για µεγάλο χρονικό διάστηµα, ολόκληρη σχεδόν η ρετινάλη
µετατρέπεται σε ροδοψίνη. Η αναπλήρωση της ρετινάλης γίνεται από τη µετατροπή σηµαντικής ποσότητας βιταµίνης Α σε ρετινάλη. Εάν το άτοµο έχει έλλειψη βιταµίνης Α, τότε δεν µπορεί να σχηµατιστεί αρκετή ρετινόλη µε αποτέλεσµα το άτοµο αυτό να έχει δυσκολία προσαρµογής στο σκοτάδι. Είναι λοιπόν προφανής η χρησιµότητα της βιταµίνης Α στην όραση. Αξίζει να σηµειωθεί ότι η διεργασία µετατροπής της ρετινάλης και της οψίνης σε ροδοψίνη ή αντιστρόφως, διαρκεί κλάσµατα δευτερολέπτου έως λίγα λεπτά, ενώ η διεργασία των αλληλοµετατροπών ρετινάλης και βιταµίνης Α διαρκεί περισσότερο (λίγα λεπτά έως λίγες ώρες). Σχ.10 Σταδιακή µείωση της ικανότητας προσαρµογής µετά απο διατροφή µε έλλειψη της βιταµίνης Α.