HUMAN VISION AND THE SPECTRUM (WALD, 1945) ΘΕΜΑΤΟΛΟΓΙΑ Θεοδωρίδης ηµήτρης Οπτική & Όραση 2005 Βασικά µέρη του ανθρώπινου οφθαλµού Συµπεριφορά φωτοΰποδοχέων κατά Wald σε φυσιολογικό οφθαλµό και σε αφακικό Πως µπορούµε να µελετήσουµε την φασµατική ευαισθησία του κάθε κωνίου ξεχωριστά Ποια είναι η εξελικτική τους πορεία στον άνθρωπο Συµπεράσµατα 02/02/2005 1 02/02/2005 2 Σκοπός Εργασίας Βασικά όργανα του ανθρώπινου οφθαλµού Να δειχθούν θεµελιώδεις ιδιότητες των φωτοΰποδοχέων του αµφιβληστροειδή και άλλων τµηµάτων του οφθαλµού, κατά την διέλευση της ακτίνας φωτός µέσα από τον οφθαλµό. Κερατοειδής Υδατοειδές υγρό Φακός Υαλοειδές σώµα αµφιβληστροειδής 02/02/2005 3 02/02/2005 4 Αµφιβληστροειδής WALD(1945) Βοθρίο (κεντρικό βοθρίο) 1.5-2 Ωχρά Οπτικό νεύρο Κωνία & ραβδία Φασµατική ευαισθησία των φωτοΰποδοχέων µε φακό και χωρίς φακό Χωρίζει τον οφθαλµό σε περιοχές(βοθριακή, περιφερική, ωχρική) 02/02/2005 5 02/02/2005 6
Πειραµατική διαδικασία Βοθριακά Κωνία Τα πειράµατα, πραγµατοποιήθηκαν σε διάφορα µήκη κύµατος στο απόλυτο κατώφλι της όρασης και µε τη µικρότερη δυνατόν ροή ακτινοβολίας. Η πειραµατική διάταξη που χρησιµοποιήθηκε, ήταν ένα φασµατικό προσαρµοσόµετρο, το οποίο χρησιµοποιούσε µία λάµπα υδραργύρου υψηλής πίεσης. Από το φως της λάµπας αποµονώθηκαν 10 γραµµές φάσµατος µε τη βοήθεια των χρωµατικών φίλτρων. Το test field ήταν κυκλικό και µπορούσε να επεκταθεί από το κεντρικό βοθρίο και σε ακτίνα 12. 02/02/2005 7 Ηεικόνα του δειγµατικού πεδίου αντιστοιχεί στη 1 του κεντρικού βοθρίου Οι µετρήσεις πάρθηκαν από 22 άτοµα, µέσης ηλικίας 20 ετών Απόκλιση 1/10000 από τα δεξιά στα 750 σε σχέση µε τοµέγιστο και 1/40000 απότααριστεράστα365nm ραβδία Σχετική ευαισθησία περιφερικά κωνία βοθριακά κωνία 02/02/2005 8 Μήκος κύµατος Βοθριακά κωνία Περιφερικά Ραβδία Κατά τη σκοτοπική προσαρµογή, οι µετρήσεις που πήρανε από διαφορετικά µήκη κύµατος, δείχνουν µια πτώση του κατωφλίου µέσα σε 4-6 λεπτά, φτάνοντας σε ένα ορισµένο επίπεδο, όπου και παραµένει για απεριόριστο χρόνο. Συνεχίζει να βλέπει έγχρωµα, ιδιότητα των κωνίων. Στο 1 δεν υπάρχει φαινόµενο Purkinje Τα παραπάνω δεδοµένα συµφωνούν πολύ καλά µε τα δεδοµένα της φωτοπικής όρασης Τα δεδοµένα αυτά απείχαν πολύ στα χαµηλά µήκη κύµατος από τα δεδοµένα της ICI(international comision on ilumination). Στα 436nm ήταν 2.5 φορές πιο ψηλά από του ICI και στα 405nm ήταν 9 φορές πιο ψηλά από την ICI. Σε γωνιακή απόσταση 8 απότοβοθρίο, τότε ενεργοποιούνται τα ραβδία. Μια ένδειξη για το παραπάνω είναι ότι εκεί το πεδίο γίνεται αντιληπτό ως ασπρόµαυρο, σε όλα τα µήκη κύµατος. Η ραβδιακή ευαισθησία έχει µέγιστο στα 505nm. Στα 365nm πέφτει από το µέσο όρο κατά 1/20000 και στα 750nm πέφτει στα 1/2500000 του µέγιστου. Πάνω από τα 550nm τα περιφερικές και τα βοθριακές λειτουργίες πάνε µαζί. Στο βαθύ κόκκινο (υψηλά µήκη κύµατος) τα βοθριακά είναι πιο ευαίσθητα από τα περιφερικά. 02/02/2005 9 02/02/2005 10 Περιφερικά κωνία Από έντονο φως σε αµυδρό, το επίπεδο ευαισθησία πέφτει σε ένα επίπεδο όπου για 8 λεπτά κυριαρχούν ακόµη τα κωνία, µετά αρχίζουν και ενεργοποιούνται τα ραβδία και η ευαισθησία των κωνίων πέφτει κι άλλο µέχρι να βρει ένα επίπεδο όπου και παραµένει για απεριόριστο χρόνο. Οι παρατηρήσεις αυτές έγιναν µε 10 από τα 22 άτοµα που πήραν µέρος στο πείραµα από την αρχή. Το µέγιστο στα περιφερικά είναι 550 nm, 12nm πιο κάτω από τα βοθριακά, µε εξαίρεση στη περιοχή των 440 µε 490nm όπου τα περιφερικά είναι πιο ψηλά από τα βοθριακά. Γενικά τα περιφερικά είναι λιγότερο ευαίσθητα από τα βοθριακά. Κατώφλι ραβδίων - κατώφλι κωνίων = φωτοχρωµατικό διάστηµα Φακικοί Μη φακικοί Μη-φακικοί 02/02/2005 11 02/02/2005 12
Ωχρά Ωχρά κηλίδα, δ=5 χιλ. (17 ) Μόνο τα θηλαστικά Πήραν από µερικά άτοµα την ωχρά τους και την τοποθέτησαν σε χλωροφόρµιο, απ όπου µπόρεσαν να αναλύσουν τα συστατικά της Χρωστική ξανθοφύλλη(c40h54(oh)2) ( καροτενοειδοί : λουτεΐνη και ζεαχανθίνη, ασταχανθινη). (χρωστική της ωχράς) Χρωστική της Ωχράς Παρουσιάζει µέγιστη απορρόφηση στα 460nm Απορροφά το 60% περίπου του φωτός στη περιοχή 430-490nm Η χρωστική της ώχρας διαφέρει από άτοµο σε άτοµο MP density 02/02/2005 13 02/02/2005 14 Eccentricity Αφακικη Όραση Οι µετρήσεις έγιναν σε άτοµα που τους αφαιρέθηκε ο φακός λόγω καταρράκτη. Τα µάτια χωρίς τους φακούς αναπτύσσουν µεγάλη ευαισθησία στο ιώδες και το υπεριώδες. Τα δεδοµένα από αφακικά ραβδία από 39 µάτια των 24 ατόµων, ενώ για τα αφακικά κωνία είναι από 9 άτοµα. Στα 365nm τα κωνία και τα ραβδία έχουν ακόµα το 1/30 του µέγιστου. Τα κωνία εδώ είναι ευαίσθητα σαν να είναι κοντά στο ερυθρό και τα ραβδία σαν να είναι στο κίτρινο. Η µέση ευαισθησία στα 365 του αφακικού µατιού είναι 1000 φορές µεγαλύτερη από τα φυσιολογικά µάτια. Μεγάλη ευαισθησία στο υπεριώδες, καινούργιες αισθήσεις, 60αρηδες και 70αρηδες εδώ διαβάζουν snellen από τη κορυφή έως την τελευταία σειρά, υπό άλλες συνθήκες δεν θα ήταν δυνατόν. Η διαφορά που παρουσιάζεται στα φακικά και στα αφακικά ραβδία και κωνία φαίνεται στα γραφήµατα 2, 3 και παριστάνει την οπτική πυκνότητα των ανθρώπινων φακών και µάλιστα σε 20 νέους, σε µεγαλύτερους θα είναι και πιο µεγάλη. 02/02/2005 15 02/02/2005 16 Μελέτη της φασµατικής ευαισθησίας του κάθε κωνίου χωριστά Τριχρωµατική θεωρία (L,M,S). Φάσµα απορρόφησης που µας δείχνει τη ποσότητα log(προσπ φως / διαδιδο φως) Οµοιότητα στη φασµατική καµπύλη λόγω οψίνης = Α1 + 11-cis- retinal (chromoforic group) Λόγω του φακού έχουµε µια µετατόπιση από το 420 στα 440nm. Blue,green,red(sort, midle, long-wavelength) 02/02/2005 17 02/02/2005 18
Π -µηχανισµοί Η αλληλοεπικάλυψη της ευαισθησίας των κωνίων δεν µας επιτρέπει να κατανοήσουµε καλά τις ιδιότητες της κάθε τάξης κωνίων ξεχωριστά. π- µηχανισµοί και διαταραχές της έγχρωµης όρασης Stiles 200msec foveal test flash µήκους κύµατος λ πάνω σε ένα ευρύτερα προσαρµοσµένο πεδίο µήκους κύµατος µ. Για λ & µ παίρνω την καµπύλη threshold-vs-intensity. Για τη µέτρηση των tvi καµπύλων κατά τη µεταβολή των λ και µ, ο stiles υπέθεσε την ύπαρξη κάποιων περιφερικών συνεργατών γύρο από τα κωνία και τους ονόµασε π µηχανισµούς, οι οποίοι πληρούν δύο αρχές. Αρχή της µη µεταβλητότητας και αρχή της ανεξαρτησίας προσαρµογής. Οι π µηχανισµοί είναι 5(π1,π2,π3,π4,π5) 02/02/2005 19 02/02/2005 20 Το πεδίο ευαισθησίας κατά Stiles, βρίσκεται κρατώντας σταθερό το λ και µεταβάλλοντας το µ κατά τον άξονα των τετµηµένων, έτσι παίρνουµε την καµπύλη tvi(κανόνας µετατόπισης ). Η πλευρική µετατόπιση της καµπύλης µας δείχνει πως µεταβάλεται και η πιθανότητα απορρόφησης ενός φωτονίου, όπως µεταβάλλεται και το µ. Στο 2c φαίνεται το φάσµα δράσης που µας δείχνει την ένταση που απαιτείται στα διάφορα µήκη κύµατος για να πετύχεις το αποτέλεσµα ενός κριτηρίου. 02/02/2005 21 02/02/2005 22 ιαταραχές έγχρωµης όρασης Για µ σταθ και το λ να µεταβάλλεται έχουµε κάτι παρόµοιο αλλά από κάποια στιγµή και µετά και όσο συνεχίζεται η µεταβολή υπάρχει περίπτωση η tvi να σπάσει σε δύο ανεξάρτητες οπότε υποχρεώνει τον Stiles να υποθέσει ότι δεν µπορούµε να ακολουθήσουµε άλλο τους π µηχανισµούς π3 = 440, π4 = 540, π5 = 570nm M-κωνία πρωτανοπία L-κωνία δευτερανοπία 02/02/2005 23 02/02/2005 24
The role of opsin s absorption spectra Άλλος ένας τρόπος για να αποµονώσουµε το φάσµα ευαισθησίας των κωνίων, είναι να εκµεταλλευτούµε την χρωµατική ανεπάρκεια που παρουσιάζει το 2% των αντρών και το 0,03% των γυναικών και τους λείπει ένα από τα τρία είδη κωνίων, µε αποτέλεσµα την ευκολότερη αποµόνωση του φάσµατος κάθε κωνίου. Πρωτανοπία, δευτερανοπία, τριτανοπία Η πρώτη και η δεύτερη είναι πιο ενδιαφέρουσες περιπτώσεις. S-κωνία ( στόχοι high temp or spatial frequencies) οπτική οδός S είναι λιγότερο ευαίσθητη 02/02/2005 25 When the M pigment is completely absent, color vision is dichromatic (and severely affected deuteranopes perceive the visible spectrum as lacking red, green, orange, blue) In deuteranomaly an anomalous M pigment is present (the λ max is very close to that of the normal L). The severity of deuteranomaly is correlated with the spectral separation between the normal and anomalous pigments. The greater the separation the milder the defect The 3nm difference between L/M is accounted by differences in amino acids at 3 positions 02/02/2005 26 Ποια είναι η εξελικτική πορεία των φωτοΰποδοχέων Κύτταρα του αµφιβληστροεδή Εσωτερικό τµήµα Εξωτερικό τµήµα 02/02/2005 27 02/02/2005 28 Μεµβρανικά δισκία µε οπτική χρωστική 11-cis-ρετινάλη Ραβδία (ροδοψίνη), κωνία περιέχουν µεγάλο αριθµό διαµεµβρανικών πρωτεϊνών (οψίνες) 10^8 για κάθε κύτταρο Οι φωτοΰποδοχείς ανανεώνονται συνεχώς στο εξωτερικό τους σώµα και δεν διαιρούνται Στα ραβδία, 3 δισκία /ώρα 02/02/2005 29 02/02/2005 30
Εξέλιξη των κωνίων L (500-570 nm) Στοιχειώδης έγχρωµη όραση (S-L) Αρχαίο σύστηµα θηλαστικών Αντικατάσταση του κωνίου L µε M & L 40 εκατ χρόνια πριν. Μπορεί να έγινε για τον εντοπισµό των κίτρινων φρούτων και άλλων βιολογικών ερεθισµάτων. 02/02/2005 31 02/02/2005 32 ιπλασιασµός του Χ Χρωµοσώµατος 30-40 εκατοµ χρόνια πριν Τριχρωµατική θεωρία S(B), M(G), L(R) Η επιλογή ήταν τυχαία, µε µόνο κριτήριο να µην προέρχεται το κάθε χρώµα από τον συνδυασµό των δύο άλλων. Υπάρχουν τρεις τύποι κωνίων µε διαφορετική φωτοευαίσθητη χρωστική. 02/02/2005 33 02/02/2005 34 Όλα τα µήκη κύµατος διεγείρουν τους τρεις διαφορετικούς τύπους κωνίων, αλλά κάποια µήκη κύµατος απορροφόνται περισσότερο από κάποια κωνία. Κανένα κωνίο δεν έχει το δικό του µήκος κύµατος. Χρωµατικές ανωµαλίες 2% στους άντρες και 0.03% στις γυναίκες, είναι διχρωµάτες, δηλαδή λείπει ένα από τα τρία κωνία. Πρωτανοπία, λείπουν τα (L) ευτερανοπία (M) Τριτανοπία (S) Πρωτανοµαλία (L) σε διαφορετική θέση ευτερανοµαλία (M) Τριτανοµαλία (S) 02/02/2005 35 02/02/2005 36
Συµπεράσµατα Ο ρυθµός και η σειρά µε την οποία επηρεάζονται τα κωνία, µπορεί να µας επηρεάσει και την αντίληψη µας για το περιβάλλον στο οποίο ζούµε. ΟΙ αποκρίσεις των ραβδίων και των κωνίων σχετίζονται άµεσα µε το φάσµα απορρόφησης των φωτοχρωστικών τους (ροδοψίνη, ιοδοψίνη, κλπ) Φαίνεται ότι η εξελικτική πορεία της έγχρωµης όρασης µας, ήρθε τη στιγµή που ο άνθρωπος έπρεπε να αποφασήσει µέσα από το χρώµα της τροφής του, ποιο ήταν κατάλληλο και ποιο όχι για κατανάλωση, αλλά και ποιο περιβάλλον ήταν εχθρικό και ποιο όχι. ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΠΟΛΥ 02/02/2005 37 02/02/2005 38 Φυσικές εικόνες Αποκρίσεις M- και L- κωνίων 02/02/2005 39 after Gegenfurtner, 2004 02/02/2005 40 after Gegenfurtner, 2004 Φυσικές εικόνες Φυσικές εικόνες χρωµατικότητα χρωµατικότητα φωτεινότητα 02/02/2005 41 02/02/2005 42