Структурно-функциональная характеристика зрительной сенсорной системы
Зрительный анализатор имеет первостепенное значение среди основных экстероцептивных. Он дает от 70 до 90% всей информации об окружающем мире и составляет сенсорную основу ориентировки человека в ней. Значение зрительной сенсорной системы заключается в восприятии предметов внешней среды – их освещенности, цвета, формы, величины, направления передвижения, расстояния, на которое они удалены от глаза и друг от друга. Все это позволяет оценивать пространство, ориентироваться в окружающем мире и организовывать целенаправленную деятельность.
Наряду с понятием зрительной сенсорной системы существует понятие органа зрения (рисунок 8). Органом зрения является глаз, включающий три функциональных элемента: глазное яблоко со световоспринимающим, светопреломляющим и светорегулирующим аппаратами; защитные приспособления (наружные оболочки глаза – склера и роговица, слезный аппарат, веки, ресницы, брови); двигательный аппарат (три пары глазных мышц – наружная и внутренняя прямые, верхняя и нижняя прямые, верхняя и нижняя косые, иннервируемые III, IV и VI парами черепномозговых нервов).
Рисунок 8 – Глаз – орган зрения
Периферическим отделом зрительной сенсорной системы являются фоторецепторы, расположенные на сетчатке глаза (палочки и колбочки). У человека насчитывается примерно 6 — 7 млн колбочек и 110 — 125 млн палочек.
Место выхода зрительного нерва из сетчатки не содержит фоторецепторов и называется слепым пятном. Кнаружи от слепого пятна в области центральной ямки лежит участок наилучшего видения — желтое пятно, содержащее преимущественно колбочки. К периферии сетчатки число колбочек уменьшается, а число палочек возрастает, и периферия сетчатки содержит одни лишь палочки.
Палочки являются рецепторами, воспринимающими световые лучи в условиях слабой освещенности, т.е. обеспечивают бесцветное, или ахроматическое, зрение. Колбочки функционируют в условиях яркой освещенности и характеризуются разной чувствительностью к спектральным свойствам света (обеспечивают цветное, или хроматическое, зрение). Фоторецепторы обладают очень высокой чувствительностью, что обусловлено особенностью строения рецепторов и физико-химических процессов, лежащих в основе восприятия энергии светового стимула. Полагают, что фоторецепторы возбуждаются при действии на них 1 — 2 квантов света.
В колбочках и палочках происходят фотохимические процессы. Светочувствительные пигменты — хромопротеиды — обесцвечиваются на свету. В палочках содержится пигмент родопсин, или зрительный пурпур. В колбочках содержится йодопсин и другие пигменты. Имеется три вида колбочек: одни воспринимают красный цвет, другие – зеленый, третьи – синий. Наружный слой сетчатки образован пигментным эпителием, окружающим фоторецепторы и содержащим особое вещество, которое улучшает поглощение света. В зависимости от степени возбуждения колбочек и сочетания раздражений различаются цвета и их оттенки.
Механизм фоторецепции основан на поэтапном превращении зрительного пигмента родопсина под воздействием квантов света. Последние поглощаются группой атомов (хромофоры) специализированных молекул – хромолипопротеинов. В качестве хромофора, который определяет степень поглощения света в зрительных пигментах, выступают альдегиды спиртов витамина А, или ретиналь. Последние всегда находятся в форме 11-цис-ретиналя и в норме связываются с бесцветным белком опсином, образуя при этом зрительный пигмент родопсин. Родопсин через ряд промежуточных стадий вновь подвергается расщеплению на ретиналь и опсин. При этом молекула теряет цвет, и этот процесс называют выцветанием.
Фотохимические процессы в сетчатке протекают экономно. Даже при действии яркого света расщепляется только небольшая часть имеющегося в палочках родопсина (около 0,006%). В темноте происходит ресинтез пигментов с поглощением энергии. Йодопсин восстанавливается в 530 раз быстрее родопсина. Если в организме снижается содержание витамина А, то процессы ресинтеза родопсина ослабевают, что приводит к нарушению сумеречного зрения, так называемой куриной слепоте, когда человек почти не видит в сумерках и ночью. Чувствительность глаза к восприятию света зависит от освещенности предмета. При постоянном и равномерном освещении устанавливается равновесие между скоростью распада и скоростью ресинтеза пигментов. Когда количество света, падающего на сетчатку, уменьшается, это динамическое равновесие нарушается и сдвигается в сторону более высоких концентраций пигмента. Этот фотохимический феномен лежит в основе темновой адаптации, когда человек из светлого помещения или с улицы попадает в темноту. Переход из темного помещения в светлое вызывает световую адаптацию.
Проводниковый отдел, начинающийся в сетчатке (первый нейрон — биполярный, второй нейрон — ганглиозные клетки), анатомически представлен далее зрительными нервами (II пара черепномозговых нервов) и после частичного перекреста их волокон — зрительными трактами. В каждом зрительном тракте содержатся нервные волокна, идущие от внутренней (носовой) поверхности сетчатки глаза одноименной стороны и от наружной половины сетчатки другого глаза. Волокна зрительного тракта направляются к зрительному бугру (таламусу), к метаталамусу (наружные коленчатые тела) и к ядрам подушки. Здесь расположены третьи нейроны зрительной сенсорной системы. От них зрительные нервные волокна направляются в затылочную кору полушарий большого мозга.
В наружных (или латеральных) коленчатых телах, куда приходят волокна из сетчатки, происходит процесс взаимодействия афферентных сигналов, идущих от сетчатки глаза, с эфферентными сигналами из затылочной области коры больших полушарий. Здесь осуществляется взаимодействие со слуховой и другими сенсорными системами (при участии ретикулярной формации). Такое взаимодействие обеспечивает избирательное зрительное внимания за счет выделения наиболее существенных компонентов сенсорного сигнала.
Центральный, или корковый, отдел зрительной сенсорной системы расположен в затылочных долях полушарий (около шпорной борозды). В зрительной коре существуют функционально различные группы клеток — простые и сложные.
Простые клетки создают рецептивное поле. Оно состоит из возбудительной и тормозной зон. Определить это можно путем исследования реакции клетки на маленькое световое пятно. Структуру рецептивного поля сложной клетки установить таким путем нельзя. Эти клетки являются детекторами угла, наклона и движения линий в поле зрения. В одной колонке могут располагаться как простые, так и сложные клетки. В III и IV слоях зрительной коры, где заканчиваются таламические волокна, обнаружены простые клетки. Сложные клетки расположены в более поверхностных слоях.
Рассмотрим механизмы, обеспечивающие ясное видение в различных условиях. При рассматривании объектов, находящихся на разном удалении от наблюдателя, ясному видению способствуют такие процессы, как конвергенционные и дивергенционные движения глаз, реакция зрачка, аккомодация, световая и темновая адаптация, цветовая адаптация.
Конвергенционные и дивергенционные движения глаз — процессы, обеспечивающие сведение или разведение зрительных осей. Если оба глаза двигаются в одном направлении, такие движения называются содружественными.
Реакция зрачка происходит синхронно с движением глаз. При конвергенции зрительных осей, когда рассматриваются близко расположенные предметы, происходит сужение зрачков, т.е. осуществляется конвергентная реакция зрачков. Благодаря этому уменьшается искажение изображения, вызываемое сферической аберрацией. Сферическая аберрация обусловлена тем, что преломляющие среды глаза имеют неодинаковое фокусное расстояние в разных участках. Центральная часть, через которую проходит оптическая ось, имеет большее фокусное расстояние, чем периферическая, поэтому изображение на сетчатке получается нерезким. Чем меньше диаметр зрачка, тем меньше искажения, вызываемые сферической аберрацией. Конвергентные сужения зрачка активируют аппарат аккомодации, обеспечивающий увеличение преломляющей силы хрусталика.
Аккомодация — главный механизм, приспосабливающий глаз к ясному видению разноудаленных предметов. Она осуществляется путем изменения кривизны хрусталика (рисунок 9).
а – в состоянии покоя, б – в состоянии напряжения.
Рисунок 9 – Механизм аккомодации глаза
Механизм аккомодации глаза связан с сокращением ресничных мышц, которые изменяют кривизну хрусталика. Благодаря изменению кривизны хрусталика происходят сдвиги в его преломляющей способности. Снаружи хрусталик покрыт тонкой прозрачной эластичной капсулой, к которой прикрепляется ресничный поясок (циннова связка). При рассматривании близких предметов хрусталик становится более выпуклым. Преломляющая сила глаза увеличивается, и глаз настраивается на видение близко расположенных предметов.Когда человек смотрит вдаль, циннова связка находится в натянутом состоянии, что приводит к растягиванию сумки хрусталика и его уплощению. Иннервация ресничной мышцы осуществляется симпатическими и парасимпатическими нервами. Парасимпатические волокна глазодвигательного нерва вызывают сокращение мышцы. Симпатические волокна вызывают ее расслабление. Изменение степени сокращения и расслабления ресничной мышцы связано с возбуждением сетчатки и находится под влиянием коры головного мозга.
Преломляющая сила глаза выражается в диоптриях. За одну диоптрию (D) принимается сила линзы, главное фокусное расстояние которой равно 1 м. Если главное фокусное расстояние линзы равно, например, 0,5 или 2 м, то ее преломляющая сила составляет соответственно 2 или 0,5 D. Преломляющая сила глаза без явления аккомодации равна 58 — 60 D и называется рефракцией глаза.
При нормальной рефракции глаза лучи от далеко расположенных предметов после прохождения через светопреломляющую систему глаза собираются в фокусе на сетчатке в центральной ямке. Нормальная рефракция глаза носит название эмметропии, а такой глаз называют эмметропическим. Наряду с нормальной рефракцией наблюдаются ее аномалии: близорукость (миопия), дальнозоркость (гиперметропия), старческая дальнозоркость (пресбиопия) и астигматизм. Основная причина этих аномалий преломления лучей в глазу состоит в том, что не согласуются между собой преломляющая сила и длина глазного яблока, как в нормальном глазу.
При миопии лучи сходятся перед сетчаткой в стекловидном теле. Продольная ось глаза в этом случае удлиняется.Чтобы ясно видеть вдаль,близорукий человек должен поместить перед глазами вогнутые стекла, которые уменьшают преломляющую силу хрусталика (рисунок 10).
При гиперметропии лучи фокусируются за сетчаткой. Продольная ось глаза при этом укорачивается. Даже удаленные предметы дальнозоркий глаз видит с напряжением аккомодации, вследствие чего развивается гипертрофия аккомодационных мышц. Для коррекции применяют двояковыпуклые линзы, усиливающие преломление лучей. Пресбиопия связана со слабой эластичностью хрусталика и ослаблением натяжения цинновых связок при нормальной длине глазного яблока. Исправлять это нарушение рефракции можно с помощью двояковыпуклых линз.
Астигматизм — вид нарушения рефракции, при котором лучи не могут сходиться в одной точке, в фокусе. Астигматизм обусловлен искривлением роговицы и хрусталика, т.е. различной кривизной роговицы и хрусталика в различных меридианах (плоскостях). При астигматизме предметы кажутся сплющенными или вытянутыми, его коррекцию осуществляют сфероцилиндрическими линзами.
Следует отметить, что, кроме хрусталика, к светопреломляющей системе глаза относятся роговица, влага передней камеры глаза и стекловидное тело. Однако их преломляющая сила, в отличие от хрусталика, не регулируется и в аккомодации участия не принимает.
Рисунок 10 – Ход лучей через преломляющие среды глаза (схема)
После прохождения лучей через преломляющую систему глаза на сетчатке получается действительное, уменьшенное и перевернутое изображение. Но в процессе индивидуального развития сопоставление ощущений зрительной сенсорной системы с ощущениями двигательной, кожной, вестибулярной и других сенсорных систем приводит к тому, что человек воспринимает внешний мир таким, какой он есть на самом деле.
Зрение одним глазом дает нам представление о предмете лишь в одной плоскости. Рассматривание предметов обоими глазами называют бинокулярным зрением. В этом случае у человека не получается восприятия двух одинаковых предметов, потому что изображения от всех предметов при бинокулярном зрении падают на идентичные участки сетчатки. В результате в представлении человека эти два изображения сливаются в одно. Бинокулярное зрение имеет большое значение в определении расстояния до предмета, его формы, величины.
При рассматривании движущихся объектовясному видению способствует ряд факторов. Во-первых, это произвольные движения глаз вверх, вниз, влево или вправо со скоростью движения объекта, что осуществляется благодаря содружественной деятельности глазодвигательных мышц. Во-вторых, при появлении объекта в новом участке поля зрения срабатывает фиксационный рефлекс — быстрое непроизвольное движение глаз, обеспечивающее совмещение изображения предмета на сетчатке с центральной ямкой. В-третьих, при слежении за движущимся объектом происходит медленное движение глаз — следящее движение.
При рассматривании неподвижных предметовдля ясного видения глаз совершает три типа мелких непроизвольных движений: тремор (дрожание глаза с небольшой амплитудой и частотой), дрейф (медленное смещение глаза на довольно значительное расстояние) и скачки, или флики (быстрые движения глаз). Кроме того, существуют саккадические движения, или саккады — содружественные движения обоих глаз, совершаемые с большой скоростью при чтении, просматривании картин. При этом обследуемые точки зрительного пространства находятся на одном удалении от наблюдателя и других объектов. Если заблокировать эти движения глаз, то окружающий нас мир вследствие адаптации рецепторов сетчатки станет трудно различимым (например, таким он является у лягушки). Глаза лягушки неподвижны, поэтому она хорошо различает только движущиеся предметы. Именно поэтому лягушка сама приближается к змее, которая постоянно выбрасывает наружу свой язык. Если змея неподвижна, лягушка не замечает ее.
В условиях изменения освещенностиясное видение обеспечивают зрачковый рефлекс, темновая и световая адаптация. Зрачок регулирует интенсивность светового потока, действующего на сетчатку, за счет изменения своего диаметра (от 1,5 до 8,0 мм). Сужение, или миоз, зрачка происходит при увеличении освещенности, а также при рассматривании близко расположенного предмета и во сне. Расширение зрачка, или мидриаз, происходит при уменьшении освещенности, а также при возбуждении рецепторов, любых афферентных нервов. Мидриаз происходит при эмоциональных реакциях напряжения, связанных с повышением тонуса симпатического отдела нервной системы (боль, гнев, страх, радость и т.д.), равно как и при психических возбуждениях (психозы, истерии и т.д.). Мидриаз наблюдается также при удушье, наркозе. Зрачковый рефлекс при изменении освещенности улучшает зрительное восприятие (в темноте зрачок расширяется, что увеличивает световой поток, падающий на сетчатку, а на свету сужается). При этом главным механизмом все же является темновая и световая адаптация.
Темновая адаптация выражается в повышении чувствительности зрительной сенсорной системы, световая адаптация — в снижении чувствительности глаза к свету. Основу механизмов световой и темновой адаптации составляют протекающие в колбочках и палочках фотохимические процессы, которые обеспечивают расщепление (на свету) и ресинтез (в темноте) фоточувствительных пигментов, а также процессы включения и выключения из деятельности рецепторных элементов сетчатки. Кроме того, в адаптации глаза участвуют некоторые процессы, происходящие в нервных элементах сетчатки. В частности, это способы подключения фоторецепторов к ганглиозным клеткам с участием горизонтальных и биполярных клеток. Отмечено, что в темноте возрастает число рецепторов, подключенных к одной биполярной клетке, и большее их число конвергирует на ганглиозную клетку. При этом расширяется рецептивное поле каждой биполярной и ганглиозной клеток, что улучшает зрительное восприятие. Снижение тонуса симпатической нервной системы уменьшает скорость темновой адаптации, а введение адреналина увеличивает ее. Раздражение ретикулярной формации ствола мозга повышает частоту импульсов в волокнах зрительных нервов. Влияние ЦНС на адаптивные процессы в сетчатке подтверждается также тем, что чувствительность неосвещенного глаза к свету изменяется при освещении другого глаза и при воздействии звуковых, обонятельных или вкусовых раздражителей.
Цветовая адаптация происходит при действии сине-фиолетового раздражителя. Красный раздражитель занимает среднее положение.
Зрительное восприятие крупных объектов и их деталейобеспечивается за счет центрального и периферического зрения (в результате изменений угла зрения). Самая тонкая оценка мелких деталей предмета обеспечивается тогда, когда изображение падает на желтое пятно, являющееся местом наилучшего видения. В области желтого пятна располагаются только колбочки, каждая из которых контактирует с малым числом нейронов, что повышает остроту зрения.
Острота зрения характеризует пространственную разрешающую способность глаза и определяется тем наименьшим углом зрения, под которым глаз способен видеть раздельно две точки. Чем меньше угол, тем лучше зрение. Нормальный глаз способен различать две светящиеся точки под углом зрения в 1 градус. Острота зрения такого глаза принимается за единицу. Острота зрения зависит от оптических свойств глаза, структурных особенностей сетчатки и работы нейрональных механизмов проводникового и центрального отделов зрительного анализатора. Определяют остроту зрения с помощью буквенных или фигурных стандартных таблиц. Крупные объекты в целом и окружающее пространство воспринимаются в основном за счет периферического зрения, обеспечивающего большое поле зрения.
Поле зрения — пространство, которое можно видеть фиксированным глазом. Различают отдельно поле зрения левого глаза и правого глаза, а также общее поле зрения двух глаз. Величина поля зрения у людей зависит от глубины положения глазного яблока и формы надбровных дуг и носа. Границы поля зрения обозначаются величиной угла, который образуется зрительной осью глаза и лучом, проведенным к крайней видимой точке через узловую точку глаза к сетчатке. Поле зрения в различных направлениях составляет: книзу — 70°, кверху — 60°, кнаружи — 90°, кнутри — 55°. Ахроматическое поле зрения больше хроматического, т.к. на периферии сетчатки нет рецепторов, воспринимающих цвет (колбочек). При этом цветное поле зрения не одинаково для различных цветов. Самое узкое поле зрения существует для зеленого и желтого цветов, более широкое – для красного цвета, еще большее – для синего цвета. Величина поля зрения изменяется в зависимости от освещенности. Ахроматическое поле зрения в сумерках увеличивается, а на свету уменьшается. Хроматическое поле зрения, напротив, на свету расширяется, а в сумерках сужается. При сумеречном зрении увеличивается количество функционирующих палочек, что приводит к расширению ахроматического поля зрения. Уменьшение количества функционирующих колбочек ведет к сужению хроматического поля зрения
Помимо всех описанных выше, зрительный анализатор имеет механизм цветового зрения, основанный на различении длины световой волны. В результате реагирования на изменения длины световой волны происходит формирование ощущения цвета. Определенной длине волны электромагнитного излучения соответствует ощущение определенного цвета. Например, ощущение красного цвета соответствует действию света с длиной волны 620—760 нм, а фиолетового — 390—450 нм. Остальные цвета спектра имеют промежуточные параметры. Смешение всех цветов дает ощущение белого цвета. В результате смешения трех основных цветов спектра (красного, зеленого, сине-фиолетового) в различных соотношениях можно получить восприятие любых других цветов. Ощущение цветов связано с освещенностью. При ее снижении сначала перестают различаться красные цвета, позднее всех — синие. Человек может различать большое количество цветов. Восприятие цвета обусловлено в основном процессами, происходящими в фоторецепторах. Наиболее признанной теорией, объясняющей механизм цветового зрения, является трехкомпонентная теория цветоощущения Ломоносова—Юнга—Гельмгольца—Лазарева. Согласно этой теории, в сетчатке глаза имеются три вида фоторецепторов — колбочек, раздельно воспринимающих красный, зеленый и сине-фиолетовые цвета. Разложение светочувствительных веществ, находящихся в колбочках, вызывает раздражение нервных окончаний. Возбуждение, дошедшее до коры большого мозга, суммируется, и возникает ощущение одного однородного цвета. Комбинации возбуждения различных колбочек приводят к ощущению различных цветов и оттенков. Равномерное возбуждение трех видов колбочек дает ощущение белого цвета.
Однако, в физиологии цветового зрения описаны факты, которые нельзя объяснить с позиции трехкомпонентной теории. Была выдвинута выдвинута теория противоположных, или контрастных, цветов – оппонентная теория цветного зрения. Автором данной теории является Эвальд Геринг. Согласно этой теории, в глазу или в мозге существуют три оппонентных процесса: один — для ощущения красного и зеленого, второй — для ощущения желтого и синего, третий (качественно отличный от двух первых процессов) — для черного и белого цветов. С помощью этой теории можно объяснить передачу информации о цвете в последующих отделах зрительной системы: ганглиозных клетках сетчатки, наружных коленчатых телах, корковых центрах зрения. Полагают, что процессы в колбочках более соответствуют трехкомпонентной теории цветоощущения, тогда как для нейронных сетей сетчатки и вышележащих зрительных центров подходит теория контрастных цветов Э. Геринга.
Встречается нарушение цветового восприятия, которое может проявляться в виде частичной или полной цветовой слепоты и называется дальтонизмом. Людей, вообще не различающих цвета, называют ахроматами.Частичная цветовая слепота регистрируется у 8 —10 % мужчин и 0,5 % женщин. Полагают, что дальтонизм связан с отсутствием у мужчин определенных генов в половой непарной Х-хромосоме. Различают три вида частичной цветослепоты: протанопия, дейтеранопия и тританопия. Протанопия — слепота в основном на красный цвет. Этот вид цветослепоты впервые был описан в 1794 г. физиком Дж. Дальтоном, у которого наблюдался этот вид аномалии. Людей с таким видом аномалии называют «краснослепыми», или протанопами. Дейтеранопия — понижение восприятия зеленого цвета. Таких людей называют «зеленослепыми», или дейтеранопами. Тританопия встречается редко. При этом люди не воспринимают синий и фиолетовый цвета, их называют «фиолетовослепыми», или тританопами.
Трехкомпонентная теория цветового зрения объясняет каждый из видов нарушения цветовосприятия отсутствием одного из трех колбочковых цветовоспринимающих субстратов. Для диагностики расстройства цветоощущения пользуются цветными таблицами Е. Б. Рабкина, а также специальными приборами (аномалоскопами). Выявление различных аномалий цветового зрения имеет большое значение при определении профессиональной пригодности человека для различных видов работ (шофера, летчика, художника и др.).
Способность к цветоощущению очень важна для человека, т.к. она влияет на его эмоциональную сферу и деятельность различных систем организма. Красный цвет вызывает ощущение тепла, действует возбуждающе на психику, усиливает эмоции, но быстро утомляет, приводит к напряжению мышц, повышению артериального давления, учащению дыхания. Оранжевый цвет вызывает чувство веселья и благополучия, способствует пищеварению. Желтый цвет создает хорошее, приподнятое настроение, стимулирует зрение и нервную систему. Зеленый цвет действует освежающе и успокаивающе, полезен при бессоннице, переутомлении, понижает артериальное давление, общий тонус организма и является самым благоприятным для человека (именно поэтому лучший отдых связан с пребыванием на природе). Голубой цвет вызывает ощущение прохлады и действует на нервную систему успокаивающе, причем сильнее зеленого. Особенно благоприятен голубой цвет для людей с повышенной нервной возбудимостью. Он понижает артериальное давление и тонус мышц. Фиолетовый цвет не столько успокаивает, сколько расслабляет психику.
Зрительные ощущения могут продолжаться и после того, как прекратилось раздражение. Это явление получило название последовательных образов.Зрительные контрасты — это измененное восприятие раздражителя в зависимости от окружающего светового или цветовогофона. Существуют понятия светового и цветового зрительных контрастов. Явление контраста может проявляться в преувеличении действительной разницы между двумя одновременными или последовательными ощущениями, поэтому различают одновременные и последовательные контрасты. Примером одновременного светового контраста является следующий эксперимент: серая полоса на белом фонекажется темнее такой же полосы, расположенной на темном фоне. Если рассматривать серый цвет на красном фоне, то он кажется зеленоватым, а если рассматривать его на синем фоне, то он приобретает желтый оттенок. Это – явление одновременного цветового контраста. Последовательный цветовой контрастзаключается в изменении цветового ощущения при переводе взгляда на белый фон. Например, если долго смотреть на красную поверхность, а затем перевести взор на белую, то она приобретает зеленоватый оттенок. Причиной зрительного контраста являются процессы, которые осуществляются в фоторецепторном и нейрональном аппаратах сетчатки. Основу составляет взаимное торможение клеток, относящихся к разным рецептивным полям сетчатки и их проекциям в корковом отделе сенсорных систем.