Gli occhi ci aiutano a vedere il mondo che ci circonda, ma come funziona la visione umana? L'articolo ti insegnerà a distinguere visione centrale dalla periferia, parla della struttura organi lacrimali E . Imparerai molto sulla resa cromatica, capirai che gli occhi dei bambini in età prescolare e degli anziani presentano una serie di differenze. Cos'è la retina, il punto cieco e? Le risposte sono qui sotto.

Com'è l'occhio umano?

Per percepire l'ambiente, l'occhio è sintonizzato i raggi del sole. La portata ottica dipende dai raggi incidenti sulla cornea: passano attraverso la camera anteriore dell'organo. La luce si fa strada attraverso il cristallino, il corpo vitreo e la retina, dove vengono elaborate le immagini in arrivo. Il fluido intraoculare nutre il cristallino circolando tra le due camere oculari. Il cervello percepisce le informazioni già pronte che arrivano attraverso il nervo ottico. L'occhio dominante vede l'immagine più chiaramente: responsabile di ciò è la macchia gialla situata al centro della retina.

Affinché la vista di una persona non si indebolisca, è necessaria una costante "pulizia". Il ruolo dei detergenti, che sono filtri lacrimali, è svolto dalle ciglia. Le palpebre proteggono l'organo di senso dai danni. La congiuntiva ricopre la superficie interna delle palpebre e della sclera. La definizione scientifica dice che la congiuntiva è la mucosa che impedisce l'ingresso del corpi stranieri. La secrezione del liquido lacrimale funge da reazione protettiva.

Un fatto ben noto in psicologia è che una persona nasce con occhi insufficientemente sviluppati. Questo organo di senso si forma finalmente nei bambini di nove mesi.

Le caratteristiche della percezione visiva sono tali che osserviamo non l'oggetto stesso, ma la luce riflessa dalla sua superficie. La rifrazione della luce è chiamata rifrazione. Dopo che la luce è stata proiettata sulla retina, ecco cosa succede:

1. la luce viene convertita in elettricità;
2. si forma un segnale chimico;
3. questo segnale entra nel nervo ottico;
4. il cervello riceve informazioni.

La struttura del bulbo oculare

Il nostro organo di senso è estremamente sensibile alla luce. Forza ed elasticità sono le principali caratteristiche dell'occhio. Nei neonati, nei bambini in età prescolare e negli anziani, la visione dei colori (e la sua nitidezza) differisce in modo significativo. Non si tratta solo della struttura, ma anche delle fasi di sviluppo che superiamo nella nostra vita. Ma ne parleremo più avanti. Quindi, il bulbo oculare è costituito da:

• corpo vitreo;
• congiuntiva;
• cornea;
• lente;
• allievo
• camera interna;
• canale intraoculare.

La mela stessa è posta in un imbuto osseo, che ha una funzione protettiva. L'imbuto è chiamato cavità oculare. L'organo di senso è avvolto da tessuto adiposo, muscolare e fibroso. La mela è circondata da sclera, retina, coroide, muscoli, legamenti e vasi sanguigni. Le caratteristiche della percezione visiva dipendono dallo stato di tutti questi organi.

visione centrale

Nei bambini in età prescolare e negli adulti, la visione centrale gioca un ruolo di primo piano. La fovea centrale è responsabile delle forme, quindi distinguiamo i dettagli fini e i contorni degli oggetti. La visione dei colori non ha alcun ruolo qui, la caratteristica principale è la nitidezza.

La nitidezza dipende direttamente dall'angolo di percezione. Più ampio è l'angolo, minore è la nitidezza.

I punti spaziali in psicologia sono importanti. Considerando le caratteristiche della visione dalla posizione degli angoli e delle gamme, è possibile identificare varie patologie. L'occhio umano principale fornisce una buona visione, ma la percezione binoculare della realtà è considerata ideale.

visione periferica

La visione a colori del piano periferico è associata all'orientamento spaziale di una persona. Determinare la propria posizione è possibile grazie al campo visivo. Le cose si trovano all'interno del sistema di coordinate che il nostro cervello è in grado di costruire.

Le caratteristiche della percezione visiva non ci consentono di vedere chiaramente tutti gli oggetti che ci circondano nello spazio, ma allo stesso tempo fissiamo la loro posizione. Se la percezione periferica scompare, il campo ottico si restringe drasticamente e non possiamo navigare liberamente nell'ambiente. Questo non accade spesso, ma a volte accade. Pertanto, i medici hanno sviluppato una serie di test per verificare la percezione periferica del mondo e identificare le patologie.

Percezione del colore

La visione umana dei colori è così perfetta che i nostri occhi sono in grado di percepire circa 150mila toni e sfumature. La determinazione del colore avviene grazie ai coni, speciali cellule sensibili alla luce localizzate nel cervello umano. I bastoncini ci aiutano a vedere di notte.

Ciascuno dei tre tipi di coni è quindi "responsabile" della sua parte dello spettro visione dei colori eterogeneo. Il primo tipo di coni è più suscettibile alle parti blu dello spettro, il secondo al verde, il terzo è specializzato nelle sfumature del rosso. In psicologia, un ruolo significativo è svolto da un'adeguata percezione dei colori. Ciò è particolarmente vero per i bambini in età prescolare.

Visione maschile e femminile

Negli uomini e nelle donne, il dominante tipi diversi visione. Le ragazze distinguono più sfumature e colori, ma gli uomini si concentrano meglio sui singoli oggetti. Negli uomini, lo sviluppo della percezione visiva tende a tipo centrale, nelle donne - alla periferia.

Tali differenze sono dovute sviluppo storico la nostra società. Nei tempi antichi, gli uomini erano cacciatori e le donne si prendevano cura della casa. Pertanto, l'occhio principale del maschio deve rintracciare e colpire la preda a distanza. Il compito storico di una donna è monitorare i cambiamenti nell'ambiente e rispondere rapidamente ad essi. Ad esempio, uccidi un serpente che è entrato in una grotta.

Al buio, la visione dei colori delle donne è più efficace. L'ampiezza della vista aiuta le ragazze a catturare più piccoli dettagli. Ma gli uomini sono bravi a seguire gli oggetti in movimento. A distanza ravvicinata, anche le donne si sentono più sicure degli uomini.

Come cambia la visione nel corso degli anni

La gravità varia con l'età. Lo sviluppo della percezione visiva può richiedere fino a 15 anni della nostra vita. In un bambino di quattro mesi, il parametro dell'acuità è 0,06, in un bambino di un anno - un massimo di 0,3 della norma. La percezione del mondo al cento per cento la raggiungiamo all'età di cinque anni, a volte all'età di quindici anni.

L'avvicinarsi della vecchiaia significa un deterioramento dell'acuità visiva. I muscoli si indeboliscono, le dimensioni delle pupille diminuiscono. Da qui la scarsa percezione del flusso luminoso. Gli anziani hanno bisogno di più luce dei giovani. I cambiamenti di luminosità sono dolorosi, i colori vengono riconosciuti peggio, il contrasto dell'immagine si riduce.

All'età di 65 anni, la visione periferica dei colori si deteriora drasticamente. Il campo di percezione delle immagini è ristretto, la vista laterale è sfocata. Non c'è niente da fare: tutti gli organi umani sono soggetti ai meccanismi dell'invecchiamento.

Come vengono determinati gli occhi principali?

Le caratteristiche funzionali della visione umana ci permettono di affermare che i nostri occhi vedono il mondo in modi diversi. L'occhio dominante percepisce la realtà meglio dell'occhio guidato, e questo vale soprattutto per chi porta lenti a contatto. In caso di immobilità dell'asse visivo, l'occhio che guida mira meglio all'immagine - ciò è dovuto al fenomeno dell'accomodamento. Quando l'oggetto è “fissato” in modo sicuro, l'occhio guidato è collegato al processo.

Per scoprire quale bulbo oculare è il tuo leader, puoi condurre un esperimento con un foglio di carta. Avrai bisogno di forbici, un foglio e un oggetto per l'osservazione. La procedura è la seguente:

1. viene tagliato un piccolo foro nella carta;
2. il lenzuolo si tiene davanti agli occhi ad una distanza di circa 30 centimetri;
3. l'oggetto viene fissato con gli occhi attraverso il foro praticato;
4. occhi alternativamente chiusi;
5. se l'oggetto continua ad essere osservato davanti a un occhio (destro o sinistro) dopo aver chiuso la palpebra, il bulbo oculare è considerato quello principale.

Secondo gli psicologi, nel 30% della popolazione mondiale l'occhio principale è l'occhio sinistro.

Questa caratteristica indica una scarsa salute psicosociale. Queste persone sono eccessivamente emotive, non sopportano la lotta per importanti posizioni amministrative. Come puoi vedere, la percezione umana del mondo è influenzata da molti fattori: età, psicosociale e persino sesso. Allenamenti e nutrizione appropriata aiuterà a rallentare l'indebolimento degli occhi, ma in generale questo processo è inevitabile.

3-11-2013, 19:05

Descrizione

introduzione

Il sistema visivo umano ha raggiunto la massima perfezione. Gli scienziati che lavorano su sistemi elettronici o chimici con caratteristiche comparabili possono solo ammirarne la sensibilità, la compattezza, la durata, l'alto grado di riproducibilità e la graziosa adattabilità alle esigenze. corpo umano. In tutta onestà, va ovviamente notato che i tentativi di creare sono appropriati sistemi artificiali furono iniziati meno di un secolo fa, mentre il sistema visivo umano si formò nel corso di milioni di anni. È nato da un certo insieme "cosmico" di elementi: selezionati, selezionati e selezionati finché non sono caduti buona combinazione. Poche persone dubitano che l'evoluzione umana sia stata di natura “cieca”, probabilistica, ed è assolutamente impossibile seguirla passo dopo passo. I costi dell’evoluzione sono caduti da tempo nel dimenticatoio, senza lasciare traccia.

La visione occupa un posto quasi unico nello schema dell'evoluzione. Si può presumere, ad esempio, che un ulteriore sviluppo evolutivo porterà ad un aumento del volume del cervello, a una complicazione del sistema nervoso o a diversi miglioramenti nelle funzioni esistenti. Tuttavia, è impossibile immaginare che la sensibilità del processo visivo aumenterà notevolmente. Il processo visivo rappresenta la tappa finale assoluta nella catena dell'evoluzione. Se si tiene conto del fatto che ogni fotone assorbito viene "contato" nel processo visivo, allora un ulteriore aumento della sensibilità è improbabile a meno che non aumenti l'assorbimento. Le leggi della fisica quantistica stabiliscono un limite rigido al quale il nostro sistema visivo si è avvicinato.

Abbiamo fatto la riserva che la visione occupa un posto quasi unico, poiché secondo alcuni dati anche altri processi percettivi hanno raggiunto un limite assoluto nella loro evoluzione. La capacità di un numero di insetti (ad esempio le falene) di "rilevare" singole molecole è la prova che l'olfatto in altri casi ha raggiunto il limite quantico. Allo stesso modo, il nostro udito è limitato al limite dal rumore termico dell’ambiente.

L'elevata sensibilità del processo visivo non è un privilegio solo di una persona. È evidente che qui specie animali meno avanzate e uccelli notturni hanno raggiunto un livello simile. A quanto pare, anche i pesci che vivono nelle oscure profondità dell'oceano devono sfruttare al limite le scarse informazioni che penetrano in loro con raggi di luce casuali. Infine, possiamo indicare la fotosintesi come prova di ciò varie forme La vita vegetale ha imparato da tempo a utilizzare quasi tutti i fotoni incidenti, almeno all'interno di una certa regione spettrale.

L’obiettivo principale di questo capitolo è dimostrare l’elevata efficienza quantistica dell’occhio umano su un’ampia gamma di intensità luminose. Per esprimere i dati iniziali sulla visione umana in termini di densità di fotoni per unità di area della retina, è necessario conoscere i parametri ottici dell'occhio umano. Li esamineremo nella sezione successiva.

Parametri ottici

Nella fig. 10 mostra la struttura dell'occhio umano.

L'apertura della pupilla della lente varia da 2 mm in condizioni di forte illuminazione a circa 8 mm vicino alla soglia della percezione visiva. Questi cambiamenti avvengono nell'ordine dei decimi di secondo. La lunghezza focale dell'obiettivo è di 16 mm. Ciò significa che il rapporto di apertura del sistema ottico varia da 1:2 con scarsa illuminazione a 1:8 con illuminazione elevata. Una dipendenza approssimativa dell'area della pupilla dal livello di illuminazione è mostrata in Fig. undici.

Lo strato sensibile alla luce, chiamato retina, è costituito da cellule, bastoncelli e coni sensibili alla luce, distanziati di circa 2 micron. L'intera retina, la cui area è pari a circa 10 cm 2, contiene 10 8 tali elementi. I coni, situati prevalentemente nella regione della fovea, che ha una dimensione angolare di circa 1°, lavorano ad illuminazione media ed elevata e trasmettono sensazioni di colore. bastoni che tengono maggior parte aree della retina, operano fino alla minima illuminazione e non hanno sensibilità al colore. I coni determinano il limite di risoluzione ad alti livelli di luce, che è 1-2 ", che è vicino alla dimensione di un disco di diffrazione corrispondente al diametro della pupilla di una lente di 2 mm. Lo studio del lavoro dell'occhio e lo studio anatomico dell'occhio la sua struttura mostra che man mano che ci si allontana dal centro della retina i bastoncelli si combinano in gruppi sempre più grandi fino a diverse migliaia di elementi ciascuno. La luce che entra nella retina passa attraverso uno strato di fibre nervose che si irradiano dal nervo ottico alle cellule della retina.

Lo spazio tra il cristallino e la retina è riempito con un mezzo acquoso, il cosiddetto corpo vitreo, che ha un indice di rifrazione pari a 1,5. Secondo diverse stime solo la metà della luce incidente sull’occhio raggiunge la retina. Il resto della luce viene riflesso o assorbito.

tempo fisico l'accumulo di fotoni da parte dell'occhio è compreso tra 0,1 e 0,2 s ed è probabilmente più vicino all'ultima cifra. Il tempo di accumulo fisico equivale al tempo di esposizione in fotografia. Nel passaggio dall'elevata illuminazione alla soglia della percezione visiva, il tempo di accumulo aumenta di non più di due volte. Il "lavoro" dell'occhio obbedisce alla legge dell'intercambiabilità: con un tempo di esposizione inferiore a 0,1-0,2 s, la sua reazione dipende solo dal prodotto dell'intensità della luce e del tempo di esposizione di quest'ultimo.

Indicatori qualitativi Negli ultimi cento anni si è assistito ad un continuo accumulo di dati riguardanti la visione umana. Blackwell ha pubblicato le misurazioni più recenti e più complete della capacità dell'occhio di distinguere tra singoli punti di varia dimensione e contrasto in ampie variazioni di illuminazione. Nella fig. La Figura 12 mostra i dati di Blzkusll per intervalli di illuminazione di 10-9 - 10-1 lambs, contrasto 1 - 100% e risoluzione angolare 3-100". che le caratteristiche dell'occhio in quest'area sono limitate non da fattori di rumore, ma da altri motivi; questi ultimi fissano un limite assoluto di distinguibilità del contrasto pari a 0,5%, e la risoluzione angolare di 1-2". Il limite geometrico della risoluzione è determinato dalla dimensione finale dei bastoncelli e dei coni. 13 presenta dati simili ottenuti in precedenza da Conner e Ganung (1935), e anche da Cobb e Moss (1928). Come si può vedere, i dati riportati in Fig. 12 e 13 sono in generale d'accordo tra loro. Tuttavia, la differenza essenziale è che, secondo i dati di Blackwell, le prestazioni non migliorano quando la luminosità cambia all'interno di 10-2-10-1 agnelli, mentre, secondo Cobb e Moss, tale miglioramento avviene. le linee che vanno sotto un angolo di 45°, sono le caratteristiche che ci si aspetterebbe se le proprietà del sistema fossero limitate dal rumore, secondo la relazione (1.2). Nella fig. I punti sperimentali in Fig. 13 si adattano piuttosto bene alle linee rette corrispondenti ai limiti di rumore e che formano un angolo di 45°. Nella fig. 12, le curve sperimentali hanno la forma di linee curve che toccano le rette indicate solo in aree limitate. Tali deviazioni possono apparentemente essere spiegate dall'influenza di limitazioni non legate al rumore fotonico. Efficienza quantistica della visione umana

Per stimare l'efficienza quantistica dell'occhio, i dati presentati nelle Figg. 12 e 13 dovrebbero essere espressi in termini di numero di fotoni incidenti su 1 cm2 di retina. Per fare ciò, assumiamo che il tempo di accumulo sia 0,2 s, la trasmissione della lente sia 0,5 e i limiti pupillari siano determinati dai dati Reeve presentati in Fig. 11. Dopo aver effettuato questa trasformazione, sostituiamo la densità dei fotoni nel rapporto (1.3) , scritto nel modulo

C2*d2*?*n=k2=25 ,

Dove? - resa quantica dell'occhio (efficienza quantica? 100*?%) - Soglia del rapporto segnale/rumore Kè considerato uguale a 5.

Nella fig. 14 mostra la dipendenza dell'efficienza quantistica dell'occhio (calcolata dai dati di Blackwell) dalla luminosità degli oggetti. Ciò che più colpisce in questi risultati è il cambiamento relativamente piccolo nell’efficienza quantistica quando l’intensità della luce cambia di 8 ordini di grandezza. L'efficienza quantica è del 3% a luminosità estremamente basse, vicine alla soglia assoluta (circa 10 -10 agnello) e diminuisce lentamente a circa lo 0,5% a 0,1 agnello.

Naturalmente, questo è un cambiamento di dieci volte in termini di efficienza. Tuttavia, va ricordato che nei primi lavori, per spiegare il fenomeno mediante adattamento all'oscurità in questi casi, si assumeva un cambiamento di 1000 o 10.000 volte nell'efficienza quantistica. (Discuteremo questo problema più dettagliatamente più avanti.) Inoltre, anche questo cambiamento di 10 volte potrebbe in realtà essere grossolanamente sovrastimato. Nel calcolare l'efficienza quantistica, abbiamo assunto il tempo di esposizione e il moltiplicatore K sono costanti, ma, secondo alcuni dati, con scarsa illuminazione il tempo di esposizione può essere doppio rispetto ad alta illuminazione. Se è così, allora l’efficienza quantistica cambia solo di un fattore cinque. Inoltre, è possibile che il moltiplicatore K meno con illuminazione scarsa che con illuminazione elevata. Un tale cambiamento K(più precisamente, k2) può facilmente portare alla comparsa di un altro fattore 2, di conseguenza risulta che l'efficienza quantistica cambia solo di un fattore 2 quando l'intensità della luce cambia di 10 8 una volta.

Secondo punto importante, che va notato analizzando la Fig. 14 è un’efficienza quantistica relativamente grande.

Secondo le stime disponibili in letteratura, la sostanza sensibile della retina (rodopsina) assorbe solo il 10% della luce incidente. Se è così, allora l’efficienza quantica (per la luce bianca) rispetto alla luce assorbita è di circa il 60% a bassi illuminamenti. Pertanto, rimane pochissimo spazio per miglioramenti nel meccanismo stesso di conteggio dei fotoni.
Tuttavia, è difficile capire quale sia la ragione di un assorbimento così basso (solo il 10%) della luce incidente, che si è formata nel processo di evoluzione. È possibile che la ragione di ciò sia stata la scelta limitata di materiali biologici.

Una certa diminuzione dell'efficienza quantistica ad alta illuminazione può essere attribuita ai requisiti specifici che si applicano a un sistema in grado di distinguere i colori. Se, come mostrano dati recenti, esistono 3 tipi di coni con caratteristiche spettrali diverse, allora l'area sensibile alla luce con una determinata lunghezza d'onda viene dimezzata ad alta illuminazione.

I valori di efficienza quantistica riportati nelle Figg. 14 della curva inferiore si riferiscono alla luce bianca. È noto che la risposta visiva alla luce verde è circa tre volte superiore rispetto allo stesso numero totale di fotoni "bianchi", cioè fotoni distribuiti nello spettro visibile. L’uso della luce verde (o verde-blu a bassa illuminazione) dovrebbe portare ad un triplo aumento dell’efficienza quantistica, come mostrato in Fig. 14. In tal caso, l'efficienza quantistica a bassa illuminazione sarebbe circa il 10% e dovremmo supporre che la retina assorba non il 10%, ma almeno il 20% della luce incidente.

Va sottolineato ancora una volta che le efficienze quantistiche mostrate nelle Figg. 14 dipendono dalla scelta dei parametri: tempo di accumulo (0,2 s) e soglia del rapporto segnale-rumore ( K= 5). I valori di questi parametri non sono definiti con sufficiente precisione, soprattutto per i dati di Blackwell.

È possibile che i corrispondenti perfezionamenti portino a valori più elevati dell’efficienza quantistica. Ad esempio, se assumiamo che il tempo di accumulo sia 0,1 s, le efficienze quantistiche saranno due volte più grandi di quelle mostrate in Fig. 14. Tuttavia, difficilmente dovrebbero essere spesi sforzi per affinare questi parametri; Non sarebbe meglio sviluppare una tecnica sperimentale migliorata per misurare l'efficienza quantistica che non dipenda da questi parametri?

Metodo preferito per determinare l'efficienza quantistica

Attualmente c'è solo tecnica semplice una determinazione abbastanza affidabile dell'efficienza quantistica dell'occhio. Una telecamera con amplificatore al silicio di nuova concezione è in grado di trasmettere immagini a bassi livelli di illuminazione, quando queste immagini sono chiaramente limitate dal rumore, più precisamente dal rumore dovuto a parte dei fotoni incidenti che i fotoelettroni producono sul fotocatodo.

È importante che tali immagini, limitate solo dai rumori, permettano di determinare in modo affidabile l'efficienza quantistica del fotocatodo. Il procedimento è che l'osservatore e la telecamera "guardano" lo stesso oggetto poco illuminato dalla stessa distanza. L'apertura dell'ottica della fotocamera è impostata in base all'apertura della pupilla dell'occhio dell'osservatore. Quindi l'osservatore confronta l'oggetto poco illuminato a lui direttamente visibile con l'immagine sul cinescopio del sistema televisivo. Se l'informazione è la stessa, l'efficienza quantistica dell'occhio dell'osservatore è uguale all'efficienza misurata del fotocatodo del tubo trasmittente. Se l'osservatore vede più o meno della fotocamera, l'apertura viene regolata finché la differenza non scompare, dopodiché l'efficienza quantica dell'occhio dell'osservatore viene calcolata dal rapporto delle aperture delle lenti.

Il vantaggio principale del metodo di confronto affiancato è che non dipende dal tempo di esposizione visiva o dalla scelta del rapporto segnale/rumore di soglia appropriato. Questi parametri, qualunque sia il loro valore esatto, rimangono sostanzialmente gli stessi quando l'osservatore vede l'oggetto stesso e la sua immagine sullo schermo televisivo, pertanto sono esclusi dal confronto. Inoltre, l'effetto della memoria su tempo effettivo l'esposizione in questi due casi, a quanto pare, sarà la stessa.

Abbiamo optato per questo metodo perché ora è facilmente accessibile agli sperimentatori esperti nello studio del processo visivo. Vari dispositivi adatti al confronto sono stati utilizzati sia dall'autore di questo libro che da altri ricercatori per stime preliminari dell'efficienza quantistica a bassa illuminazione. In uno degli esperimenti è stato utilizzato un dispositivo per la scansione con un punto luminoso mobile (Fig. 15); J. E. Rudy ha utilizzato il superorthicon con un intensificatore di immagine e T. D. Reinolde ha utilizzato un intensificatore di immagine multistadio. Tutti questi dispositivi producevano immagini limitate dal rumore fotonico e in tutti i casi l'efficienza quantistica era stimata intorno al 10% per bassi livelli di luce.

Una serie di immagini presentate in fig. 15, mostra quale importo massimo l'informazione può essere trasmessa da un diverso numero di fotoni. Ogni fotone è registrato come discreto punto visibile. Le informazioni che riceviamo sono limitate solo dalle fluttuazioni statistiche, che inevitabilmente si manifestano quando si registra un flusso di fotoni. La tabella riporta il numero totale di fotoni N. che sarebbero contenuti nell'immagine se questa fosse tutta illuminata uniformemente con un'intensità corrispondente alle sue zone più luminose.

Le luminanze riportate nella tabella sono calcolate presupponendo che l'occhio utilizzi un fotone incidente su dieci. Nel calcolo sono stati presi in considerazione altri parametri: tempo di accumulo - 0,2 s, diametro della pupilla - circa 6 mm. In altre parole, se sostituiamo l'oggetto con un foglio bianco con la luminosità specificata, calcoliamo il numero di fotoni che entrano nell'occhio in 0,2 s e dividiamo questo numero per 10, otterremo come risultato il numero di fotoni N corrispondente a questo valore di luminosità. Pertanto, la serie di immagini sopra mostra qual è la quantità massima di informazioni che un osservatore può effettivamente percepire alle luminosità indicate, se l'efficienza quantistica del suo processo visivo è del 10% e la distanza dall'oggetto all'osservatore è di 120 cm .

Confronto di diverse stime dell'efficienza quantistica

Più di un secolo fa, si è saputo che alla soglia assoluta della visibilità è appena distinguibile un lampo proveniente da una piccola sorgente, in cui circa 100 fotoni colpiscono l'occhio. Pertanto, è stato stabilito il limite inferiore dell'efficienza quantistica, che è circa l'1%. Diversi gruppi di ricerca hanno poi condotto una serie di esperimenti per scoprire quanti di quei 100 fotoni fossero effettivamente utilizzati dall'occhio. Se, ad esempio, l'occhio utilizzasse tutti i 100 fotoni, la transizione dalla non visione alla visione sarebbe piuttosto netta e si verificherebbe quando il flusso di fotoni aumentasse a 100. Se l'occhio utilizzasse solo pochi fotoni, la transizione sarebbe sfocato a causa della natura caotica dell'emissione di fotoni. Pertanto, la nitidezza della transizione può servire come misura del numero di fotoni utilizzati e quindi dell’efficienza quantistica dell’occhio.

L'idea di un simile esperimento non era priva di una certa semplicità ed eleganza. Sfortunatamente, come risultato di tali esperimenti, si è scoperto che il numero di fotoni utilizzati dall'occhio durante la percezione della soglia varia in un ampio intervallo da 2 a 50. Pertanto, la questione dell'efficienza quantistica è rimasta aperta. La dispersione dei risultati ottenuti non sembra sorprendere l'ingegnere specialista nel campo dell'elettronica o della fisica. Le misurazioni sono state effettuate vicino alla soglia di visibilità assoluta, quando il rumore proveniente da fonti estranee all'interno dell'occhio stesso si mescola facilmente con il rumore del flusso di fotoni. Ad esempio, se si effettuassero misurazioni simili con un fotomoltiplicatore, tale diffusione sarebbe dovuta all'influenza del rumore associato all'emissione termoionica dal fotocatodo o ad una rottura elettrica casuale che si verifica tra gli elettrodi. Tutto ciò è vero per misurazioni prossime alla soglia assoluta. Se, d'altra parte, il rapporto segnale-rumore viene misurato ad un'illuminazione molto superiore alla soglia, quando il rumore dei fotoni supera il rumore associato a sorgenti estranee, tale procedura fornisce un valore affidabile dell'efficienza quantistica. Ecco perché i risultati delle misurazioni dell'efficienza quantistica visiva, eseguite con illuminazioni significativamente superiori alla soglia visiva assoluta, sono più affidabili.

R. Clarke Jones ha analizzato gli stessi dati sulla base dei quali è stata ottenuta la curva di efficienza quantistica presentata in Fig. 1. 14. I rendimenti da lui determinati sono, in generale, circa dieci volte inferiori a quelli mostrati in fig. 14; nei calcoli è partito da un tempo di accumulo più breve (0,1 s) e da un valore molto più piccolo K (1,2) . Jones ritiene che, poiché l'osservatore deve scegliere solo una delle otto possibili posizioni dell'oggetto di prova, allora tale valore K fornisce un'affidabilità del 50%. Quantitativamente questa affermazione è, ovviamente, corretta.

La domanda principale è se gli osservatori traggano effettivamente le loro conclusioni su ciò che vedono in questo modo. Se passiamo alla fig. 4a, lo troviamo K= 1,2 significa che l'osservatore può notare da quale degli otto possibili siti l'operatore ha rimosso uno o due fotoni. Un semplice esame della Fig. 4a mostra che ciò non è possibile. Domande come queste evidenziano la necessità di sviluppare un metodo di misurazione che eviti le ambiguità associate alla scelta dei valori giusti. K o tempo di accumulo. Il metodo di confronto affiancato tra l'occhio umano e un dispositivo elettronico limitato dal rumore fotonico, descritto sopra, è proprio una procedura di questo tipo e merita la più ampia applicazione possibile.

Nelle sue prime stime dell'efficienza quantistica visiva, De Vries procedeva anche dalla quantità K= 1, e i suoi risultati erano significativamente inferiori ai valori mostrati nelle Figg. 14. De Vries, tuttavia, fu uno dei primi a sottolineare che il potere risolutivo osservato dell'occhio e la sua sensibilità al contrasto possono essere spiegati dal rumore fotonico. Inoltre, come l'autore di questo libro, ha attirato l'attenzione sul fatto che la natura fluttuante e granulosa delle immagini ottenute in condizioni di scarsa illuminazione è la prova della discrezione della luce.

Barlow ha ampiamente evitato polemiche nella selezione K misurando con due punti luce di prova adiacenti. L'obiettivo dell'ITS era stabilire quale punto fosse più luminoso, variando le relative intensità dei punti. Come mostrato analisi statistica risultati, effettuati partendo dal presupposto che la capacità di distinguere la luminosità è limitata dal rumore fotonico, i valori dell'efficienza quantistica dell'occhio rientrano nell'intervallo del 5-10% con una variazione di luminosità fino a un valore 100 volte superiore alla soglia visiva assoluta. Barlow fa riferimento al lavoro di Baumgardt e Hecht, i quali, dall'analisi della curva di probabilità di rivelazione in prossimità della soglia assoluta, ottennero un'efficienza quantistica prossima al 7%.

Riassumendo, possiamo dire che la maggior parte dei ricercatori ritiene che l'efficienza quantistica dell'occhio umano sia nell'ordine del 5-10% quando l'intensità della luce passa dalla soglia assoluta ad un valore 100 volte maggiore. Questa efficienza è determinata per lunghezze d'onda prossime al massimo della curva di sensibilità dell'occhio (zona verde-blu) e si riferisce alla luce incidente sulla cornea dell'occhio. Se assumiamo che solo la metà di questa luce raggiunga la retina, l'efficienza sulla retina sarà del 10-20%. Poiché secondo le stime disponibili anche la percentuale di luce assorbita dalla retina rientra in questi limiti, l'efficienza dell'occhio, rapportata alla luce assorbita, è prossima al 100%. In altre parole, l'occhio è in grado di contare ogni fotone assorbito.

I dati mostrati in fig. 14 evidenziano un'altra circostanza molto significativa: nella regione dalla soglia di sensibilità assoluta a 0,1 lamb, cioè quando l'intensità cambia di un fattore 10, l'efficienza quantistica diminuisce di non più di un fattore 10. In futuro, potrebbe risultare che questo fattore non superi 2-3. Così l'occhio sostiene alto livello efficienza quantica quando si modifica l'intensità della luce 10 8 una volta! Usiamo questa conclusione per interpretare il fenomeno dell'adattamento al buio e la comparsa del rumore visivo.

Adattamento oscuro

Uno degli aspetti più famosi e allo stesso tempo sorprendenti del processo visivo è adattamento oscuro. Una persona che entra in un auditorium buio con una strada cittadina inondata di luce risulta essere letteralmente cieca per diversi secondi o addirittura minuti. Poi gradualmente comincia a vedere sempre di più, e in mezz'ora si abitua completamente all'oscurità. Ora può vedere oggetti più di mille volte più scuri di quelli che prima riusciva a malapena a vedere.

Questi fatti indicano che nel processo di adattamento all'oscurità, la sensibilità dell'occhio aumenta più di mille volte. Osservazioni come queste spingono i ricercatori alla ricerca di un meccanismo o di un modello chimico che possa spiegare questi drammatici cambiamenti nella sensibilità. Hecht, ad esempio, prestò particolare attenzione al fenomeno dello sbiadimento reversibile del materiale sensibile della retina, il cosiddetto viola visivo. Ha sostenuto che a bassi illuminamenti, il viola visivo è completamente inalterato e quindi ha il massimo assorbimento. Con l'aumentare dell'illuminazione, diventa sempre più scolorito e, di conseguenza, assorbe sempre meno luce incidente. Si credeva così a lungo l'adattamento all'oscurità è dovuto alla lunga durata del processo di ripristino dell'elevata densità del viola visivo. In questo modo l'occhio ritrova la sua sensibilità.

Tuttavia, tali conclusioni contraddicono i risultati dell’analisi del rumore della sensibilità dell’occhio, che ha dimostrato che la sensibilità intrinseca dell’occhio non può cambiare più di 10 volte durante il passaggio dall’oscurità alla luce intensa. Il vantaggio del metodo di analisi del rumore è che i suoi risultati non dipendono da specifici modelli fisici o chimici del processo visivo stesso. La sensibilità è stata misurata su scala assoluta, mentre sono state postulate solo la natura quantistica della luce e la natura caotica della distribuzione dei fotoni.

Come spiegare allora l'aumento mille volte e ancora maggiore della capacità di vedere, osservato nel processo di adattamento all'oscurità? Esisteva una certa analogia tra questo processo e il funzionamento di dispositivi come ricevitori radiofonici e televisivi. Se, quando si sintonizza il ricevitore da una stazione forte a una debole, il suono è quasi impercettibile, l'ascoltatore prende la manopola di controllo del volume e porta il livello sonoro della stazione debole a un livello confortevole. È fondamentale che la sensibilità del ricevitore radio rimanga costante sia quando si passa da una stazione forte ad una debole, sia quando si regola il volume. È determinato solo dalle caratteristiche dell'antenna e del primo tubo dell'amplificatore. Il processo di "ruotare la manopola del volume" non cambia la sensibilità del ricevitore, ma solo il "livello di presentazione" per l'ascoltatore. L'intera operazione di sintonizzazione da una stazione forte a una debole, inclusa la durata del processo di regolazione del volume, è del tutto analoga al lunghissimo processo di adattamento visivo al buio.

Durante l'adattamento al buio, il fattore di amplificazione dell'"amplificatore" aumenta a causa delle reazioni chimiche fino al "livello di prestazione" desiderato. La sensibilità intrinseca dell'occhio rimane pressoché costante durante il periodo di adattamento al buio. Non abbiamo altra scelta che supporre che nel processo visivo sia coinvolto un qualche tipo di amplificatore, che agisce tra la retina e il cervello, e che il suo guadagno vari a seconda dell'illuminazione: ad alta illuminazione è piccolo, mentre a bassa illuminazione è piccolo. grande.

Controllo automatico del guadagno

La conclusione che il processo visivo implica necessariamente il controllo automatico del guadagno è stata fatta nella sezione precedente sulla base dei forti cambiamenti nella sensibilità apparente che incontriamo nell'adattamento al buio e della relativa costanza della sensibilità intrinseca che deriva dall'analisi del rumore del processo visivo.
Arriveremo ad una conclusione simile se consideriamo altri dati più diretti presenti in letteratura. È noto che l'energia di un impulso nervoso è di molti ordini di grandezza maggiore dell'energia di quei pochi fotoni necessari per innescare un impulso nervoso alla soglia assoluta di sensibilità. Per generare gli impulsi nervosi è quindi necessario un meccanismo direttamente sulla retina con un fattore di amplificazione corrispondentemente elevato. Dai primi lavori di Hartline sulla registrazione elettrica degli impulsi nervosi visivi del granchio a ferro di cavallo si sapeva che la frequenza degli impulsi nervosi non aumenta linearmente con l'aumentare dell'intensità della luce, ma solo logaritmicamente. Ciò significa che ad alta illuminazione il guadagno è inferiore che a bassa illuminazione.

Sebbene l'energia dell'impulso nervoso non sia esattamente nota, può essere stimata approssimativamente, presupponendo che l'energia immagazzinata dell'impulso corrisponda ad una tensione di 0,1 V ai capi della capacità 10-9 F (questa è la capacità di 1 cm guscio esterno fibra nervosa). Quindi l'energia elettrica è 10 -11 J cosa c'è dentro 10 8 volte l'energia di un fotone di luce visibile. Naturalmente possiamo sbagliarci nel valutare l'energia di un impulso nervoso di diversi ordini di grandezza, ma ciò non mette in dubbio la nostra conclusione che un processo di amplificazione estremamente grande deve avvenire direttamente sulla retina, e solo a causa di ciò l'energia di diversi fotoni possono causare un impulso nervoso. .

La progressiva diminuzione dell'amplificazione all'aumentare dell'intensità luminosa è chiaramente osservabile nei dati di Hartline, secondo i quali la frequenza degli impulsi nervosi all'aumentare dell'intensità luminosa aumenta lentamente secondo una legge logaritmica. In particolare, con l'aumentare dell'intensità della luce in 10 4 volte la frequenza aumenta solo di 10 volte. Ciò significa che il guadagno diminuisce 10 3 una volta.

Sebbene le reazioni chimiche specifiche alla base del processo di amplificazione non siano note, sembra esserci poco altro da suggerire oltre a una qualche forma di catalisi. Un fotone assorbito da una molecola di materiale sensibile (rodopsina) provoca un cambiamento nella sua configurazione. Le fasi successive del processo mediante il quale la rodopsina eccitata esercita un effetto catalitico sul materiale biochimico circostante non sono ancora chiare. Tuttavia, è ragionevole supporre che il potenziamento catalitico diminuirà con l'aumentare dell'intensità della luce o del numero di molecole eccitate, poiché ciò dovrebbe diminuire la quantità di materiale catalizzato per molecola eccitata. Si può anche presumere che la velocità di esaurimento del materiale catalizzato (adattamento alla luce) sia elevata rispetto alla velocità della sua rigenerazione (adattamento al buio). È noto che l’adattamento alla luce avviene in una frazione di secondo, mentre l’adattamento al buio può durare fino a 30 minuti.

rumore visivo

Come abbiamo più volte sottolineato, la nostra informazione visiva è limitata da fluttuazioni casuali nella distribuzione dei fotoni incidenti. Pertanto, queste fluttuazioni devono essere visibili. Tuttavia, non sempre lo notiamo, in ogni caso, in condizioni di illuminazione normale. Ciò implica che ad ogni livello di illuminazione, il guadagno è esattamente tale che il rumore dei fotoni è appena udibile, o meglio, quasi indistinguibile. Se il fattore di amplificazione fosse maggiore, questo non darebbe Informazioni aggiuntive, ma contribuirebbe soltanto ad un aumento del rumore. Se il guadagno fosse inferiore, ciò comporterebbe la perdita di informazioni. Allo stesso modo, il guadagno di un ricevitore televisivo dovrebbe essere scelto in modo che il rumore sia alla soglia della visibilità.

Sebbene il rumore fotonico non sia facile da rilevare in normali condizioni di illuminazione, l'autore, sulla base delle proprie osservazioni, si è assicurato che a luminosità di circa 10 -8 -10 -7 agnello, una parete uniformemente illuminata acquista la stessa fluttuazione, aspetto granuloso, così come l'immagine sullo schermo televisivo in presenza di forti disturbi. Inoltre il grado di visibilità di questo rumore dipende fortemente dal grado di eccitazione dell'osservatore stesso. È conveniente fare tali osservazioni subito prima di andare a letto. Se durante l'osservazione si sente un suono in casa, prefigurando l'apparizione di un visitatore inaspettato o indesiderato, allora il flusso di adrenalina aumenta istantaneamente e allo stesso tempo la “visibilità” dei rumori aumenta notevolmente. In queste condizioni, i meccanismi di autoconservazione provocano un aumento del fattore di amplificazione del processo visivo (più precisamente, l'ampiezza dei segnali provenienti da tutti gli organi di senso) a un livello che garantisce la completa percezione delle informazioni, cioè a un livello dove il rumore è facilmente osservabile.

Naturalmente, tali osservazioni sono soggettive. De Vries è uno dei pochi che, oltre all'autore di questo libro, ha osato pubblicare le sue osservazioni comparative. Tuttavia, molti ricercatori in conversazioni private hanno riferito all'autore di risultati simili.

Ovviamente i pattern di rumore sopra descritti sono dovuti al flusso di fotoni incidenti, poiché sono assenti nelle zone “completamente nere” dell'immagine. La presenza di solo poche aree illuminate è sufficiente per impostare il guadagno ad un livello tale da far apparire completamente nere le altre aree molto più scure.

Se invece l'osservatore si trova in una stanza completamente buia o ha gli occhi chiusi, non ha la sensazione visiva di un campo nero uniforme. Vede piuttosto una serie di deboli immagini grigie in movimento, a cui spesso si faceva riferimento nella letteratura precedente con il nome di "sentchll"; , cioè come qualcosa che sorge all'interno del sistema visivo stesso. Anche in questo caso si è tentati di razionalizzare queste osservazioni assumendo che, in assenza di un'immagine luminosa reale che porti a stabilire un certo valore di guadagno, quest'ultimo raggiunga un valore massimo alla ricerca di informazioni visive oggettive. Con tale amplificazione vengono rilevati i rumori del sistema stesso, che, apparentemente, sono associati ai processi di eccitazione termica nella retina o sorgono in qualche parte del sistema nervoso lontana da essa.

L'ultima osservazione riguarda, in particolare, il processo di potenziamento delle sensazioni visive, che si verificherebbe in seguito all'assunzione di diverse sostanze, provocando allucinazioni. Sembra molto probabile che gli effetti prodotti da queste sostanze siano dovuti ad un aumento del guadagno di un potente amplificatore situato nella retina stessa.

Come abbiamo già notato, condizione emotiva, associato ad una certa tensione o ad una maggiore attenzione dell'osservatore, porta ad un aumento significativo del guadagno.

Immagini residue

L'esistenza di un meccanismo di controllo del guadagno retinico fornisce una spiegazione ovvia per le varie osservazioni in cui una persona guarda un oggetto luminoso e poi sposta lo sguardo su una parete grigia neutra. Allo stesso tempo, al primo momento, una persona vede ancora una certa immagine transitoria, che poi scompare gradualmente. Ad esempio, un oggetto luminoso in bianco e nero fornisce un'immagine aggiuntiva transitoria (immagine residua) sotto forma di un negativo fotografico dell'originale. Un oggetto rosso brillante dà un colore aggiuntivo: il verde. In ogni caso, nella parte della retina dove cade l'immagine di un oggetto luminoso, il guadagno è ridotto, per cui quando sulla retina viene visualizzata una superficie uniforme, le aree della retina precedentemente luminose danno un segnale più piccolo al cervello e le immagini che appaiono su di essi appaiono più scure rispetto allo sfondo circostante. Colore verde l'immagine residua di un oggetto rosso vivo mostra che il meccanismo di amplificazione non cambia solo localmente aree diverse retina, ma anche nella stessa zona agisce indipendentemente per i tre canali di colore. Nel nostro caso, il guadagno per il canale rosso è stato momentaneamente ridotto, risultando in un'immagine a colori complementari che appare sulla parete grigia neutra.

Vale la pena notare che le immagini residue non sono necessariamente sempre negative. Se, guardando una finestra ben illuminata, chiudi gli occhi, poi li apri immediatamente per un po', come se usassi un otturatore fotografico, e poi li chiudi di nuovo ermeticamente, per diversi secondi o addirittura minuti l'immagine residua sarà positiva (almeno in un primo momento). Ciò è del tutto naturale, poiché il tempo di decadimento di qualsiasi processo di fotoeccitazione in un solido è finito. È noto che l'occhio accumula luce per 0,1-0,2 s, quindi anche il tempo medio della sua fotoeccitazione dovrebbe essere 0,1-0,2 s, e in un periodo di circa secondi, la fotoeccitazione scende a un livello progressivamente più piccolo, l'immagine residua rimane visibile mentre il guadagno continua ad aumentare dopo aver chiuso gli occhi. Se una piccola quantità di luce estranea entra nell'occhio durante l'osservazione un'immagine positiva, questa immagine si trasforma immediatamente in negativa per le ragioni esposte nella sezione precedente. Quando la luce estranea appare o scompare, possiamo passare da un'immagine residua positiva a una negativa e viceversa. Se in una stanza buia si guarda l'estremità di una sigaretta accesa che si muove in cerchio, allora l'estremità accesa verrà percepita come una striscia di luce di lunghezza finita a causa dell'inerzia della percezione visiva (immagine residua positiva). In questo caso l'immagine osservata, come una cometa, ha la testa rosso vivo e la coda bluastra. Ovviamente le componenti blu della luce della sigaretta hanno più inerzia di quelle rosse. Possiamo osservare un effetto simile guardando una parete rossastra: poiché la luminosità diminuisce ad un livello inferiore a circa 10 -6 agnello acquisisce una tinta blu. Entrambe le serie di osservazioni possono essere spiegate assumendo che il guadagno per il blu raggiunga valori più elevati rispetto al rosso; di conseguenza, la percezione del colore blu viene mantenuta a livelli inferiori di eccitazione retinica rispetto al rosso.

Visibilità delle radiazioni ad alta energia

La percezione visiva viene avviata dall'eccitazione elettronica delle molecole. Si può quindi supporre l'esistenza di una certa soglia energetica, ma in generale non è escluso che anche le radiazioni ad alta energia causino transizioni elettroniche e diventino visibili. Se la transizione visivamente emozionante è una forte risonanza tra due dispositivi elettronici livelli di energia, allora i fotoni ad alta energia non ecciteranno efficacemente questa transizione. D'altra parte, gli elettroni o gli ioni ad alta energia possono eccitare transizioni in un ampio intervallo di energie, e quindi dovrebbero essere visibili, poiché lasciano sul loro percorso dense regioni di eccitazioni e ionizzazioni. In un precedente articolo in cui si discuteva dei problemi di visibilità delle radiazioni ad alta energia, l'autore aveva espresso una certa sorpresa per il fatto che finora nessuno avesse riportato osservazioni visive dirette dei raggi cosmici.

Attualmente esistono alcuni dati riguardanti il ​​problema della visibilità delle radiazioni in un ampio intervallo alta energia. Innanzitutto è già noto che il limite dell'ultravioletto è dovuto all'assorbimento nella cornea. Le persone a cui, per un motivo o per l'altro, è stata rimossa o sostituita la cornea con una sostanza più trasparente, possono effettivamente vedere la luce ultravioletta.

Molto è stato detto sulla capacità di vedere i raggi X. fasi iniziali studi radiografici. Le pubblicazioni in questo settore cessarono quando divennero noti gli effetti dannosi dei raggi X. Queste prime osservazioni furono controverse perché non era chiaro se i raggi X eccitassero la retina direttamente o attraverso l'eccitazione della fluorescenza nel vitreo. Alcuni esperimenti successivi e più precisi indicano che vi è un'eccitazione diretta della retina; ciò, in particolare, è evidenziato dalla percezione di ombre nette provenienti da oggetti opachi.

La possibilità di osservazione visiva dei raggi cosmici è stata ora confermata dalle storie degli astronauti che hanno visto strisce e lampi di luce quando la cabina della navicella era nell'oscurità. Tuttavia non è ancora chiaro se ciò sia direttamente correlato all’eccitazione della retina o alla generazione di raggi X nel corpo vitreo. I raggi cosmici creano una densa traccia di eccitazione in qualsiasi corpo solido, quindi sarebbe strano se non potessero causare un'eccitazione diretta della retina.

Visione ed evoluzione

Da qui deriva la capacità delle cellule viventi di contare i fotoni, o almeno di rispondere a ciascun fotone fasi iniziali sviluppo della vita vegetale. L'efficienza quantistica della fotosintesi è stimata per la luce rossa a circa il 30%. Nel processo di fotosintesi, l'energia dei fotoni viene utilizzata direttamente in alcuni reazioni chimiche. Non si intensifica. La pianta utilizza la luce per la nutrizione, ma non per l'informazione, ad eccezione degli effetti eliotropici e della sincronizzazione dell'orologio biologico.

L'uso della luce per ottenere informazioni significa che deve essere creato un amplificatore altamente complesso direttamente sul recettore, grazie al quale l'energia trascurabile dei fotoni viene convertita in modo significativo in grande energia impulsi nervosi. SOLO in questo modo l'occhio è in grado di trasmettere informazioni ai muscoli o al cervello. Un simile amplificatore sembra essere apparso nelle prime fasi dello sviluppo della vita animale, poiché molti degli animali più semplici vivono nell'oscurità. Di conseguenza, l'arte di contare i fotoni fu padroneggiata molto prima dell'avvento dell'uomo.

Il conteggio dei fotoni, ovviamente, è stato un risultato significativo del processo evolutivo. Si è rivelato anche il passo più difficile nello sviluppo del sistema visivo. Per sopravvivere occorreva una garanzia su tutto questo informazioni disponibili possono essere registrati. Con tale garanzia, l'adattamento del sistema visivo alle esigenze specifiche di un particolare animale sembra essere un successo più semplice e secondario.

Questo adattamento ha assunto un’ampia varietà di forme. La maggior parte di essi sembra essere dovuta a ragioni ovvie. Daremo qui solo alcuni esempi per confermare la stretta relazione tra parametri ottici e condizioni di vita dell'animale.

La struttura della retina degli uccelli diurni, come il falco, è molte volte più sottile di quella degli animali notturni, come il lemure. Ovviamente il falco che vola ad alta quota ha una risoluzione più elevata del sistema visivo e una struttura retinica corrispondentemente più sottile, giustificata dall'elevata luminosità dell'illuminazione in pieno giorno. Inoltre, nella ricerca topo di campagna il falco ha sicuramente bisogno di più dettagli nell'immagine visiva. D'altra parte, il lemure, nel suo stile di vita notturno, si confronta con livelli di illuminazione così bassi che le sue immagini visive, che sono limitate in qualità dal rumore fotonico, sono a grana grossa e non richiedono altro che la struttura a grana grossa del la retina. Infatti, con un'intensità luminosa così bassa, è vantaggioso avere obiettivi con un'ampia apertura (f/D) = 1,0), sebbene questi obiettivi debbano inevitabilmente fornire una scarsa qualità ottica dell'immagine (Fig. 16).

La curva di sensibilità spettrale dell'occhio umano corrisponde bene alla distribuzione massima della luce diurna luce del sole(5500A). Al crepuscolo, la sensibilità massima dell'occhio passa a 5100 A, che corrisponde alla tinta bluastra della luce diffusa dal cielo dopo il tramonto. Ci si potrebbe aspettare che la sensibilità dell'occhio si estenda nella regione del rosso, almeno fino alla lunghezza d'onda dove l'eccitazione termica della retina comincia a competere con i fotoni che entrano dall'esterno. Ad esempio, con una soglia visiva assoluta di 10 -9 agnelli, la sensibilità spettrale dell'occhio potrebbe estendersi fino a circa 1,4 µm, dove tale competizione diventa già significativa. Non è chiaro il motivo per cui il limite di sensibilità dell'occhio sia effettivamente pari a 0,7 μm, a meno che questa limitazione non sia dovuta alla mancanza di materiale biologico adeguato.

Il tempo di accumulo delle informazioni da parte dell'occhio (0,2 s) concorda bene con il tempo di reazione nervosa e muscolare del sistema umano nel suo complesso. La presenza di tale coerenza è confermata dal fatto che telecamere appositamente progettate con un tempo di rilassamento di 0,5 s o più sono chiaramente scomode e fastidiose da usare. È possibile che negli uccelli il tempo di accumulo delle informazioni visive sia più breve a causa della loro maggiore mobilità. Una conferma indiretta di ciò è il fatto che alcuni trilli o serie di note di un uccello "cantano" così velocemente che l'orecchio umano li percepisce come un coro.

Esiste una stretta corrispondenza tra il diametro dei bastoncelli e dei coni dell'occhio umano e il diametro del disco di diffrazione nel momento in cui l'apertura della pupilla è vicina al suo valore minimo (circa 2 mm), che si stabilisce ad elevate intensità luminose . In molti animali, le pupille non sono rotonde, ma a forma di fessura e sono orientate in direzione verticale (ad esempio serpenti, alligatori) o orizzontale (ad esempio capre, cavalli). La fessura verticale fornisce un'elevata nitidezza dell'immagine, limitata per le linee verticali dalle aberrazioni dell'obiettivo e per le linee orizzontali dagli effetti di diffrazione.

I tentativi di spiegare in modo convincente l'adattabilità di questi parametri ottici allo stile di vita di alcuni animali sono pienamente giustificati. .
Il sistema visivo della rana è un esempio lampante di adattamento al suo stile di vita. Le sue connessioni neurali sono disposte in modo tale da evidenziare i movimenti delle mosche che attirano le rane e ignorare le informazioni visive estranee. Anche nel sistema visivo umano notiamo una sensibilità leggermente aumentata della visione periferica alla luce tremolante, che ovviamente può essere interpretata come un sistema di sicurezza per avvisare di un pericolo imminente.

Concludiamo il nostro ragionamento con una considerazione un po' “casalinga”. Da un lato abbiamo sottolineato che l’occhio umano è arrivato quasi al limite a causa della natura quantistica della luce. D'altra parte c'è, ad esempio, l'espressione "vede come un gatto", che significa sensibilità visiva gatto domestico nelle sue avventure notturne supera di gran lunga le nostre. Sembra che queste due affermazioni debbano essere conciliate, osservando che se decidessimo di camminare di notte a quattro zampe, acquisiremmo la stessa capacità di orientarsi nel buio che ha un gatto.

Pertanto, l’efficienza quantistica dell’occhio umano varia da circa il 10% con scarsa illuminazione a diversi punti percentuali con illuminazione elevata. La gamma totale di illuminazione in cui opera il nostro sistema visivo si estende da 10 -10 agnelli ad una soglia assoluta fino a 10 agnelli in pieno sole.

C'è un potenziatore biochimico direttamente sulla retina con un fattore di amplificazione probabilmente maggiore 10 6 , che converte la piccola energia dei fotoni incidenti in un'energia molto più grande degli impulsi nervosi visivi. Il guadagno di questo amplificatore varia con la luce, diminuendo a livelli di luce elevati. Questi cambiamenti spiegano il fenomeno scuro nuovo adattamento e una serie di effetti associati alla comparsa di immagini residue. Il sistema visivo dell'uomo e degli animali serve come prova della loro evoluzione e adattamento alle condizioni esterne.

Articolo dal libro: .

L'organo della visione umana sono gli occhi, con il loro aiuto il cervello riceve le informazioni visive di cui abbiamo bisogno per orientarci nello spazio e comunicare con il mondo esterno.

Il flusso luminoso riflesso dall'oggetto penetra attraverso la cornea, il cristallino e il corpo vitreo dell'occhio fino alla retina, dove ha origine l'impulso nervoso. Attraverso il nervo ottico entra nei centri visivi situati nell' lobi occipitali cervello.

È lì che avviene la formazione di un'unica immagine ottenuta contemporaneamente da due occhi. Questo processo complesso si chiama visione binoculare, e questo non è l'unico fatto interessante legato ai nostri occhi e alla capacità di vedere.

Visione umana: fatti interessanti

Quanti colori di occhi ci sono nel mondo, perché le persone nascono daltoniche e perché i loro occhi si chiudono automaticamente quando starnutiscono? Le risposte a queste e ad altre domande interessanti sulla visione saranno discusse di seguito.

Fatto n. 1: le dimensioni contano

Il bulbo oculare umano non ha la forma di una palla regolare, come comunemente si crede, ma di una sfera leggermente appiattita dalla parte anteriore a quella posteriore. Il peso dell'occhio è di circa 7 g e il diametro del bulbo oculare è lo stesso in tutte le persone sane ed è di 24 mm. Potrebbe discostarsi da questo indicatore in malattie come l'ipermetropia.

Fatto n. 2: colore degli occhi

Tutti i bambini nascono con occhi grigio-blu, e solo due anni dopo acquisiscono il loro colore reale. Gli occhi umani sono disponibili in diverse tonalità, a seconda della concentrazione del pigmento melanina nell'iride del bulbo oculare.

Maggior parte colore raro L'occhio umano è verde. Gli occhi rossi sono caratteristici degli albini e si spiegano con la completa assenza di pigmento colorante e con il colore dei vasi sanguigni che appaiono attraverso l'iride trasparente.

L'iride di ogni persona è individuale, quindi il suo modello può essere utilizzato per l'identificazione insieme alle impronte digitali.

Fatto n. 3: Luce e oscurità

Diversi tipi di fotorecettori retinici sono responsabili della capacità di una persona di vedere alla luce e al buio. Le canne sono più sensibili alla luce e ci aiutano a navigare in assenza di luce sufficiente.

La violazione del loro funzionamento provoca lo sviluppo della cosiddetta cecità notturna, una malattia in cui una persona vede molto male nell'illuminazione crepuscolare.

Grazie ai coni, una persona distingue i colori. L'occhio umano ha una media di 92 milioni di bastoncelli e 4 milioni di coni.

Fatto n. 4: sottosopra

L'immagine degli oggetti proiettati sulla retina dell'occhio è invertita. Questo effetto ottico è simile alla proiezione di una lente in una macchina fotografica. Allora perché vediamo il mondo intorno a noi normalmente e non sottosopra?

Questo è il merito del nostro cervello, che percepisce l'immagine e la riporta automaticamente nella sua posizione normale. Se indossi occhiali speciali che capovolgono l'immagine per un po ', all'inizio tutto sarà visto sottosopra, quindi il cervello si adatterà di nuovo e normalizzerà la distorsione ottica.

Fatto n. 5: daltonismo

La malattia, chiamata anche daltonismo, prende il nome dallo scienziato inglese John Dalton. Non ha distinto il colore rosso e ha studiato questo fenomeno, basandosi sulle proprie sensazioni. Grazie al libro con cui ha pubblicato descrizione dettagliata malattie, entrò in uso la parola "daltonismo".

Secondo le statistiche, questo malattia ereditaria ne sono colpiti soprattutto gli uomini e solo l'1% dei daltonici sono donne.

Fatto numero 6: tu - a me, io - a te

Nonostante tutte le conquiste della medicina moderna, è impossibile effettuare un trapianto oculare completo da una persona all'altra. È connesso con stretta relazione bulbo oculare con il cervello e l'incapacità di ripristinare completamente le terminazioni nervose: il nervo ottico.

SU questo momentoè possibile solo il trapianto di cornea, cristallino, sclera e altre parti dell'occhio.

Fatto n. 7: sii sano!

Quando starnutisci, i tuoi occhi si chiudono automaticamente. Questo reazione difensiva del nostro corpo è fissato a livello dei riflessi, poiché con un forte rilascio d'aria attraverso la bocca e il naso, la pressione nei seni nasali e nei vasi sanguigni degli occhi aumenta bruscamente. Le palpebre chiuse quando si starnutisce aiutano ad evitare la rottura dei capillari oculari.

Fatto n. 8: Guardo lontano

L'acuità della vista umana è due volte inferiore a quella di un'aquila, che è associata alla particolarità della struttura dell'occhio umano e alla capacità del cristallino di modificare la sua curvatura.

L'area sulla retina fin dall'inizio alta concentrazione cellule fotosensibili è chiamata "macchia gialla". E il punto in cui sono assenti sia i bastoncelli che i coni è chiamato "punto cieco". Una persona non può vedere con questo posto.

Fatto numero 9: malattie degli organi visivi

Secondo le statistiche Organizzazione Mondiale sanitaria, quasi 300 milioni di persone nel mondo hanno familiarità con il problema della disabilità visiva. E 39 milioni di loro sono ciechi!

Di norma, la perdita della vista è causata dall'età e tra le cause viene sempre più spesso citato anche il diabete avanzato.

Tra le malattie degli organi visivi che possono essere corrette con occhiali, lenti a contatto o interventi chirurgici, le più comuni sono l'ipermetropia, la miopia e l'astigmatismo. Per non perdere i primi segni della malattia, è necessario visitare un oculista a scopo preventivo una volta all'anno.

Fatto n. 10: occhiali e lenti

L'uso costante di occhiali e lenti a contatto adeguati non danneggia gli occhi e non può compromettere la vista. Ed ecco il vantaggio occhiali da sole non dovrebbe essere sopravvalutato. Anche vetro di alta qualità lenti scure tali occhiali non sono in grado di contenere tutto raggi ultravioletti quindi non è consigliabile guardare direttamente il sole.

La visione è il canale attraverso il quale una persona riceve circa il 70% di tutti i dati sul mondo che lo circonda. E questo è possibile solo perché è la visione umana uno dei sistemi visivi più complessi e sorprendenti del nostro pianeta. Se non ci fosse la vista, molto probabilmente vivremmo nell’oscurità.

L'occhio umano ha una struttura perfetta e fornisce una visione non solo a colori, ma anche tridimensionale e con la massima nitidezza. Ha la capacità di cambiare istantaneamente la messa a fuoco a diverse distanze, regolare la quantità di luce in entrata, distinguere tra un numero enorme di colori e ancora più sfumature, correggere aberrazioni sferiche e cromatiche, ecc. Al cervello dell'occhio sono associati sei livelli della retina, in cui ancor prima che l'informazione venga inviata al cervello, i dati passano attraverso la fase di compressione.

Ma come è organizzata la nostra visione? Come, amplificando il colore riflesso dagli oggetti, lo trasformiamo in un'immagine? Se ci pensiamo seriamente, possiamo concludere che la struttura del sistema visivo umano prima dettagli minuti“pensato” dalla Natura che lo ha creato. Se preferisci credere che il Creatore o qualcosa del genere Ad alta potenza, allora puoi attribuire loro questo merito. Ma non capiamo, ma continuiamo la conversazione sul dispositivo di visione.

Enorme quantità di dettagli

La struttura dell'occhio e la sua fisiologia possono senza dubbio essere definite davvero ideali. Pensa tu stesso: entrambi gli occhi si trovano nelle orbite ossee del cranio, che li proteggono da ogni tipo di danno, ma sporgono da essi proprio per fornire la visione orizzontale più ampia possibile.

La distanza alla quale gli occhi sono separati fornisce la profondità spaziale. E gli stessi bulbi oculari, come è noto per certo, hanno una forma sferica, grazie alla quale sono in grado di ruotare in quattro direzioni: sinistra, destra, su e giù. Ma ognuno di noi dà tutto questo per scontato – poche persone pensano a cosa accadrebbe se i nostri occhi fossero quadrati o triangolari o il loro movimento fosse caotico – questo renderebbe la visione limitata, caotica e inefficace.

Quindi, il dispositivo dell'occhio è estremamente complicato, ma è esattamente quello che fa. lavoro possibile circa quattro dozzine dei suoi vari componenti. E anche se non esistesse anche uno solo di questi elementi, il processo del vedere cesserebbe di svolgersi come dovrebbe svolgersi.

Per vedere quanto è complesso l'occhio, ti suggeriamo di rivolgere la tua attenzione alla figura qui sotto.

Parliamo di come viene implementato nella pratica il processo di percezione visiva, di quali elementi del sistema visivo sono coinvolti in questo e di cosa è responsabile ciascuno di essi.

Il passaggio della luce

Quando la luce si avvicina all'occhio, i raggi luminosi entrano in collisione con la cornea (altrimenti nota come cornea). La trasparenza della cornea consente alla luce di attraversarla fino alla superficie interna dell'occhio. La trasparenza, tra l'altro, è la caratteristica più importante della cornea e rimane trasparente perché una proteina speciale contenuta in essa inibisce lo sviluppo dei vasi sanguigni, un processo che avviene in quasi tutti i tessuti del corpo umano. Nel caso in cui la cornea non fosse trasparente, le altre componenti del sistema visivo non avrebbero importanza.

Tra le altre cose, la cornea previene cavità interne occhi di rifiuti, polvere e altro elementi chimici. E la curvatura della cornea le consente di rifrangere la luce e aiutare il cristallino a focalizzare i raggi luminosi sulla retina.

Dopo che la luce è passata attraverso la cornea, passa attraverso un piccolo foro situato al centro dell'iride. L'iride è un diaframma rotondo situato davanti alla lente appena dietro la cornea. L'iride è anche l'elemento che dà il colore agli occhi, e il colore dipende dal pigmento predominante nell'iride. Il foro centrale dell'iride è la pupilla familiare a ciascuno di noi. La dimensione di questo foro può essere modificata per controllare la quantità di luce che entra nell'occhio.

La dimensione della pupilla cambia direttamente con l'iride, e questo è dovuto alla sua struttura unica, perché è composta da due diversi tipi di tessuto muscolare (anche qui ci sono i muscoli!). Il primo muscolo è compressivo circolare: si trova nell'iride in modo circolare. Quando la luce è intensa, si contrae, di conseguenza la pupilla si contrae, come se fosse tirata verso l'interno dal muscolo. Il secondo muscolo si sta espandendo: si trova radialmente, cioè lungo il raggio dell'iride, che può essere paragonato ai raggi della ruota. In condizioni di scarsa illuminazione, questo secondo muscolo si contrae e l'iride apre la pupilla.

Molte persone incontrano ancora qualche difficoltà quando cercano di spiegare come si formano gli elementi sopra menzionati del sistema visivo umano, perché in qualsiasi altra forma intermedia, ad es. in qualsiasi fase evolutiva, semplicemente non potrebbero funzionare, ma una persona vede fin dall'inizio della sua esistenza. Mistero…

Messa a fuoco

Oltrepassando le fasi precedenti, la luce inizia a passare attraverso la lente dietro l'iride. La lente è un elemento ottico a forma di sfera oblunga convessa. La lente è assolutamente liscia e trasparente, non contiene vasi sanguigni e si trova in una sacca elastica.

Passando attraverso la lente, la luce viene rifratta, dopo di che viene focalizzata sulla fossa retinica, il luogo più sensibile contenente il numero massimo di fotorecettori.

È importante notarlo edificio unico e la composizione forniscono la cornea e il cristallino grande potere rifrazione, garantendo una lunghezza focale ridotta. E quanto è sorprendente che un sistema così complesso possa stare in un solo bulbo oculare (basti pensare a come potrebbe apparire una persona se, ad esempio, per focalizzare i raggi luminosi provenienti dagli oggetti fosse necessario un metro!).

Non meno interessante è il fatto che il potere rifrattivo combinato di questi due elementi (cornea e cristallino) è in eccellente proporzione con il bulbo oculare, e questa può essere tranquillamente definita un'altra prova che il sistema visivo è stato creato semplicemente insuperabile, perché. il processo di focalizzazione è troppo complesso per poterlo definire qualcosa che è avvenuto solo attraverso mutazioni graduali – stadi evolutivi.

Se parliamo di oggetti situati vicino all'occhio (di norma, una distanza inferiore a 6 metri è considerata vicina), allora qui è ancora più curioso, perché in questa situazione la rifrazione dei raggi luminosi è ancora più forte. Ciò è fornito da un aumento della curvatura della lente. Il cristallino è collegato tramite bande ciliari muscolo ciliare, che, contraendosi, dà alla lente la possibilità di assumere una forma più convessa, aumentando così il suo potere rifrattivo.

E anche qui è impossibile non menzionare la struttura più complessa del cristallino: è costituito da tanti fili, costituiti da cellule collegate tra loro, e sottili fasce lo collegano al corpo ciliare. La messa a fuoco viene effettuata sotto il controllo del cervello in modo estremamente rapido e completamente "automatico": è impossibile per una persona eseguire un tale processo consapevolmente.

Il significato di "film"

Il risultato della messa a fuoco è la messa a fuoco dell'immagine sulla retina, che è un tessuto multistrato sensibile alla luce, che ricopre Indietro bulbo oculare. La retina contiene circa 137.000.000 di fotorecettori (per confronto possiamo citare i moderni fotocamere digitali, in cui non esistono più di 10.000.000 di tali elementi sensoriali). Un numero così elevato di fotorecettori è dovuto al fatto che sono estremamente densi: circa 400.000 per 1 mm².

Non sarebbe superfluo citare qui le parole del microbiologo Alan L. Gillen, che nel suo libro "Body by Design" parla della retina come di un capolavoro di progettazione ingegneristica. Crede che la retina sia l'elemento più sorprendente dell'occhio, paragonabile alla pellicola fotografica. La retina sensibile alla luce, situata nella parte posteriore del bulbo oculare, è molto più sottile del cellophane (il suo spessore non supera 0,2 mm) e molto più sensibile di qualsiasi pellicola fotografica artificiale. Le cellule di questo strato unico sono in grado di elaborare fino a 10 miliardi di fotoni, mentre la fotocamera più sensibile può elaborarne solo poche migliaia. Ma ancora più sorprendente è che l’occhio umano riesce a captare alcuni fotoni anche al buio.

In totale, la retina è costituita da 10 strati di cellule fotorecettrici, 6 dei quali sono strati di cellule fotosensibili. 2 tipi di fotorecettori hanno una forma speciale, motivo per cui sono chiamati coni e bastoncelli. I bastoncelli sono estremamente sensibili alla luce e forniscono all'occhio la percezione del bianco e nero e la visione notturna. I coni, a loro volta, non sono così sensibili alla luce, ma sono in grado di distinguere i colori: il funzionamento ottimale dei coni si nota in giorno giorni.

Grazie al lavoro dei fotorecettori, i raggi luminosi vengono trasformati in complessi di impulsi elettrici e inviati al cervello ad una velocità incredibilmente elevata, e questi stessi impulsi superano oltre un milione di fibre nervose in una frazione di secondo.

La comunicazione delle cellule fotorecettrici nella retina è molto complessa. Coni e bastoncelli non sono direttamente collegati al cervello. Dopo aver ricevuto un segnale, lo reindirizzano alle cellule bipolari e reindirizzano i segnali già elaborati da loro stessi. cellule gangliari, oltre un milione di assoni (neuriti che trasportano impulsi nervosi) che costituiscono un unico nervo ottico, attraverso il quale i dati entrano nel cervello.

Due strati di interneuroni, prima che i dati visivi vengano inviati al cervello, contribuiscono all'elaborazione parallela di queste informazioni da parte di sei livelli di percezione situati nella retina dell'occhio. Ciò è necessario affinché le immagini vengano riconosciute il più rapidamente possibile.

percezione cerebrale

Dopo che le informazioni visive elaborate sono entrate nel cervello, inizia a ordinarle, elaborarle e analizzarle e forma anche un'immagine completa dai singoli dati. Naturalmente, riguardo al lavoro cervello umano molto di più è sconosciuto, ma anche ciò che il mondo scientifico può fornire oggi è abbastanza per stupirsi.

Con l'aiuto di due occhi si formano due "immagini" del mondo che circonda una persona, una per ciascuna retina. Entrambe le "immagini" vengono trasmesse al cervello e in realtà la persona vede due immagini contemporaneamente. Ma come?

Ed ecco il punto: il punto retinico di un occhio corrisponde esattamente al punto retinico dell'altro, e ciò significa che entrambe le immagini, entrando nel cervello, possono essere sovrapposte l'una all'altra e combinate insieme per formare un'unica immagine. Le informazioni ricevute dai fotorecettori di ciascuno degli occhi convergono nella corteccia visiva del cervello, dove appare un'unica immagine.

A causa del fatto che i due occhi possono avere una proiezione diversa, si possono osservare alcune incongruenze, ma il cervello confronta e collega le immagini in modo tale che una persona non senta alcuna incongruenza. Non solo, queste incoerenze possono essere utilizzate per ottenere un senso di profondità spaziale.

Come sapete, a causa della rifrazione della luce, le immagini visive che entrano nel cervello sono inizialmente molto piccole e invertite, ma “in uscita” otteniamo l'immagine che siamo abituati a vedere.

Inoltre, nella retina, l'immagine viene divisa verticalmente dal cervello in due, attraverso una linea che passa attraverso la fossa retinica. Le parti sinistre delle immagini scattate con entrambi gli occhi vengono reindirizzate a mentre le parti destre vengono reindirizzate a sinistra. Pertanto, ciascuno degli emisferi della persona che guarda riceve dati solo da una parte di ciò che vede. E ancora: "all'uscita" otteniamo un'immagine solida senza tracce di connessione.

La separazione delle immagini e percorsi ottici estremamente complessi fanno sì che il cervello veda separatamente in ciascuno dei suoi emisferi utilizzando ciascuno degli occhi. Ciò consente di accelerare l'elaborazione del flusso di informazioni in arrivo e fornisce anche la visione con un occhio, se improvvisamente una persona per qualche motivo smette di vedere con l'altro.

Si può concludere che il cervello, nel processo di elaborazione delle informazioni visive, rimuove i punti "ciechi", le distorsioni dovute a micromovimenti degli occhi, il battito delle palpebre, l'angolo di visione, ecc., offrendo al suo proprietario un'immagine olistica adeguata del osservato.

Un altro elemento importante del sistema visivo è. È impossibile sminuire l'importanza di questo problema, perché. per poter utilizzare correttamente la vista, dobbiamo essere in grado di girare gli occhi, alzarli, abbassarli, insomma muovere gli occhi.

In totale si possono distinguere 6 muscoli esterni che si collegano alla superficie esterna del bulbo oculare. Questi muscoli includono 4 diritti (inferiore, superiore, laterale e medio) e 2 obliqui (inferiore e superiore).

Nel momento in cui uno qualsiasi dei muscoli si contrae, il muscolo opposto si rilassa: ciò garantisce un movimento oculare regolare (altrimenti tutti i movimenti oculari sarebbero a scatti).

Quando si girano due occhi, il movimento di tutti i 12 muscoli cambia automaticamente (6 muscoli per ciascun occhio). Ed è notevole che questo processo sia continuo e molto ben coordinato.

Secondo il famoso oftalmologo Peter Jeni, il controllo e il coordinamento della connessione di organi e tessuti con il sistema nervoso centrale attraverso i nervi (questa si chiama innervazione) di tutti i 12 muscoli oculari è uno dei compiti più importanti processi complessi che si verificano nel cervello. Se a ciò aggiungiamo la precisione nel reindirizzamento dello sguardo, la morbidezza e l'uniformità dei movimenti, la velocità con cui l'occhio può ruotare (e arriva fino a 700 ° al secondo) e combiniamo tutto questo, otteniamo un occhio mobile questo è davvero fenomenale in termini di prestazioni. E il fatto che una persona abbia due occhi rende le cose ancora più complicate: con il movimento oculare sincrono è necessaria la stessa innervazione muscolare.

I muscoli che ruotano gli occhi sono diversi dai muscoli dello scheletro, in quanto essi sono costituiti da tante fibre diverse e sono controllati da un numero ancora maggiore di neuroni, altrimenti la precisione dei movimenti diventerebbe impossibile. Questi muscoli possono anche essere definiti unici perché sono in grado di contrarsi rapidamente e praticamente non si stancano.

Dato che l'occhio è uno degli organi più importanti del corpo umano, necessita di cure continue. È proprio per questo che viene previsto il “sistema di pulizia integrato”, composto da sopracciglia, palpebre, ciglia e ghiandole lacrimali, se così si può chiamare.

Con l'aiuto delle ghiandole lacrimali viene prodotto regolarmente un liquido appiccicoso, che si muove a bassa velocità lungo il corpo superficie esterna bulbo oculare. Questo liquido lava via vari detriti (polvere, ecc.) Dalla cornea, dopo di che entra nel canale lacrimale interno e poi scorre lungo il canale nasale, essendo escreto dal corpo.

Le lacrime contengono una sostanza antibatterica molto potente che distrugge virus e batteri. Le palpebre svolgono la funzione di detergenti per vetri: puliscono e idratano gli occhi a causa del battito involontario delle palpebre ad un intervallo di 10-15 secondi. Insieme alle palpebre, funzionano anche le ciglia, che impediscono l'ingresso di rifiuti, sporco, microbi, ecc. negli occhi.

Se le palpebre non svolgessero la loro funzione, gli occhi di una persona si seccherebbero gradualmente e si coprirebbero di cicatrici. Se non ci fosse il condotto lacrimale, gli occhi sarebbero costantemente inondati di liquido lacrimale. Se una persona non battesse le palpebre, i detriti gli entrerebbero negli occhi e potrebbe persino diventare cieco. L'intero "sistema di pulizia" deve comprendere il lavoro di tutti gli elementi senza eccezione, altrimenti cesserebbe semplicemente di funzionare.

Gli occhi come indicatore di condizione

Gli occhi di una persona sono in grado di trasmettere molte informazioni nel processo di interazione con altre persone e il mondo che lo circonda. Gli occhi possono irradiare amore, bruciare di rabbia, riflettere gioia, paura, ansia o stanchezza. Gli occhi mostrano dove guarda una persona, se è interessata a qualcosa o no.

Ad esempio, quando le persone alzano gli occhi al cielo mentre conversano con qualcuno, ciò può essere interpretato in un modo completamente diverso dal solito sguardo rivolto verso l'alto. Gli occhi grandi nei bambini provocano gioia e tenerezza negli altri. E lo stato degli alunni riflette lo stato di coscienza in cui si trova una persona in un dato momento. Gli occhi sono un indicatore di vita e di morte, se parliamo in senso globale. Forse per questo vengono chiamati lo “specchio” dell'anima.

Invece di una conclusione

In questa lezione abbiamo esaminato la struttura del sistema visivo umano. Naturalmente, abbiamo perso molti dettagli (questo argomento in sé è molto voluminoso ed è problematico inserirlo nel quadro di una lezione), ma abbiamo comunque cercato di trasmettere il materiale in modo che tu abbia un'idea chiara di COME la persona vede.

Non si poteva non notare che sia la complessità che le possibilità dell'occhio consentono a questo organo di superare molte volte anche le tecnologie e gli sviluppi scientifici più moderni. L'occhio è una chiara dimostrazione della complessità dell'ingegneria in un numero enorme di sfumature.

Ma conoscere la struttura della vista è, ovviamente, positivo e utile, ma la cosa più importante è sapere come ripristinare la vista. Il fatto è che lo stile di vita di una persona, le condizioni in cui vive e alcuni altri fattori (stress, genetica, cattive abitudini, malattie e molto altro) - tutto ciò spesso contribuisce al fatto che nel corso degli anni la vista può deteriorarsi, t.e. il sistema visivo inizia a fallire.

Ma il deterioramento della vista nella maggior parte dei casi non è un processo irreversibile: conoscendo determinate tecniche, questo processo puoi tornare indietro e rendere la visione, se non uguale a quella di un bambino (anche se a volte questo è possibile), quindi buona quanto è generalmente possibile per ogni singola persona. Pertanto, la prossima lezione del nostro corso sullo sviluppo della vista sarà dedicata ai metodi per ripristinare la vista.

Guarda alla radice!

Prova la tua conoscenza

Se vuoi mettere alla prova le tue conoscenze sull'argomento di questa lezione, puoi sostenere un breve test composto da diverse domande. Per ogni domanda può essere corretta solo 1 opzione. Dopo aver selezionato una delle opzioni, il sistema passa automaticamente alla domanda successiva. I punti che ricevi sono influenzati dalla correttezza delle tue risposte e dal tempo impiegato per passare. Tieni presente che le domande sono ogni volta diverse e le opzioni vengono mescolate.

17 agosto 2015 09:25

Ti invitiamo a conoscere proprietà sorprendenti la nostra visione: dalla capacità di vedere galassie lontane alla capacità di catturare onde luminose apparentemente invisibili.

Dai un'occhiata intorno alla stanza in cui ti trovi: cosa vedi? Muri, finestre, oggetti colorati: tutto sembra così familiare ed evidente. È facile dimenticare che vediamo il mondo che ci circonda solo grazie ai fotoni: particelle di luce riflesse dagli oggetti e che cadono sulla retina dell'occhio.

Ci sono circa 126 milioni di cellule sensibili alla luce nella retina di ciascuno dei nostri occhi. Il cervello decifra le informazioni ricevute da queste cellule sulla direzione e l'energia dei fotoni che cadono su di esse e le trasforma in una varietà di forme, colori e intensità di illuminazione degli oggetti circostanti.

La visione umana ha i suoi limiti. Quindi non siamo in grado di vedere le onde radio emesse dai dispositivi elettronici, né di vedere i più piccoli batteri ad occhio nudo.

Grazie ai progressi della fisica e della biologia è possibile definire i confini visione naturale. "Ogni oggetto che vediamo ha una certa 'soglia' al di sotto della quale smettiamo di distinguerlo", afferma Michael Landy, professore di psicologia e neuroscienze alla New York University.

Consideriamo innanzitutto questa soglia in termini di capacità di distinguere i colori, forse la prima capacità che ci viene in mente in relazione alla visione.

La nostra capacità di distinguere, ad esempio, il viola dal magenta è legata alla lunghezza d'onda dei fotoni che colpiscono la retina dell'occhio. Nella retina ci sono due tipi di cellule fotosensibili: i bastoncelli e i coni. I coni sono responsabili della percezione dei colori (la cosiddetta visione diurna), mentre i bastoncelli ci permettono di vedere le ombre. colore grigio in condizioni di scarsa illuminazione, ad esempio di notte (visione notturna).

Nell'occhio umano esistono tre tipi di coni e un corrispondente numero di tipi di opsine, ciascuno dei quali ha una sensibilità speciale ai fotoni con un certo intervallo di lunghezze d'onda della luce.

I coni di tipo S sono sensibili alla parte viola-blu, a lunghezza d'onda corta dello spettro visibile; I coni di tipo M sono responsabili del verde-giallo (lunghezza d'onda media) mentre i coni di tipo L sono responsabili del giallo-rosso (lunghezza d'onda lunga).

Tutte queste onde, così come le loro combinazioni, ci permettono di vedere l'intera gamma di colori dell'arcobaleno. "Tutte le fonti visibile all'uomo La luce, ad eccezione di alcune luci artificiali (come un prisma rifrattivo o un laser), emette una miscela di diverse lunghezze d'onda", afferma Landy.

Di tutti i fotoni esistenti in natura, i nostri coni sono in grado di catturare solo quelli caratterizzati da una lunghezza d'onda in un intervallo molto ristretto (di solito da 380 a 720 nanometri): questo è chiamato spettro della radiazione visibile. Al di sotto di questo intervallo si trovano gli spettri infrarossi e radio: la lunghezza d'onda dei fotoni a bassa energia di questi ultimi varia da millimetri a diversi chilometri.

Dall'altro lato della gamma delle lunghezze d'onda visibili c'è lo spettro ultravioletto, seguito dallo spettro dei raggi X e poi dallo spettro dei raggi gamma con fotoni la cui lunghezza d'onda non supera i trilionesimi di metro.

Sebbene la visione della maggior parte di noi sia limitata allo spettro visibile, le persone affette da afachia, ovvero l'assenza del cristallino nell'occhio (di conseguenza operazione chirurgica affetti da cataratta o, meno comunemente, a causa di un difetto congenito) - sono in grado di vedere le onde ultraviolette.

IN occhio sano la lente blocca le lunghezze d'onda ultraviolette, ma in sua assenza una persona è in grado di percepire lunghezze d'onda fino a circa 300 nanometri come un colore blu-bianco.

Uno studio del 2014 rileva che, in un certo senso, tutti possiamo vedere anche i fotoni infrarossi. Se due di questi fotoni colpiscono la stessa cellula della retina quasi simultaneamente, la loro energia può sommarsi, trasformando lunghezze d’onda invisibili di, diciamo, 1000 nanometri in una lunghezza d’onda visibile di 500 nanometri (la maggior parte di noi percepisce lunghezze d’onda di questa lunghezza d’onda come un colore verde freddo).

Quanti colori vediamo?

negli occhi persona sana tre tipi di coni, ognuno dei quali è in grado di distinguere circa 100 colori diversi. Per questo motivo, la maggior parte dei ricercatori stima che il numero di colori che possiamo distinguere sia pari a circa un milione. Tuttavia, la percezione del colore è molto soggettiva e individuale.

Jameson sa di cosa sta parlando. Studia la visione dei tetracromatici, persone con capacità veramente sovrumane di distinguere i colori. La tetracromia è rara, soprattutto nelle donne. Come risultato di una mutazione genetica, hanno un quarto tipo di coni aggiuntivi, che consente loro, secondo stime approssimative, di vedere fino a 100 milioni di colori. (Le persone daltoniche, o dicromati, hanno solo due tipi di coni: non possono vedere più di 10.000 colori.)

Di quanti fotoni abbiamo bisogno per vedere una sorgente luminosa?

In generale, i coni richiedono molta più luce per funzionare in modo ottimale rispetto ai bastoncelli. Per questo motivo, in condizioni di scarsa illuminazione, la nostra capacità di distinguere i colori diminuisce e i bastoncini vengono messi al lavoro, fornendo una visione in bianco e nero.

Nell'ideale condizioni di laboratorio nelle aree della retina dove i bastoncelli sono per lo più assenti, i coni possono attivarsi se colpiti da pochi fotoni. Tuttavia, i bastoncini fanno un lavoro ancora migliore nel catturare anche la luce più fioca.

Come dimostrano i primi esperimenti condotti negli anni ’40, un quanto di luce è sufficiente perché i nostri occhi lo vedano. "Una persona è in grado di vedere solo un singolo fotone", afferma Brian Wandell, professore di psicologia e ingegneria elettrica alla Stanford University. "Una maggiore sensibilità retinica semplicemente non ha senso".

Nel 1941, i ricercatori della Columbia University condussero un esperimento: i soggetti furono portati in una stanza buia e diedero ai loro occhi un certo tempo per adattarsi. I bastoncini impiegano diversi minuti per raggiungere la piena sensibilità; ecco perché, quando spegniamo la luce nella stanza, perdiamo per un po' la capacità di vedere qualsiasi cosa.

Quindi, una luce blu-verde lampeggiante è stata diretta sui volti dei soggetti. Con una probabilità superiore a quella normale, i partecipanti all'esperimento hanno registrato un lampo di luce quando solo 54 fotoni hanno colpito la retina.

Non tutti i fotoni che raggiungono la retina vengono registrati dalle cellule fotosensibili. Considerando questa circostanza, gli scienziati sono giunti alla conclusione che sono sufficienti solo cinque fotoni che attivano cinque diversi bastoncini della retina affinché una persona possa vedere un lampo.

Gli oggetti visibili più piccoli e distanti

Il fatto seguente potrebbe sorprenderti: la nostra capacità di vedere un oggetto non dipende affatto dalle sue dimensioni fisiche o dalla sua distanza, ma dal fatto che almeno alcuni fotoni emessi da esso colpiscano la nostra retina.

"L'unica cosa di cui l'occhio ha bisogno per vedere qualcosa è una certa quantità di luce emessa o riflessa da un oggetto", dice Landy. "Tutto si riduce al numero di fotoni che raggiungono la retina. Esiste per una frazione di un in secondo luogo, possiamo ancora vederlo se emette abbastanza fotoni."

I libri di testo di psicologia affermano spesso che in una notte buia e senza nuvole, la fiamma di una candela può essere vista fino a una distanza di 48 km. In realtà la nostra retina è costantemente bombardata da fotoni, per cui viene emesso un solo quanto di luce lunga distanza, perditi nel loro background.

Per immaginare quanto lontano possiamo vedere, diamo un'occhiata al cielo notturno, tempestato di stelle. Le dimensioni delle stelle sono enormi; molti di quelli che vediamo ad occhio nudo hanno un diametro di milioni di chilometri.

Tuttavia, anche le stelle più vicine a noi si trovano a una distanza di oltre 38 trilioni di chilometri dalla Terra, quindi le loro dimensioni apparenti sono così piccole che il nostro occhio non è in grado di distinguerle.

D'altra parte, osserviamo ancora le stelle come sorgenti luminose puntiformi, perché i fotoni da esse emessi superano le gigantesche distanze che ci separano e colpiscono le nostre retine.

Tutte le singole stelle visibili nel cielo notturno si trovano nella nostra galassia: la Via Lattea. L'oggetto più lontano da noi che una persona può vedere ad occhio nudo si trova al di fuori della Via Lattea ed è esso stesso un ammasso stellare: questa è la Nebulosa di Andromeda, situata a una distanza di 2,5 milioni di anni luce, o 37 quintilioni di km, dal Sole. (Alcuni sostengono che nelle notti particolarmente buie, una vista nitida permette loro di vedere la Galassia del Triangolo, situata a una distanza di circa 3 milioni di anni luce, ma lasciate che questa affermazione rimanga sulla loro coscienza.)

La Nebulosa di Andromeda contiene un trilione di stelle. A causa della grande distanza, tutti questi luminari si fondono per noi in un granello di luce appena distinguibile. Allo stesso tempo, le dimensioni della Nebulosa di Andromeda sono colossali. Anche a una distanza così gigantesca, la sua dimensione angolare è sei volte il diametro della luna piena. Tuttavia, da questa galassia ci arrivano così pochi fotoni che è appena visibile nel cielo notturno.

Limite dell'acuità visiva

Perché non possiamo vedere le singole stelle nella Nebulosa di Andromeda? Il fatto è che la risoluzione, o l'acuità visiva, ha i suoi limiti. (L'acuità visiva si riferisce alla capacità di distinguere elementi come un punto o una linea come oggetti separati che non si fondono con gli oggetti vicini o con lo sfondo.)

In effetti, l'acuità visiva può essere descritta allo stesso modo della risoluzione del monitor di un computer - in dimensione minima pixel che siamo ancora in grado di distinguere come singoli punti.

I limiti dell'acuità visiva dipendono da diversi fattori, come la distanza tra i singoli coni e bastoncelli nella retina. Un ruolo altrettanto importante è giocato dalle caratteristiche ottiche del bulbo oculare stesso, per cui non tutti i fotoni colpiscono una cellula fotosensibile.

In teoria, gli studi dimostrano che la nostra acuità visiva è limitata dalla nostra capacità di vedere circa 120 pixel per grado angolare (un'unità di misura angolare).

Un esempio pratico dei limiti dell'acuità visiva umana può essere un oggetto delle dimensioni di un'unghia situato a un braccio di distanza, su cui sono applicate 60 linee orizzontali e 60 verticali di colori alternati bianco e nero, formando una sorta di scacchiera. "Probabilmente è il disegno più piccolo che l'occhio umano possa ancora distinguere", afferma Landy.

Su questo principio si basano le tabelle utilizzate dagli oculisti per verificare l'acuità visiva. La tabella Sivtsev più famosa in Russia è composta da file di lettere maiuscole nere su sfondo bianco, la cui dimensione del carattere diminuisce con ogni riga.

L'acuità visiva di una persona è determinata dalla dimensione del carattere alla quale smette di vedere chiaramente i contorni delle lettere e inizia a confonderle.

È il limite dell'acuità visiva che spiega il fatto che non siamo in grado di vedere ad occhio nudo cellula biologica, che misura solo pochi micrometri.

Ma non preoccuparti. La capacità di distinguere un milione di colori, catturare singoli fotoni e vedere galassie a pochi quintilioni di chilometri di distanza è un risultato piuttosto buono, dato che la nostra visione è fornita da un paio di sfere gelatinose nelle orbite, collegate a un apparecchio da 1,5 kg. massa porosa nel cranio.