LIDSKÉ OKO

Anatomie lidského oka

 

Oko nám umožňuje vidět a interpretovat tvary, barvy a rozměry objektů ve světě na základě zpracování světla, které odrážejí nebo vyzařují. Oko je schopno vnímat jasné nebo tlumené světlo, ale nedokáže vnímat předměty, když světlo chybí.

Světelné vlny z předmětu vstupují do oka nejprve přes rohovku, což je čirá tkáň v přední části oka. Poté světlo prochází zornicí, což je kruhový otvor uprostřed barevné duhovky.

Intenzita dopadajícího světla mění velikost oční zornice. Když je světlo vstupující do oka dostatečně jasné, zornice se zúží (zmenší) v důsledku světelné reakce duhovky.

Nejprve jsou světelné paprsky ohýbány nebo sbíhány rohovkou a poté dále krystalickou čočkou (umístěnou bezprostředně za duhovkou a zornicí) do uzlového bodu (N), který se nachází bezprostředně za zadní plochou čočky. V tomto bodě je obraz obrácený (otočený dozadu) a invertovaný (obrácený vzhůru nohama).

Světlo pokračuje sklivcem (vitreous humor), což je čirá gelovitá hmota, která tvoří přibližně 80 % objemu oka, a poté ideálně dopadá zpět na ostré ohnisko sítnice (retina), která se nachází za sklivcem. Malá centrální oblast sítnice se nazývá makula (macula) a poskytuje nejlepší vidění ze všech částí sítnice. Pokud bychom oko považovali za druh fotoaparátu (byť extrémně složitého), pak sítnice je ekvivalentem filmu uvnitř fotoaparátu, který zaznamenává drobné fotony světla interagující s ní.

Uvnitř vrstev sítnice jsou světelné impulsy přeměňovány na elektrické signály. Ty jsou poté přenášeny zrakovým nervem (nervus opticus) po zrakové dráze do týlního kortexu (cortex occipitalis) v zadní části mozku. Zde jsou elektrické signály interpretovány nebo „viděny“ mozkem jako vizuální obraz.

 

Rohovka (cornea)

Rohovka je průhledná zakřivená membrána na přední části oka, která slouží jako vnější okno oka. Rohovka je primární (nejmocnější) struktura zaostřující světlo vstupující do oka (spolu se sekundární zaostřovací strukturou, čočkou – lens crystallina).

Rohovka se skládá převážně z pojivové tkáně s tenkou vrstvou epitelu (epithelium) na povrchu. Epitel je typ tkáně, která pokrývá všechny volné povrchy těla.

Rohovka se skládá z 5 vrstev, od přední části k zadní:

1. epitel (epithelium),
2. Bowmanova (přední omezující) membrána (Bowman’s membrane),
3. stroma (substantia propria),
4. Descemetova (zadní omezující) membrána (Descemet’s membrane), a
5. endotel (zadní epitel) (endothelium).

Průhlednost rohovky je způsobena tím, že obsahuje jen velmi málo buněk a žádné krevní cévy. Pokud je však rohovka neustále podrážděná nebo infikovaná, mohou do ní začít prorůstat krevní cévy z okolí, což může narušit vidění.

Na druhé straně rohovka obsahuje nejvyšší koncentraci nervových vláken ze všech struktur těla, což ji činí extrémně citlivou na bolest. Nervová vlákna vstupují do rohovky na jejích okrajích a směřují ke středu. Tato vlákna jsou spojena s četnými receptory bolesti, které mají velmi nízký práh citlivosti. V rohovce je také hojně zastoupena citlivost na chlad, zatímco receptory tepla a dotyku se zdají být méně přítomné.

 

Sclera (bělima)

Po svém obvodu přechází rohovka do sclera (bělimy): bílé, neprůhledné části oka. Bělima tvoří zadních pět šestin vnější vrstvy oka. Poskytuje ochranu a slouží jako úpon pro okohybné svaly, které pohybují okem.

Slzy a slzné žlázy

Vnější povrch rohovky pokrývá "pre-korneální slzný film". Lidé normálně mrkají víčky přibližně každých šest sekund, aby obnovili slzný film. Slzy mají čtyři hlavní funkce v oku:

• zvlhčování rohovkového epitelu, čímž zabraňují jeho poškození v důsledku suchosti,
• vytváření hladkého optického povrchu na přední straně mikroskopicky nepravidelného povrchu rohovky,
• působení jako hlavní dodavatel kyslíku a dalších živin do rohovky,
• obsahování enzymu zvaného "lysozym", který ničí bakterie a zabraňuje růstu mikrocyst na rohovce, a
• odplavování škodlivých bakterií a jiných mikrobů z oka, do slzných kanálků a poté ven nosem.

Iris (duhovka)

Iris (duhovka), viditelná přes průhlednou rohovku jako barevný disk uvnitř oka, je tenká přepážka složená převážně z pojivové tkáně a hladkých svalových vláken. Je umístěna mezi rohovkou a čočkou. Barva(y), textura a vzory duhovky každého člověka jsou stejně jedinečné jako otisk prstu.

Duhovka se skládá ze 3 vrstev, zepředu dozadu:

1. endothelium (endotel),
2. stroma (stroma), a
3. epithelium (epitel).

Duhovka rozděluje anterior compartment (přední oddíl), prostor oddělující rohovku a čočku, do 2 komor:

• větší anterior chamber (přední komora), mezi rohovkou a duhovkou, a
• menší posterior chamber (zadní komora), mezi duhovkou a čočkou.

Barva očí

Barva duhovky, daná geneticky, je určena množstvím pigmentu přítomného ve struktuře duhovky. Žádný pigment vůbec (v případě albína) má za následek růžovou duhovku. Malé množství pigmentu způsobuje, že duhovka vypadá modře. Zvyšující se množství pigmentu v duhovce vytváří zelenou, oříškovou a hnědou duhovku (nebo duhovky).

Ve skutečnosti existují dva pigmenty, melanin a lipochrom, které určují barvu očí. Ukládání melaninu (hnědého) je řízeno genem na chromozomu 15. Ukládání lipochromu (žlutohnědého) je řízeno genem na chromozomu 19.

Pupil (zornice)

Uprostřed normální duhovky je pupil (zornice). Je to otvor, který je typicky kruhový a je srovnatelný s clonou fotoaparátu. Zornice pomáhá regulovat množství světla procházejícího k sítnici, která je v zadní části oka.

Když se množství světla vstupujícího do oka snižuje (například v tmavé místnosti nebo v noci), sval rozšiřující zornici (který prochází radiálně duhovkou jako paprsky kola) se stahuje od středu, což způsobuje "rozšíření" zornice. To umožňuje, aby více světla dosáhlo sítnice. Když do oka vstupuje příliš mnoho světla, svěrač zornice (který obkružuje zornici) se stahuje směrem ke středu, způsobuje "zúžení" zornice a umožňuje, aby méně světla dosáhlo sítnice. Některé oční kapky mohou také rozšířit nebo zúžit zornice.

 

Crystalline lens (čočka)

Průhledná crystalline lens (čočka) oka se nachází bezprostředně za iris (duhovkou). Je složena z vláken, která pocházejí z epiteliálních (hormon produkujících) buněk. Ve skutečnosti tvoří cytoplazma těchto buněk průhlednou hmotu čočky.

Čočka se skládá ze 4 vrstev, od povrchu ke středu:

1. capsule (pouzdro),
2. subcapsular epithelium (subkapsulární epitel),
3. cortex (kůra), a
4. nucleus (jádro).

Pouzdro čočky je čirá, membráně podobná struktura, která je poměrně elastická, vlastnost, která ji udržuje pod neustálým napětím. V důsledku toho přirozeně čočka tíhne k zaoblenější nebo kulovitější konfiguraci, tvaru, který musí zaujmout, aby se oko zaostřilo na blízkou vzdálenost.

Tenké, ale velmi silné suspensory ligaments (závěsné vazy), známé také jako zonules (zonuly) nebo zonules of Zinn (Zinnovy vlákna), se připojují na jednom konci k pouzdru čočky a na druhém konci k ciliary processes (řasnatým výběžkům) kruhového řasnatého tělesa, kolem vnitřku oka. Tyto tenké vazy nebo zonuly drží čočku na místě.

accommodation (akomodace)

ciliary body (řasnaté těleso) je kruhové a ciliary muscle (řasnatý sval) uvnitř něj je svěrací sval, tvarovaný jako malý donut. Vnitřní průměr svalu se zmenšuje, když se stahuje, a zvětšuje, když se uvolňuje.

Když oko pozoruje objekt ve velké vzdálenosti (takže do oka vstupují rovnoběžné paprsky světla), řasnatý sval uvnitř řasnatého tělesa se uvolňuje. Řasnaté výběžky tahají za závěsné vazy (nebo zonuly), které zase tahají za pouzdro čočky kolem jejího rovníku. To způsobuje, že se celá čočka zploští nebo se stane méně vypouklou, což umožňuje čočce zaostřit světlo ze vzdáleného objektu.

Naopak, když oko pozoruje objekt v blízké vzdálenosti, vzniká "akomodační požadavek". V důsledku toho řasnatý sval pracuje nebo se stahuje, což způsobuje uvolnění napětí na závěsných vazech a následně na pouzdru čočky. To způsobuje, že oba povrchy čočky (přední a zadní) se stávají více vypouklými a oko je schopné zaostřit na blízko.

Tato úprava tvaru čočky, pro zaostření na různé vzdálenosti, je označována jako "akomodace" nebo "akomodační proces" a je spojena se současným zúžením (zmenšením velikosti) pupil (zornice). Animovaný diagram výše ilustruje změnu polohy řasnatého tělesa, čočky a zornice, když oko střídavě hledí do dálky a do blízka.

"Amplituda akomodace" oka je maximální množství, o které se může čočka oka akomodovat (změnit tvar), v dioptriích (D). Toto množství je velmi vysoké, když je člověk mladý, a s věkem se snižuje.

Amplituda akomodace je ekvivalentní inverzi (reciproční hodnotě) vzdálenosti ("blízký bod akomodace"), na kterou se emetropické oko může jasně zaostřit. ("Emetropie" se vztahuje k oku, které nemá refrakční vadu - žádnou hyperopia (dalekozrakost), myopia (krátkozrakost), ani astigmatism (astigmatismus) - nebo se může vztahovat k optickému systému oka korigovanému na "plano" [0,00 dioptrií refrakční vady] brýlemi, kontaktními čočkami nebo refrakční chirurgií.)

 

 

<

Vidění je složitý proces, který vyžaduje spolupráci mnoha komponent lidského oka a mozku. Prvním krokem tohoto fascinujícího a mocného smyslu je činnost probíhající v sítnici oka. Konkrétně fotoreceptorové neurony (zvané fotoreceptory) v sítnici zachycují světlo a posílají signály do sítě neuronů, které pak generují elektrické impulsy jdoucí do mozku. Mozek poté tyto impulsy zpracovává a poskytuje informace o tom, co vidíme. V této části budeme zkoumat počáteční kroky v procesu vidění. Zjistíme, jak fotoreceptory fungují, a konkrétně se zaměříme na fotoreceptorové proteiny, abychom pochopili, jak se světelná energie přeměňuje na elektrickou energii. Kromě toho se podíváme na některé současné studie, které pomáhají dále rozšiřovat naše porozumění proteinům zapojeným do procesu vidění.

Anatomie a funkce oka

Lidská anatomie je studována již od starověku. Více než 1400 let bylo naše porozumění anatomii založeno na teoriích řeckého lékaře Galena z Pergamonu (130-200 n. l.). Nicméně přesné a komplexní porozumění lidské anatomii bylo opožděno až do období renesance, především proto, že pitvy a autopsie byly většinou náboženství zakázány. Jednu z prvních systematických studií lidské anatomie, která zahrnovala skutečné zkoumání a pitvu lidského těla, provedl Andreas Vesalius (1514-1564). V důsledku jeho rozsáhlé práce bylo opraveno mnoho předchozích mylných představ Galenovy medicíny. Nashromážděný výzkum vědců po mnoho stovek let vedl k vynikajícímu porozumění lidské anatomii.

Realistické porozumění funkci komponent oka začalo kolem 17. století, poté, co byla pevně stanovena hrubá anatomie oka. V 17. století bylo zjištěno, že za detekci světla je zodpovědná sítnice, nikoli rohovka, jak se dříve myslelo. Johannes Kepler z Německa a Renee Descartes z Francie, oba významní fyzikové své doby, dosáhli mnoha pokroků v porozumění vidění. Velká část jejich práce aplikovala fyzikální koncepty světelných paprsků a geometrické optiky na proces vidění. Kepler jako první navrhl, že čočka oka zaostřuje obrazy na sítnici. O několik desetiletí později Descartes prokázal, že Kepler měl pravdu. V přelomovém experimentu Descartes chirurgicky odstranil oko býka a seškrábal zadní část oka, aby byla průhledná. Poté umístil oko na okenní parapet, jako by býk vyhlížel z okna. Podíval se na zadní část oka a uviděl převrácený obraz scenérie venku! Descartes správně předpokládal, že obraz je převrácený v důsledku zaostření na sítnici čočkou oka.

Kolem počátku 19. století Thomas Young, významný fyzik a lékař, provedl řadu studií oka, které vedly k pochopení, jak čočka zaostřuje obrazy na sítnici. Také ukázal, že astigmatismus je výsledkem nesprávně zakřivené rohovky. Nyní víme, že řada poruch vidění, včetně krátkozrakosti i dalekozrakosti, je také výsledkem nesprávně zakřivené rohovky. Čočky v brýlích fungují tak, že korigují nesprávné zakřivení rohovky.

Nyní známe základní funkci komponent lidského oka a jak se podílejí na procesu vidění. Světlo, které se odráží od objektů kolem nás, je čočkou zobrazeno na sítnici. Sítnice, která se skládá ze tří vrstev neuronů (fotoreceptor, bipolární a gangliová), je zodpovědná za detekci světla z těchto obrazů a poté za způsobení, že jsou impulsy odesílány do mozku podél optického nervu. Mozek dekóduje tyto obrazy do informací, které známe jako vidění.

Mikroskopická anatomie: Tyčinky a čípky sítnice

Ačkoli mikroskop byl poprvé použit ve vědeckém pozorování na konci 16. a počátku 17. století, jak nástroj, tak techniky jeho používání dosáhly dostatečné úrovně sofistikovanosti do 19. století, aby se stal neocenitelným při zkoumání struktur oka. Bylo to ve 30. letech 19. století, kdy několik německých vědců použilo mikroskop k důkladnému prozkoumání sítnice. Během této doby byly v sítnici objeveny dva různé typy buněk, tyčinky a čípky. Tyto buňky byly pojmenovány podle jejich tvaru, jak byly viděny v mikroskopu.

Mikroskopický pohled na tyčinky zebřičky nám ukazuje, jak tyto buňky skutečně vypadají v živočichovi. Další výzkum ukázal, že tyčinky a čípky reagují na světlo. Max Schultze (1825-1874) objevil, že čípky sítnice jsou barevné receptory oka a tyčinky sítnice, ačkoli nejsou citlivé na barvu, jsou velmi citlivé na světlo při nízkých úrovních. Selig Hecht ukázal v roce 1938 vynikající citlivost tyčinek, když prokázal, že i jediný foton může vyvolat reakci v tyčince. Čípky jsou na druhou stranu méně citlivé na světlo, ale vykazují velkou citlivost na různé barvy. Jsou to čípky, které nám umožňují vidět barevně. Je to proto, že čípky zůstávají nestimulované v prostředí s nízkým osvětlením, že nevidíme barvy na slabě osvětlených místech. Vyzkoušejte si to sami. Vstupte do šatny a snižte úroveň světla. Brzy uvidíte pouze odstíny šedé. Pomalu zvyšujte úroveň světla, dokud nezačnete vidět barvy. Tato demonstrace obvykle dobře funguje v šatně kvůli mnoha různým barvám vašeho oblečení.

V lidském oku je v sítnici mnohem více tyčinek než čípků. Počet tyčinek a čípků u zvířat často souvisí s instinkty a návyky zvířete. Například ptáci jako jestřábi mají výrazně vyšší počet čípků než lidé. To jim umožňuje vidět malá zvířata z velké vzdálenosti, což jim umožňuje lovit potravu. Noční zvířata mají na druhou stranu relativně vyšší počet tyčinek, což jim umožňuje lepší noční vidění.

Schematický nákres tyčinek a čípků je znázorněn na obrázku 2. Buňky jsou rozděleny do dvou částí. Spodní část se nazývá vnitřní segment. Obsahuje jádro a synaptické zakončení. Synaptické zakončení se připojuje k neuronům, které produkují signály jdoucí do mozku. Horní část se nazývá vnější segment. Vnější segment je tvořen membránou, která je složena do několika vrstev disků. Disky se skládají z buněk, které obsahují molekuly absorbující světlo.

Zrakové pigmenty

Během 19. století byly v sítnici objeveny zrakové pigmenty. Vědci, pracující při svíčkách, pitvali sítnice z žabích očí. Když byly sítnice vystaveny dennímu světlu, změnily barvu. Tito vědci objevili, že sítnice je fotocitlivá. Uvědomili si, že barva, kterou pozorovali, byla způsobena přítomností zrakového pigmentu, který dostal název rhodopsin. Pozdější studie ukázaly, že rhodopsin je protein, který se nachází v discích membrány tyčinek.

Pigmenty se také nacházejí v čípcích. Existují tři typy čípků, z nichž každý obsahuje zrakový pigment. Tyto pigmenty se nazývají červený, modrý nebo zelený zrakový pigment. Čípky detekují primární barvy a mozek tyto barvy mísí v zdánlivě nekonečně proměnlivých poměrech, takže můžeme vnímat širokou škálu barev. Dlouhodobé vystavení barvám, například při pohledu na konkrétní objekt, může způsobit únavu čípků. To má za následek změnu způsobu, jakým vnímáte barvu objektu, na který se díváte. Ukázku efektu barevné únavy najdete na webové stránce Exploratorium "Bird in a Cage".

Původní teorie barevného vidění byla představena Thomasem Youngem kolem roku 1790, před objevem čípků v sítnici. Young byl první, kdo navrhl, že lidské oko vidí pouze tři primární barvy, červenou, modrou a žlutou, a že všechny ostatní viditelné barvy jsou kombinacemi těchto. Nyní je známo, že barevné vidění je složitější než toto, ale Youngova práce vytvořila základ teorie barevného vidění pro vědce, kteří následovali. Fotoreceptorové proteiny čípků dosud nebyly izolovány. To může být způsobeno obtížností jejich získání. V sítnici je mnohem méně čípků než tyčinek. Také mnoho zvířat nemá čípky, a proto nevidí barevně.

Důležitý protein v tyčince: Rhodopsin

George Wald a jeho spolupracovníci na Harvardské univerzitě se zasloužili o naše pochopení molekul odpovědných za první kroky v procesu vidění. Za tuto a další práci o vidění získal v roce 1967 Nobelovu cenu za medicínu a fyziologii. Waldova skupina byla první, která objasnila molekulární složky funkčního proteinu tyčinky - rhodopsinu. Před jeho prací byl rhodopsin považován za kousek molekulární hmoty. Wald a jeho spolupracovníci zjistili, že protein se skládá ze dvou molekulárních částí: bezbarvé aminokyselinové sekvence zvané opsin a žlutého organického chromoforu zvaného retinal.

Nyní je známo, že protein rhodopsin má molekulovou hmotnost ~40 kDa. Protein protíná membránu tyčinky, a proto se nazývá transmembránový protein. Přesná struktura rhodopsinu nebyla nikdy určena, ale experimentální data vedla vědce k předpokladu, že obsahuje sedm helixů nebo otáček. Schematický nákres rhodopsinu v membráně tyčinky je znázorněn na obrázku 3. Přibližně polovina proteinu je obsažena v membráně, přičemž asi 25 % proteinu leží jak nad, tak pod membránou.

 

Je to právě protein rhodopsin v sítnici, který absorbuje světlo vstupující do oka. Konkrétně je známo, že molekula retinalu, která je zabudována uvnitř rhodopsinu, podstupuje fotoexcitaci absorpcí světla. V procesu fotoexcitace rhodopsin absorbuje světlo a je excitován do vyššího elektronického stavu. Byly provedeny četné studie, které se snažily pochopit, co se stane poté, co rhodopsin absorbuje světlo. Výzkum ukázal, že po fotoexcitaci retinalová část rhodopsinu podstupuje zkroucení kolem jedné ze svých dvojných vazeb (viz obrázek 4). Retinal se poté odděluje od opsinu. Změna geometrie iniciuje sérii událostí, které nakonec způsobí, že jsou elektrické impulsy odesílány do mozku podél optického nervu. Pro plné pochopení tohoto složitého procesu je potřeba další výzkum.

Vitamin A a retinal

Během první části 20. století pokračovala práce na hranici výzkumu zaměřeného na pochopení vidění. Bylo to také v této době, kdy se na univerzitách a zemědělských školách začal studovat vztah mezi viděním a správnou výživou. Během první světové války bylo prokázáno, že nedostatek vitaminu A způsobuje šeroslepost. Spojitost mezi vitaminem A a šeroslepostí však nebyla jasná až do roku 1933, kdy George Wald a jeho spolupracovníci izolovali vitamin A ze sítnice. Před tímto zjištěním byl význam vitaminů špatně chápán. Kromě toho byla neznámá úplná role vitaminů ve fyziologických procesech.

Nyní je známo, že lidské tělo vytváří retinal z vitaminu A. Obrázek retinalu a vitaminu A je znázorněn na obrázku 5. Molekuly retinalu i vitaminu A obsahují dlouhý řetězec dvojných vazeb. Když se retinal odděluje od opsinu, část retinalu je zničena. Pro doplnění zničeného retinalu je důležité mít v potravě zdroj vitaminu A. Bez tohoto zdroje vitaminu A se může vyvinout šeroslepost, protože tyčinky nemohou efektivně fungovat bez dostatečných zdrojů retinalu.