Введение

Орган зрения
глаза человека

Глаз человека — это орган сенсорной нервной системы, который реагирует на видимый свет и позволяет использовать зрительную информацию для различных целей, включая зрение, поддержание равновесия и регуляцию циркадного ритма. Глаз можно рассматривать как живое оптическое устройство. Он имеет приблизительно сферическую форму, а его внешние слои, такие как самая внешняя белая часть глаза (склера) и один из его внутренних слоев (пигментированная сосудистая оболочка), обеспечивают светонепроницаемость глаза, за исключением оптической оси. Вдоль оптической оси оптические компоненты состоят из первой линзы (роговицы — прозрачной части глаза), которая обеспечивает большую часть оптической силы глаза и выполняет основную фокусировку света из окружающего мира; затем отверстия (зрачка) в диафрагме (радужной оболочке — цветной части глаза), которое контролирует количество света, попадающего внутрь глаза; затем другой линзы (хрусталика), которая завершает фокусировку света в изображения; и, наконец, светочувствительной части глаза (сетчатки), на которую проецируются и обрабатываются изображения. Сетчатка соединена с мозгом через зрительный нерв. Остальные компоненты глаза поддерживают его форму, питают, обеспечивают его функционирование и защищают. Три типа клеток в сетчатке преобразуют световую энергию в электрическую энергию, используемую нервной системой: палочки реагируют на свет низкой интенсивности и способствуют восприятию изображений с низким разрешением, в черно-белых тонах; колбочки реагируют на свет высокой интенсивности и способствуют восприятию изображений с высоким разрешением, в цвете; и недавно открытые ганглиозные фоторецепторные клетки реагируют на весь диапазон световых интенсивностей и способствуют регулированию количества света, достигающего сетчатки, регуляции и подавлению гормона мелатонина, а также синхронизации циркадного ритма.

Структура

У людей два глаза, расположенные слева и справа от лица. Глаза находятся в костных полостях, называемых глазницами, в черепе. Движения глаз контролируются шестью внеглазными мышцами. Передняя видимая часть глаза состоит из беловатой склеры, цветной радужной оболочки и зрачка. Поверх этого располагается тонкий слой, называемый конъюнктивой. Передняя часть глаза также называется передним сегментом глаза. Глаз не имеет формы идеальной сферы; он представляет собой единую структуру, состоящую из переднего (переднего) сегмента и заднего (заднего) сегмента. Передний сегмент состоит из роговицы, радужной оболочки и хрусталика. Роговица прозрачная и более изогнутая, она связана с более крупным задним сегментом, состоящим из стекловидного тела, сетчатки, сосудистой оболочки и внешней белой оболочки – склеры. Диаметр роговицы обычно составляет около 0,5 мм (500 мкм), а толщина в центре – около этого значения. Задняя камера составляет оставшиеся пять шестых; ее диаметр обычно составляет около этого значения. Область, называемая лимбом, соединяет роговицу и склеру. Радужная оболочка – это пигментированная круглая структура, концентрически окружающая центр глаза, зрачок, который выглядит черным. Размер зрачка, контролирующий количество света, попадающего в глаз, регулируется мышцами, расширяющими и сужающими зрачок. Свет входит в глаз через роговицу, затем через зрачок и, наконец, через хрусталик. Форма хрусталика изменяется для фокусировки на близких объектах (аккомодация) и контролируется цилиарной мышцей. Между этими двумя структурами находятся четыре оптические поверхности, каждая из которых преломляет свет, проходящий по оптическому пути. Одной из основных моделей, описывающих геометрию оптической системы, является Аризонская модель глаза. Эта модель геометрически описывает аккомодацию глаза. Фотоны света, попадающие на светочувствительные клетки сетчатки (фоторецепторные колбочки и палочки), преобразуются в электрические сигналы, которые передаются в мозг по зрительному нерву и интерпретируются как зрение.

Размер

Размер глаз у взрослых отличается всего на один-два миллиметра. Глазное яблоко обычно менее высокое, чем широкое. Вертикальный сагиттальный (высота) размер взрослого глаза человека составляет приблизительно [значение], поперечный горизонтальный диаметр (ширина) – [значение], а передне-задний осевой размер (глубина) в среднем равен [значение] без значительных различий между полами и возрастными группами. Обнаружена сильная корреляция между поперечным диаметром и шириной глазницы (r = 0,88). Глазное яблоко быстро растет, увеличиваясь в диаметре примерно с [значение] при рождении до [значение] к трем годам. К 12 годам глаз достигает своего окончательного размера.

Компоненты

Глаз состоит из трех оболочек, или слоев, окружающих различные анатомические структуры. Наружная оболочка, известная как фиброзная оболочка, состоит из роговицы и склеры, которые придают глазу форму и поддерживают более глубоко расположенные структуры. Средняя оболочка, известная как сосудистая оболочка или увеа, состоит из хороидеи, цилиарного тела, пигментного эпителия и радужной оболочки. Внутренняя оболочка – это сетчатка, которая получает кислород от кровеносных сосудов хороидеи (сзади), а также от сосудов самой сетчатки (спереди). Пространства глаза заполнены водянистой влагой спереди, между роговицей и хрусталиком, а стекловидное тело, представляющее собой желеобразное вещество, находится за хрусталиком и заполняет всю заднюю полость. Водянистая влага – это прозрачная водянистая жидкость, содержащаяся в двух областях: передней камере между роговицей и радужной оболочкой, и задней камере между радужной оболочкой и хрусталиком. Хрусталик подвешен к цилиарному телу подвесной связкой (зонулой Зинна), состоящей из сотен тонких прозрачных волокон, которые передают мышечные усилия для изменения формы хрусталика, необходимого для аккомодации (фокусировки). Стекловидное тело – это прозрачное вещество, состоящее из воды и белков, которые придают ему желеобразную и вязкую консистенцию.

Внешние мышцы

Каждый глаз имеет семь глазодвигательных мышц, расположенных в его глазнице. Шесть из этих мышц контролируют движения глаза, а седьмая – движение верхнего века. Эти шесть мышц включают четыре прямые мышцы – латеральную прямую, медиальную прямую, нижнюю прямую и верхнюю прямую, а также две косые мышцы – нижнюю косую и верхнюю косую. Седьмая мышца – это мышца, поднимающая верхнее веко (levator palpebrae superioris). Когда мышцы создают разное натяжение, на глазное яблоко воздействует крутящий момент, который заставляет его вращаться почти чисто вращательно, с перемещением всего около одного миллиметра. Таким образом, глаз можно рассматривать как вращающийся вокруг одной точки в центре глаза.

Поле зрения

Приблизительное поле зрения отдельного человеческого глаза (измеряемое от точки фиксации, то есть точки, на которую направлен взгляд) варьируется в зависимости от анатомии лица, но обычно составляет 30° вверх (ограничено бровью), 45° к носу (ограничено носом), 70° вниз и 100° к виску. Для обоих глаз, при совместном (бинокулярном) зрении, поле зрения составляет приблизительно 100° по вертикали и максимум 190° по горизонтали, из которых около 120° составляют бинокулярное поле зрения (видимое обоими глазами), ограниченное двумя одноокулярными полями (видимыми только одним глазом) примерно по 40°. Это соответствует площади в 4,17 стерадиан или 13700 квадратных градусов для бинокулярного зрения. При взгляде под большим углом сбоку радужная оболочка и зрачок могут все еще быть видны наблюдателю, что указывает на возможность периферического зрения под этим углом. Примерно на 15° к виску и на 1,5° ниже горизонтальной линии находится слепое пятно, создаваемое зрительным нервом со стороны носа, его высота составляет около 7,5°, а ширина – 5,5°.

Динамический диапазон

Соотношение статического контраста сетчатки составляет около 100:1 (примерно 6,5 f-остановок). Как только глаз быстро перемещается для фиксации объекта (саккады), он перенастраивает экспозицию, регулируя радужную оболочку, которая изменяет размер зрачка. Первичная адаптация к темноте происходит примерно за четыре секунды полной, непрерывной темноты; полная адаптация посредством изменений в фоторецепторах палочек сетчатки завершается на 80% в течение тридцати минут. Этот процесс нелинеен и многогранен, поэтому любое прерывание световым воздействием требует повторного запуска процесса адаптации к темноте. Человеческий глаз способен воспринимать яркость от 10−6 cd/m2, или одна миллионная (0,000001) канделы на квадратный метр, до 108 cd/m2, или ста миллионов (100 000 000) кандел на квадратный метр (то есть диапазон составляет 1014, или сто триллионов – 100 000 000 000 000, что соответствует примерно 46,5 f-остановок). Этот диапазон не включает в себя рассматривание яркого полуденного солнца (109 cd/m2) или вспышку молнии. Нижняя граница диапазона соответствует абсолютному порогу зрения для постоянного света в широком поле зрения, примерно 10−6 cd/m2 (0,000001 канделы на квадратный метр). Верхняя граница диапазона, определяемая с точки зрения нормальной зрительной функции, составляет 108 cd/m2 (100 000 000 или сто миллионов кандел на квадратный метр). Глаз содержит хрусталик, аналогичный тем, что используются в оптических приборах, таких как камеры, и к нему применимы те же физические принципы. Зрачок человеческого глаза является его апертурой, а радужная оболочка – диафрагмой, выполняющей функцию апертурной диафрагмы. Рефракция в роговице приводит к тому, что эффективная апертура (входной зрачок) незначительно отличается от физического диаметра зрачка. Обычно диаметр входного зрачка составляет около 4 мм, хотя он может изменяться от 2 мм в условиях яркого освещения до 8 мм в темноте. Последнее значение медленно уменьшается с возрастом; у пожилых людей зрачки иногда расширяются не более чем до 5–6 мм в темноте и могут сужаться до 1 мм при ярком свете.

Движение

Система зрения в человеческом мозге недостаточно быстра для обработки информации, если изображения скользят по сетчатке со скоростью более нескольких градусов в секунду. Поэтому, чтобы видеть в движении, мозг должен компенсировать движение головы, поворачивая глаза. У животных с направленным вперед зрением есть небольшая область сетчатки с очень высокой остротой зрения – центральная ямка. У людей она занимает около 2 градусов поля зрения. Чтобы получить четкое изображение окружающего мира, мозг должен поворачивать глаза так, чтобы изображение рассматриваемого объекта попадало на центральную ямку. Любое нарушение точности движений глаз может привести к серьезному ухудшению зрения. Наличие двух глаз позволяет мозгу определять глубину и расстояние до объекта, что называется стереоскопическим зрением, и придает зрению ощущение трехмерности. Для стимуляции стереоскопического зрения оба глаза должны быть направлены достаточно точно, чтобы изображение рассматриваемого объекта попадало в соответствующие точки обеих сетчаток; в противном случае может возникнуть двоение. Некоторые люди с врожденным косоглазием склонны игнорировать зрение одного глаза, поэтому не страдают двоением и не обладают стереоскопическим зрением. Движениями глаза управляют шесть мышц, прикрепленных к каждому глазу, позволяющие ему подниматься, опускаться, сходиться, расходиться и вращаться. Эти мышцы контролируются как произвольно, так и непроизвольно для слежения за объектами и коррекции одновременных движений головы.

Быстро

Быстрое движение глаз, REM, обычно относится к фазе сна, в которой происходят наиболее яркие сновидения. Во время этой фазы глаза совершают быстрые движения.

Сакадский

Сакады — это быстрые, одновременные движения обоих глаз в одном направлении, контролируемые лобной долей головного мозга.

Фиксационный

Даже при пристальном взгляде на одну точку глаза всё равно совершают небольшие движения. Это обеспечивает постоянную стимуляцию фоточувствительных клеток в различной степени. Без изменения входящего сигнала эти клетки в противном случае прекратили бы выработку выходного сигнала. Движения глаз включают дрейф, тремор глаз и микросаккады. Некоторые нерегулярные дрейфы, движения меньше саккад, но больше микросаккад, составляют до одной десятой градуса. Исследователи расходятся в определениях микросаккад по амплитуде. Мартин Ролфс утверждает, что "большинство микросаккад, наблюдаемых в различных задачах, имеют амплитуду менее 30 угловых минут". Однако другие утверждают, что "современный научный консенсус склоняется к определению микросаккад, включающему величины до 1°".

Вестибуло-окулярный

Рефлекс глазного вестибула — это рефлекторное движение глаз, стабилизирующее изображение на сетчатке во время движения головы. Это достигается за счет движения глаз в направлении, противоположном движению головы, в ответ на нервные импульсы из вестибулярной системы внутреннего уха, что позволяет удерживать изображение в центре поля зрения. Например, при движении головы вправо глаза двигаются влево. Это справедливо для движений головы вверх и вниз, влево и вправо, а также при наклонах головы вправо и влево, все из которых посылают сигналы глазным мышцам для поддержания зрительной стабильности.

Неплохое преследование .

Глаза также могут следить за движущимся объектом. Это слежение менее точно, чем вестибулоокулярный рефлекс, так как требует от мозга обработки поступающей зрительной информации и выработки корректирующего сигнала. Следить за объектом, движущимся с постоянной скоростью, относительно легко, хотя глаза часто совершают саккады, чтобы не отставать. Плавное слежение может перемещать глаз со скоростью до 100°/с у взрослых людей. Визуально оценить скорость сложнее в условиях низкой освещенности или во время движения, если нет дополнительной точки отсчета для определения скорости.

Оптокинетические

Оптокинетический рефлекс (или оптокинетический нистагм) стабилизирует изображение на сетчатке за счет визуальной обратной связи. Он возникает, когда вся визуальная сцена смещается по сетчатке, вызывая вращение глаз в том же направлении и с такой скоростью, которая минимизирует движение изображения на сетчатке. Когда направление взгляда отклоняется слишком сильно от прямой линии, индуцируется компенсаторный саккада, чтобы вернуть взгляд в центр поля зрения. Например, наблюдая из окна за проходящим поездом, глаза могут на короткое время сфокусироваться на поезде (стабилизируя его на сетчатке), пока он не выйдет за пределы поля зрения. В этот момент глаз возвращается к точке, где поезд был впервые замечен (с помощью саккады).

Близкий ответ

Адаптация к ближнему зрению включает три процесса, необходимые для фокусировки изображения на сетчатке.

Переходный процесс

Когда существо с бинокулярным зрением смотрит на объект, глаза должны вращаться вокруг вертикальной оси, чтобы проекция изображения попадала в центр сетчатки обоих глаз. Чтобы сфокусироваться на близком объекте, глаза сходятся (конвергенция), а для объекта, находящегося на большем расстоянии, они расходятся (дивергенция).

Сжатие зрачка

Линзы преломляют световые лучи не так эффективно по краям, как вблизи центра. Поэтому изображение, создаваемое любой линзой, несколько размыто по краям (сферическая аберрация). Эту аберрацию можно уменьшить, блокируя периферические лучи света и рассматривая только четко сфокусированную центральную часть изображения. В глазу эту функцию выполняет зрачок, сужаясь при фокусировке на близких объектах. Малые апертуры также увеличивают глубину резкости, обеспечивая более широкий диапазон четкого зрения. Таким образом, зрачок выполняет двойную функцию при рассматривании близких объектов: уменьшает сферическую аберрацию и увеличивает глубину резкости.

Устройство объектива

Изменение кривизны хрусталика осуществляется цилиарными мышцами, окружающими хрусталик; этот процесс известен как "аккомодация". Аккомодация сужает внутренний диаметр цилиарного тела, что расслабляет волокна подвесной связки, прикрепленной к периферии хрусталика, и позволяет хрусталику принимать более выпуклую, или сферическую, форму. Более выпуклый хрусталик сильнее преломляет свет и фокусирует расходящиеся лучи света от близких объектов на сетчатке, обеспечивая более четкое изображение близких предметов.

Болезнь

Существует множество заболеваний, расстройств и возрастных изменений, которые могут влиять на глаза и окружающие структуры. С возрастом в глазах происходят определенные изменения, которые можно отнести исключительно к процессу старения. Большинство этих анатомических и физиологических процессов характеризуются постепенным снижением функций. С возрастом качество зрения ухудшается по причинам, не связанным с заболеваниями глаз. Хотя в здоровом глазу происходит множество значительных изменений, наиболее важными с функциональной точки зрения представляются уменьшение размера зрачка и потеря аккомодации, то есть способности фокусироваться (пресбиопия). Размер зрачка определяет количество света, достигающего сетчатки. С возрастом способность зрачка расширяться уменьшается, что приводит к значительному снижению количества света, попадающего на сетчатку. По сравнению с молодыми людьми, пожилые люди как будто постоянно носят солнцезащитные очки средней плотности. Поэтому пожилым людям требуется дополнительное освещение для выполнения любых детальных задач, требующих зрительного контроля и зависящих от уровня освещенности. Некоторые глазные заболевания могут быть вызваны инфекциями, передающимися половым путем, такими как герпес и генитальные бородавки. При контакте глаза с очагом инфекции ИППП может передаваться в глаз. С возрастом на периферии роговицы развивается заметное белое кольцо, называемое аркусом сенилис. Старение вызывает ослабление тканей век, их опущение и атрофию орбитального жира. Эти изменения способствуют развитию различных заболеваний век, таких как эктропион, энтропион, дерматохалаз и птоз. Стеклянное тело подвергается разжижению (задняя отслойка стекловидного тела или PVD), а его помутнения, видимые как «мушки» перед глазами, постепенно увеличиваются в количестве. Специалисты по уходу за глазами, включая офтальмологов и оптометристов, занимаются лечением и коррекцией глазных и зрительных расстройств. Таблица Снеллена – один из типов таблиц для проверки остроты зрения. По завершении полного обследования глаз врач может выписать пациенту рецепт на очки с коррекционными линзами. К нарушениям зрения, при которых назначаются коррекционные линзы, относятся миопия (близорукость), гиперметропия (дальнозоркость), астигматизм и пресбиопия (снижение диапазона фокусировки с возрастом).

Макулярная дегенерация

Макулярная дегенерация особенно распространена в США и ежегодно поражает около 1,75 миллиона американцев. Более низкий уровень лютеина и зеаксантина в макуле может быть связан с повышенным риском развития возрастной макулярной дегенерации. Лютеин и зеаксантин действуют как антиоксиданты, защищая сетчатку и макулу от окислительного повреждения, вызванного высокоэнергетическими световыми волнами. Когда световые волны проникают в глаз, они возбуждают электроны, которые могут повредить клетки глаза, вызывая окислительный стресс, способный привести к макулярной дегенерации или катаракте. Лютеин и зеаксантин связывают свободные радикалы электронов и нейтрализуют их, делая электроны безопасными. Существует множество способов обеспечить достаточное потребление лютеина и зеаксантина с пищей, наиболее эффективный из которых – употребление темно-зеленых овощей, таких как капуста кале, шпинат, брокколи и ботва репы. Питание играет важную роль в поддержании и достижении здоровья глаз. Лютеин и зеаксантин – два основных каротиноида, содержащихся в макуле глаза, которые изучаются для определения их роли в патогенезе глазных заболеваний, таких как возрастная макулярная дегенерация и катаракта.

Сексуальность

Глаза человека (особенно радужная оболочка и ее цвет) и область вокруг глаз (веки, ресницы, брови) издавна являются ключевым компонентом физической привлекательности. Зрительный контакт играет значительную роль в невербальном общении человека. Ярко выраженное лимбальное кольцо (темное кольцо вокруг радужки глаза) считается привлекательным. Кроме того, длинные и густые ресницы высоко ценятся как признак красоты и считаются привлекательной чертой лица. Размер зрачка также оказывает существенное влияние на привлекательность и невербальную коммуникацию, при этом расширенные (более крупные) зрачки воспринимаются как более привлекательные. Важно отметить, что расширение зрачков является реакцией на сексуальное возбуждение и стимулы. В эпоху Возрождения женщины использовали сок ягод белладонны в глазных каплях, чтобы расширить зрачки и придать глазам более соблазнительный вид.