Wykłady z Biofizyki dla studentów kierunku

lekarsko – dentystycznego

Przetwarzanie informacji w

narządach zmysłów

Hanna Trębacz

Katedra i Zakład Biofizyki

Uniwersytet Medyczny w Lublinie

2011/2012



Analiza dźwięku w uchu ludzkim



Fizyczne podstawy procesu widzenia



Informacja odbierana i przetwarzana w narządzie
słuchu oraz narządzie wzroku jest przenoszona
przez fale



Mechaniczne (ucho)



Elektromagnetyczne (oko).



W obu przypadkach narząd zmysłu odczytuje
informację zwartą w energii niesionej przez falę oraz
w widmie częstotliwości.



Informacja jest przez przetwarzana przez
wyspecjalizowane komórki na sygnał elektryczny i
przekazywana do mózgu.

Transmisja i analiza dźwięku

w uchu ludzkim



Nasze uszy pracują bezustannie, nawet wtedy, gdy
śpimy.



Odbierają i analizują sygnały dźwiękowe i po
przetworzeniu wysyłają je do mózgu.



Wszystko to dzieje się w zamkniętej przestrzeni około
16 cm

3

z wykorzystaniem zasad akustyki,

mechaniki, hydrodynamiki, elektroniki i
matematyki wyższej.

Transmisja i analiza dźwięku

w uchu ludzkim



Nasze uszy słyszą różnicę natężenia dźwięku w
zakresie około 130 dB. (x10

13

)



Uszy ludzkie są w stanie określić przemieszczenie
się źródła dźwięku z dokładnością do dwóch stopni.
Rejestrują opóźnienie rzędu 10

-6

s.



Uszy dokonują analizy fali akustycznej i porównują
wyniki z danymi znajdującymi się w naszej pamięci.
Rozpoznają około 400 000 dźwięków.

Transmisja i analiza dźwięku

w uchu ludzkim



Ucho zewnętrzne - małżowina uszna oraz przewód
słuchowy zewnętrzny kończący się błoną bębenkową.



Ucho środkowe - trzy kosteczki : młoteczek, kowadełko i
strzemiączko stanowiące pomost między błoną
bębenkową, a okienkiem owalnym, prowadzącym do
ucha wewnętrznego.



Ucho wewnętrzne - zespół trzech kanałów półkolistych
oraz ślimak.

Ucho zewnętrzne — rezonator akustyczny



Zadaniem ucha zewnętrznego jest zbieranie fal
dźwiękowych z powietrza i kierowanie ich do wnętrza
narządu słuchu.



Kształt małżowiny usznej oraz profil przewodu
słuchowego umożliwiają wzmocnienie lub rezonans
dźwięków zawartych w paśmie częstotliwości ok.
3000Hz (wzmocnienie o ok. 15 dB)



Ucho zewnętrzne spełnia też ważną rolę w
lokalizowaniu źródła dźwięku. Rozpoznanie miejsca
powstawania dźwięku jest możliwe dzięki temu, że
do obojga uszu docierają one w różnym czasie i z
niejednakowym natężeniem

.

Ucho środkowe



Ucho środkowe przetwarza zmienia ciśnienie
akustyczne drgań i przekazuje je do ucha wewnętrznego.



Ucho środkowe zapewnia sprzężenie akustyczne ucha
środkowego i ucha wewnętrznego.



Gdyby fala akustyczna padała bezpośrednio na okienko
owalne ok. 99.9%

energii fali zostałoby odbite z powodu

różnicy oporów akustycznych powietrza i perilimfy.

Ucho środkowe – błona bębenkowa



Błona bębenkowa ma ok. 0.1mm grubości.



Przenosi drgania powietrza na kosteczki słuchowe.



Amplituda drgań błony jest minimalna, dla 3000Hz, przy

progu słyszalności wynosi ok.10

-11

m, a dla 20Hz ok.10

-9

m.



Warunkiem prawidłowego funkcjonowania błony

bębenkowej jest zachowanie po obu jej stronach

jednakowego ciśnienia. Umożliwia to trąbka słuchowa

(trąbka Eustachiusza), która łączy jamę bębenkową z jamą

gardła. Otwierając się, gdy coś przełykamy przywraca

prawidłowe ciśnienie w uchu środkowym.

Ucho środkowe jako wzmacniacz

ciśnienia akustycznego



Trzy kosteczki w uchu środkowym tworzą bardzo
czuły, a zarazem sprawny mechanizm, złożony z
dźwigni i łączników.



Nacisk na kosteczki wywołany drganiami błony
bębenkowej przybiera na okienku owalnym wartości
od 25 do 30 razy większe, co wystarcza, by wprawić
w ruch płyn wewnątrz ślimaka.



Zabezpieczenie przed zbyt głośnymi dźwiękami.

Ucho środkowe jako wzmacniacz

ciśnienia akustycznego

20

3

.

1

15

m

o

o

m

o

m

m

o

o

o

o

m

m

m

o

o

m

m

P

P

L

L

A

A

P

P

L

A

P

L

A

P

L

F

L

F

Ucho wewnętrzne

— miejsce analizy dźwięku



Okienko owalne

prowadzi do ucha wewnętrznego.



Kanały półkoliste - trzy prostopadle do siebie
ustawione pętle, umożliwiające koordynację ruchów i
zachowanie równowagi.



Bodźce słuchowe powstają w ślimaku, w części
zwanej

narządem Cortiego. Zasadniczą częścią tego

organu jest około 15 000 komórek rzęsatych.



Tysiące włókien nerwowych odchodzących od
komórek rzęsatych, przekazują dane o częstotliwości,
natężeniu i barwie dźwięku do mózgu, gdzie powstają
wrażenia słuchowe.

Ucho wewnętrzne

Kanały półkoliste -
koordynacja ruchów i
zachowanie równowagi

Ślimak w przekroju - trzy
przewody wypełnione
płynem i zwinięte spiralnie
na kształt muszli.

Działanie narządu Cortiego

•Drgające strzemiączko porusza się w okienku
owalnym jak tłok powodując zmiany ciśnienia w
płynie wypełniającym ślimak.
•Zmiany te rozchodzą się wzdłuż ślimaka w
postaci drgań, które zostają przeniesione na
błony oddzielające przewody.

Działanie narządu Cortiego

•Wzdłuż błony podstawnej mieści się narząd Cortiego okryty błoną
okrywową.
•Zasadniczą częścią tego organu jest około 15 000 komórek rzęsatych,
ułożonych rzędami.
•Komórki rzęsate połączone są z włóknami nerwowymi.

Teoria wędrującej fali
(teoria Bekesy’ego)



Zmiany ciśnienia płynu przybierają postać fali wędrującej
w przewodach ślimaka i w pewnym miejscu osiągają
maksimum powodując drganie błony podstawnej.



Dla fal wywołanych przez dźwięki o wysokiej częstotliwości
następuje to u podstawy ślimaka, a dla dźwięków o niskiej
częstotliwości- jego szczytu.



Fala, która wprawia w drgania odpowiedni odcinek błony
pobudza leżące tam komórki rzęsate do wytworzenia
impulsu elektrycznego i przekazania go do mózgu.



Położenie pobudzonych komórek odpowiadałoby
częstotliwości dźwięku, a ich liczba - jego natężeniu.

Analiza dźwięku w uchu ludzkim



Teoria Bekesy’ego jest zadowalająca, tylko w odniesieniu do tonów
prostych. Jednakże każdy dźwięk składa się z tonu podstawowego i
wielu tonów harmonicznych (składowych).

Widzenie – ogólny schemat

soczewka

siatkówka

tęczówka

źrenica

plamka żółta

rogówka

plamka ślepa

Widzenie – ogólny schemat



Światło przechodzi przez przednią część twardówki – rogówkę;



wpada do oka przez

źrenice regulowaną tęczówką – kolorową

częścią oka;



przechodzi przez

soczewkę, która załamuje promienie świetlne;



przechodzi przez

ciało szkliste;



promienie padają na wewnętrzną warstwę oka – siatkówkę (gdzie
powstaje odwrócony obraz), składającą się z fotoreceptorów –
czopków (kolor) i pręcików (kształt i ruch). Plamka żółta – największe
skupisko czopków; plamka ślepa – tam nie ma fotoreceptorów, od niej
wychodzi nerw wzrokowy;



poprzez nerw wzrokowy i dalsze składniki drogi wzrokowej impulsy
nerwowe są przekazywane do ośrodków wzrokowych kory mózgowej.
Bardzo ważna jest obecność rodopsyny w pręcikach i jej podobnych
barwników w czopkach.

Rogówka



Rogówka, wraz z cieczą wodnistą, soczewką
i ciałem szklistym, stanowią układ skupiający
promienie świetlne tak, by na siatkówce
pojawiał się ostry obraz obserwowanego
przedmiotu i dawał jak najostrzejsze wrażenie
wzrokowe.



Ok. 2/3 moc optyczna oka nieakomodującego
przypada na rogówkę.

Źrenica i tęczówka



Tęczówka (przylegająca do soczewki
ocznej) pełni rolę przysłony
aperturowej kurczącej się pod
wpływem bodźców świetlnych.



Powoduje zmianę średnicy źrenicy
wejściowej oka.



Tęczówka ma zdolność do zmiany
apertury wejściowej oka w zakresie
od 8 mm w ciemności do 2 mm przy
intensywnym oświetleniu.

Soczewka oka



Soczewka oka załamuje promienie świetlne



Soczewka możliwość zmiany swojego kształtu, a więc i
mocy optycznej. Pozwala to na ogniskowanie na
siatkówce przedmiotów znajdujących się w różnych
odległościach od oka. Zdolność tę nazywamy
akomodacją.



Ostre widzenie uzyskiwane jest wtedy, gdy ognisko
obrazowe oka pokrywa się z siatkówką. W przypadku,
gdy oko nieakomodujące nie jest w stanie zogniskować
światła dokładnie na siatkówce mówimy o wadach
wzroku

– krótko- i dalekowzroczności.

Siatkówka jako detektor światła



Siatkówka przetwarza obraz świetlny na elektryczne
impulsy nerwowe przesyłane do mózgu. Komórkami
światłoczułymi (fotoreceptorami) są pręciki i czopki.



Czopki

pracują w świetle dziennym (widzenie

fotopowe).

Dzięki czopkom możemy rozróżniać

drobne szczegóły przedmiotów oraz barwy.



Pręciki pracują przy słabym oświetleniu (widzenie
nocne, skotopowe

). Pręciki pozwalają nam widzieć

przedmioty w szerokim polu widzenia.

Siatkówka jako detektor światła



Dwa różne rodzaje widzenia - widzenie fotopowe i
widzenie skotopowe są konsekwencja różnych
progów energetycznych dla pobudliwości pręcików i
czopków.



Przyjmuje się, że próg pobudzenia oka to ok. 100
kwantów, z czego 8 tylko pada na siatkówkę, a reszta
jest rozpraszana i pochłaniana w strukturach oka.



Nawet 1 lub 2 kwanty światła padające na jeden
receptor na siatkówce są w stanie wywołać
pobudzenie nerwu wzrokowego.

Widzenie – przedział fal widzialnych



Oko odbiera tylko tę część widma promieniowania
elektromagnetycznego, które mieści się w zakresie tzw.
okna optycznego (od ok.400nm do ok.700nm).



Związane jest to z własnościami fizyko-chemicznymi
rogówki, czopków i pręcików.



Promieniowanie o długości fali spoza okna optycznego
nie jest przepuszczane przez rogówkę oka.

Widzenie – rola pręcików i czopków

Największa czułość czopków –
dla ok. 550nm

– światło zielone.

Największa czułość pręcików –
dla ok. 510nm

– światło

niebiesko-zielone.

Efekt Purkinjego:

Pozorna zmiana koloru obiektu
mocno oświetlonego w stronę
koloru błękitnego przy stopniowej
redukcji intensywności
oświetlenia

czopki

pręciki

Wykres krzywej czułości widmowej oka
ludzkiego dla widzenia jasnego
(widzenie fotopowe) i ciemnego
(widzenie skotopowe).

Rozkład czopków i pręcików

na siatkówce oka

Najlepsza rozdzielczość – w dołku środkowym (~0.3mm średnicy
-

maksymalne zagęszczenie czopków,).

Maksymalna gęstość powierzchniowa pręcików – przy kącie ok.
20

o.

od środka.

Widzenie barwne - trójchromatyczna

teoria widzenia barw



W widzeniu barwnym współpracują trzy rodzaje
czopków, z których każdy zawiera inny barwnik



wrażliwy na światło niebieskie ok.440nm



wrażliwy na światło zielone ok.530nm



wrażliwy na światło czerwone ok.567nm



Kombinacja pobudzeń różnych czopków daje
pełne wrażenia odbierania barw.

Widzenie barwne



Światłoczułym barwnikiem w komórkach siatkówki
jest rodopsyna i jej pochodne.



Barwnik w komórkach światłoczułych składa się z

białka i chromoforu.



Białkiem jest opsyna (w pręcikach) i pochodne
opsyny (w czopkach)



Chromoforem w pręcikach i wszystkich rodzajach

czopków jest 11-cis retinal (pochodna witaminy A).



Kształt białka (zależny od układu aminokwasów)

decyduje o długości fali, na którą reaguje barwnik.

Widzenie barwne



420nm (niebieski) -

4% czopków



530nm (zielony) -

32% czopków



560nm (czerwony) -

64% czopków

Komórki światłoczułe – cykl widzenia



Pod wpływem światła docierającego do znajdującej się w

pręcikach rodopsyny dochodzi do izomeryzacji formy 11-
cis retinalu w drugi izomer -

formę all-trans.



Rodopsyna jest białkiem transbłonowym złożonym z 7

helikalnych łańcuchów i zmiana konformacyjna

rodopsyny, powoduje aktywację związanego z nią białka

G, transducyny, a następnie inicjację sygnału

komórkowego.



Następnie ta powstała metarodopsyna pod wpływem
witaminy A powraca do formy 11-cis

, łączy się z

powrotem z opsyną w cząsteczkę rodopsyny gotową do

rozpadu. Nazywa się to cyklem widzenia

.



Zdolność rozdzielcza obrazu - wielkość
charakteryzująca zdolność układu optycznego do
odtwarzania szczegółów obserwowanego
obiektu.



Zdolność rozdzielczą obrazu ograniczają
zjawiska dyfrakcyjne oraz niedoskonałości układu
optycznego.



Zdolność rozdzielczą oka zależy również od
gęstości fotoreceptorów na siatkówce.

Zdolność rozdzielcza oka



Światło ulega dyfrakcji na krawędzi
źrenicy, obraz dyfrakcyjny powstaje
na siatkówce.



Układ optyczny może rozróżnić dwa
bliskie punkty jeżeli główne
maksimum obrazu jednego z nich
wypada w pierwszym minimum
obrazu dyfrakcyjnego drugiego
punktu.

Zdolność rozdzielcza oka

D

22

.

1

min

nm

500



007

.

0

min

D=0.5cm



Większość ludzi rozróżnia θ

min

=0.035

o

(ok. 2’) ponieważ

pomiędzy obszarami pobudzonymi na siatkówce musza
być co najmniej trzy (a nie jeden) nie pobudzone czopki.



Najmniejszy detal, który oko może rozróżnić z
najbliższej odległości, na której może się zogniskować
jest rzędu 0.1mm.

[D]

Zdolność rozdzielcza oka

Po co człowiek ma parę oczu?



Gdy patrzymy na jakikolwiek przedmiot obydwoma
oczami osie patrzenia obu oczu tworzą pewien kąt.



Im bliżej oczu znajdzie się nasz przedmiot, tym osie
patrzenia przetną się pod większym kątem.



Analizując ten kąt mózg człowieka wnioskuje o odległości
obserwowanego przedmiotu od oczu.



Gdyby zatem człowiek wyposażony był w tylko jedno oko
bardzo trudno byłoby mu określać odległość
obserwowanego przedmiotu od siebie.



Widzenie jednooczne powoduje zanik „głębi” widzenia