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 dz
więku w uchu ludzkim
Fizyczne podstawy procesu widzenia
Informacja odbierana i przetwarzana w narzÄ…dzie
słuchu oraz narządzie wzroku jest przenoszona
przez fale
Mechaniczne (ucho)
Elektromagnetyczne (oko).
W obu przypadkach narząd zmysłu odczytuje
informacjÄ™ zwartÄ… w energii niesionej przez falÄ™ oraz
w widmie częstotliwości.
Informacja jest przez przetwarzana przez
wyspecjalizowane komórki na sygnał elektryczny i
przekazywana do mózgu.
Transmisja i analiza dz
więku
w uchu ludzkim
Nasze uszy pracujÄ… bezustannie, nawet wtedy, gdy
śpimy.
Odbierają i analizują sygnały dz
więkowe i po
przetworzeniu wysyłają je do mózgu.
Wszystko to dzieje się w zamkniętej przestrzeni około
16 cm3 z wykorzystaniem zasad akustyki,
mechaniki, hydrodynamiki, elektroniki i
matematyki wyższej.
Transmisja i analiza dz
więku
w uchu ludzkim
Nasze uszy słyszą różnicę natężenia dz
więku w
zakresie około 130 dB. (x1013)
Uszy ludzkie są w stanie określić przemieszczenie
siÄ™ z
ródła dz
więku z dokładnością do dwóch stopni.
Rejestrują opóz
nienie rzędu 10-6 s.
Uszy dokonują analizy fali akustycznej i porównują
wyniki z danymi znajdującymi się w naszej pamięci.
Rozpoznają około 400 000 dz
więków.
Transmisja i analiza dz
więku
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
dz
więkowych z powietrza i kierowanie ich do wnętrza
narządu słuchu.
Kształt małżowiny usznej oraz profil przewodu
słuchowego umożliwiają wzmocnienie lub rezonans
dz
więków zawartych w paśmie częstotliwości ok.
3000Hz (wzmocnienie o ok. 15 dB)
Ucho zewnętrzne spełnia też ważną rolę w
lokalizowaniu z
ródła dz
więku. Rozpoznanie miejsca
powstawania dz
więku 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.10-11m, a dla 20Hz ok.10-9m.
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
dz
wigni 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 dz
więkami.
Ucho środkowe jako wzmacniacz
ciśnienia akustycznego
FmLm FoLo
Pm AmLm Po AoLo
Po Am Lm
Pm Ao Lo
Po
15 1.3 20
Pm
Ucho wewnętrzne
 miejsce analizy dz
więku
Okienko owalne prowadzi do ucha wewnętrznego.
Kanały półkoliste - trzy prostopadle do siebie
ustawione pętle, umożliwiające koordynację ruchów i
zachowanie równowagi.
Bodz
ce 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 dz
więku do mózgu, gdzie powstają
wrażenia słuchowe.
Ucho wewnętrzne
Kanały półkoliste -
koordynacja ruchów i
zachowanie równowagi
Åšlimak w przekroju - trzy
przewody wypełnione
płynem i zwinięte spiralnie
na kształt muszli.
Działanie narządu Cortiego
" DrgajÄ…ce strzemiÄ…czko porusza siÄ™ 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
okrywowÄ….
" 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 dz
więki o wysokiej częstotliwości
następuje to u podstawy ślimaka, a dla dz
więków 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 dz
więku, a ich liczba - jego natężeniu.
Analiza dz
więku w uchu ludzkim
Teoria Bekesy ego jest zadowalająca, tylko w odniesieniu do tonów
prostych. Jednakże każdy dz
więk składa się z tonu podstawowego i
wielu tonów harmonicznych (składowych).
Widzenie  ogólny schemat
plamka żółta
z
renica
tęczówka
soczewka
plamka ślepa
rogówka
siatkówka
Widzenie  ogólny schemat
Światło przechodzi przez przednią część twardówki  rogówkę;
wpada do oka przez z
renice 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 nieakomodujÄ…cego
przypada na rogówkę.
y
renica i tęczówka
Tęczówka (przylegająca do soczewki
ocznej) pełni rolę przysłony
aperturowej kurczÄ…cej siÄ™ pod
wpływem bodz
ców świetlnych.
Powoduje zmianę średnicy z
renicy
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
akomodacjÄ….
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.
pręciki czopki
Największa czułość pręcików 
dla ok. 510nm  światło
niebiesko-zielone.
Efekt Purkinjego:
Pozorna zmiana koloru obiektu
mocno oświetlonego w stronę
koloru błękitnego przy stopniowej
Wykres krzywej czułości widmowej oka
redukcji intensywności
ludzkiego dla widzenia jasnego
oświetlenia
(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.
20o. 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 - formÄ™ 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, Å‚Ä…czy siÄ™ z
powrotem z opsynÄ… w czÄ…steczkÄ™ rodopsyny gotowÄ… do
rozpadu. Nazywa siÄ™ to cyklem widzenia.
Zdolność rozdzielcza oka
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
z
renicy, 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.
1.22
min
D
500nm
D=0.5cm
0.007oð
min
Zdolność rozdzielcza oka
WiÄ™kszość ludzi rozróżnia ¸min=0.035o (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]
Po co człowiek ma parę oczu?
Gdy patrzymy na jakikolwiek przedmiot obydwoma
oczami osie patrzenia obu oczu tworzÄ… pewien kÄ…t.
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