Biológus elıadás, 2010 Október 19. Fény Transzverzális elektromágneses hullám Érzékszervek biofizikája: 800 nm 400 nm Látás, hallás Dr. Kengyel András Infravörös: áthatol a retinán, nem hozza ingerületbe a receptorokat UV: abszorbeálódik a retina elıtt PTE ÁOK Biofizikai Intézet Vizuális információ: fénykontraszt, szin, forma, mozgás A szem anatómiája Geometriai optika Domború lencse képalkotása k t tárgy f f T F tárgy szemlencse retina Kicsinyitett, forditott állású, valós kép Nagyitás Leképezési törvény D= F kép K G 1 1 1 = + f t k N= K k = T t www.kozponti-iskola.hu A szem törıközegei Akkomodáció Cornea csarnokviz szemlencse - üvegtest 48D 8D 12D Szem teljes törıképessége: ~ 62 D -6D Akkomodációs tartomány: 25 cm végtelen fiatal szem: 10 cm végtelen ~ 4D ~ 10-12D Akkomodációs triász: lencse görbületi sugara csökken pupilla szőkül (myosis) szemtengely konvergál 1
Fénytörési hibák Fénytörési hibák hypermetrop (távollátó) korrekció: győjtılencsével (+D) myopia (rövidlátó) korrekció: szórólencsével (-D) http://www.muszeroldal.hu/measurenotes/szemoptikaja.pdf http://www.muszeroldal.hu/measurenotes/szemoptikaja.pdf Fénytörési hibák: astigmatizmus Fénytörési hibák: Szférikus és kromatikus aberráció Cornea görbületi sugra meridiánonként eltérı: fókuszpont helyett fókuszvonalak a retinán Diagnosztika Korrekció: hengeres lencsével Retina szerkezete Fotoreceptor sejtek Érh rhártya rtya Pigmenthám Pálcikák Csapok Horizontális sejtek 3D külvilág 2D leképezés (retina) térbeli érzéklet (agy) Külsı szegmentum 35 µm (~1000 korong) Pálcika Csap Korongok Citoplazma Plazmamembrán Cilium Üvegtest Bipoláris neuronok Ganglionsejtek Látóidegrostok Belsı szegmentum Mitokondrium Sejtmag Szinapszis Pálcikák (~125 millió db) Kis fényintenzitás érzékelése (akár 1 foton!) Fıleg a retina periférikus részén Nagyobb érzékenység, kisebb térbeli felbontás Nem érzékel színeket Csapok (~6 millió db) Kevésbé érzékeny, de nagy intenzitástartományt lefed. Fıleg a fovea centralis-ban Jobb térbeli felbontás Színérzékeny 2
Receptorsejtek eloszlása a retinán Fényérzékelés molekuláris mechanizmusa Rodopszin (látóbíbor) = opszin (fehérje) + retinal (kromofór) Opszin: integráns membránprotein 7 transzmembrán domain β-karotin retinol (A vitamin) 11-cisz retinal Fényérzékelés molekuláris mechanizmusa Retinal fényfoton hatására izomerizálódik, disszociál, rodopszin konformációt vált Transzducin (Heterotrimer G-protein) molekula aktiválódik, GTP-t köt Citoplazmatikus cgmp- foszfodiészteráz enzim aktiválódik cgmp szint lecsökken Na + -csatorna bezáródik (sötétben nyitott, -40 mv) Na + - és Ca 2+ -ion beáramlása gátlódik Szivárgó K + -csatornák hatására a sejt hiperpolarizálódik (-70 mv) Glutamát transzmitter leadás csökken. Szem felbontóképessége - látásélesség Látószöghatár: két pont diszkrimináció, ~ 1 s (szögperc) Tárgy Receptorokra esı kép Látásérzet ~2µm A szín érzet, nem fizikai tulajdonság! Színlátás Színlátás Csapok és pálcikák abszorpciós spektruma Fény fizikai tulajdonságai: intenzitás, hullámhossz Csapok válasza független a hullámhossztól csak az elnyelt energiától függ Csapok: különbözı érzékenységő opszint tartalmaznak (Young-Helmholz elmélet): - S-csap (short λ): kék (2%) - L-csap (long λ): sárga (64%) - M-csap (medium): zöld (32%) Bipoláris sejtek: S-csapoknak: csak ON - szinlátás L-csapoknak:ON és OFF - szinlátás + kontraszt ( midget -bipoláris sejt) Ganglion sejtek - On, Off receptiv mezı www.webvision.med.utah.edu Szinérzet kialakulásának feltétele: több csap, nagyobb területen aktiválódjon www.webvision.med.utah.edu Színérzet kialakulása: hullámhosszra szelektiven érzékeny csapok hiperpolarizált csapok aránya elnyelési tartományok közti átfedések korábbi tapasztalatok (automatikus korrekció) 3
Látóidegpálya A hang y Objektív jelenség: Rugalmas közegben terjedı mechanikai hullám. Longitudinális nyomáshullám (sőrősödések és ritkulások tovaterjedése). Hang fizikai jellemzése: Frekvencia (idıbeli periódicitás) Hullámhossz (térbeli periódicitás) Amplitudó Hangintenzitás (W/m2) Relativ hangintenzitás (db) n( db) = 10 lg I I0 0dB = I 0 = 10 12 W m2 Élettani, lélektani fogalom: Hangérzet. Hallórendszer Középfül Félkörös ívjáratok 1. Dobhártya rezgésbe jön (Amin ~ 10-11 m) Ovális ablak 2. Hallócsontocskák: erısítés VIII. agyideg Fülkagyló 1. egykarú emelırendszer (1,3x) 2. nyomáserısítés (17x) Csiga 3. hangerı-szabályozás 3. Ovális ablakon áttevıdik a nyomás a belsı fülre Külsı hallójárató Fülkürt Fülcimpa Külsı fül Középfül Belsı fül Kalapács Kengyel Dobhártya Üllı www.nlm.nih.gov Belsı fül Szırsejtek Scala vestibuli Membrana tectoria Ductus cochlearis Corti-féle szerv Membrana basilaris Scala tympany 1 belsı szırsejt 3 külsı szırsejt 4
Frekvencia-érzékelés Békésy György, Nobel-díj 1961 Hanginger átadása Mechano-elektromos transzducer ciliumok elhajlanak csatornák nyitnak, K+ beáramlik depolarizáció feszültségérzékeny Ca 2+ -csatornák nyitnak, Ca 2+ beáramlik neurotranszmitter szinaptikus résbe ürül afferens neuron depolarizáció: akciós potenciál Hallás mechanizmusa Hangosság 1. Dobhártya rezgésbe jön a hanghullámoktól 2. Hallócsontocskák felerısitik az ingert 3. Ovális ablakon a rezgés áttevıdik a belsı fül folyadékterére 4. Megrezegteti a membrana basilarist 5. Ami nekinyomódik a membrana tectoriának 6. Szırsejt stereociliumai elhajlanak, ioncsatornák kinyilnak 7. Szırsejt depolarizálódik 8. Ingerület elvezetıdik a VIII. agyidegen (n. vestibulocochlearis) 9. Temporális lebeny primer hallókéreg (Brodman 41, 42) 10. Asszodiációs pályák: beszédértés (Wernicke area) Az egyenlı hangosság görbéi (izofon görbék) Hangosság mértékegysége: fon (1000 Hz-es hang db értéke) 5