Érzékszervi receptorok biofizikája

Hasonló dokumentumok
Érzékszervi receptorok biofizikája

Érzékelési folyamat szereplői. Az érzékelés biofizikájának alapjai. Inger Modalitás Receptortípus. Az inger jellemzői MILYEN? HOL? MENNYI? MEDDIG?

Érzékelési folyamat szereplői. Az érzékelés biofizikájának alapjai. Receptor felépítése. Az inger jellemzői MILYEN? HOL? MENNYI? MEDDIG?

Az érzékelés biofizikájának alapjai. Érzékelési folyamat szereplői. Az inger jellemzői MILYEN? HOL? MENNYI? MEDDIG?

Intelligens Rendszerek Elmélete. Biológiai érzékelők és tanulságok a technikai adaptáláshoz. Az érzékelés alapfogalmai

Érzékelési folyamat szereplői. Az érzékelés biofizikájának alapjai. Inger Modalitás Receptortípus. Az inger jellemzői MILYEN? HOL? MENNYI? MEDDIG?

2. Az emberi hallásról

A LÁTÁS BIOFIZIKÁJA AZ EMBERI SZEM GEOMETRIAI OPTIKÁJA. A szem törőközegei. D szem = 63 dioptria, D kornea = 40, D lencse = 15+

Látás. Látás. A környezet érzékelése a látható fény segítségével. A szem a fényérzékelés speciális, páros szerve (érzékszerv).

Sáry Gyula SZTE ÁOK Élettani Intézet

Érzékszervek biofizikája: Látás, hallás f t k. K k T t Dr. Kengyel András. Biológus elıadás, 2010 Október 19.

Hallás Bódis Emőke november 19.

10/8/ dpr. n 21 = n n' r D = Néhány szó a fényről nm. Az elektromágneses spektrum. BÓDIS Emőke Október 2.

11/23/11. n 21 = n n r D = Néhány szó a fényről nm. Az elektromágneses spektrum. BÓDIS Emőke november 22.

Az emberi hallás. A fül felépítése

A LÁTÁS BIOFIZIKÁJA AZ EMBERI SZEM GEOMETRIAI OPTIKÁJA FOTORECEPTOROK A LÁTÁS MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSA A SZÍNLÁTÁS ELMÉLETE ELEKTRORETINOGRAM

Orvosi Biofizika A fény biofizikája

Csapok és pálcikák. Hogyan mûködik? A RETINÁTÓL AZ AGYIG

Fénytechnika. A szem, a látás és a színes látás. Dr. Wenzel Klára. egyetemi magántanár Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

A hang mint mechanikai hullám

Környezetvédelem műszaki alapjai. alapjai, akusztika

1. A hang, mint akusztikus jel

Fizikai hangtan, fiziológiai hangtan és építészeti hangtan

Intelligens Rendszerek Elmélete. Biológiai érzékelők és tanulságok a technikai adaptáláshoz

Intelligens Rendszerek Elmélete

A zajmérésekkel együtt elvégzett hallásvizsgálatok, azok eredményei

Vizuális illúziók. Gátlás Kontraszt illúziók III. Kontraszt illúziók - Gátlás. A vizuális feldolgozásért felelős területek

VÍZUÁLIS OPTIKA. A színlátás. Dr Wenzel Klára. egyetemi magántanár Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Budapest, 2018

Érzékszervi receptorok

A fény terjedése és kölcsönhatásai

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Intelligens Rendszerek Elmélete IRE 2/45/1

SZAGLÁS 2

Gyermekek követéses objektív hallásvizsgálati eredményei zenei gyerekműsorok hatásának bemutatására

Hullámok, hanghullámok

Érzékszervek gyakorlat. Dr. Puskár Zita (2018)

a. Nyugalmi potenciál b. Transzport proteinek c. Akciós potenciál. Nyugalmi potenciál. 3 tényező határozza meg:

A szem. A geometriai optika alapjai A szem felépítése A látás jellemzése A receptorsejtek A fényérzékelés mechanizmusa Színlátás

GPGPU. Hangfeldolgozás és hangszintézis

Zaj- és rezgés. Törvényszerűségek

A kutyafélék összehasonlító neurobiológiája- Szenzoros képességek

Egy idegsejt működése. a. Nyugalmi potenciál b. Transzport proteinek c. Akciós potenciál

Hallás időállandói. Következmények: 20Hz alatti hang nem hallható 12Hz kattanás felismerhető

Mechanikai hullámok. Hullámhegyek és hullámvölgyek alakulnak ki.

Hullámmozgás. Mechanikai hullámok A hang és jellemzői A fény hullámtermészete

LÁTÁS FIZIOLÓGIA I.RÉSZ

A beszédfeldolgozás leegyszerűsített sémája

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Élettani ismeretek A fény érzékelése és a látás

Látás. Az emberi szem a kb 400 nm 800 nm közötti tartományt érzékeli, ez a látható elektromágneses tartomány.

Debreceni Egyetem Orvos- és Egészségtudományi Centrum Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet

A belső fül. A belső fül érzékszervei

A fény tulajdonságai

Az érzékszervek feladata: A környezet ingereinek felvétele Továbbítása a központi idegrendszerhez. fény hő mechanikai kémiai

Értékelés Összesen: 100 pont 100% = 100 pont A VIZSGAFELADAT MEGOLDÁSÁRA JAVASOLT %-OS EREDMÉNY: EBBEN A VIZSGARÉSZBEN A VIZSGAFELADAT ARÁNYA 15%.

A Brüel & Kjaer zajdiagnosztikai módszereinek elméleti alapjai és ipari alkalmazása

Zaj,- rezgés és sugárzásvédelem tanév tavasz 3. előadás. Bedő Anett egyetemi tanársegéd SZE, AHJK Környezetmérnöki tanszék

Abszorpciós fotometria

Hangintenzitás, hangnyomás

Az akciós potenciál (AP) 2.rész. Szentandrássy Norbert

Mérés és adatgyűjtés

Látás Nyelv - Emlékezet. ETE47A001/2016_17_1/

ORVOSI BIOFIZIKA. Damjanovich Sándor Mátyus László QT Szerkesztette

Audiometria 1. ábra 1. ábra 1. ábra 1. ábra 1. ábra

A látás alapjai. Látás Nyelv Emlékezet. Általános elv. Neuron idegsejt Neuronális hálózatok. Cajal és Golgi 1906 Nobel Díj A neuron

Név... intenzitás abszorbancia moláris extinkciós. A Wien-féle eltolódási törvény szerint az abszolút fekete test maximális emisszióképességéhez

A látás élettana II.

11. Egy Y alakú gumikötél egyik ága 20 cm, másik ága 50 cm. A két ág végeit azonos, f = 4 Hz

ZAJ ÉS REZGÉSVÉDELEM Hallás

Abszorpció, emlékeztetõ

Szent István Egyetem Fizika és folyamatirányítási Tanszék FIZIKA. rezgések egydimenziós hullám hangok fizikája. Dr. Seres István

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Némethné Vidovszky Ágens 1 és Schanda János 2

Orvosi Fizika 1. Az hallás biofizikája. Bari Ferenc egyetemi tanár. SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

Orvosi Fizika 2. Az érzékszervek biofizikája: a látás. Bari Ferenc egyetemi tanár. SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

LÁTÁS FIZIOLÓGIA. A szem; a színes látás. Dr Wenzel Klára. egyetemi magántanár Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Infokommunikáció - 3. gyakorlat

Gyakorló ápoló képzés

Rezgések és hullámok

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

Abszorpciós fotometria

Fedezze fel a hallását. Amit a hallásveszteségről tudni kell

Az elektromágneses sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

a. Szinaptikus jelátvitel b. Receptorok c. Szignál transzdukció neuronokban d. Neuromoduláció. Szinaptikus jelátvitel.

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

Az ioncsatorna fehérjék szerkezete, működése és szabályozása. A patch-clamp technika

Alapfogalmak folytatás

11.3. Az Achilles- ín egy olyan rugónak tekinthető, amelynek rugóállandója N/m. Mekkora erő szükséges az ín 2 mm- rel történő megnyújtásához?

Az elektromágneses hullámok

Tamás László: Fülben végbemenő folyamatok nagy hangosságú zajok, zenei események tartós behatásakor. László Tamás MD

BME Ergonómia és Pszichológia Tanszék. Ergonómia. Az emberi érzékelés alapjaiból következő tervezési irányelvek

Ultrahangos anyagvizsgálati módszerek atomerőművekben

OPTIKA. Hullámoptika Színek, szem működése. Dr. Seres István

LÁTÁS FIZIOLÓGIA A szem és a látás

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

2.12. A megismerő tevékenység jellemzői

Műszeres analitika. Abrankó László. Molekulaspektroszkópia. Kémiai élelmiszervizsgálati módszerek csoportosítása

Átírás:

Elméletek az érzékelésről Érzékszervi receptorok biofizikája Kellermayer Miklós fmri felvétel szenzomotoros funció közben Kardiocentrikus érzékelés (középkori rekonstrukció) Szenzoros homunculus Arisztotelész (Kr. e. 384-322) kardiocentrikus érzékelés. Galenus (Kr. u. 129-200) kardiocentrikus érzékelés cáfolatait adta. Ma: inger érzékszervi receptorok receptorpotenciál ideg akciós potenciál központi idegrendszer jelfeldolgozás érzet Érzékelés általános folyamata Érzékszervi receptorok Hallás esete Érzékszervi receptor (érzőreceptor): Speciálizálódott érzékelősejt, amely egy adott típusú ingerre (fény, hang, szagmolekulák) válaszol és továbbítja az információt a központi idegrendszerbe. Receptorok (eltérő jelentés!): Olyan fehérjék, amelyek specifikusan képesek hormonok, neurotranszmitterek és más anyagok megkötésére és ezáltal specifikus válaszreakciókat indítanak el.

Öt érzék? Legfontosabb érzésmodalitások (első 11 helyen a tudatosuló érzékelések) A jelátalakítás lépései Környezet (fizikai-kémiai hatások) Receptor Idegsejt Központi idegrendszer Mérhető jel Ingertől az érzetig Lépés Érzékenység ev nagyságrendű inger is elegendő az ingerület kiváltására: hallóreceptorok: a levegő molekulák termikus mozgása fényreceptorok: 1-2 foton

Mit kódol az ingerület? Az inger: 1. modalitását (inger típusa) 2. intenzitását (inger erőssége) 3. időtartamát 4. lokalizációját Adekvát inger 1. Modalitás Az az energiafajta, amelyre a receptor a legérzékenyebb (pl. a pálcikák adekvát ingere a fény). Az akciós potenciálok minden idegben azonosak. Honnan tudjuk például, hogy az ingerület tapintási és nem melegingerhez tartozik? Specifikus érzékszervi energiák elve Az érzetet az impulzusok által aktivált agyrész határozza meg! 2. Intenzitás Az inger nagyságáról információt hordoz akciós potenciálok frekvenciájának megváltozása aktivált receptorok számának megváltozása 3. Időtartam, adaptáció Adaptáció. Állandó erősségű ingerrel stimulálva, egy idő után a receptorhoz tartozó idegben csökken az akciós potenciálok frekvenciája. Weber-Fechner-féle pszichofizikai alaptörvény ψ = const lg φ φ 0 Stevens-törvény φ ψ = const φ 0 n ψ= érzet erőssége φ=háttérintenzitás φ0=abszolút küszöbinger n=érzékelés fajtájára jellemző konstants n<1: kompresszív függvény (hallás, látás) Gyorsan adaptálódó (fázisos) receptorok Pl. tapintás, szaglás, hőérzet Lassan és csak korlátozott mértékben adaptálódó (tónusos) receptorok Pl. hideg, fájdalom (fogfájás) n>1: expanzív függvény (nyomás, ízlelés) Illyés Gyula: Doleo, ergo sum Weber (1795-1878) Fechner (1801-1887) Stevens (1906-1973)

4. Lokalizáció, receptor-mezők A többszörösen elágazó idegvéződések receptormezőket hoznak létre (konvergencia). Ilyenek találhatók pl.a bőrben (tapintóreceptorok) és a retina perifériáján (pálcikák). mechanikai inger A szem biofizikája Receptor-mezők és átfedésük receptormező idegrost Optikai csalódások - intenzitás Optikai csalódások irány, méret Müller-Lyer illúzió Mach sávok Kanizsa háromszög Café Wall illúzió Vertikális-horizontális illúzió Hány fekete korongot látunk? Ebbinghaus illúzió

Optikai csalódások tér Optikai csalódások geometria Necker kocka Ponzo illúzió Necker kocka effektus római térhatású mozaikon Lehetetlen geometriai alakzatok Penrose háromszög Pinna illúzió: Spirál, avagy koncentrikus körök? Optikai csalódások alak Reverzibilis alakok, komplementer alakok Optikai csalódások mozgás Rubinváza illúzió Az optikai csalódások a látórendszer komplex jelfeldolgozó képességére utalnak. Gestalt Kontúr

Optikai csalódások mozgás Inger: fény Elektromágneses hullám Hullámhossz: ~3 futballpálya Tranzverzális hullám Mágneses tér Hull á Fizikmhossz Szemai szín érzé mel kelh ető A szem érzékeny: hullámhosszra és amplitudóra (~intenzitás) A szem érzéketlen: fázisra és polarizációra Rezgési sík térbeli állása Polarizáció Szemmel NEM érzékelhető! Terjedés iránya Elektromos tér Hullámhossz: ~3 cm Hullámhossz: 400-700 nm Hullámhossz: ~30 H-atom átmérő Receptor-szerv : szem Inger: fény Amplitudó (A) ~ Intenzitás (I): A2~I Fényerősség Szemmel érzékelhető Hullámhossz: ~3 m Rezgés állapota a periódusban - Fázis Szemmel NEM érzékelhető!

Fotoreceptorok A receptorsejtek tulajdonságai Pálcika Csap Kis fényintenzitást képes érzékelni (optimális esetben akár 1 fotont!) Kevésbé érzékeny, de nagy intenzitástartományban érzékel Közepes fényerősségnél válasza telítődik Nincs telítődés Főleg a retina perifériáján található Foveában, főleg fovea centralis extracelluláris tér retinál Egy ganglionnak több pálcika adja át az ingerületet (nagyobb érzékenység, kisebb térbeli felbontás) Kevésbé konvergáló idegi kapcsolatok (jobb térbeli felbontás) citoplazma opszin Nem érzékel színeket Színérzékeny Fotoreceptor eloszlás a retinán A fotoreceptor-sűrűség meghatározza a szem biológiai feloldóképességét Tárgy Receptorokra eső kép ~2μm Látásérzet Feloldás feltétele: legalább egy inaktivált receptorsejt legyen két aktivált receptorsejt között. Ekkor a legkisebb látószöghatár a redukált szemmodell alapján (αb) 0.8. Az emberi szemben a hullámoptikai és biológiai feloldóképesség értékei nagyjából egybeesnek. Látásélesség (visus, Visual Acuity, VA): látásélesség = 1' α 100% Látásélesség mérése α=kísérleti (mért) látószöghatár Normál látószöghatár egészséges emberben: 1 (=100% visus)

Látási ingerület kialakulása Fényérzékelés alapja: fotokémiai reakció A szem érzékenysége 10-9 - 10 5 lux! T α Erősítés: A = E ion = neδϕ E photon hf Rodopszin T β Transzducin (T) T γ n: Na-ionszám változás e: elemi töltés Δφ: membránpotenciál h: Planck állandó f: fény frekvenciája 1 rodopszin elnyel 1 fotont metarodopszin transzducin molekula aktiválódik (T α alegység disszociál a T βγ alegységtől) 500 foszfodiészteráz molekula aktiválódik 10 5 cgmp molekula hidrolizálódik 250 Na + -csatorna bezáródik másodpercenként 10 6-10 7 Na+ ion beáramlása gátlódik a sejt hiperpolarizálódik (1 mv) a transzmitterleadás csökken (glutamát: gátló neurotranszmitter). A színérzékelés alapja Szín: érzet és nem fizikai tulajdonság (nem minden színhez rendelhető hullámhossz) Additív színkódolás Bármely szín kikeverhető a három alapszín (R=vörös, G=zöld, B=kék) megfelelő súlyozású összekeverésével X = rr + gg + bb A hallás biofizikája Emberi szem színérzékeny receptorainak (csapok) abszorpciós spektrumai Emberi szemben: 3 különböző színérzékeny receptor. Mindegyik receptor más-más színtartományban érzékeny, azaz más színeket nyel el (R=64%, G=32%, B=2%).

Hangok frekvenciája és intenzitása n(db) = 10 lg J 1 Intenzitásszint: J 2 Receptor-szerv : fül A fül egyszerűsített vázlata Külső fül: hanggyűjtő Fülkagyló A hangot a hallójáratba tereli. Hallójárat Visszaveri és a dobhártya felé tereli a hanghullámokat. Adott tartományt (2000-5000 Hz) hatékonyabban továbbít. Dobhártya A hang által rezgésbe jön. Kilengése a hallásküszöbnél: 10-11 m (kissé nagyobb, mint a termikus zaj okozta kilengés)!

A középfül: mechanikai jeltovábbító és erősítő Hallócsontocskák (kalapács, üllő, kengyel) A dobhártya rezgését felerősítik, és átviszik az ovális ablakra. (N.B.: a levegő és víz eltérő akusztikus impedanciája miatt teljes visszaverődés lépne fel!) A belső fül: szenzor Egyensúlyozószerv: félkörös ívjáratok Csiga (cochlea): 2,5 menetű, 35 mm hosszú folyadékkal teli csatorna. Hosszában a részben csontos, részben hártyaszerű fal, az alaphártya (membrana basilaris) osztja ketté. A hang érzékelését végzi. Erősítés: kisebb felületre koncentrált rezgések: 17 emelőszerű működés: 1,3 Összesen kb. 22 nyomásnövekedés A belső fül finomszerkezete Békésy: felületi haladóhullámok az alaphártyán Surf hullám Surf hullám: terjedése lassabb, mint a hangé (1440 m/s) Békésy György Nobel-díj 1961 A felületi hullámcsúcsok helyének frekvenciafüggése durva frekvenciadiszkriminációra ad lehetőséget.

A Corti-féle szerv működése Belső szőrsejtek: Mechanoelektromos transzdukció A szőrsejtek a membrana basilaris behajlása miatt megdőlnek és depolarizálódnak. Passzív versus aktív detektálás Külső szőrsejtek: erősítők Passzív detektálás (Probléma, hogy túl nagy a csillapítás) H. Helmholtz (1857): húrok rezonálnak. Békésy Gy. (1930-40-es évek): az alapmembrán rezeg (pozíciókódolás). Aktív detektálás (Energia bepumpálása a detektálás frekvenciáján) T. Gold (1948): analógia a regeneratív rádióvevőkkel (pozitív visszacsatolás adott frekvencián: szelektivitás + érzékenység). W. Rode (1971): az élő fül sokkal érzékenyebb. D. Kemp (1979): hang jön a fülből (otoakusztikus emisszió). A kritikus pontba hangolva a hallószőrök nagyon érzékennyé válnak a kis jelekre (hasonlóan a kihajlás jelenségéhez a kritikus nyomóerőnél). Regeneratív erősítő: pozitív visszacsatolási mechanizmus (szűk frekvencia tartományban nagy erősítés, de csak a disszipálódott energiát pótolja; egyébként fülcsengés jönne létre)

Külső szőrsejtek erősítő funkciója Halláskárosodás Külső szőrsejt erőhatás a sztereociliumokon kontrakció prestin Felelős fehérje - prestin, transzmembrán motorfehérje mechanoelektromos és elektromechanikus jelátalakítás Külső szőrsejtek (normál állapot) Külső szőrsejtek (károsodott állapot; pl. koncert után) Akusztikus információ kódolása Hely-teória Frekvencia érzékelés (agykérgi) hely szerint kódolt. Alapja: 1. A Békésy-féle haladóhullámok amplitudómaximum-helyeinek gyenge frekvenciafüggése. 2. Aktív erősítés 3. Belső szőrsejtek afferens idegeinek érzékenysége frekvenciafüggő 4. Az afferens idegek hallókérgi leképeződése különböző helyekre történik: a frekvencia hely szerint kódolt. Röplabdaelmélet Probléma: az akciós potenciál frekvenciája limitált (kb. 1 khz). Akciós potenciálok együttes megjelenése a hallóidegben nagy frekvenciát kódolhat. (A röplabdajátékban a labda pattogási frekvenciája nagyobb, mint az egyes játékosok ütési frekvenciája) Pszichoakusztika: hangosság (Fletscher-Munson) izophon görbék: azonos hangosságszintű pontokat kötnek össze N.B.: Egy hang annyi phonos, ahány db 1000 Hz-es hanggal halljuk azonos hagosságúnak. Szubjektív hangosság (son skála): 10 db hangosságszintnövekedést érzünk kétszeres hangosság növekedésnek.

Phon és son skálák A pszichoakusztikai viselkedést a Stevens-törvény írja le helyesen Shepard tónus: oktávokkal elválasztott szinushangok Akusztikus illúzió? 1 12 2 11 Shepard skála: mozgó alaphang 3 4 10 9 5 8 6 7 Akusztikus illúzió? A Shepard skála vizuális analógjai: Maurits Cornelis Escher (1898-1972) Fodrász rúd Escher lépcső