visueller reiz visuelle aufmerksamkeit und blickbewegungenihkoesli/vab2009/02-vab2009... · cornea...

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gen

AG NeuroinformatikVisueller Reiz

Wellenlänge (nm)

• Licht = elektromagnetische Wellen

EINFÜHRUNG

STIMULUSSTIMULUS

AUGE

RETINA

CORTEX

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gen

AG NeuroinformatikAufbau des menschlichen Auges

Sklera

Pupille

Iris

Cornea

Äußerlich sichtbare Bestandteile

EINFÜHRUNG

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AUGEAUGE

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gen


Sklera

Pupille

Iris

Cornea


• Weiße, robuste Hautschicht, die das Auge umschließt• Stärke: 0,4 – 1,0 mm

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gen


Sklera

Pupille

Iris

Cornea


• Vorderer Teil der Sklera, transparent• Durch Tränenflüssigkeit vor Austrocknung geschützt

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gen


Sklera

Pupille

Iris

Cornea


• Pigmentierter Muskelring (antagonistisch)• Verändert die Pupillenweite: Vergrößerung bei schlechter

Beleuchtung, Verkleinerung bei hellem Licht Adaptation

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gen


Sklera

Pupille

Iris

Cornea


• Öffnung in der Mitte der Iris• Größe: zwischen 1,5 und 8-12 mm

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gen


Pupille

Iris

Cornea

Linse

Fovea

Retina

Sehnerv

Sklera

Schnittbild (sagittal)

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gen


Pupille

Iris

Cornea

Linse

Fovea

Retina

Sehnerv

Sklera

Licht


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gen


Pupille

Iris

Cornea

Linse

Fovea

Retina

Sehnerv

Sklera

Licht


• Brechung des einfallendes Lichts Erzeugung eines scharfes Bild auf der Retina

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gen


Cornea und Linse: Akkomodation

• Je nach Entfernung des betrachteten Objekts verändern Ziliarmuskeln die Linsenform:

• Objekt fern: Linse flach, kaum Brechung• Objekt nah: Linse bauchig, starke Brechung

Quelle: www.zum.de (verändert)

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gen


Pupille

Iris

Cornea

Linse

Fovea

Retina

Sehnerv

Sklera

Licht


• Retina (Netzhaut) kleidet den Augenhintergrund aus• Stärke: ca. 0,5 mm

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gen


Pupille

Iris

Cornea

Linse

Fovea

Retina

Sehnerv

Sklera

Licht


• Enthält Photorezeptoren und Nervenzellen• Photopigmente der Photorezeptoren absorbieren Licht

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gen


Pupille

Iris

Cornea

Linse

Fovea

Retina

Sehnerv

Sklera

Licht


• Biochemische werden in elektrische Signale umgewandelt• Nervenzellen leiten Informationen weiter zur kortikalen

Verarbeitung

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gen


Pupille

Iris

Cornea

Linse

Fovea

Retina

Sehnerv

Sklera

Licht


• Bereich des schärfsten Sehens auf der Retina• Größe: ca. 2o Blickwinkel

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gen


Pupille

Iris

Cornea

Linse

Fovea

Retina

Sehnerv

Sklera

Licht


• Abbildungsbereich des Fixationspunktes• „Sehgrube“ bzw. „Makula (lutea)” oder „Gelber Fleck“

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gen


Pupille

Iris

Cornea

Linse

Fovea

Retina

Sehnerv

Sklera

Licht


• Photorezeptoren fehlen in diesem Bereich• Austrittsort des Sehnervs: Papille bzw. blinder Fleck

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gen

AG Neuroinformatik

Stäbchen

Zapfen

Horizontalzelle

Amakrinzelle

Ganglienzelle

Bipolarzelle

Sehnerv

Quelle: http://www.owlnet.rice.edu/~psyc351/Images/RetinaLayers.jpg [06.07.05, verändert]

Aufbau der Retina

Pigmentepithel

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AUGE

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gen

AG Neuroinformatik

Stäbchen

Zapfen

Horizontalzelle

Amakrinzelle

Ganglienzelle

Bipolarzelle

Sehnerv

Aufbau der Retina

Pigmentepithel

• Die lichtempfindlichen Photorezeptoren befinden sich auf der äußeren Seite der Netzhaut

Licht muss zunächst übrige Zellbereiche durchqueren

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AG Neuroinformatik

Stäbchen

Zapfen

Horizontalzelle

Amakrinzelle

Ganglienzelle

Bipolarzelle

Sehnerv

Aufbau der Retina

Pigmentepithel

• Aufbauprinzip: sog. „inverses Auge“Problem: Reduktion der LichtempfindlichkeitLösung: Im Bereicht der Fovea sind Nervenzellen zumRand hin verlagert, Rezeptoren so fast direkt zugänglich

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AG Neuroinformatik

Stäbchen

Zapfen

Horizontalzelle

Amakrinzelle

Ganglienzelle

Bipolarzelle

Sehnerv

Aufbau der Retina

Pigmentepithel

• Einzellige Schicht (angereichert mit Farbstoff Melamin)• Funktionen:

• Versorgung der Retina mit Nährstoffen• ...

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gen

AG Neuroinformatik

Stäbchen

Zapfen

Horizontalzelle

Amakrinzelle

Ganglienzelle

Bipolarzelle

Sehnerv

Aufbau der Retina

Pigmentepithel

• Funktionen (Fsg.):• Auskleidung des Augenhintergrundes zur Absorption von

Streulicht• Alternativ: „Verspiegelung“, z.B. bei Raubtieren

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gen

AG Neuroinformatik

Stäbchen

Zapfen

Horizontalzelle

Amakrinzelle

Ganglienzelle

Bipolarzelle

Sehnerv

Aufbau der Retina

Pigmentepithel

• Zapfen und Stäbchen sind Photorezeptoren und absorbieren Licht• Bezeichnung aufgrund ihrer Form

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gen

AG Neuroinformatik

Stäbchen

Zapfen

Horizontalzelle

Amakrinzelle

Ganglienzelle

Bipolarzelle

Sehnerv

Aufbau der Retina

Pigmentepithel

• Funktionen:• Zapfen ermöglichen Farbsehen, funktionieren aber nur bei

guter Beleuchtung• Stäbchen arbeiten auch bei schlechter Beleuchtung, erlauben

aber nur grau-wertige Wahrnehmung

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AG Neuroinformatik

Stäbchen

Zapfen

Horizontalzelle

Amakrinzelle

Ganglienzelle

Bipolarzelle

Sehnerv

Aufbau der Retina

Pigmentepithel

• Vertikale Informations-Weiterleitung• Direkte Verbindung von Rezeptoren über Bipolarzellen zu

Ganglienzellen

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gen

AG Neuroinformatik

Stäbchen

Zapfen

Horizontalzelle

Amakrinzelle

Ganglienzelle

Bipolarzelle

Sehnerv

Aufbau der Retina

Pigmentepithel

• Horizontale Verbindungen• Verknüpfung von Informationen mehrerer Rezeptoren über

Horizontal- und Amakrinzellen• Weiterleitung kombinierter Information zu Ganglienzellen

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gen

AG Neuroinformatik

Stäbchen

Zapfen

Horizontalzelle

Amakrinzelle

Ganglienzelle

Bipolarzelle

Sehnerv

Aufbau der Retina

Pigmentepithel

• Retinal vorverarbeitete Information verlässt das Auge über den Sehnerv zur anschließenden kortikalen Weiterverarbeitung

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gen

AG NeuroinformatikRetinale Rezeptortypen

Stäbchen

Zapfen

Horizontalzelle

Amakrinzelle

Ganglienzelle

Bipolarzelle

Sehnerv

Pigmentepithel

• ca. 120 Mio. Stäbchen• ca. 6 Mio. Zapfen• Prinzipiell analoger Zellaufbau

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gen


Aufbau

• Oberer Zellteil besteht aus ca. 1000 Membranscheibchen (Stäbchen) bzw. –einfaltungen(Zapfen)

• In diesen sog. „disks“ sind Sehfarbstoffe eingelagert

• Hier findet die Umwandlung von Licht in elektrische Signale statt

• Unterer Zellteil stellt synaptischenKontakt zu nachfolgenden Neuronen her

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gen


Reizleitung (allg.)

• Physiologische Besonderheit: Bei Wirbeltieren erfolgt bei Lichteinfall keine Depolarisation der Rezeptormembran sondern Hyperpolarisation

• D.h., bei vollständiger Dunkelheit werden ständig Transmitterfreigesetzt (unvollständigeDepolarisation, keine Aktionspotentiale)

• Grund: partielle verstärkte Dunkeldurchlässigkeit der Membran, d.h. Na+-Aufnahme & K+- Ausschüttung: DunkelstromBei Dunkelheit: Rezeptor-Depolarisation kont. Aktivität

EINFÜHRUNG

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CORTEX

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gen


Reizleitung (allg.)

• Reaktion der Pigmente auf Licht durch „Bleichen“

• Moleküle des Sehfarbstoffs werden unter Aufnahme von Photonen umgewandelt

• Prozess kaskadiert, schließt Na-Kanäle und reduziert so DunkelstromHyperpolarisation

EINFÜHRUNG

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gen


Reizleitung (allg.)

• Unter „günstigen“ Umständen kann ggf. ein einziges Photon eine Reaktion des Rezeptors hervorrufen (alle Na-Kanäle geschlossen)So können z.B. auch extrem schwache Lichtblitze bei Dunkelheit gut wahrgenommen werdenSättigung: alle Na-Kanäle geschlossen, daher keine Reaktion auf Helligkeits-verstärkung in bereits hellen Umgebungen

EINFÜHRUNG

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gen


Reizleitung

• Stäbchen und Zapfen reagieren in Abhängigkeit vom Lichtstimulus unterschiedlich

• Stäbchen:• Helligkeitsrezeptoren• Gehirn interpretiert Stäbchen-

Signale als S/W-Werte• Liegen nur solche Helligkeits-

informationen vor:skotopisches Sehen

• N.B.: eigentlich „grün-Rezeptoren“: Stäbchen-Disks enthalten Rhodopsin

beste Reaktion auf λ ≅ 540 nm

• Zapfen:• Farbinformation:

photopisches Sehen

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AUGE

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gen


Stäbchen

• Helligkeits-/ S/W-Sehen• Extrem lichtempfindlich• Bereits geringe Photonen-

Absorption löst Reaktion aus (s.o.)• Bei Dunkelheit werden nur

Stäbchen gereizt, so dass nur Grautöne erzeugt werden

• Selbst schwarze Objekte erscheinen in „Eigengrau“

• Wahrnehmen von Schwarz erfordert Simultankontraste

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Stäbchen

Simultankontrast

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Stäbchen

Simultankontrast

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Stäbchen

Simultankontrast

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gen


Stäbchen

Hell-Adaptation• Beim Übergang vom Dunkeln ins Helle kommt es zu einer

starken Aktivierung der Stäbchen, da zuvor (in Dunkelheit) übermäßig viele Rhodopsine gebildet wurden.

• Mit dem Zerfall der Rhodopsine ensteht Blendung• Hell-Adaptation erreicht ihr Maximum nach ca. 1 Minute

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Stäbchen

Dunkel-Adaptation• Zusammenwirken von Sofort-Adaptation der Zapfen und

Daueradaptation der Stäbchen• In heller Umgebung sind Rhodopsine fast vollständig

zerfallen, diese müssen in den Stäbchen wiederhergestellt werden

• Da Stäbchen empfindlicher reagieren, selbst auf nur geringe Lichtreize, muss hier wesentlich mehr Farbsehstoff (Rhodospin) hergestellt werden als in Zapfen, um die Bleichungs-W‘keit zu erhöhen langsame Dunkel-Adaptation bei Stäbchen

• Dunkel-Adaptation erreicht ihr Maximum erst nach 15-30 Minuten

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Stäbchen

Dunkel-Adaptation

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gen


Zapfen

• Farbensehen

• Drei Zapfensorten: R-, G-, B-Zapfen

• Unterscheidung durch eingelagerten Farbstoff

• Reagieren auf Reiz-Wellenlängen:Gelb-Grün, Blau-Grün, Violett

• Drei Zapfensorten realisieren vier Grundfarben:Rot, Grün, Gelb, Blau

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Zapfen

• Begründung: in der ersten Verarbeitungsstufe der Retina werden je zwei der drei Zapfen als inhibitorischer undexzitatorischer Input der Farben zusammengefasst

EINFÜHRUNG

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gen

AG Neuroinformatik

Quelle: Carbone/Kösling: Eye-tracking. Visuelle Wahrnehmung. IK 2001.

Verteilung von Stäbchen und Zapfen

Retinale Rezeptortypen

EINFÜHRUNG

STIMULUS

AUGE

RETINARETINA

CORTEX

PERZEPT

Visu

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mer

ksam

keit

und

Blic

kbew

egun

gen

AG Neuroinformatik

Quelle: http://rcswww.urz.tu-dresden.de/~cogsci/welcome_g.html?/~cogsci/augenbewegungen.html [06.07.05]

Retinales Abbild

EINFÜHRUNG

STIMULUS

AUGE

RETINARETINA

CORTEX

PERZEPT

visueller reiz visuelle aufmerksamkeit und blickbewegungenihkoesli/vab2009/02-vab2009... · cornea...

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