as Unser Auge ist vergleichbar mit einer Kamera. Voraussetzung für ...

as Unser Auge ist vergleichbar mit einer Kamera. Voraussetzung für eine gute
Sehleistung ist die genaue Fokussierung der Lichtstrahlen auf die Netzhaut (Retina).
Auf der Netzhaut wird durch Hornhaut (Kornea) und Linse ein Bild unserer Umwelt
entworfen. Lichtempfindliche Photo-Rezeptoren in der Netzhaut „tasten“ das Bild ab
und leiten die Information in verschlüsselter Form als Nervenerregung über den
Sehnerv weiter an den Hinterhauptslappen in der Grosshirnrinde.
Licht
Optisches Spektrum des Lichts
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Der anregende Reiz zur Aktivierung der Sensoren sind Lichtstrahlen. Was wir als
Licht empfinden, ist eine kleine Bandbreite von elektromagnetischen Wellen. Der für
uns sichtbare Ausschnitt der Wellenlängen reicht von ca. 400 bis 760 Nanometer
(nm). Ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter oder einem Millionstel Millimeter.
Der obere Bereich der Bandbreite erscheint uns als ROT, der tiefere Bereich
als BLAU. Angrenzende Wellenlängen ausserhalb dieses Bereiches sind für uns Menschen
nicht sichtbar, da uns die entsprechenden Sensoren fehlen. Oberhalb im langwelligen
Bereich schliessen sich die infraroten Wärmestrahlen an, unterhalb im
kurzwelligen Bereich die ultravioletten Strahlen.
Fällt eine Lichtquelle (Sonnenlicht oder Lampe) auf Flächen und Gegenstände, werden
die Lichtstrahlen wie durch einen Spiegel reflektiert. Reflektiert ein Gegenstand
das ganze optische Spektrum, erscheint uns dieser weiss. Absorbiert ein Gegenstand
alle Lichtstrahlen, erscheint der Gegenstand schwarz. Der Farbeindruck wird bestimmt
durch die dominante Wellenlänge der Lichtstrahlen. Bei der Wahrnehmung
von Farben werden zwei unterschiedliche Farbmischungen unterschieden.
Die additive Farbmischung
Die additive Farbmischung erfolgt bei Mischung von Lichtern, d.h. bestimmte Wellenlängen
werden überlagert und kombiniert. Wenn sich z.B. in der Disko drei verschiedene
Farbstrahler in den Farben rot, grün und blau überlagern, resultiert in der
Schnittmenge weisses Licht.
Die subtraktive Farbmischung
Die subtraktive Farbmischung erfolgt durch Pigmentmischung, d.h. bestimmte
Lichtwellen werden herausgefiltert. Die Pigmente, z.B. bei Malfarben, reflektieren
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nur bestimmte Wellenlängen und absorbieren die restlichen. Werden mehrere Pigmente
gemischt, blockieren diese zunehmend mehrere Wellenlängen. Theoretisch
werden bei einer Mischung von gelb, türkis (cyan) und magenta alle Lichtwellen
herausgefiltert, wir sehen schwarz. Der Versuch, die Mischung mit Wasserfarben
herzustellen, wird scheitern. Werden die Farben nicht exakt im richtigen Farbton
(Wellenlänge) gemischt (aborbiert), entsteht ein hässliches Matschbraun.
Ein Gegenstand mit einer bestimmten Farbe funktioniert wie ein Farbfilter. Ein roter
Ball beispielsweise filtert aus dem weissen Licht alle Wellenlängen bis auf die rote
Farbe heraus. Der Gegenstand erscheint deshalb rot.
Komplementärfarben
Als Komplementärfarben bezeichnet man solche Farben, aus deren Mischung (additiv
oder subtraktiv) ein Grau entsteht.
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Der Aufbau des Auges 3-D Animation
Der Augapfel ist ca. 24 mm lang und 7.5 g schwer. Gut geschützt und mit einer Fettschicht
gepolstert, liegt er in der Augenhöhle. Das Augenlid schützt das Auge vor
äusseren Einwirkungen und Fremdkörpern. Am Lidrand um die Wimpern hat es
mehrere Drüsen, diese bilden die sogenannte „Augenbutter“, ein Sekret, das ein
Überlaufen der Tränenflüssigkeit über die Lidkante verhindert. Die meist eingetrockneten
gelblichen Sekretreste im inneren Lidwinkel, reibt man sich am Morgen
als „Schlaf“ aus den Augen.
Bei jedem Lidschlag verteilt sich durch die Tränenflüssigkeit ein Film über den vorderen
Augenabschnitt, um so die empfindliche Hornhaut sauber und feucht zu halten.
Durch Austrocknung kann die Hornhaut trübe werden.
Das Augenlid schützt und befeuchtet die Hornhaut
Die äussere Augenhaut
Die äussere Augenhaut besteht aus Lederhaut (Sklera) und Hornhaut (Cornea). Die
Lederhaut ist das Weisse der Augen und ist undurchsichtig. Die straffen Bindegewebsfasern
halten dem inneren Augendruck stand und sichern Festigkeit und Form
des Augapfels.
Die Hornhaut ist mit der Lederhaut verwachsen. Sie ist durchsichtig und ausserordentlich
berührungsempfindlich. Die Hornhaut besteht aus 5 Zellschichten, die äusserste
Schicht (Epithel) ist die Schutzschicht. Sie besteht aus sich schnell teilenden
Zellen (3 Tage). Die Hornhaut bildet mit dem Kammerwasser zusammen eine starke
sammelnde Fläche. Das Licht wird von den Flächen der Hornhaut gebündelt (75%
der Gesamtbündelung des Auges). Die Hornhaut ist deshalb gekrümmt. Zusammen
mit der Linse hat sie die Aufgabe, ein scharfes Bild auf der Netzhaut zu erzeugen.
Die Hornhaut hat deshalb keine Gefässe, aber viele Nerven. Alle Teile sind in ihrer
Dichte sehr homogen um Klarheit zu gewährleisten.
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Die mittlere Schicht
Die mittlere Schicht heisst Uvea. Sie ist für die Blutversorgung und Ernährung des
Auges zuständig, sowie für die Sekretion des Kammerwassers und für die Menge
des einfallenden Lichtes. Die Uvea besteht aus der Aderhaut und der Regenbogenhaut.
Die Aderhaut (Choroidea) liegt direkt unter der Lederhaut. Sie ist das Gewebe im
menschlichen Körper, welches am dichtesten mit Gefässen, Arterien und Venen,
durchzogen ist. In der Aderhaut sind ausserdem zahlreiche Pigmente in der Form
schwarzer Farbkörnchen eingelagert. Die Aderhaut ernährt das Auge mit Ausnahme
der Netzhaut, dunkelt das Augeninnere gegen das Aussenlicht ab und versorgt die
Netzhaut stets mit frischen Sehstoffen, ohne die das Sehen nicht möglich wäre.
Die Regenbogenhaut oder Iris ist eine kreisrunde Scheibe, in deren Mitte sich das
Sehloch, die Pupille befindet. Die Iris ist die Blende des Auges. Sie reguliert die
Lichtmenge, die in das Auge fällt. Wenn es hell ist, ziehen sich die Muskeln in der
Regenbogenhaut zusammen und lassen nur eine kleine Öffnung frei. Eine kleine Pupille
lässt wenig Licht rein. In der Dämmerung geschieht das Gegenteil, die Öffnung
weitet sich aus, es dringt viel Licht ein. Dieser Vorgang heisst Adaption. Unsere Augen
übertreffen dabei die beste Kamera. Bei grellem Sonnenschein ist es ca.
10‘000‘000 mal so hell wie in einer klaren Sternennacht. Eine Kamera würde unter
diesen extremen Bedingungen keine brauchbaren Bilder abbilden.
Das Gewebe der Iris ist wie ein „Scherengitter“ strukturiert und daher beweglich.
Zur Anpassung der Lichtverhältnisse verengt oder erweitert sich die Pupille von 1.5
mm bis 8 mm (neutral 4mm). Die Augenfarbe der Iris wird durch die unterschiedliche
Konzentration von Pigmenten im Bindegewebe bestimmt.
Die innere Schicht
Die Linse befindet sich direkt hinter der Pupille. Sie ist ein durchsichtiges, leicht gewölbtes
Scheibchen aus faseriger Substanz, welches zum Kern hin dichter wird. Die
Linse bündelt das Licht und wirft ein Abbild der betrachteten Gegenstände auf die
Netzhaut (Retina). Ähnlich wie der Autofokus des Objektivs bei der Kamera, stellt
die Augenlinse das Bild scharf ein. Die Veränderung der Linsenkrümmung steuert
der Ziliarmuskel, der die Augenlinse ringförmig umgibt. Den Vorgang des Scharfstellens
heisst Akkomodation.
Wenn wir in die Ferne sehen, ist der Ziliarmuskel entspannt. Die Aufhängefasern der
Linse sind gespannt. Sie ziehen die Linse straff, dadurch ist die Augenlinse schwach
gekrümmt. Beim Sehen in die Nähe zieht sich der Ziliarmuskel dagegen zusammen,
er wird kürzer und dicker. Dadurch sind die Aufhängefasern der Linse nicht mehr so
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stark gespannt, die Augenlinse wird nicht mehr straff gezogen. Durch ihren Eigendruck
kann sie sich nun stärker wölben. Dies strengt den Ziliarmuskel an. Daher
werden wir nach langem Lesen müde.
Mit zunehmendem Alter nimmt die Fähigkeit der Akkomodation ab. Anders als bei
der Kamera, bei der zur Fokussierung der Abstand zwischen Linse und Film geändert
wird, erfolgt die Scharfeinstellung beim Auge durch die Änderung der Linsenbrechkraft.
Je flacher die Linse, umso geringer ist die Brechkraft.
Der Glaskörper besteht aus einer klaren gelartigen Substanz, zu 99% aus Wasser,
Hyaluronsäure und Kollagen. Die gelartige Substanz ist von einer dünnen Hülle umschlossen
und füllt den Augapfel innen im hinteren Teil des Auges aus. Im Glaskörper
sind keine Nerven und Blutgefässe. Trübungen und Schlieren im Glaskörper
können Schattenbilder auf der Netzhaut erzeugen. Die Augenlinse bricht die einfallenden
Lichtstrahlen und projiziert diese durch den kugelförmigen Glaskörper hindurch
auf die Netzhaut des Auges.
Die Netzhaut ist die eigentliche lichtempfindliche Schicht. Sie besteht hauptsächlich
aus Rezeptoren, den Zapfen und Stäbchen. Beides sind Sinneszellen und haben eine
6-eckige Querschnittsfläche. Zapfen und Stäbchen wandeln Licht in elektrische Nervenreize
um, die über den Sehnerv ans Gehirn weitergeleitet werden. Die Netzhaut
entspricht dem Film in der Kamera.
An der Stelle, an welcher der Sehnerv vom Auge austritt, befinden sich keine Sinneszellen.
Hier ist folglich eine blinde Stelle im Auge, der sogenannte blinde Fleck.
Trotzdem haben wir kein "Loch" in unserem Gesichtsfeld, der fehlende Bildteil wird
vom Gehirn mit Informationen aus der Umgebung ergänzt.
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Eine andere wichtige Stelle auf der Netzhaut ist die Fovea oder Makula. Der sogenannt
gelbe Fleck ist eine flache Einsenkung in der Mitte des Augenhintergrundes.
Diese Stelle der Netzhaut hat ihren Namen von dem gelben Farbstoff Lutein, der
dort besonders stark eingelagert ist. In der Mitte des gelben Flecks liegt eine kleine
Vertiefung, die so genannte Fovea centralis. Sie ist der Ort des schärfsten Sehens,
denn hier sitzen die Lichtrezeptoren so dicht gepackt wie sonst nirgends. Wenn man
ein Objekt anschaut, drehen sich die Augen automatisch so, dass das Objekt auf dieser
zentralen Vertiefung des gelben Flecks abgebildet wird.
Die Fovea befindet sich genau an derjenigen Stelle, an der ein Lichtstrahl, der senkrecht
durch die Pupille hindurchtritt, die Netzhaut erreicht.
Netzhaut mit Makula (etwas grau) in der Mitte
Liegt der Brennpunkt nicht genau auf der Netzhaut, wird die Umgebung unscharf
abgebildet. Man spricht von einem Brechungsfehler oder einer Fehlsichtigkeit.
Beim kurzsichtigen Auge liegt die Brechkraft der Hornhaut zu hoch, oder das Auge
ist zu lang gebaut. In beiden Fällen werden die Lichtstrahlen bereits vor der Netzhaut
gebündelt. Der Brennpunkt liegt damit vor und nicht auf der Netzhaut.
Kurzsichtige Personen sehen ferne Dinge unscharf, nahe liegende Objekte dagegen
scharf.
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Weitsichtigkeit ist das genaue Gegenteil. Für das Auge ist die Brechkraft der Hornhaut
zu gering bzw. das Auge ist zu kurz. Die Lichtstrahlen werden erst hinter der
Netzhaut gebündelt.
Weitsichtige Personen sehen nahe Dinge unscharf, entfernte Objekte dagegen scharf.
Die Netzhaut
In der Netzhaut werden die Bilder für das Gehirn zusammengestellt.
Die Lichtstrahlen, die von einem Gegenstand in das Auge einfallen, werden vom
Auge so gesammelt, dass auf der Netzhaut ein umgekehrtes, seitenverkehrtes und
verkleinertes Bild entsteht. An der Lichtbrechung sind Linse und Hornhaut beteiligt.
Durch die Ziliarbänder wird die Linse in ihrer Lage festgehalten. Durch die Veränderung
des Ziliarmuskels wird die Linse entsprechend runder oder flacher.
Die extrem lichtempfindliche Innenauskleidung des Auges nennt man Netzhaut oder
Retina. Sie ist mit etwa 127 Millionen Lichtrezeptoren besetzt: Nachdem das Licht
Hornhaut, Linse und Glaskörper durchquert hat, wandeln die Rezeptoren die Lichtwellen
in Nervenimpulse um.
Die Netzhaut (Retina) besteht aus 3 Schichten:
den Photorezeptoren, bestehend aus Stäbchen und Zäpfchen
den bipolaren Zellen
den Ganglienzellen
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Für das Farbsehen sind die Zapfen-Rezeptoren zuständig, für das Hell-Dunkel-Sehen
die Stäbchen. Interessanterweise ragen die Zapfen und Stäbchen nicht ins Augeninnere,
sondern sie wachsen auf der hinteren Netzhautschicht und zeigen nach aussen.
Die Stäbchen sind zuständig für das Sehen in der Dämmerung. Sie reagieren sensibel
auf Hell-Dunkel, grobe Umrisse und Bewegungen. Stäbchen sind auf schwache
Lichtquellen spezialisiert. Menschen, die keine Stäbchen haben, sind nachtblind. Das
Pigment der Stäbchen, welches auf Lichtwellen reagiert, heisst Rhodopsin und benötigt
zur Re-Synthese Vitamin A. Stäbchen werden im grün-blau Bereich optimal angeregt.
Ein menschliches Auge hat ca. 120 Millionen Stäbchen.
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Die wesentlich unempfindlicheren Zapfen-Photorezeptoren brauchen etwa 30-fach
höhere Lichtintensität um zu reagieren. Sie ermöglichen das Bewegungssehen bei
Tage und vermitteln die Wahrnehmung von Farbe Dabei reagieren unterschiedliche
Zapfen spezifisch auf bestimmte Wellenlängen des Lichts. Die L-Zapfen (langwellig)
sind rotempfindlich, die M-Zapfen (mittelwellig) grünempfindlich und die K-
Zapfen (kurzwellig) blauempfindlich. Auf der Netzhaut befinden sich insgesamt
drei bis sechs Millionen Zapfen.
Bei ganz wenig Licht verschwindet die Farbe. Das liegt daran, dass die Zapfen für
das Farbensehen relativ wenig lichtempfindlich sind. Werden dagegen alle drei Zapfensorten
auf der Netzhaut gleichzeitig gereizt, entsteht im Gehirn der Farbeindruck
Weiss (s. additive Farbmischung S. 2).
Die Verteilung der Zellen auf der Netzhaut
Stäbchen und Zapfen sind auf der Netzhaut nicht gleichmässig verteilt.
Die meisten Zapfen sind in der Fovea centralis (s. S. 7). Weil die Farbrezeptoren hier
dicht an dicht stehen und auch die nachfolgenden Nervenzellen besonders zahlreich
sind, sieht das menschliche Auge an dieser Stelle besonders scharf. In der Dunkelheit
ist die selbe Stelle für uns blind, da sich hier keine Stäbchen befinden. Zum Rande
der Netzhaut hin nimmt die Zahl der Zapfen ab und die der Stäbchen zu. Deshalb
nimmt man am Rande des Gesichtsfelds auch meist nur Schatten wahr und keine
Farben. Führt man zum Beispiel einen bunten Gegenstand von hinten oder von der
Seite an eine Person heran die nach vorne schaut, kann diese zunächst die Form erkennen
und erst später die Farbe.
Bei Personen, die eine Farbfehlsichtigkeit haben, fällt eine Zapfensorte aus. Das linke
Bild zeigt die Farbwahrnehmung einer Person ohne Einschränkung, das rechte Bild
die Wahrnehmung einer Person mit Rot-Grün-Sehschwäche.
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Die bipolaren Zellen kombinieren die Impulse aus Stäbchen und Zäpfchen und senden
diese an die Ganglienzellen weiter. Die bipolaren Zellen haben einen langen
faserartigen Fortsatz (Axon).
Die Ganglienzellen integrieren die Impulse der Bipolarzellen zu einer einzigen Impulsrate.
Die Axone der Ganglienzellen werden gebündelt und laufen als Sehnerv
(Nervus opticus) zum Zentralen Nervensystem.
Ganglienzellen unterscheiden sich hinsichtlich Geschwindigkeit. Die Y-Zellen sind
mit 40 m/s die schnellsten Zellen. Sie feuern nur kurz und sind spezialisiert auf Bewegungen.
Die X-Zellen erreichen 20 m/s und feuern solange wie sie gereizt werden.
Sie kommen am häufigsten vor und sind zuständig zur Erkennung von Texturen.
Beispiele von Texturen
Die W-Zellen sind mit der Geschwindigkeit von 10 m/s die langsamsten und reagieren
auf komplexe Muster.
Meist sind mehrere Stäbchen mit einer Bipolarzelle verknüpft Sie addieren ihre Signale,
um die Chance zu erhöhen, eine Reaktion in ihrer gemeinsamen Bipolarzelle
auszulösen. Das geht allerdings auf Kosten der räumlichen Auflösung. Die Stäbchen-
Bipolarzellen haben keinen direkten Kontakt zu Ganglienzellen.
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Das Ausgangssignal der Netzhaut wird durch laterale Verschaltungen vorverarbeitet.
Insbesondere gibt es zwei unterschiedliche Gruppen von Zellen: solche, die vor
allem auf Form und Farben reagieren und solche, die auf die Detektion von Bewegung
spezialisiert sind. Die Information aus diesen beiden Populationen von Ganglienzellen
werden im weiteren Verlauf der Sehbahn getrennt verarbeitet.
Die Weiterleitung visueller Signale
Die Axone der Retina-Ganglien sammeln sich im blinden Fleck und bilden den Sehnerv
(Nervus Opticus). Der Sehnerv leitet die Informationen von der Netzhaut an
das Gehirn zur Auswertung der elektrischen Signale weiter. Das gewaltige Bündel
aus Nervenfasern ist ein halber Zentimeter dick. Wie die Netzhaut gilt auch der Sehnerv
als Teil des Gehirns.
Zunächst werden die Signale zum Chiasmus Opticus geleitet. Dort werden nasale
Anteile in die gegenüberliegende Hirnhälfte geleitet. Temporale Anteile bleiben auf
der gleichen Seite. Somit werden die beiden Hälften des visuellen Feldes in die jeweils
gegenüberliegende Hirnhälfte projiziert, d.h. das linke Gesichtsfeld in die rechte
Hemisphäre und umgekehrt. Hinter dem Chiasmus Opticus führen zwei visuelle
Pfade weiter in die Areale des Hinterlappens (schwarz und rot eingezeichnet).
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Der primäre visuelle Pfad führt über den Bereich Corpus geniculatum laterale. Von
dort aus werden die Signale fächerartig in den primären visuellen Kortex nach Area
17 ausgestrahlt. Die Funktion dieses Areals besteht in der Feinwahrnehmung von
Mustern und Farben.
Der sekundäre visuelle Pfad führt über den Bereich Colliculi superioris nach Area
18 und 19. Dieses System ist für die Bewegungssteuerung des Blickes zuständig und
ortet die Objekte im Raum. Aus der Kombination der Sinneseindrücke beider Augen
entsteht das räumliche Bild.
Die Sehnerven unserer Augen sind Träger der elektrischen Sehimpulse und überkreuzen
sich teilweise. Somit gelangen Informationen aus beiden Augen in eine jeweilige
Hälfte des Grosshirns.
Die visuelle Sehrinde (Cortex) besteht aus über 100 Millionen Nervenzellen (Neuro-
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nen). Diese Neuronen haben weitgehend unbekannte Antworteigenschaften.
Da die visuelle Sehrinde mit tausenden von Nervenzellen aus anderen Bereichen des
Gehirns im Kontakt steht, sind Sinneswahrnehmungen, aber auch sämtliche Speicherinformationen
im Gehirn miteinander verbunden. Elektrische Reize werden zu
Wahrnehmungen. Wir sehen!
Es war einmal das Leben, ein Zeichentrickfilm über das Auge in 3 Teilen
1) http://www.youtube.com/watch?v=DMTl3uxfE4Y
2) http://www.youtube.com/watch?v=cyBhx5pLTZI&feature=related
3) http://www.youtube.com/watch?v=rQot0UKNc8Y&feature=related
Total phänomenal Ein Video über Superaugen
Hier kannst du in einem Buch mit einer Lupe das Auge entdecken
Ein Lückentext zum Thema Auge
Buchtipp: Willi wills wissen - Wie unsere Augen sehen. Baumhaus: Frankfurt
a.M. (2008).
Facit
Visuelle Information wird von lichtempfindlichen Rezeptoren im Auge in Nervenimpulse
umgewandelt. Diese werden in das Gehirn weitergeleitet und dort zu Sinnesempfindungen
interpretiert. Die Repräsentation dieser Reize im Gehirn ist sehr effizient
und auf die Art der Umgebungsreize optimal abgestimmt. Die visuelle Verarbeitung
dient in erster Linie dazu, unsere Interaktionen mit der Umwelt zu steuern.
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