Цветное зрение

ВСТУПЛЕНИЕ. 

Цветовое зрение можно определить как способность живого организма различать спектральный состав излучений или узнавать окраску предметов.

Основоположником современной теории света является Ньютон, который в 1672 году опубликовал свои соображения о природе белого и окрашенного света. Среди других ученых, внесших вклад в формирование наших взглядов на природу света следует называть Гюйгенса, Юнга, Френеля, Гельмгольца, Максвелла, Герца и многих других. В работах этих исследователей была выяснена физическая природа света, показано, что белый свет представляет собой смесь излучений, имеющих разную длину волны. Участок длин волн от 400 до 700нм является составными частями спектра, который дают призмы и дифракционные решетки. Спектральным цветам соответствует примерно следующие длины волн: 
 

ЦВЕТ                                                                 ДЛИНА ВОЛНЫ (нм)

Фиолетовый                                                                             400 - 440

Синий                                                                                       440 - 500

Зеленый                                                                                    500 - 570

Желтый                                                                                    570 - 590

Оранжевый                                                                              590 - 610

Красный                                                                                   610 - 700

Практически человеческий глаз способен различать цвета излучений с длиной волны от 396 нм (глубокий фиолетовый)  до 760 нм (крайний красный).

В обычных условиях в глаз попадают излучения с различными длинами волн. Ощущение цвета, возникающее в этом случае, зависит от способности видеть один результирующий цвет, определяемый согласно законам оптического смещения цветов. Эти законы выведены Грассманом, а экспериментальное подтверждение получили они в работах Максвелла и др.

За счет различия в чувствительности рецепторов в различных участках спектра, создается возможность оценки распределения энергии в спектре, на основании чего и возникают различные цветовые ощущения. Понятно, что при такой системе цветоразличения существует большое количество излучений различного спектрального состава, которые являются визуально неразличимыми.

  Спектральная чувствительность глаза человека базируется на работе цветоприемников трех типов, имеющих максимумы на кривой спектральной чувствительности в красной, зеленой и синей областях спектра. В случаях нарушений цветового зрения у человека отсутствует один из цветоприемников, или же отдельные приемники имеют аномальные спектральные характеристики. В зависимости от того, какой цветоприемник отсутствует у человека, лиц с ненормальным цветоощущением можно разбить на три основные группы: Протанопы, Дейтеранопы, Тританопы.

• Протанопы, или красно-слепые субъекты, не воспринимают темно-красные цвета.
• Дейтеранопию иногда называют «слепотой на зеленый», однако в сущности такое название не соответствует действительности, так как чувствительность дейтеранопов к зеленому почти такая же, как у нормальных людей.
• Тританопы (сине-слепые) видят только оттенки красного и голубовато-зеленого.

Кроме этих трех основных видов частичной цветовой слепоты, встречаются еще несколько нетипичных случаев, вплоть до полного отсутствия цветоощущения. Такие лица, в свою очередь делятся на две группы: палочковые и колбочковые монохроматы. У палочковых монохроматов фовеа слепа или частично слепа. Считается, что у колбочковых монохроматов одновременно имеется тританопия и в тоже время протанопия или дейтеранопия.

Изучение нарушений цветового зрения, кроме случаев полного отсутствия цветоощущения, связано с определенными трудностями и выявляется в большинстве случаев только специальными тестами, так как сами больные часто не подозревают о своем заболевании.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И ФУНКЦМОНИРОВАНИЯ СЕТЧАТКИ ПОЗВОНОЧНЫХ ЖИВОТНЫХ, СВЯЗАННЫЕ С РАЗВИТИЕМ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ.ФОТОРЕЦЕПТОРЫ. 

Сетчатка позвоночных животных содержит пять типов клеток, различающихся как морфологически, так и функционально. Это - фоторецепторы (палочки и колбочки), горизонтальные, биполярные, амакриновые и ганглиозные клетки. 

Сигналы в сетчатке передаются от фоторецепторов к биполярным, а от них к ганглиозным клеткам. Функции горизонтальных клеток, по всей видимости, заключаются в обеспечении латерального взаимодействия на уровне переключения от фоторецепторов к биполярам, а амакриновых клеток - при переключении от биполяров к ганглиозным клеткам.

  Восприятие света животным начинается с того, что квант света, попавший в его глаз, запускает сложную цепь биохимический превращений светочувствительных пигментов, содержащихся в фоторецепторах. В результате под влиянием фотохимических процессов, меняется мембранный потенциал фоторецептора и это изменение поддерживается в течении всего времени действия света, причем освещение фоторецептора всегда вызывает его гиперполяризацию. При уменьшении освещенности мембранный потенциал уменьшается (фоторецептор диполяризуется)

Очевидно, цветовое зрение животного целиком зависит от того, насколько различны реакции фоторецепторных клеток на раздражение светом разной длины волны, либо различного спектрального состава, так как никакая обработка  на высших уровнях зрительно системы не в состоянии обеспечить различение спектрального состава излучений, если они окажутся неразличимыми для фоторецепторов. Следовательно, для излучения механизмов цветового зрения, в первую очередь нужно исследовать спектральную чувствительность самих приемников сетчатки.

Биохимическими и электрофизиологическими исследованиями показано, что восприятие света в скотопическом диапазоне происходит палочками, которые содержат светочувствительный пигмент - родопсин. Химические превращения родопсина при поглощении его молекулой кванта света не зависят от длины световой волны. Следовательно, животные, сетчатка которых содержит исключительно палочки, обладают лишь одним цветоприемником. Система, работа которой базируется на одном цветоприемнике, в принципе не должна обладать способностью к дифференцировке раздражителей по цвету, если конечно, не будут применены какие либо специальные методы (например, использованы цветные фильтры)

Все зрительные пигменты построены одинаковым образом: 11-цис-ретиналь+опсин. Два существующих в природе ретиналя-ретиналь1 и ретиналь2 . Соединяясь с двумя рода опсинами- колбочковым и палочковым, дают всего четыре вида пигментов, имеющих различные значения максимумов на кривых спектре поглощения. Согласно данным Уолда (222), эти пигменты имеют следующие максимумы поглощения: родопсин - 500 нм, иодопсин -562 нм, порфиропсин - 522 нм и цианопсин - 620 нм. В дальнейшем было показано что у разных животных максимумы спектра поглощения пигментов, основанных на одном и том же хромофоре, различаются столь значительно, что деление их на четыре типа весьма условно.

 Для точной характеристики спектральной чувствительности глаза необходимо знать число его цветоприемников, наличие в них соответствующих пигментов, локализацию этих пигментов в определенных рецепторах и т.д. Получить ответ на многие из этих вопросов позволяет разработанная сравнительно недавно техника микроспектрометрирования. С использованием этой методики было установлено, что отдельные колбочки, схожие по своей морфологической структуре, могут обладать различной спектральной чувствительностью. Этот факт указывает на то, что либо каждая колбочка содержит характерный для нее специфический пигмент, либо чувствительность колбочки обеспечивается наличием в ней специфической смеси различных пигментов.

Методом прижизненного измерения поглощения света в рецепторном слое сетчатки человека, разработанном Раштоном (189), было установлено, что каждому приемнику человека соответствует свойственный лишь ему пигмент. Сопоставление этих результатов с данными, полученными при использовании других методов, позволяет заключить, что цветовое зрение человека обеспечивается тремя пигментами, с максимумами спектра поглощения на 440, 540 и 570 нм. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ГАНГЛИОЗНЫЕ КЛЕТКИ СЕТЧАТКИ.     

От биполяров сигнал передается к ганглиозным клеткам сетчатки, которые представляют собой типичные нейроны, встречающиеся в центральной нервной системе.

В зависимости от того, с каким биполяром контактирует ганглиозная клетка , она будет генерировать спайковый разряд либо в ответ на освещение ( включение света)  связанных с нею через биполяры рецепторов (on - клетка), либо в ответ на затемнение ( выключение света) - off - клетка.

В 1938 году Хартлайном было введено понятие «рецептивного поля». Под рецептивным полем ганглиозной клетки подразумевается тот участок сетчатки, при раздражении которого в конечном итоге меняется частота разрядов данной ганглиозной клетки.

Как известно, в сетчатке проявляется довольно четко выраженное латеральное торможение, которое на уровне биполярных клеток осуществляется горизонтальными, а на уровне ганглиозных клеток - амакриновыми клетками. Следовательно при воздействии света на рецепторы к ганглиозной клетке из разных точек сетчатки должны поступать не только возбуждающие влияния, но также и тормозящие. Совокупность этих воздействий, в свою очередь, будет определять функциональную организацию рецептивного поля ганглиозной клетки.

Концентрические рецептивные поля состоят из круглой центральной возбуждающей зоны, которая окружена со всех сторон тормозной периферией. В этом случае деление клеток на типы ведется с учетом характера их реакций на раздражение различных зон рецептивного поля. Нейроны возбуждающиеся при освещении центральной зоны рецептивного поля относятся к on - нейронам, а возбуждающиеся затемнением центральной зоны к off - нейронам. В тоже время on - нейрон возбуждается при затемнении периферии, а off - нейрон при ее освещении.

Размеры рецептивных полей ганглиозных клеток существенно различается у разных видов животных. При этом считается, что с размерами рецептивных полей связана острота зрения животного - чем уже рецептивное поле, тем более мелкие детали изображения может различить зрительная система. Этот вывод подкрепляется данными измерений размеров рецептивных полей ганглиозных клеток, связанных с центральными и периферическими участками сетчатки.   

 Среди других свойств нейронов, связанных с организацией их рецептивных полей, следует отметить избирательность к направлению движения видимых объектов. Такие клетки дают максимальные разряды, когда стимул движется через рецептивное поле в строго определенном направлении, которое таким образом, оказывается предпочитаемым для данного нейрона. Ганглиозные клетки сетчатки обладающие избирательностью к направлению движения, изучены в сетчатках многих видов млекопитающих, в том  числе и в сетчатке кошки.

 Были также предприняты попытки обнаружить корреляцию между типом нейрона и особенностью его спектральной чувствительности. Однако результаты авторов, ведущих исследования в этом направлении, весьма противоречивы. Одни находят, что имеется корреляция между скоростью проведения возбуждения в аксонах ганглиозных клеток и чувствительностью этих клеток к свету с разной длиной волны только для on -нейронов, другие же авторы, наоборот считают, что частота разрядов on -нейронов зависит от интенсивности света, а не от длины его волны, on - off -нейроны же реагируют исключительно на свет.

В опросе о конвергенции импульсации на уровне ганглиозных клеток мнения исследователей также расходятся. Имеются данные, согласно которым сигналы от колбочек и палочек в высшие отделы центральной нервной системы поступают по разным путям.

Если это так, то можно заключить, что, несмотря на то, что сигналы от рецепторов обоих типов конвергируют на уровне ганглиозных клеток, они все же остаются независимыми друг от друга.

Конвергенция импульсов на ганглиозных клетках, как уже было сказано, создает предпосылки для существования цветооппонентных рецептивных полей. Такая организация рецептивного поля выгодна с той точки зрения, что она может обеспечить повышение избирательности клетки к цвету раздражителя. Дело в том, что спектральные кривые цветоприемников имеют достаточно широкие пределы и в силу этого, один и тот же приемник может возбуждаться светом различных длин волн из достаточно широкого участка спектра. В результате этого, ганглиозная клетка будет отвечать на раздражение светом с довольно большими различиями в его спектральном составе. Оппонентная же организация рецептивного поля может обеспечить торможение клетки в том случае, если спектральный состав раздражающего света отличается от оптимального  для данной клетки состава. Этим свойством рецептивного поля можно объяснить, например, тот факт, что клетки с такой организацией рецептивного поля вообще не отвечают на раздражение белым светом.