Вверх ногами и 20 мегабит в секунду: эксперты ПНИПУ рассказывают интересные факты о глазах

Как устроен человеческий глаз?

Глаз — сложный зрительный орган, отвечающий за восприятие света и формирование изображений. Роговица — его прозрачная передняя часть, собирает и фокусирует лучи света, защищая от механического воздействия. Сосудистая оболочка содержит сосуды, питающие ткани глаза, и регулирует количество света. Сетчатка — внутренняя оболочка глаза состоит из миллионов фоторецепторов, которые преобразуют свет в электрические сигналы. Палочки отвечают за ночное и черно-белое зрение, колбочки — за цветное. Радужная оболочка и зрачок контролируют количество света, проникающего внутрь. Хрусталик изменяет форму для фокусировки на объектах, а стекловидное тело заполняет пространство между хрусталиком и сетчаткой, поддерживая форму глаза.

Факт 1. Мозг человека обрабатывает до 20 мегабит зрительной информации в секунду

— Свет с точки зрения современной физики — это электромагнитное излучение, которое может восприниматься человеческим глазом. Видимые лучи находятся в диапазоне 400-760 нанометров. Это длина волны, от которой зависит цвет. В порядке ее убывания цвета радуги помогает расположить известная мнемоническая фраза «Каждый-Охотник-Желает-Знать-Где-Сидит-Фазан». Так, красному свету соответствует диапазон 760-600 нм, а фиолетовому – 430-400 нм. Кстати, в радуге эти цвета строго следуют друг за другом, не перемешиваясь, — объясняет Виктор Криштоп, профессор кафедры общей физики ПНИПУ, доктор физико-математических наук.

Виктор Криштоп. Фото: пресс-служба ПНИПУ

Человек воспринимает свет с помощью рецепторов, расположенных на сетчатке, при этом поглощение отдельных порций света (фотонов) вызывает маленький электрический импульс, который передается в мозг и уже там после обработки всех таких импульсов формируется изображение. Мозг играет роль своего рода компьютера, именно он отвечает за то, как мы воспринимаем окружающий мир.

— Как быстро проходит реакция? Свет распространяется в вакууме со скоростью 300 тысяч километров в секунду, однако после попадания на сетчатку, превратившись из света в электричество, распространяется в виде нервного импульса, имеющего в миллионы раз меньшую скорость. При этом передаются огромные объемы информации. Ученые оценили, что два человеческих глаза, каждый по своему зрительному нерву (толщиной в несколько миллиметров), ежесекундно передают в головной мозг порядка 20 мегабит информации, что сравнимо со скоростью Интернета в домашних сетях, — отмечает Виктор Криштоп.

Как мы оцениваем расстояние и объем? Во-первых, благодаря бинокулярному зрению. У человека два глаза, что позволяет использовать стереозрение. Разница в изображениях, получаемых каждым глазом, помогает мозгу оценивать расстояние до объектов. Во-вторых, из-за параллакса. Когда человек движется, близкие объекты перемещаются быстрее относительно дальних, что также помогает оценивать расстояние. Играют роль и текстура предмета, контрастность получаемого мозгом изображения, теней и освещения.

Факт 2. Малыши видят все вниз головой

— Маленькие дети все видят в перевернутом виде. Когда свет проходит через роговицу и хрусталик, он преломляется и проецируется на сетчатку, которая находится на задней стенке глаза. Изображение, попадающее на нее, оказывается перевернутым. Все потому, что система зрения у новорожденных еще не полностью развита, и их мозг постепенно учится интерпретировать эти сигналы. Это исправляется к четырем-шести месяцам. Зрение малышей стабилизируется, они начинают видеть, как взрослый человек, — объясняет Екатерина Шевцова, врач-офтальмолог.

Екатерина Шевцова. Фото: пресс-служба ПНИПУ

Факт 3. Чтение при плохом свете грозит повреждением зрительного нерва

— В целом, можно читать при тусклом освещении. Это не влияет на остроту зрительного восприятия и не приводит к близорукости. После отдыха все неприятные симптомы исчезнут, не отражаясь на общем состоянии зрительной функции. Но при слабом свете глазам приходится напрягаться, чтобы детально рассмотреть нужный предмет, это приводит к их переутомлению, ухудшению четкости зрения, снижению производительности, повышению внутриглазного давления и развитию в дальнейшем глаукомы. Это группа заболеваний, при которых необратимо повреждается зрительный нерв из-за высокого внутриглазного давления. Между прочим, одна из главных причин полной слепоты, — рассказывает Олег Долгих, профессор кафедры охраны окружающей среды ПНИПУ, доктор медицинских наук.

Олег Долгих. Фото: пресс-служба ПНИПУ

Факт 4. Мы лучше видим прищурившись из-за уменьшения количества света

Виктор Криштоп объясняет, что щурясь, мы уменьшаем размер зрачка. Благодаря этому сокращается количество света, проходящего через глаз. Это снижает размытость и искажения, которые могут возникать из-за неправильного фокусирования света. Кроме того, меньший зрачок увеличивает глубину резкости, что позволяет лучше фокусироваться на предметах, расположенных на разных расстояниях от глаза. Получается также собрать свет на сетчатке, что делает изображение четче.

— Постоянное прищуривание способствует развитию ранних мимических морщин и в некоторых случаях вызывает головные боли. В момент прищуривания напрягаются мышцы глаза, что может быть вредно для зрения, — добавляет Олег Долгих.

Факт 5. Если сложно сфокусировать взгляд с утра, то вы перенапрягли глаза вечером

— После сна человеку требуется время, чтобы сфокусироваться на предметах, если его глаза накануне перенапряглись или в целом мышцы в недостаточном тонусе. Например, вечером он долго сидел в компьютере или читал. Еще одна причина — имеющиеся близорукость и дальнозоркость. Для фокусировки нужно, чтобы внутриглазная мышца с определенной силой сжала хрусталик, и фокус изображения падал на сетчатку. Человеку с патологией или утомленными глазными мышцами необходимо на это больше времени. Это можно сравнить с тем, как болят ноги после приседаний или длительной ходьбы. Чтобы вернуться в норму, нужно расходиться и восстановиться, — объясняет Екатерина Шевцова.

Факт 6. «Мушки» перед глазами возникают из-за нарушений стекловидного тела глаза

Наиболее очевидное объяснение «мухам» и точкам перед глазами — деструкция стекловидного тела. Это довольно распространенный и нестрашный диагноз.

— Но и в норме стекловидное тело может давать такой эффект. В центре глаза находится гелеобразная структура, состоящая из волокон. Каждое из них в тонкой оболочке. Если она нарушается, то в норме мы «мух» не заметим. Но если оболочки наслоились друг на друга, становятся различимы для глаза. А плавают они как раз из-за геля, — отмечает Екатерина Шевцова.

Еще одна причина плавающих точек — сосудистые спазмы. Такое чувство возникает, когда резко встаешь и темнеет в глазах. Это происходит из-за нарушения тонуса сосудов. Сетчатка в эти мгновения недополучает питания, и зрение пропадает.

Факт 7. Острота зрения теряется из-за изменения формы глазного яблока

При дальнозоркости оптический фокус находится не точно на сетчатке, а за ней. Наиболее частая причина этому — укороченный размер глазного яблока. При сильных степенях дальнозоркости нечеткое зрение диагностируется как вблизи, так и на очень далекие расстояния, и при такой форме гиперметропии существует риск развития глаукомы.

— В отличие от дальнозоркости, при близорукости (или миопии), наоборот, глазное яблоко имеет увеличенный размер, причем выделяют два вида этой патологии. Если удлинена глазная ось — расстояние от края роговицы до сетчатки, то такая миопия называется осевой. Если же роговица имеет чрезмерно выпуклую форму, то лучи света преломляются слишком сильно, и этот вид называется рефракционной близорукостью. Обычно они сочетаются между собой, — рассказывает Олег Долгих.

Факт 8. Дальнозоркость и близорукость могут развиваться одновременно

— Близорукость чаще всего обусловлена генетической предрасположенностью и проявляется в раннем детском возрасте. Дальнозоркость начинает развиваться обычно после 40-45 лет. Это неизбежный процесс для всех людей: с возрастом цилиарная мышца в глазу ослабевает и становится не в состоянии работать в полную силу. Проявляется пресбиопия, называемая также старческой дальнозоркостью, — рассказывает Олег Долгих.

При этом и миопия, и гиперметропия могут наблюдаться одновременно. Это происходит из-за искривленной формы роговицы, пресбиопии, наличия астигматизма, нарушений в зрительном центре головного мозга.

— Зрение действительно меняется с возрастом, в первую очередь это зависит от прозрачности оптических сред. Например, хрусталик темнеет и мутнеет с возрастом, поэтому меньше световых лучей поступает на глазное дно, — добавляет Екатерина Шевцова.

Факт 9. Очки на «плюс» и «минус» отличаются формой линзы

И очки, и контактные линзы имеют сферическую поверхность, их задача — компенсировать недостатки хрусталика, если тот фокусирует свет перед сетчаткой или за ней. С точки зрения физики эти два оптических прибора работают схоже, делясь только на «плюс» и «минус», как объясняет Виктор Криштоп.

«Минус» нужен при близорукости, когда свет преломляется слишком рано — перед сетчаткой. Для коррекции зрения используют вогнутые или отрицательные линзы. Когда параллельные световые лучи проходят через вогнутую линзу, они преломляются таким образом, что расходятся.

— Очки и линзы на «плюс» назначают при гиперметропии, или дальнозоркости. В этом случае лучи света преломляются за сетчаткой. Для коррекции зрения используют собирающие выпуклые линзы. Когда параллельные световые лучи проходят через них, они преломляются и сходятся в одной точке, называемой фокусом. Кстати, такие линзы используются в камерах и микроскопах для увеличения изображения и улучшения видимости объектов, — рассказывает Виктор Криштоп.

— Многие верят, что очки только сильнее портят зрение, аргументируя это тем, что из-за них мышцы не работают и не тренируются. Но это домысел. Правильно подобранные очки меняют преломляющую силу глаза и направляют лучи строго на сетчатку, как и должно быть в хорошо работающей оптической системе, — добавляет Олег Долгих. — Без очков глаз не восстановится, наоборот, зрение будет ухудшаться, так как мозг не получает достаточно зрительной информации. У детей такая ситуация может спровоцировать амблиопию — синдром «ленивого глаза». В этой ситуации даже оптические приборы не смогут исправить зрение.

Факт 10. Нельзя носить чужие очки, даже если вам подходят диоптрии

Очки должны изготавливаться индивидуально, при подборе корректирующих зрение линз учитывается не только величина диоптрий, но и межзрачковое расстояние. И не факт, что оно будет совпадать. Подобное несоответствие может вызвать головную боль и переутомление. Мышцы органов зрения и хрусталик могут привыкнуть к новому фокусу, из-за чего параметры зрения ухудшатся.

— Если у вас наблюдается близорукость в легкой форме, средства коррекции с более высокими диоптриями, чем требуется, могут способствовать ее прогрессированию. Людям с нормальным зрением не стоит надевать корригирующие приборы по той же причине: глаза приспособятся к новым условиям и видеть без линз будет затруднительно, — объясняет Олег Долгих.

Факт 11. Изображение двоится из-за неправильной формы роговицы и хрусталика

Астигматизм с точки зрения физики — это аномалия оптической системы глаза, связанная с асферичностью роговицы или, в более редких случаях, с изменением формы хрусталика.

Сначала световые лучи попадают на роговицу, действующую как линза, где они преломляются и направляются к хрусталику. Он, в свою очередь, фокусирует свет на сетчатке, позволяя человеку видеть четкое изображение.

— При астигматизме роговица или хрусталик изогнуты неравномерно. Это приводит к тому, что свет, проходя сквозь них, преломляется некорректно. Из-за этого лучи на сетчатке фокусируются сразу в нескольких точках. Возникает ощущение, что изображение «плывет», двоится или троится, а его элементы сливаются друг с другом, — объясняет Олег Долгих.

Факт 12. Зрение из-за компьютера портится не от излучения

— Если экран слишком близко расположен к глазам, повышается нагрузка на хрусталик глаза. В этом случае мы видим картинку целиком, и он распознает каждый ее пиксель. Наши глаза тяжело работают, совершая тысячи микродвижений, переводя взгляд с точку на точку. Это вызывает зрительное утомление, — объясняет Олег Долгих.

Когда человек смотрит в экран монитора, он моргает гораздо реже, из-за чего мышцы глаза долго находятся в напряжении. Они хуже кровоснабжаются и быстрее устают. Человеку становится тяжелее сфокусировать взгляд на далеко расположенных предметах. В результате ухудшается зрение вдаль.

Факт 13. Потерю зрения можно остановить или замедлить, но не повернуть вспять

Если вы заметите симптомы потери остроты зрения, то для начала обратитесь к врачу, получите его рекомендации по восстановлению. Назначения доктора необходимо строго выполнять: носить очки или линзы с указанной степенью коррекции, принимать лекарства, выполнять процедуры. Специальная гимнастика укрепит мышцы глазного дна.

— Улучшать состояние зрительного аппарата нужно путем изменения образа жизни. Больше гуляйте на свежем воздухе. Доказано, что прогулки при естественном освещении способны остановить развитие близорукости у детей, подростков. Питайтесь полноценно и разнообразно. Особенно полезны для зрения продукты, богатые витамином А, лютеином, зеаксантином. Это овощи и фрукты оранжевого, красного, зеленого цвета, рыба, морепродукты, ягоды, орехи. Обеспечьте себе физическую нагрузку для укрепления всего организма. Избавьтесь от вредных привычек, особенно курения. Табачный дым содержит большое количество веществ, вызывающих поражение сосудов и слизистой оболочки глаз. Берегите глаза от травм, попадания в них инородных тел и веществ, прямых солнечных лучей. Сварщикам, сантехникам, часовщикам, ювелирам нужно пользоваться защитными приспособлениями. Необходимо приучить себя правильно сидеть перед компьютером, не смотреть в гаджеты вблизи. Во время любой работы, связанной со зрительными нагрузками, глазам нужно давать отдохнуть, — советует Олег Долгих.

Факт 14. Современные технологии позволяют вернуть зрение

Существуют разработки, направленные на «трансляцию в мозг». Например, ELVIS V — это система замещения зрения на основе микрокомпьютера и микрочипа. Окончательное формирование визуального восприятия осуществляется мозгом, а не глазами. Это открывает возможность заменить разрушенные сетчатку, роговицу или хрусталик. Формирование предметного зрения происходит в затылочной доле головного мозга — зрительной коре. Микрочип стимулирует ее посредством слабых электрических токов, что приводит к ярким вспышкам — фосфенам, формирующим зрительные образы. Микрокомпьютер обрабатывает информацию, полученную от камер, а также использует алгоритмы искусственного интеллекта для предоставления пользователю подсказок относительно объектов перед ним.

— У такой технологии есть ограничения. В человеческом глазу более 100 млн клеток. В теории это можно сравнить со 100-мегапиксельной камерой. Если переводить это в байты, то получится 300 Мбайт информации. Если передавать такие объемы так же, как это делает зрительный нерв, но «по-компьютерному», то потребуется пропускная способность в 150 Гбит/с. Хотя такие оценки всегда условны, мозг не делит информацию на байты. И подобных сетей пока нет. Поэтому ограничиваются черно-белой контурной или точечной картинкой. Наверное, будущее за биологическими имплантами глаз, выращенными «в пробирке», но это требует успехов генной инженерии и развития биотехнологий. Есть и этические проблемы, и потенциальные опасности, — объясняет Даниил Курушин, доцент кафедры информационных технологий и автоматизированных систем ПНИПУ, кандидат технических наук.

Даниил Курушин. Фото: пресс-служба ПНИПУ