Aspectos Generales BIOFÍSICA DE LA VISIÓN. A lo Largo de la Historia. Naturaleza de la Luz 13/10/2011. Profundización Oftalmología 2011

Transcripción

1 BIOFÍSICA DE LA VISIÓN Profundización Oftalmología 2011 Aspectos Generales La visión es un sentido que consiste en la habilidad de detectar la luz y de interpretarla. El sentido de la vista permite que el cerebro perciba las formas, los colores y el movimiento. La constitución del ojo le capacita para captar y transmitir ondas electromagnéticas, aquellas situadas entrelosrayosuvylosir. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 2 A lo Largo de la Historia Naturaleza de la Luz Lepucio (450 a.c.): los cuerpos eran focos que desprendían imágenes. Apuleyo (400 a.c.): el ojo palpaba los objetos mediante una fuerza invisible a modo de tentáculo. Euclides (300 a.c.): elojo emite un rayo de luz que se propagaba en línea recta hasta alcanzar el objeto. Ajasen Basora ( ): la luz era un proyectil que proveníadelsol,rebotabaenlosobjetosydeéstosal ojo. Newton formula la primera hipótesis seria sobre la naturaleza de la luz. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 3 Teoría Electromagnética: propagación de campos magnético y eléctrico oscilantes perpendiculares entresíyaladireccióndelrayo. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 4 1

2 Naturaleza de la Luz Teoría cuántica: la teoría de Planck indica que la luz viaja en pequeñas cantidades, llamadas cuantos o fotones,laedecadafotónes: El choque de 1 fotón con la materia le atribuye cierta cantidad de movimiento, entonces la luz presenta una naturaleza dual, onda-partícula. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 5 Dioptrios Dioptrio: es un sistema constituido por 2 medios homogéneos diferentes separados por una superficie continua. Ojo: serie de dioptrios que tiene que atravesar la luz en su camino hacia la retina. Refracción de la luz en un dioptrio plano Ley básica de operación de un dioptrio ó Ley de Snell: Dpto. Biofísica - ESCUELAS 6 Dioptrios Cuando la superficie de separación entre los medios tiene forma esférica, se habla de dioptrio esférico, que puede ser cóncavo o convexo. Dioptrio Esférico En un dioptrio esférico se distinguen dos puntos especiales: foco objeto: punto desde el q parten todos los rayos que salen paralelos al eje óptico tras la refracción. foco imagen: punto donde convergen los rayos que inciden paralelos al eje óptico. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 7 Dpto. Biofísica - ESCUELAS 8 2

3 El Ojo Córnea: principal elemento para enfocar las imágenes. Iris: ajusta sensibilidad (cantidad de luz) y profundidad del foco. Retina: membrana interior del ojo que recibe las impresiones luminosas y las transmite al cerebro. Cristalino: ayuda en el ajuste de las imágenes Componentes Principales córnea cristalino retina Dpto. Biofísica - ESCUELAS 9 Dpto. Biofísica - ESCUELAS 10 Potencia Dióptrica La potencia refractiva de una lente se determina en dioptrías. La potencia dióptrica (D) de una lente es la recíproca de la distancia focal determinada en metros: potencia dióptrica = 1 distancia focal La distanciafocal de unalente es la distancia entre el centro óptico de la lente y el foco cuando enfocamos al infinito. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 11 Tipos de Lentes Lente convergente: la distancia focal es positiva. Lente divergente: la distancia focal es negativa. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 12 3

4 Cálculo de Potencia Potencia del Ojo Humano Para una lente delgada, con dos radios de curvatura: Donde: P:lapotenciadelalenteendioptrías f: longitud focal en metros n: índice de refracción del material R 1 y R 2 : radios de curvatura de la lente, R 1 lado izquierdoyr 2 ladoderecho. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 13 Lapotenciadelojoes: mínima cuando se enfocan objetos distantes y máxima cuando se enfocan en el punto cercano (25cm). Esta variación de la potencia óptica es debida al cambio de la curvatura del cristalino mediante los músculos ciliares. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 14 Potencia del Ojo Humano Cuando el ojo está en reposo (el cristalino no está acomodando), la potencia es la adecuada para que sobre la retina se forme una imagen enfocada de los objetos situados en el infinito. En un ojo normal relajado la potencia óptica total es de 58 dioptrías: 43dioptríasdelacórnea cristalino: 15 dioptrías para objeto distante 30 dioptrías para objeto cercano Dpto. Biofísica - ESCUELAS 15 El Ojo Humano Cuando el cristalino acomoda al máximo, es decir, cuando su potencia es máxima, se forma una imagen enfocada de la retina de objetos situados a aproximadamente 25 cm (esta distancia depende de laedad). El ojo puede incrementar su potencia hasta 4 dioptrías(amplitud de acomodación).(p 62). Así pues, el ojo humano puede ver enfocadas imágenes de objetos situados entre un punto alejado (punto remoto) y un punto cercano(punto próximo). Dpto. Biofísica - ESCUELAS 16 4

5 Sistema Óptico Centrado Sistema Óptico Perfecto Sistema Óptico Centrado: conjunto de medios con distinto n, separados por superficies esféricas con centros de curvatura alineados en una misma recta, llamada eje principal del sistema. Un sistema óptico centrado es perfecto cuando cumple las 3 condiciones de Maxwell: La imagen de un punto es un punto (estigmatismo) Laimagendeunplanoesunplano Existeunarelacióndesemejanzaentreelobjetoy la imagen Seaplicaparaobjetosmásalláde6metros Dpto. Biofísica - ESCUELAS 17 Dpto. Biofísica - ESCUELAS 18 Constantes Ópticas Tipos de Ojo Esquemático Valores promedios aproximados a la realidad. Los puntos de referencia están alineados en el eje óptico, alrededor del cual está centrado el sistema óptico del ojo. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 19 Simplificado: constituido por un sistema de varios dioptrios oculares(córnea, cristalino). Reducido: constituido por un dioptrio simple. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 20 5

6 Ojo Simplificado Ojo Reducido PuntosPrincipalesH yh":cuandoun rayo incidente pasa porh, el rayo emergente correspondiente pasa por H". Puntos Nodales N y N": son el centro óptico del sistema dióptrico. 1 er Foco Principal (F1): punto del eje principal en el que se encuentran los rayos provenientes del vítreo paralelos al eje. 2 do Foco Principal (F2): punto sobre el eje en el cual se encuentran los rayos paralelos al eje después de su refracción por el sistema dióptrico del ojo. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 21 Toda la refracción ocurre en la córnea. Se suprime el cristalino. Se promedia el índice en 1,3375 (índice global del sistema). Se considera a los puntos principales (H y H") como unosolo(h'). Ylospuntosnodales(NyN")comounosolo(N'). Dpto. Biofísica - ESCUELAS 22 Acomodación Es el aumento de la potencia refractiva del cristalino que permite al ojo enfocar objetos cercanos. Acomodación objeto lejano objeto cercano En su estado relajado el ojo está preparado para enfocar objetos lejanos, el nivel de acomodación es cero. El aumento de potencia se consigue mediante el incremento de las curvaturas anterior y posterior del cristalino y mediante el aumento en el grosor, debido a la acción del músculo ciliar. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 23 Cuando el músculo ciliar se relaja, el cristalino adopta una forma aplanada. Cuando el músculo ciliar se contrae, los ligamentos suspensorios se relajan, el cristalino adopta una forma más convexa. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 24 6

7 Presbicia Es la pérdida de elasticidad por parte del cristalino. La potencia de acomodación disminuye y el punto más cercano de enfoque se va perdiendo. Es frecuente a edad avanzada. Este proceso se conoce con el nombre de presbicia. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 25 Ojo Normal Para la óptica geométrica: para que haya visión neta el ojo debe ser estigmático, y que siéndolo las imágenes se formen en la retina. Nos referiremos al ojo en reposo, es decir, cuando su potencia es mínima. El punto objeto que en estas condiciones forma su imagen en la retina se denomina punto remoto. infinito: emétrope finito: miopía hipermetropía Dpto. Biofísica - ESCUELAS 26 Ojo Emétrope Ametropías Un ojo es emétrope cuando el punto remoto está en el infinito y el punto cercano está a 25 cm. Miopía Ojo normal Corregida foco imagen delante de la retina foco imagen detrás de la retina Hipermetropía Corregida Dpto. Biofísica - ESCUELAS 27 Dpto. Biofísica - ESCUELAS 28 7

8 Miopía Hipermetropía Presenta un exceso de potencia. Visión muy defectuosa de lejos pero su visión de cerca es buena. Se corrige añadiendo lentes divergentes (de potencia negativa) que disminuyan la potencia del sistema. Así, se alejan del ojo tanto el punto remoto (hasta el infinito) como el punto próximo. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 29 El ojo hipermétrope no tiene suficiente potencia. Provoca un alejamiento de los puntos remoto y próximo. Tienen buena visión de lejos pero mala visión de cerca. Se corrige añadiendo lentes convergentes (de potencia positiva). Dpto. Biofísica - ESCUELAS 30 Astigmatismo Es un estado ocular que generalmente proviene de un problema en la curvatura de la córnea. Es un ojo que no tiene la misma potencia para la dirección horizontal que para la vertical. Astigmatismo Se corrige añadiendo lentes cilíndricas que devuelven la simetría de revolución. El astigmatismo puede ser: Simple:apareceenunsoloeje. Compuesto: miópico (2 ejes delante) ó hipermetrópico(2 ejes detrás). Mixto: cuando un eje enfoca delante de la retina y otro detrás. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 31 Dpto. Biofísica - ESCUELAS 32 8

9 La Retina Composición de la Retina La luz que incide en la retina desencadena una serie de fenómenos químicos y eléctricos que finalmente se traducen en impulsos nerviosos que son enviados hacia el cerebro por el nervio óptico. Esta formada básicamente por varias capas de neuronas interconectadas mediante sinapsis. Las únicas células sensibles directamente a la luz son los conos y los bastones. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 33 Dpto. Biofísica - ESCUELAS 34 Formación de Imágenes Las imágenes se proyectan sobre la retina formando una imagen más pequeña, invertida y de dos dimensiones. Fotorreceptores Bastones: funcionan principalmente en condiciones de baja luminosidad y son responsables de la visión enblancoynegro. El área visual de la corteza cerebral será la responsable de formar una imagen igual a la real: a tamaño natural, derecha, en 3D y coloreada. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 35 Conos: están adaptados a las situaciones de mucha luminosidad y proporcionan la visión en color. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 36 9

10 Visión Fotópica Visión Escotópica Permite reconocer los colores y los detalles finos a los que llega la agudeza visual. Se produce cuando la imagen se forma en la parte central de la retina y tiene su máxima expresión en la fóvea. Participan los conos y requiere intensidad de luz relativamente elevadas. Noesaptaparalapercepcióndedetallesnicolores. Sólo permite reconocer luces y sombras, y se produce en las zonas periféricas de la retina. Participan los bastones y puede darse con intensidades de luz muy bajas. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 37 Dpto. Biofísica - ESCUELAS 38 Rango de la Sensación Visual El ojo humano percibe las λ comprendidas entre 400nm y 700nm aproximadamente. La visión fotópica tiene su mayor sensibilidad para unalongituddeondade555nm. Conos y Bastones En la retina humana hay alrededor de 10 8 bastones y 5x10 6 conos. Losbastonessonmássensiblesalaluzquelosconos. La visión escotópica presenta su máximo en los 510nm. Al disminuir la intensidad luminosa y pasar de la visión fotópica a la escotópica la sensibilidad del ojo se desplaza a longitudes de onda menores. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 39 Un bastón puede ser excitado por un único fotón. Mientras que varias docenas de fotones son necesarios para la activación de los conos. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 40 10

11 Localización: Conos y Bastones Punto Ciego Denominado así debido a la ausencia de fotorreceptores en dicho punto. Éste se encuentra localizado en posición anterior a la fóvea,yesdondeseoriginaelnervioóptico. Los bastones y conos no están uniformemente distribuidos sobre la superficie retiniana. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 41 Los vasos sanguíneos retinales penetran la retina a nivel del punto ciego y proveen gran parte de la nutrición de la retina. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 42 Fotoquímica de la Visión En los fotorreceptores se produce la transducción foto-quimio-eléctrica. La estimulación de los fotorreceptores conlleva cambios de permeabilidad iónica y génesis de potencial receptor que alcanza otras neuronas retinianas(bipolares y horizontales). La Rodopsina La rodopsina se descompone por efecto de la luz en dos componentes: una proteína llamada opsina y un pigmento llamado retinal(cis-retinal). El espectro de absorción de la rodopsina tiene un máximo en 500nm, muy próximo al máximo de sensibilidad de la visión escotópica. En la retina de los vertebrados terrestres se han hallado 4 pigmentos, uno de los cuales, la rodopsina, forma parte de los bastones. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 43 Dpto. Biofísica - ESCUELAS 44 11

12 Degradación y Recombinación En presencia de luz, la rodopsina, se descompone hacia el trans-retinal, más estable. En Ausencia de Luz Bajo oscuridad a nivel del SE de los fotorreceptores se encuentran abiertos canales iónicos que permiten laentradadeionesna +.Potencialreceptor-40mV. La llegada del estímulo provoca la liberación de iones calcio que causa el cierre de los canales de Na +, produciéndose una hiperpolarización del potencial receptor. A mayor intensidad de la luz mayor hiperpolarización del potencial receptor(con el log Intensidad). Dpto. Biofísica - ESCUELAS 45 Dpto. Biofísica - ESCUELAS 46 Cambios en el V m Fototransducción Membranepotential Light impulse Restingpotential Time (s) En los conos y bastones no existe PA, sólo un potencial receptor. Son las células ganglionares las encargadas de transmitir los PA a través del nervio óptico. Rodopsina: siete porciones transmembrana que rodean al 11-cis retinal(ó cromóforo). Cada disco de los SE contienen miles de estas moléculas. Cuandounfotodeluzllegaalcromóforoseisomeriza y pasa de la forma 11-cis a la forma trans, lo cual da lugar a cambios conformacionales de la proteína (blanqueamiento de la rodopsina). Dpto. Biofísica - ESCUELAS 47 Dpto. Biofísica - ESCUELAS 48 12

13 Fototransducción Mecanismo Molecular Durante este proceso se forman varios metabolitos intermediarios que activan a una proteína G especial, que al final va a desencadenar la cascada de fototransducción. El efecto amplificador es inmenso. Un fotón puede despolarizar una célula entera. Cuandolaluzestimulaalamoléculaderodopsina,se producen una serie de cambios que van a producir el cierredeloscanalesiónicospermeablesal Na +. Cesa la entrada de Na + y el fotorreceptor se hiperpolariza a -70mV, con lo que deja de liberar neurotransmisor. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 49 Dpto. Biofísica - ESCUELAS 50 Adaptación a la Oscuridad La rodopsina se blanquea por la acción de la luz y los bastones deben reconstituirla en la oscuridad. De ahí que una persona que entra en una habitación oscura procedente del exterior con luz del sol, no puede ver hasta que el pigmento no empieza a formarse. Espectros de Absorción Los humanos contamos con tres tipos de conos que absorben colores de diferentes longitudes de onda. Ello nos permite diferenciar entre miles de tonos de color. Cuando los ojos son sensibles nuevamente a niveles bajos de iluminación, quiere decir que se han adaptado a la oscuridad. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 51 Dpto. Biofísica - ESCUELAS 52 13

14 Teoría de Young-Helmholtz Teoría Tricromática Se basa en que la visión a color es el resultado de la combinación de diferentes respuestas a los 3 colores básicos: Y=Rojo+Verde+Azul Las intensidad relativas de los colores primarios individuales (r=r/y, v=g/y, a=b/y) se normalizan a 1: r+v+a=1. Cualquier color puede ser expresado como la mezcla de los tres colores primarios. El blanco es la suma de todos los colores primarios mezcladosenigualesproporciones(r=v=a=0.33). Los colores secundarios se obtienen como una mezcla de 2 colores primarios. Dpto. Biofísica - ESCUELAS 53 Dpto. Biofísica - ESCUELAS 54 Dpto. Biofísica - ESCUELAS 55 14