silmä

SANS-oireyhtymä (spaceflight-associated neuro-ocular syndrome) saa aikaan silmässä näkökykyyn vaikuttavia rakenteellisia muutoksia, kuten turvotusta ja verisuoniston poimuttumista silmän takaosassa.

Maan vetovoimassa ihmisen oma paino aiheuttaa painetta kehon eri puolilla, mikä puolestaan vaikuttaa esimerkiksi verenpaineeseen. Jos elopaino on isompi, on syntyvä painekin luonnollisesti suurempi.

Painottomuudessa samanlaista painetta ei esiinny, jolloin kehon eri osissa ja elimissä voi tapahtua merkittäviäkin muutoksia. Tutkijoiden mukaan nämä muutokset näyttävät olevan sitä isompia mitä suurempi muutos paineessa tapahtuu.

Toisin sanoen painavammilla astro- ja kosmonauteilla fysiologiset muutokset ovat suurempia.

Tutkimusta varten kerättiin tietoja astronauteista, jotka olivat avaruusasemalla pitkiä aikoja, keskimäärin 165 vuorokautta. Pituuden, painon ja muiden kehon mittojen lisäksi tarkasteltiin silmissä tapahtuneita muutoksia.

Harvardin yliopiston tutkijat ovat ottaneet aimo harppauksen kohti toimivaa keinotekoista silmää – tai oikeastaan panneet vielä paremmaksi.

Tasomaiseen metalinssiin ja tekolihakseen perustuva optiikka tarkentuu kohteeseen samaan tapaan kuin ihmissilmä, mutta samalla se korjaa mahdollisen hajataiton.

Tähän saakka on onnistuttu valmistamaan vain koristehileen hiutaleiden kokoisia metalinssejä. Niiden toiminta perustuu näkyvän valon aallonpituutta pienempiin nanorakenteisiin, joten linssin rakennetta koskevan informaation määrä on suuri.

"Jos siirrytään 100 mikronin kokoisesta linssistä senttimetrin läpimittaiseen, linssiä kuvaavan informaation määrä kasvaa kymmentuhatkertaiseksi. Aina kun yritimme kasvattaa linssin kokoa, sitä koskevan tiedoston koko paisui giga- tai jopa teratavujen suuruiseksi", toteaa tutkimusta johtanut Alan She.

Ongelma ratkesi, kun tutkijat kehittivät uudenlaisen algoritmin, jolla tiedostokokoa saatiin pienennettyä. Linssien valmistuksessa sovellettiin sitten samaa tekniikkaa kuin mikropiirien tuotannossa. Näin metalinssien läpimittaa pystyttiin kasvattamaan senttimetriin ja sen ylikin.

Aalto-yliopiston, Tübingenin yliopiston ja Manchesterin yliopiston tutkijat osoittavat tuoreessa Nature Communications -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa, että sauvasolujen synnyttämiä signaaleita voidaankin mitata sekä verkkokalvolta että aivoista paitsi hämärässä myös hyvin kirkkaassa valossa.

Tietyillä valojen kirkkausasteilla signaalit jopa voimistuvat valon kirkastuessa, kun niiden on tähän asti ajateltu saturoituvan kirkkaassa valossa kokonaan.

”Tutkimustulos kyseenalaistaa perinteisen jaon, jonka mukaan sauvasoluilla olisi merkitystä vain hämärässä", sanoo Aalto-yliopiston professori Petri Ala-Laurila.

"Itse asiassa sauvasoluilla on merkitystä aivan kaikissa tutkimissamme olosuhteissa ja niiden toimintakyky paranee pitkään jatkuvissa kirkkaammissa valaistusolosuhteissa. Toki on syytä edelleen muistaa, että tappisolut vastaavat pääosin näkemisestä kirkkaassa valossa ja sauvojen kontribuutio on erittäin pieni, mutta silti mitattavissa."

Ala-Laurila uskoo, että tulokset voivat parhaimmillaan myös auttaa löytämään uusia hoitomuotoja monokromaateille, eli potilaille, joilla ei ole toimivia tappisoluja.

”Kun sauva- ja tappisolujen toimintaa aletaan ymmärtää paremmin, voidaan myös pureutua silmäsairauksien syntymekanismeihin. Elinympäristöissämme on paljon kirkkaita valoja, joissa näkemisen on perinteisesti kuviteltu nojautuvan puhtaasti tappisoluihin. Sauvanäköä tehostamalla voisi löytää mielenkiintoisia uusia hoitomuotoja."

Tutkimusta varten rakennettu matemaattinen malli huomioi uusimman tiedon siitä, miten sauvasolut sopeutuvat eri kirkkausasteisiin.

Tutkimus suoritettiin Thomas Münchin (Tübingenin yliopisto) ja Rob Lucaksen(Manchesterin yliopisto), tutkimusryhmissä hiirillä, joilta on geneettisellä muuntelulla poistettu tappisolut. Aalto-yliopiston professori Petri Ala-Laurila osallistui tulosten matemaattiseen mallintamiseen.

Tulokset julkaistiin Nature Communications –tiedejulkaisussa. Linkki julkaisuun (nature.com)

*

Juttu on lähes suoraan Aalto-yliopiston tiedote.

Jos ihmissilmä olisi digikamera, siinä olisi noin 576 megapikseliä.

_{Lähde: www.clarkvision.com/imagedetail/eye-resolution.html.}

Jos katsoo mustista ja valkoisista alueista rakentuvaa kuvaa, silmien alituinen liike saa aikaan niiden rajoilla nopeita muutoksia. Ne puolestaan synnyttävät näkökeskuksessa aaltoja, joiden jatkokäsittely muilla aivojen alueilla antaa mielikuvan liikkeestä.

Luonnossa on lukemattomia esimerkkejä siitä, miten saaliseläimet välttävät petoja sulautumalla ympäristöön. Usein on oleellista kyetä jäljittelemään tummia ja vaaleita alueita, pimeää ja valoisaa. 

"Näköhavainnon ensimmäinen askel on erottaa toisistaan tummat ja vaaleat alueet. Minkä tahansa näkemiseen liittyvän järjestelmän ongelmana on mielekkään järjestyksen luominen mutkikkaista valon luomista kontrasteista, jotta kohteen voisi tunnistaa. Yksi tehokas mekanismi saattaa olla hahmottaa yhtenäisiä valoisuuden muutoksia, joita väistämättä tapahtuu, kun jokin liikkuu taustaa vasten", toteaa tutkimusta johtanut Dirk Jancke.

Tutkijat osoittivat, että lähekkäisten alueiden valoisuudessa samanaikaisesti tapahtuvat päinvastaiset muutokset – pimeästä valoisaan ja valoisasta pimeään – saavat aikaan näkökeskuksen aktivoitumisen. Seurauksena on havainto liikkeestä.

Tutkimuksessa käytetyssä kokeessa näyttöruudulla oli pieniä harmaita neliöitä, joiden kirkkaus vaihteli tummasta vaaleaan ja takaisin. Samanaikaisesti mitattiin koehenkilöiden aivojen aktiivisuutta. Yllättävänä tuloksena oli, että aivot rekisteröivät neliöiden muuttumisen tummaksi aikaisemmin kuin niiden vaalenemisen. 

"Se osoittaa, että samanaikaisissa valoisuuden muutoksissa tapahtui aivoissa aikasiirtymä", päättelee Sascha Rekauzke. 

Jo aiemmin tiedettiin, että valoisan ja pimeän käsittelyssä on pieni, joidenkin millisekuntien suuruinen ero. Silmän valoherkkien solujen signaalit valon ja pimeän esiintymisestä etenevät aivoihin hieman eri tahtiin. 

Nyt selvisi, että aivot vahvistavat pienen aikaeron noin kymmeneen millisekuntiin. Siitä on seurauksena valoisuuden – tummien ja vaaleiden alueiden – havaitsemisessa esiintyvä aikasiirtymä, joka saa aikaan epäsymmetrisesti etenevän aktiivisuusaallon. Aivot tulkitsevat sen havainnoksi liikkeestä.

Samankaltaiseen epäsymmetriaan perustuu myös äänen tulosuunnan havaitseminen. Eri suunnista tulevat ääniaallot osuvat korviin hieman eri aikaan ja sillä perusteella aivot "laskevat", mistä suunnasta ääni kuuluu.

Tutkimuksesta kerrottiin Ruhrin yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Journal of Neuroscience -tiedelehdessä.

Kuva: Dirk Jancke/RUB

Tämä tarina täytyy aloittaa ponnettomasti: ihmisessä on todellakin monta ihmeellistä elintä ja asiaa, mutta varmasti eräs kummallisimmista ja nerokkaimmista elimistä on ihmisen silmä.

Kuva on tästä vain yksi osoitus.

Siinä näkyy keskellä hyvin selvästi pupilli, eli mustuainen, jonka ympärillä on värillinen reunus, värikalvo eli iiris.

Iiriksessä olevat säteittäiset lihakset ja sen reunaa kiertävä rengaslihas voivat laajentaa tai supistaa värikalvoa riippuen valaistuksesta. Kirkkaassa valossa ihmissilmän pupillin halkaisija on noin 1,5 millimetriä, mutta hämärässä se voi olla jopa kahdeksan millimetriä.

Suonikalvossa on heti värikalvon takana rengasmainen paksunnos, sädekehä, jossa on samanlaisia ja samalla tavalla toimivia lihaksia kuin värikalvossakin. Sädekehään kiinnittyy ohuilla ripustinsäikeillä lasinkirkas kaksoiskupera mykiö eli linssi, joka taittaa ulkoapäin tulevat valonsäteet ja luo ylösalaisen pienoiskuvan verkkokalvolle.

Verkkokalvo eli retina ei näy kuvassa, mutta se sijaitsee silmämunan takaosassa. Se on itse asiassa silmän sisäpinnalle levinnyt näköhermon pää; siinä sijaitsevat silmän valoherkät solut, sauva- ja tappisolut.

Tavallisesti ihmisellä on kolmenlaisia tappisoluja, jotka aktivoituvat herkimmin punaisesta, vihreästä ja sinisestä valosta. Sauvasoluja on vain yhdenlaisia: ne eivät kykene yksinään erottelemaan värejä, mutta toimivat tappisoluja paremmin hämärässä. Karkeasti ottaen voidaan sanoa, että tappisolut reagoivat väreihin, kun taas sauvasolut mahdollistavat hämärässä näkemisen.

Silmämunan kalvoista uloin on kovakalvo, jonka alla on suonikalvo. Siinä silmävaltimot ja -laskimot muodostavat tiheän verisuoniverkon.

Silmän etuosassa sijaitsee puolestaan hieman kupera, kellonlasin muotoinen läpinäkyvä sarveiskalvo.

Silmämunaa suojelee ulkoapäin ihopoimujen muodostamat ylempi ja alempi silmäluomi, joiden vapaa reuna on silmäripsien reunustama. Kolmas silmäluomi on vilkkuluomi, joka on ihmisellä surkastunut. Se näkyy silmän sisäkulmassa vain pienenä punertavana jäänteenä. Silmäluomien sisäpintaa sekä silmän näkyvää osaa, “valkuaista” peittää sarveiskalvoa lukuun ottamatta sidekalvo.

Kuva: Grégoire Lannoy / Flickr
Suuri osa tekstistä on poimittu Wikipedian (ihmis)silmää käsittelevistä artikkeleista.

Oletko koskaan katsonut vuohen silmiin? Jos olet, niin et ole voinut olla huomaamatta, että sen mustat pupillit ovat kovin omalaatuiset: neliskanttiset.

Silmä toimii vähän kuin kamera, missä on linssi, filmin tai kennon virkaa ajava verkkokalvo, sekä biologinen himmennin, eli pupilli. Samoin kuin himmennin kamerassa, silmän pupillin kokoa muuttamalla voidaan säätää verkkokalvolle pääsevän valon määrää, ja sen suhteellinen koko vaikuttaa kuvan syvyysterävyyteen niin, että pienemmällä aukolla saavutetaan suurempi syvyysterävyysalue.

Tarkalleen ottaen silmän "himmentimeen" kuuluu pupillin, eli mustuaisen lisäksi värikalvo ja siinä olevat lihakset, jotka muuttavat pupillin kokoa. Pupilli on värikalvon keskellä oleva aukko, joka näyttää mustalta, koska siihen saapuva valo absorboituu suurimmaksi osaksi silmän sisäosan kudoksiin. 

Pupilli suurenee hämärässä valaistuksessa, jotta verkkokalvolle saataisiin kerättyä suurempi määrä valoa. Kirkkaassa valaistuksessa pupilli taas pienenee. 

Eläinten pupillien toimintaperiaatteet ovat yleensä samanlaisia, mutta pupillin muoto on kehittynyt ajan kuluessa hieman erilaiseksi eri olosuhteissa oleville eläimille. Pupilli on yksi luonnon erinomaisista todisteista siitä, miten evoluutio toimii ja muokkaa ominaisuuksia.

Ihmisen silmän pyöreä pupilli on omiaan vaihtelevissa olosuhteissa, sillä se toimii mainiosti päivällä ja vaihtelevissa valaistusolosuhteissa. 

Tosin pimeässä se ei ole kaikkein parhaimmillaan, joten esimerkiksi päivällä ja yöllä saalistavien kissaeläinten pupillit ovat tyypillisesti pystyssä oleva rako. Ne erottavat hämärässä hyvin ylhäällä ja alhaalla olevia kohteita, kuten esimerkiksi lintuja puissa ja päästäisiä pensaissa. Kissojen lisäksi mm. käärmeillä ja krokotiileilla on pystyssä olevat viirumaiset pupillit.

Useiden kasvissyöjien pupillit ovat taas vaakasuoraan soikeita tai jopa neliskulmaisia, koska silloin pupillin kokoa pystysuunnassa muuttamalla silmä sopeutuu valon muutoksiin, mutta pystyy pitämään raon vaakatasossa leveänä. Tällöin silmä on herkkä, mutta sen syvätarkkuus horisontin suunnassa on parempi, mistä on suurta apua esimerkiksi vuohille ja lampaille,  jota laiduntavat yleensä vuoristossa tai hankalassa maastossa.

Alpakoilla ja laamoilla pupilli voi supistua niin paljon, että kulmion sijaan niissä voi olla lopulta vain pienet aukot pupillin päissä. Tämä johtuu todennäköisesti siitä, että korkealla vuoristossa Auringon valo on hyvin kirkasta.

Lisäys klo 10:15
Myös mustekaloilla on neliskulmaiset pupillit, seepioilla jopa viirumaiset. Muutamilla muilla merenelävillä on myös omalaatuisia pupilleja, kuten helmiveneillä (Nautiloidea), joiden neulanreikämäisen silmän aukko on muodoltaan kuin laiha, pystysuora pisara.

Netissä ja sen tiedettä huutomerkeillä esittelevillä sivuilla näkee kaikenlaisia hauskoja ja upealta näyttäviä kuvia. Ja hyvä niin, sillä upeita kuvia on tieteen maailma pullollaan.

Mutta mukana on varsin paljon myös tällaisia yllä olevan kuvan kaltaisia kuvia, jotka valehtelevat.

Kuvatekstin mukaan tässä on näky mikroskoopin alapuolelta otettuna siten, että sieltä – tutkittavan kohteen paikalta – voisi katsoa ylös mikroskooppiin ikään kuin väärästä päästä. Kuva antaa ymmärtää, että sieltä näkyisi silmä, joka katsoo alas mikroskooppiin.

Silmä voikin olla katsomassa mikroskooppiin, mutta se ei näkyisi kyllä näin. Ensinnäkin mikroskoopin optiikka on sellainen, että kuva silmästä olisi hyvin, hyvin pieni; periaate on sama kuin kiikareihin "väärältä" puolelta katsoessa, jolloin kaikki näkyy kovin pienenä. Toiseksi ihmisen silmän sisällä ei ole valoa, joka toisi näkyviin iiriksen ja pupillin näin hyvin. Koska mikroskoopin sisälläkään ei ole valoa, joka valaisisi ne ulkoapäin, näkyisi silmä mikroskoopin läpi mustana. Oikeasti kuva olisi siis musta.

Erilaisia linssisysteemejä viritelleet friikit huomaavat vielä yhden virheen: pupilli ei ole aivan keskellä, ja jotta tällainen kuva edes periaatteessa olisi mahdollista ottaa, pitäisi alla olevan kameran, mikroskoopin linssien ja silmän olla aivan samalla suoralla.

Kyse on siis kuvasta, missä on mikroskoopin alapuolelta otettu kuva ja käsitelty kuva silmästä on laitettu yhteen – mutta mitä siitä, kuva on kaunis! On hienoa nähdä tällaisia kuvia, kuten vielä hurjempiakin kuvamanipulaatioita, mutta niitä esiteltäessä olisi mukavaa kertoa, että kyse ei ole "todellisesta" kuvasta. Oikeita, upeita ja todellisia kuviankin on tarjolla vaikka kuinka...