Aufbau des Auges und der Netzhaut

Der Augapfel

Das Auge lenkt Licht durch Linse und Glaskörper direkt auf die Netzhaut.

• Gelber Fleck: Ort des schärfsten Sehens mit der höchsten Dichte an Sehzellen.
• Blinder Fleck: Austrittsstelle des Sehnervs, die völlig frei von Fotorezeptoren ist.

Schichten der Netzhaut

Die Netzhaut verarbeitet Lichtsignale über ein komplexes Netzwerk aus Nervenzellen.

• Fotorezeptoren: Zapfen und Stäbchen absorbieren das Licht als erste Instanz.
• Schaltzellen: Horizontal-, Bipolar- und Amakrinzellen verarbeiten und filtern die Signale.
• Ganglienzellen: Leiten die verarbeiteten Reize direkt über den Sehnerv zum Gehirn.

💡 Tipp: Das menschliche Auge ist invers aufgebaut, was bedeutet, dass das Licht zuerst die Nervenzellschichten durchdringen muss, bevor es die Fotorezeptoren erreicht.

Funktion der Netzhautzellen

Zapfen und Stäbchen

Die Fotorezeptoren teilen sich die Arbeit für Tag und Nacht.

• Stäbchen: Extrem lichtempfindlich, zuständig für das Schwarz-Weiß-Sehen bei Nacht.
• Zapfen: Weniger lichtempfindlich, ermöglichen uns das Farbsehen bei Tageslicht.

Signalverarbeitung und Hemmung

Spezialisierte Nervenzellen steuern den Informationsfluss und die Bildschärfe.

• Bipolar- und Ganglienzellen: Sammeln Rezeptorsignale und leiten Aktionspotenziale weiter.
• Horizontal- und Amakrinzellen: Hemmen benachbarte Zellen für eine bessere Kontrastwirkung.
• Pigmentepithel: Versorgt die Rezeptoren und verhindert störende Lichtstreuung.

💡 Tipp: Nachts sind wir im Zentrum des Sehfelds (Gelber Fleck) praktisch blind, weil dort fast nur farbempfindliche Zapfen liegen, die viel Licht benötigen.

Fototransduktion

Der unbelichtete Zustand

Im Dunkeln sind die Fotorezeptoren der Netzhaut dauerhaft aktiv.

• Dunkelstrom: Ein hoher $cAMP$-/$cGMP$-Spiegel hält die $Na^+$-Kanäle offen.
• Depolarisation: Das Ruhepotenzial liegt bei etwa $-40\text{ mV}$ und schüttet Glutamat aus.

Der Verlauf bei Belichtung

Licht blockiert den Dunkelstrom und hyperpolarisiert die Zelle.

• Rhodopsin-Aktivierung: Licht wandelt 11-cis-Retinal in all-trans-Retinal um.
• Enzymkaskade: Aktiviertes Transducin regt PDE an, welches $cGMP$ zu $GMP$ abbaut.
• Hyperpolarisation: $Na^+$-Kanäle schließen, das Potenzial sinkt auf $-70\text{ mV}$ und stoppt die Glutamatausschüttung.

💡 Tipp: Merk dir die Kaskade als Kettenreaktion: Licht $\rightarrow$ Rhodopsin $\rightarrow$ Transducin $\rightarrow$ PDE $\rightarrow$ $cGMP$-Abbau $\rightarrow$ Kanal zu.

Farbensehen

Die drei Zapfentypen

Unser Gehirn mischt Farben aus den Signalen von drei Rezeptortypen.

• S-Zapfen: Reagieren maximal im kurzwelligen Bereich bei $420\text{ nm}$ (Blau).
• M-Zapfen: Besitzen ihr Empfindlichkeitsoptimum bei $530\text{ nm}$ (Grün).
• L-Zapfen: Reagieren auf langwellige Lichtstrahlen bei $560\text{ nm}$ (Rot).

Farbmischung

Farbe entsteht erst durch die Verrechnung unterschiedlicher Wellenlängen.

• Additive Mischung: Licht verschiedener Wellenlängen addiert sich auf der Netzhaut.
• Subtraktive Mischung: Pigmente absorbieren Teile des Lichts; wir sehen nur den Rest.

Beispiel: Trifft Licht von $540\text{ nm}$ auf das Auge, regt es sowohl M- als auch L-Zapfen an. Das Gehirn interpretiert diese Überlappung als Gelb.

💡 Tipp: Da alle drei Zapfentypen dasselbe Retinal nutzen, bestimmen allein die unterschiedlichen Opsin-Proteine, für welche Wellenlänge ein Zapfen empfindlich ist.

Kontrastverstärkung

Laterale Inhibition

Benachbarte Netzhautzellen hemmen sich gegenseitig, um Kanten schärfer darzustellen.

• Horizontalzellen: Leiten hemmende Signale seitlich an benachbarte Bipolarzellen weiter.
• Kontrasteffekt: Stark belichtete Zellen hemmen ihre schwächer belichteten Nachbarn besonders intensiv.
• Wirkung: Helle Kanten wirken dadurch noch heller, dunkle Ränder noch dunkler.

Beispiel:

• Belichtung: Rezeptor A erhält Signalstärke 100, Rezeptor B nur 20.
• Hemmung: A hemmt B stark (z.B. um 10), B hemmt A nur schwach (z.B. um 2).
• Ergebnis: Der Kontrastunterschied wird von 80 auf 88 verstärkt.

💡 Tipp: Die laterale Inhibition ist der Grund für optische Täuschungen wie die Machschen Streifen, bei denen uns homogene Graustufen an den Übergängen dunkler oder heller erscheinen.