4.2. Зрительный анализатор, физиология зрения

Строение и функции зрительного анализатора. Через зритель­ный анализатор поступает не менее 80 % информации об окружающем мире: размеры и форма предметов, степень их освещенности и окрас­ка, удаленность от глаз и т.д. Ни одно сложное движение не обходит­ся без зрительного анализатора. Именно зрительно-пространственные представления имеют ведущее значение при обучении ребенка пись­му, чтению, арифметике, рисованию и т.д. У человека взаимосвязь между развитием зрения и мозга получила наибольшее выражение: речь, труд, мышление и сознание тесно связаны с деятельностью зри­тельного анализатора.

Зрительный анализатор на периферии представлен органом зрения (глазом) — сложным по структуре образованием, содержащим свето­чувствительные элементы — рецепторы — в виде палочек и колбочек и имеющим специальный светопреломляющий аппарат, фокусирую­щий на сетчатке лучи, попадающие в глаз. Адекватным раздражителем рецепторов сетчатки является свет — видимое излучение (электро­магнитные волны видимой части спектра).

Первые, вторые и третьи нейроны проводящего пути зрительного анализатора располагаются в сетчатке. Волокна третьих (ганглиозных) нейронов в составе зрительного нерва (II пара черепномозговых нервов), не доходя до промежуточного мозга, частично перекрещива­ются, образуя зрительный перекрест на внутреннем основании чере­па перед гипофизом. После перекреста обособляются правый и левый зрительные тракты, каждый из которых несет волокна от левых и правых половин сетчатки обоих глазных яблок. Волокна зрительного тракта заканчиваются в промежуточном мозге (латеральные коленча­тые тела и ядра таламуса), где расположены четвертые нейроны зри­тельного пути. Аксоны четвертых нейронов проецируются на кору затылочной доли большого полушария своей стороны, где расположен корковый центр зрительного анализатора. Часть волокон зрительного пути, достигая среднего мозга в области верхних холмиков четверо­холмия, образуют нисходящий (текстоспинальный) тракт, играющий важную роль в координации движений в зависимости от зрительных и слуховых раздражений.

Глазное яблоко имеет шаровидную форму (рис. 21) и состоит из трех оболочек. Внутри глазного яблока находится прозрачное студе­нистое вещество — стекловидное тело. Снаружи глазное яблоко по­крыто фиброзной оболочкой, называемой склерой или белковой оболочкой, передний отдел которой образует прозрачную роговицу. Далее следует сосудистая оболочка, богатая сосудами и пигментом. В передней части глаза находится циннова связка (мышца, обеспечи­вающая изменение кривизны хрусталика), далее переходящая в ра­дужную оболочку, окружающую зрачок. Зрачок играет роль диафраг­мы, регулирующей освещенность сетчатки, и при высоком уровне яркости усиливает оптическую силу глаза. Позади радужной оболоч­ки находится прозрачное тело, имеющее форму двояковыпуклой линзы и называемое хрусталиком. Увеличение кривизны хрусталика при напряжении цилиарной мышцы усиливает оптическую силу гла­за — возможность увидеть объекты малого размера.

Рис. 21. Схематический разрез правого глазного яблока: / — роговица; 2 — передняя камера; 3 — радужная оболочка; 4 — задняя камера; 5 — циннова связка; 6 — ресничная мышца; 7 — хрусталик; 8 — склера; 9 — сосудистая оболочка; 10— центральная ямка (желтое пятно); 11 — зрительный нерв; 12 — стекло­видное тело; 13 — оптическая ось; 14 — сетчатка

Во внутренней сетчатой оболочке глаза содержатся светочувстви­тельные элементы — палочки и колбочки и ганглиозные клетки. Кол­бочек насчитывается 7 млн, они расположены в середине сетчатки и осуществляют цветовое зрение; палочек около 140 млн, они находят­ся по периферии сетчатки, очень чувствительны к свету и играют роль в сумеречном зрении. Место выхода зрительного нерва из глазного яблока (сосок зрительного нерва) не содержит светочувствительных элементов и называется слепым пятном.

Проводниковый отдел зрительного анализатора начинается от ганглиозных клеток, которые образуют зрительный нерв. Зрительные нервы правой и левой сторон глаз перекрещиваются. Проводниковый отдел передает информацию о качественных и количественных пара­метрах светового раздражителя и осуществляет первичный подкорко­вый анализ информации в промежуточных нервных центрах среднего мозга и зрительных буграх (таламусе), т. е. отвечает за безусловно-ре­флекторные (защитные) реакции зрительного анализатора (зажмури­вание, реакция зрачка, аккомодация и др.), возникающие преимущест­венно на силу раздражителя.

Центральный отдел зрительного анализатора находится в задней части затылочных долей коры головного мозга и отвечает за качест­венный анализ раздражителя. На основе аналитико-синтетической функции коры головного мозга, путем сравнения предъявленного объекта с имеющимся прошлым опытом (индивидуальной памятью) происходит восприятие (опознание) раздражителя.

Функции глаза. Основные функции глаза — световосприятие, светопреломление, цветовое зрение, бинокулярное зрение.

Световосприятие, т. е. чувствительность глаза к свету, может изме­няться в широких пределах, при этом адаптация к более низким уровням света носит название темновой адаптации, а к более высоким — све­товой. К темноте адаптация Длится дольше, чем к свету.

Светопреломление — функция глаза, характеризующая его спо­собность к четкому восприятию объектов с различным угловым разме­ром. При нормальной остроте зрения глаз способен с расстояния 5 м воспринимать объекты, освещенность которых не менее 800 лк и уг­ловой размер 1 мин (угловой размер объекта восприятия зависит от его линейного размера и расстояния до глаза). Светопреломление осуществляется оптической системой глаза (роговица, зрачок, стекло­видное тело) и аккомодационной функцией хрусталика, т.е. возмож­ностью (в зависимости от потребности) изменять свою кривизну, при­спосабливая глаз к четкому видению предметов разного углового раз­мера. В усилении оптической силы глаза большую роль играет зрачок. Чем меньше размер зрачка, тем выше острота зрения. Малый размер зрачка наблюдается при высоком уровне яркости (солнечный свет).

Глаз обладает цветовым зрением. Согласно теории Ломоносо­ва—Гельмгольца, в сетчатке содержатся три вида цветовоспринима-ющих элементов, соответствующие трем основным цветам — красно­му, зеленому и синему. Каждый вид цветочувствительных элементов возбуждается преимущественно одним из основных цветов и в мень­шей степени реагирует на другие хроматические лучи.

Бинокулярное зрение — зрение двумя глазами — еще одна функция зрительного анализатора, которая возможна благодаря движению глаз­ных яблок, что обеспечивает пространственное восприятие предметов.

Развитие зрения у детей и подростков. В процессе постнаталь­ного развития органы зрения человека претерпевают значительные морфофункциональные перестройки. Длина глазного яблока, которая у новорожденного составляет 16 мм, к 20 годам увеличивается до 23 мм. В процессе развития меняется и цвет глаз за счет увеличения содер­жания пигмента в радужке, и окончательная окраска формируется только к 10—12 годам. В первые дни после рождения движения глаз независимы друг от друга, в дальнейшем развитие сенсорных и мотор­ных функций зрения идет синхронно. Способность фиксировать взглядом предмет окончательно формируется в возрасте 5 мес.

Аккомодация у детей выражена в большей степени, чем у взрослых. С возрастом эластичность хрусталика уменьшается и соответственно уменьшается объем аккомодации. Несоответствие преломляющей силы хрусталика фокусному расстоянию глаза у детей сказывается на их рефракции, т. е. способности к светопреломлению. Несоблюдение правил гигиены зрения приводит к тому, что к 14—16 годам число близоруких составляет 11 —17 %. Узнавание формы и размера предме­та появляется у ребенка раньше, чем узнавание цвета.

У новорожденного в сетчатке функционируют только палочки, а количество колбочек невелико и они еще незрелые, поэтому полно­ценное цветоощущение у него отсутствует. Полноценное цветоощу­щение начинает формироваться с 3 лет и своего максимального раз­вития достигает к 30 годам, а потом постепенно снижается. Большое значение для формирования этой функции имеет тренировка, т.е. приобретение новых условных рефлексов цветовосприятия, что от­ражается на степени развития этой функции у людей разных профес­сий, интересов и сфер деятельности. Ранее других ребенок начинает узнавать желтые и зеленые цвета, позднее — синий.

Глазомер как условно-рефлекторная функция с возрастом форми­руется постепенно, не имеет половых различий и у школьников развит лучше, чем у дошкольников, но приблизительно в 7 раз хуже, чем у взрослых. В последующие годы развитие глазомера тесно связано с профессиональной деятельностью. Поле зрения особенно интенсив­но развивается в дошкольном возрасте и к 7 годам составляет 80 % от размеров взрослого.

Пропускная способность зрительного анализатора также изменя­ется в процессе онтогенеза. Интересно, что уже к 10 — 11 годам этот показатель приближается к уровню взрослого человека и составляет 2—4 бит/с.

Гигиена зрения. Свету как одному из факторов среды, обладающе­му высоким биологическим действием и сопутствующему человеку в течение жизни, принадлежит первостепенная роль в регуляции важ­нейших жизненных функций организма. Кроме того, свет (видимое излучение) — адекватный раздражитель зрительного анализатора, через который поступает до 80 % информации об окружающем мире.

К видимому излучению относят электромагнитные волны длиной 400 — 750 нанометров (1 нм = 1-10" м). Волны определенной длины этого диапазона (монохроматический свет) вызывают различные цветовые ощущения. Глаз человека наиболее чувствителен к волнам с длиной 550 нм — желто-зеленый свет. Видимое излучение создается естественным и искусственными источниками света, отличающими­ся спектральной характеристикой (цветовой окраской излучения), связанной со способом генерации света. К искусственным источникам света относятся лампы накаливания, газоразрядные (люминесцент­ные) лампы и др.

Естественным источником света является Солнце. Естественный световой климат местности зависит от ее широты и постоянно меня­ется в зависимости от времени года, суток и погодных условий. Естест­венная освещенность на поверхности Земли на широте Москвы ко­леблется от 135 000 люксов (лк) —в середине дня летом до 700 лк перед восходом Солнца.

Зрительный анализатор выполняет одновременно две функции — четко воспринимает объект (фокусирует на сетчатке) и реагирует на спет. В этом процессе взаимодействуют три составляющие: зрительный анализатор, объект, который надо увидеть, т.е. сама зрительная рабо­та, и видимое излучение. Зрительный анализатор работает в благо­приятном режиме, если на сетчатку падает постоянное и оптимальное количество света. Для выполнения глазом заданной зрительной рабо­ты благоприятна световая среда, при которой освещенность сетчат­ки постоянная и оптимальная, что составляет 5 — 6 лк (биологическая константа).

Другая биологическая константа зрительного процесса —размер объекта восприятия. Для глаза величина объекта восприятия ха­рактеризуется не линейным, а угловым размером (градусы, минуты), под которым виден данный объект. Угловой размер объекта восприя­тия характеризует точность (сложность) выполняемой зрительной ра­боты.

Важный показатель зрительной функции — острота зрения, ко­торая оценивается углом зрения, под которым виден объект восприя­тия при заданном уровне яркости. Острота зрения, равная 1,0 (едини­це), характеризует возможность глаза при яркости 100 кд/м² видеть предмет, угловой размер которого равен 1 мин.

Следует отметить, что глаз реагирует не на освещенность (количест­во падающего света), а на яркость объекта восприятия — количество отраженного света (измеряется в канделах на 1 м²). Яркость объекта тем больше, чем выше его освещенность (люксы) и отражательная способность — светлота (рис. 22). Условие, позволяющее увидеть объект, — яркостный контраст между объектом и фоном (черное на белом, желтое на зеленом и т.д.). Чем меньше размер объекта вос­приятия и яркостный контраст, тем сложнее (точнее) характер зри­тельной работы и тем выше требования к световым условиям среды, в которых данная зрительная работа выполняется (требуется высокая яркость и равномерность освещения).

Четкое изображение рассматриваемого объекта (буква, слово, картинка) на сетчатке осуществляет оптическая (светопреломляющая) система глаза благодаря работе аккомодационного (хрусталик) и пу-пилломоторного (зрачок) рефлексов. При высоком уровне видимого излучения зрачок еще и регулирует освещенность сетчатой оболочки глаза.

При малом уровне излучения, когда зрачок расширен, четкость изображения маленького объекта достигается только напряжением хрусталика. Длительная зрительная работа в таких неблагоприятных световых условиях весьма утомительна и порой непосильна. Поэтому оптическая система глаза приспосабливается к работе на близком расстоянии. Это достигается посредством умеренного удлинения переднезадней оси глаза в период его роста. Для такой перестройки глаза требуется время, и этим объясняется то, что при напряженной зрительной работе на близком расстоянии, начинающейся у детей в 6—8 лет, к 11 —12 годам у них формируется близорукость (миопическая рефракция) (см. рис. 22).

Источник видимого излучения

Глаз

Освещенность, лк

Контраст —

разность Размер детали:

отражательной Зрительная линейный — мм;

способности работа угловой — мин

детали и фона, %

Рис. 22. Три компонента процесса зрения: свет (видимое излучение) — объект восприятия (зрительная работа) — глаз

Прогрессирование миопии рассматривается как следствие «пере­регулирования», когда «целесообразный» процесс приспособления глаза к работе на близком расстоянии превращается в свою противо­положность.

Следовательно, процесс развития миопии обусловливается в пер­вую очередь слабостью системы, участвующей в усилении оптической силы глаза, зрачкового или аккомодационного рефлексов, т.е. мышц зрачка или хрусталика или того и другого вместе. Известно, что при рассматривании далеких предметов при низком уровне освещенности для близоруких характерно прищуривание глаз (отсюда «миопия» — слово, происходящее от греческих слов «мио» — «щуриться» и «опсис» — взгляд, зрение). Это вызвано тем, что при близорукости сетчатка оказывается позади фокуса попадающих в глаз лучей света, поэтому каждая точка рассматриваемого предмета изображается на сетчатке в виде небольшого размытого круга, а не точки. Наслаиваясь друг на друга, эти кружки уменьшают четкость границ предмета, что снижает остроту зрения. Такое снижение зрения называют «зрением в кругах светорассеяния». При прищуривании уменьшается размер входного отверстия глаза, круги светорассеяния становятся меньше и острота зрения несколько повышается.

Обращает на себя внимание и тот факт, что в одном и том же клас­се ученики читают и пишут в одинаковых условиях. В сходных усло­виях школьники делают уроки и дома, т.е. зрительная нагрузка и световые условия при ее выполнении у них почти одинаковы. Здесь фактором, во многом способствующим развитию миопии, может быть наследственное предрасположение.

Причиной развития близорукости, кроме наследственных фак­торов, становится большая зрительная нагрузка, выполняемая при недостаточной освещенности (яркости) на близком расстоянии. Профилактика близорукости — создание высокого уровня видимого излучения, при котором оптическая (разрешающая) сила глаза уси­ливается зрачковым рефлексом. При высоком (достаточном) уров­не яркости, когда зрачок, регулируя силу раздражителя сетчатки, уменьшается до 2 мм, острота зрения увеличивается без напряжения мышц хрусталика, и глаз хорошо воспринимает предметы как далеко (большого размера), так и близко (малого размера) расположенные (рис.23).

Основной принцип гигиенической регламентации световой среды учебных помещений — достаточное количество света независимо от его спектральной характеристики (свет Солнца, лампы накаливания, люминесцентной лампы или смешанное освещение).

Рис. 23. Взаимоотношение зрачко­вого и аккомодационного аппаратов при рассматривании далеко (1а и 16) и близко (НА и ПБ) расположенных предметов при оптимальной (16 и НА) и недостаточной (1а и ПБ) осве­щенности:

1а. Яркость предмета мала. Зрачок рас­ширен благодаря напряжению мышц зрачка. Хрусталик не напряжен. Изобра­жение предмета на сетчатке нечеткое. Ос­вещенность сетчатки недостаточна, а адаптация к свету происходит за счет ре-тиномоторных и биохимических процес­сов.

16, НА. Яркость предмета оптимальная, зрачок сужен, мышцы расслаблены, хрус­талик не напряжен. Изображение пред­мета на сетчатке четкое. Освещенность сетчатки оптимальная и адаптация к све­ту происходит за счет пупилломоторного

механизма. ПБ. Яркость предмета мала, зрачок рас­ширен, мышцы зрачка и хрусталика на­пряжены. Изображение на сетчатке не­четкое. Освещенность сетчатки недостаточная и адаптация к свету про­исходит за счет ретиномоторных и биохи­мических процессов

Таблица 3. Уровни яркости для выполнения зрительной работы

Зритель­ная работа	Размер объекта различения		Яркость, кд/м2	Освещенность, лк; при светлоте поверхности рабочего места (коэффициент отражения)
	Угловой, мин	Линей­ный, мм		светлая, более 60%	средняя, 30-60%	темная, менее 30%
Грубая	Более 50,0	Более 5,0	50	200	350	500
Точная	От 10,0 до 50,0	От 1,0 до 5,0	120	500	750	1200
Очень точная	От 3,0 до 1,5	От 0,3 до 0,15	300	1200	2 000	3 000

Функциональное состояние зрительного анализатора тесно связано с поддержани­ем постоянства его биологических констант. Существует четкая коли­чественная зависимость функционального состояния зрительного анализатора от углового размера объекта восприятия и его яркости. Яркость, в свою очередь, зависит от освещенности объекта и его свет­лоты (степени отражения) (табл. 3).

В учебном учреждении зрительная работа характеризуется посто­янством угловых размеров рассматриваемых объектов (чтение текста в книге) и постоянством светлоты поверхности объектов восприятия. Уровень яркости должен составлять 100 — 120 кд/м² или освещенность 500 лк при светлой поверхности (коэффициент отражения 60 % и более).

В классах, спортивном зале в целях экономии электроэнергии и обеспечения инсоляции (прямые солнечные лучи) учебных поме­щений должно максимально использоваться естественное освещение. С этой целью большинство учебных помещений при строительстве должно быть ориентировано на юг, юго-запад и юго-восток. Если естественного света в них недостаточно для зрительной работы, то используют искусственные источники света.

Вместе с тем для создания равномерной освещенности на рабочем месте учащихся должны быть предусмотрены устройства для защиты от прямых солнечных лучей.