Auf molekularer Ebene lösen visuelle Signale Umwandlungen in Photopigmentmolekülen aus, was zu Veränderungen des Membranpotentials der Photorezeptorzelle führt. Das Energieniveau des Photons wird durch seine Wellenlänge bezeichnet, wobei jede spezifische Wellenlänge des sichtbaren Lichts mit einer bestimmten Farbe verbunden ist. Der Spektralbereich des sichtbaren Lichts, das als elektromagnetische Strahlung klassifiziert wird, reicht von 380 bis 720 nm. Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung über 720 nm fallen in die Kategorie Infrarot, während Wellenlängen unter 380 nm als ultraviolette Strahlung eingestuft werden. Blaues Licht entspricht einer Wellenlänge von 380 nm, während dunkelrotes Licht einer Wellenlänge von 720 nm entspricht. Andere Farben liegen an unterschiedlichen Punkten innerhalb dieses Wellenlängenspektrums, von Rot bis Blau.

Opsin-Pigmente sind in der Tat Transmembranproteine, die mit einem Cofaktor namens Retinal integriert sind. Dieses Retinal ist ein Bestandteil von Vitamin A und einem Kohlenwasserstoffmolekül. Die signifikante biochemische Veränderung in der ausgedehnten Kohlenwasserstoffkette des retinalen Moleküls wird ausgelöst, wenn ein Photon auf das Molekül trifft. Dieser spezielle Prozess, der als Photoisomerisierung bekannt ist, führt dazu, dass einige der doppelt gebundenen Kohlenstoffe innerhalb der Kette aufgrund der Photonenwechselwirkung von einer cis- in eine trans-Konfiguration übergehen. Vor der Photonenwechselwirkung befinden sich die flexiblen doppelt gebundenen Kohlenstoffe des Retinals in der cis-Konformation, was zur Bildung eines Moleküls führt, das als 11-cis-Retinal bekannt ist. Die doppelt gebundenen Kohlenstoffe nehmen die trans-Konformation an, wenn ein Photon auf das Molekül trifft, und bilden ein all-trans-retinal, das durch eine gerade Kohlenwasserstoffkette gekennzeichnet ist.

Der Prozess der visuellen Transduktion in der Netzhaut beginnt mit der Veränderung der Netzhautstruktur in den Photorezeptoren. Dies führt zur Aktivierung von Netzhaut- und Opsinproteinen, die ein G-Protein stimulieren. Das aktivierte G-Protein modifiziert dann das Membranpotential der Photorezeptorzelle, was zu einer Abnahme der Freisetzung von Neurotransmittern in die äußere synaptische Schicht der Netzhaut führt. Dieser Zustand setzt sich fort, bis das Netzhautmolekül in seine ursprüngliche Form, die 11-cis-Netzhautform, zurückkehrt – ein Prozess, der als Bleichen bezeichnet wird. Wenn eine beträchtliche Menge an Photopigmenten gebleicht wird, überträgt die Netzhaut die Daten so, als ob kontrastierende visuelle Eingaben empfangen würden. Nachbilder, die typischerweise als Negativbilder beobachtet werden, sind ein häufiges Ereignis, wenn man einem intensiven Lichtblitz ausgesetzt ist. Eine Reihe von enzymatischen Veränderungen erleichtern den Umkehrprozess der Photoisomerisierung und ermöglichen so die Reaktivierung des Retinals als Reaktion auf zusätzliche Lichtenergie.

Opsine weisen eine spezifische Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Lichtwellenlängen auf. Das Stäbchen-Photopigment Rhodopsin weist eine Spitzenempfindlichkeit gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 498 nm auf. Auf der anderen Seite reagieren drei Farbopsine optimal auf Wellenlängen von 564 nm, 534 nm und 420 nm, die ungefähr mit den Primärfarben Rot, Grün und Blau übereinstimmen. Rhodopsin, das in Stäbchen vorkommt, zeigt eine höhere Lichtempfindlichkeit als Zapfen-Opsine; Das bedeutet, dass Stäbchen bei schwachem Licht zum Sehen beitragen, während Zapfen bei helleren Lichtverhältnissen zum Sehen beitragen. Bei normaler Sonneneinstrahlung wird Rhodopsin kontinuierlich gebleicht, und die Zapfen bleiben aktiv. Umgekehrt reicht die Lichtintensität in einem schwach beleuchteten Raum nicht aus, um Zapfen-Opsine zu stimulieren, so dass das Sehen vollständig von Stäbchen abhängt. Tatsächlich haben Stäbchen eine so hohe Lichtempfindlichkeit, dass ein einzelnes Photon ein Aktionspotential im entsprechenden RGC eines Stäbchens auslösen kann.

Zapfen-Opsine, die sich durch ihre Empfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen Lichtwellenlängen unterscheiden, verleihen die Fähigkeit, Farben wahrzunehmen. Durch die Analyse der Reaktionen der drei einzigartigen Zapfentypen destilliert unser Gehirn Farbdaten aus dem, was wir sehen. Betrachten Sie zum Beispiel ein helles blaues Licht mit einer Wellenlänge nahe 450 nm. Dies würde zu einer minimalen Stimulation der “roten” Zapfen, einer leichten Aktivierung der “grünen” Zapfen und einer signifikanten Stimulation der “blauen” Zapfen führen. Das Gehirn berechnet diese differentielle Aktivierung der Zapfen und interpretiert die Farbe als blau. Bei schwachem Licht sind die Zapfen jedoch wirkungslos, und Stäbchen, die keine Farbe erkennen können, dominieren. Infolgedessen ist unser Sehen bei schlechten Lichtverhältnissen im Wesentlichen monochromatisch, was bedeutet, dass in einem dunklen Raum alles in unterschiedlichen Grautönen erscheint.

Einige häufige Augenerkrankungen:

Farbenblindheit, klinisch als Achromatopsie bekannt, ist eine Erkrankung, die durch einen Mangel an Farbunterscheidungen gekennzeichnet ist. Diese Störung resultiert in der Regel aus einem vererbten Defekt in den Zapfen der Netzhaut (lichtempfindliche Zellen). Zu den Symptomen können Schwierigkeiten bei der Unterscheidung zwischen Farben oder Farbschattierungen gehören.

Nachtblindheit, medizinisch als Nyktalopie oder Hemeralopie bezeichnet, ist eine Störung, die die Fähigkeit einer Person beeinträchtigt, bei schwachem Licht oder nachts zu sehen. Die Ursachen können von Vitamin-A-Mangel bis hin zu Grunderkrankungen wie Retinitis pigmentosa reichen. Menschen mit dieser Störung haben Schwierigkeiten mit dem Nachtsehen oder der Anpassung an schwaches Licht.

Der Graue Star, eine häufige Augenerkrankung vor allem bei älteren Erwachsenen, ist gekennzeichnet durch eine Trübung der normalerweise transparenten Augenlinse. Dies kann zu verschwommenem Sehen führen, ähnlich wie beim Blick durch ein beschlagenes Fenster. Die meisten Katarakte entwickeln sich im Laufe der Zeit langsam und können schließlich das Sehvermögen beeinträchtigen.

Das Glaukom ist eine weitere schwere Augenerkrankung, bei der der Sehnerv, der Bilder an das Gehirn sendet, durch erhöhten Druck im Auge geschädigt wird. Unbehandelt kann es zu Sehverlust führen. Die häufigste Art des Glaukoms, das Offenwinkelglaukom, hat oft keine anderen Symptome als einen allmählichen Sehverlust.