Sự nhìn và cảm giác về màu sắc doc

Bước thứ nhất trong quá trình cảm giác này là sự kích thích của cơ quan cảm thụ ánh sáng trong mắt, biến kích thích sáng hoặchình ảnh thành tín hiệu, và truyền tín hiệu điện chứa thông t

Sự nhìn và cảm giác về

màu sắc

Sự nhìn màu sắc nổi của con người là một quá trình rất phức tạp đến nay vẫn chưa được hiểu trọn vẹn, mặc dù hàng trăm năm nghiên cứu và mô phỏng đã trôi qua Sự nhìn yêu cầu sự tương tác gần như tức thời của hai mắt và não thông qua mạng lưới thần kinh, các cơ quan thụ cảm và những tế bào chuyên biệt khác Bước thứ nhất trong quá trình cảm giác này là sự kích thích của cơ quan cảm thụ ánh sáng trong mắt, biến kích thích sáng hoặchình ảnh thành tín hiệu, và truyền tín hiệu điện chứa thông tin nhìn từ mỗi mắt đến não thông qua dây thần kinh thị giác Thông tin này được xử lí tiếp trong vài giai đoạn, sau cùng thì truyền đến phần vỏ não có liên quan đến thị giác

Mắt người có các thành phần quang đa dạng, gồm giác mạc, mống mắt, con ngươi, thủy dịch và thủy tinh dịch, một thủy tinh thể có tiêu cự thay đổi, và võng mạc (như minh họa trong hình 1) Những thành phần này phối hợp với nhau, tạo nên ảnh của các vật rơi vào tầm nhìn của mắt Khi một vật được quan sát, trước tiên nó hội tụ qua thành phần giác mạc lồi và thủy tinh thể, hình thành nên ảnh lộn ngược trên mặt võng mạc, một màng nhiều lớp chứa hàng triệu tế bào thị giác Để đến được võng mạc, các tia sáng bị hội tụ bởi giác mạc phải lần lượt đi qua thủy dịch (trong khoang phía trước), thủy tinh thể, thủy tinh dịch sền sệt, và lớp mạch máu và dây thần kinh của võng mạc trước khi chúng đi đến phần nhạy sáng bên ngoài của các tế bào hình nón và hình que Những tế bào thị giác này nhận diện ảnh

và biến nó thành tín hiệu điện truyền lên não

Bất chấp một số quan niệm sai lầm do có quá nhiều thuật ngữ dùng để mô tả cấu tạo mắt, nhưng chính giác mạc, chứ không phải thủy tinh thể, mới chịu trách nhiệm chính cho khả năng khúc xạ toàn bộ của mắt Nhẵn bóng và trong suốt như thủy tinh, mềm dẻo và bền như plastic, phần trong suốt, có độ cong cao, nằm phía ngoài này của thành trước của nhãn cầu cho phép các tia sáng tạo ảnh truyền qua vào phần trong Giác mạc cũng bảo vệ mắt bằng cách làm một rào chắn vật lí che chắn phần trong của mắt khỏi vi sinh vật, bụi bặm, các sợi nhỏ, các chất hóa học và những chất gây hại khác Mặc dù chiều rộng nhỏ hơn nhiều so với thủy tinh thể, nhưng giác mạc mang lại khoảng 65% khả năng khúc xạ của mắt Đa phần sức

mạnh bẻ cong ánh sáng tập trung gần chính giữa của giác mạc, nơi tròn hơn và mỏng hơn so với các phần ngoại biên của mô

Như cánh cửa sổ điều khiển ánh sáng đi vào mắt, giác mạc (hình 2) là yếu tố cần thiết cho sự nhìn tốt và cũng đóng vai trò là bộ lọc ánh sáng tử ngoại Giác mạc loại trừ một số bước sóng tử ngoại gây phá hủy nhất có mặt trong ánh sáng Mặt Trời, do đó bảo vệ được võng mạc dễ thương tổn và thủy tinh thể khỏi bị phá hoại Nếu giác mạc cong quá nhiều, như trường hợp cận thị, các vật ở xa sẽ xuất hiện dạng ảnh mờ, do sự khúc xạ ánh sáng chưa hoàn chỉnh tới võng mạc Trong trường hợp loạn thị, sự không hoàn hảo hay không đều ở giác mạc gây ra sự khúc xạ

không đồng đều, làm cho ảnh chiếu lên võng mạc bị méo dạng

Không giống như đa số các mô của cơ thể người, giác mạc không có các mạch máu nuôi dưỡng hoặc bảo vệ chống lại sự xâm nhiễm Cả những mao mạch nhỏ nhất cũng sẽ gây trở ngại cho quá trình khúc xạ chính xác Giác mạc nhận nuôi dưỡng từ nước mắt và thủy dịch, chúng chiếm đầy khoang nằm phía sau cấu trúc này Lớp biểu mô phía ngoài của giác mạc chứa hàng nghìn đầu mút dây thần kinh nhỏ, khiến cho giác mạc cực kì nhạy với sự đau đớn khi bị chà xát hoặc cào xước Chiếm khoảng 10% chiều dày của mô, lớp ngoài của giác mạc chặn các đối tượng lạ không cho đi vào mắt, đồng thời mang lại bề mặt nhẵn cho sự hấp thụ oxy và chất dinh dưỡng Lớp chính giữa của giác mạc, gọi là chất nền, chiếm khoảng 90% mô,

và gồm một mạng sợi protein bão hòa nước mang lại sức bền, sức đàn hồi, và hình

dạng chống đỡ cho biểu mô Các tế bào cấp dưỡng chiếm phần còn lại của lớp chất nền Vì chất nền có xu hướng hấp thụ nước, nên nhiệm vụ chính của mô màng

trong là bơm nước dư thừa khỏi chất nền Không có hoạt động bơm này, chất nền

sẽ đầy ứ nước, trở nên mờ sương, và cuối cùng chuyển thành giác mạc mờ đục, tức

là mắt bị mù

Sự mất trong suốt một phần hoặc toàn bộ do thủy tinh thể, hoặc lớp bao

ngoài của nó, gây ra một chứng bệnh phổ biến gọi là đục nhãn mắt Đục nhãn mắt

là nguyên nhân gây mù lòa hàng đầu trên thế giới, và là nguyên nhân quan trọng của sự suy giảm thị lực ở nước Mĩ Sự phát triển của bệnh đục nhãn mắt ở người trưởng thành liên quan tới sự lão hóa bình thường, sự phơi sáng trước ánh sáng Mặt Trời, hút thuốc, thức ăn nghèo dinh dưỡng, chấn thương mắt, các chứng bệnh như tiểu đường, tăng nhãn áp, và tác dụng phụ phiền toái do sử dụng một số dược phẩm, như steroid Trong giai đoạn đầu, người bị đục nhãn mắt sẽ nhận thấy thế giới mờ đi hoặc không sắc nét nữa Sự nhìn rõ bị cản trở do sự suy giảm lượng ánh sáng đi tới võng mạc và sự kéo mây củahình ảnh(do sự nhiễu xạ và tán xạ ánh

sáng) cứ như thể là người đó nhìn thế giới qua một màn sương mù (xem hình 3)

Để chữa bệnh đục nhãn mắt, người ta phẫu thuật cắt bỏ phần thủy tinh thể mờ đục,

và thay thế bằng một thủy tinh thể plastic

Chức năng của võng mạc giống như sự kết hợp của một bộ cảm biến ảnh kĩ thuật số (như dụng cụ tích điện kép CCD) với một bộ chuyển đổi tương tự sang số,

như có mặt trong các hệ camera kĩ thuật số hiện đại Cơ quan thụ cảm bắt lấy ảnh của mắt, gọi là các tế bào hình nón và hình que, liên kết với các bó sợi dây thần kinh thị giác qua một loạt tế bào chuyên biệt phối hợp truyền tín hiệu lên não Lượng ánh sáng được phép đi vào mỗi mắt được điều chỉnh bởi mống mắt, một màng chắn tròn mở rộng ở mức ánh sáng thấp và đóng lại nhằm bảo vệ con ngươi (lỗ) và võng mực ở mức rọi sáng rất cao

Khi nguồn sáng thay đổi, đường kính của con ngươi (nằm phía trước thủy tinh thể) tự điều chỉnh kích thước giữa 2 đến 8mm, điều chỉnh lượng ánh sáng đi tới võng mạc Khi nguồn chiếu sáng rất chói, con ngươi thu hẹp lại và các phần ngoài của các thành phần khúc xạ bị chặn khỏi đường đi tia sáng Kết quả là các tia sáng tạo ảnh bị quang sai ít hơn và ảnh trên võng mạc trở nên sắc nét hơn Con ngươi rất hẹp (khoảng 2mm) tạo ra sự nhiễu xạ làm trải rộng ảnh của một nguồn điểm lên trên võng mạc

Trong não, các sợi dây thần kinh thị giác từ mỗi mắt cắt nhau một tại nơi giao thoa quang, nơi đó thông tin thị giác từ cả hai phần võng mạc truyền song song tương quan nhau, giống như vai trò của máy phát đồng bộ thời gian dùng trong máy ghivideo kĩ thuật số Từ đó, thông tin thị giác truyền qua ống quang đến

bộ phận cong gập hình đầu gối, ở đó tín hiệu được phân bố qua bức xạ quang tới hai phẩn vỏ não thị giác nằm trên phần phía sau, ở dưới của mỗi bán cầu não

Trong lớp vỏ não ở dưới, thông tin từ mỗi mắt được duy trì dưới dạng cột vạch trội thị giác Khi tín hiệu thị giác được truyền tới lớp trên của vỏ não, thông tin từ hai mắt hợp nhất với nhau và sự nhìn hai mắt được thiết lập Trong những trường hợp mắt không bình thường, như mắt xiên, mắt lác, sự nhìn ảnh nổi bị phá vỡ Trong trường hợp phẫu thuật mắt không đảm bảo, thì thấu kính gắn trên kính đeo mắt có thể chữa được một số tật thuộc loại này Nguyên nhân gây ra sự gián đoạn đối với

sự hợp nhất tín hiệu từ hai mắt có thể do chấn thương, do bệnh cơ thần kinh, hoặc

do khuyết tật bẩm sinh

Hố mắt giữa nằm trong khu vực gần chính giữa võng mạc, và nằm thẳng dọc theo trục chính của mỗi mắt Cũng gọi là “điểm vàng”, hố mắt nhỏ (dưới 1mm2), nhưng rất chuyên biệt Những vùng này chứa các tế bào hình nón chi chít, mật độ cao (trên 200.000 tế bào hình nón/mm2đối với mắt người trưởng thành, xem hình 4) Hố mắt giữa là khu vực nhìn sắc nét nhất, và tạo ra độ phân giải không gian, độ tương phản và màu sắc rõ nhất Mỗi mắt có chừng bảy triệu tế bào hình nón, chúng rất mỏng (đường kính 3mm) và thon dài Mật độ tế bào hình nón giảm ở bên ngoài

hố mắt do tỉ lệ tế bào hình que so với tế bào hình nón tăng dần lên (hình 4) Tại vùng rìa của võng mạc, tổng số cả hai loại cơ quan thụ cảm thị giác này đều giảm về

cơ bản, gây ra sự mất mát sâu sắc độ nhạy thị giác tại rìa ngoài của võng mạc Điều này có thể bù lại bởi thực tế thì người ta nhìn liên tục các vật trong tầm nhìn (do

cử động mắt nhanh tự nhiên), nên ảnh nhận được có độ nét đồng đều Trong thực

tế, khi ảnh bị ngăn cản không cho chuyển động tương đối so với võng mạc (thông qua một quang cụ nào đó), thì mắt không còn cảm nhận được cảnh sau một vài giây

Sự sắp xếp của các cơ quan cảm giảc trong các phần bên ngoài của võng mạc một phần xác định giới hạn độ phân giải trong những vùng khác nhau của mắt Để phân giải ảnh, một hàng cơ quan thụ quang ít bị kích thích phải nằm giữa hai hàng

cơ quan thụ quang bị kích thích cao Nếu không thì không thể phân biệt được sự kích thích xuất phát từ hai ảnh nằm rất gần nhau hay từ một ảnh nối đến hai hàng

cơ quan thụ cảm Với khoảng cách tâm-nối-tâm biến thiên từ 1,5 đến 2 mm đối với các tế bào hình nón trong hố mắt giữa, kích thích quang có độ phân tách chừng 3 đến 4 mm sẽ tạo ra một bộ phân giải cường độ trên võng mạc Lấy ví dụ tham khảo, bán kính của cực tiểu thứ nhất đối với hình ảnh nhiễu xạ hình thành trên võng mạc khoảng chừng 4,6 mm đối với ánh sáng 550nm và đường kính con ngươi 2mm Như vậy, sự sắp xếp của các thành phần cảm giác trong võng mạc sẽ xác định độ phân giải giới hạn của mắt Một nhân tố khác, gọi là độ sắc nét thị giác (khả năng của mắt nhận ra những vật nhỏ và phân giải độ phân tách của chúng), thay đổi theo nhiều thông số, bao gồm định nghĩa của thuật ngữ và phương pháp người ta

đo độ sắc nét Trên võng mạc, độ sắc nét thị giác nói chung cao nhất ở hố mắt giữa,

hố này mở rộng ra tầm nhìn chừng 1,4 độ

Sự sắp xếp không gian của các tế bào hình que và hình nón cũng với sự liên kết của chúng với các dây thần kinh trong võng mạc được biểu diễn trong hình 5 Các tế bào hình que, chỉ chứa sắc tố vàng, có độ nhạy cực đại với ánh sáng xanh dương-xanh lá (bước sóng khoảng 500nm), mặc dù chúng biểu hiện sự phản ứng rộng đối với toàn phổ khả kiến Chúng là những tế bào thụ cảm thị giác chủ yếu nhất, với mỗi mắt chứa khoảng 125-130 triệu tế bào hình que Độ nhạy sáng của tế bào hình que gấp 1000 lần so với tế bào hình nón Tuy nhiên, ảnh phát sinh chỉ bởi

sự kích thích tế bào hình que thì tương đối không sắc nét và có bóng xám phía ngoài, giống như ảnh chụp đen trắng Sự nhìn hình que thường được gọi là sự nhìn tối do trong điều kiện ánh sáng yếu, hình dạng và độ sáng của vật có thể phân biệt được, nhưng màu của chúng thì không Cơ chế thích nghi tối này cho phép nhận dạng ra con mồi và động vật ăn thịt thông qua hình dáng và chuyển động ở nhiều loài động vật có xương sống

Hệ thị giác của con người phản ứng theo hàm mũ, chứ không tuyến tính, cho khả năng nhận một phạm vi độ sáng khó tin đến trên 10 bậc Trong ánh sáng ban ngày, người ta có thể nhận dạng các vật dưới ánh sáng chói chang từ Mặt Trời, còn vào ban đêm, những vật lớn có thể được nhận ra bởi ánh sáng sao khi Mặt Trăng tối đen Ở độ nhạy ngưỡng, mắt người có thể phát hiện sự có mặt của khoảng

100-150 photon ánh sáng xanh dương-xanh lá (500nm) đi vào con ngươi Đối với bảy

bậc độ sáng trên, sự nhìn sáng chiếm ưu thế, và sự cảm quang chủ yếu do các tế bào hình nón trên võng mạc mang lại Trái lại, đối với bốn bậc độ sáng thấp, được gọi là sự nhìn tối, thì các tế bào hình que đóng vai trò chính

Sự thích nghi của mắt cho phép sự nhìn thực hiện chức năng dưới những điều kiện độ sáng cực đoan như thế Tuy nhiên, trong khoảng thời gian trước khi

sự thích nghi xảy ra, mỗi người có thể cảm nhận một phạm vi độ sáng chỉ trong khoảng ba bậc Một vài cơ chế là nguyên nhân làm cho mắt thích nghi với những mức độ sáng cao Sự thích nghi có thể xảy ra trong vài giây (bằng phản ứng con ngươi lúc đầu) hoặc có thể mất vài phút (đối với sự nhìn tối), tùy thuộc vào mức thay đổi độ sáng Độ nhạy của tế bào hoàn toàn hình nón đạt chừng 5 phút, trong khi đó phải mất khoảng 30 phút để thích nghi từ sự nhạy sáng vừa phải sang sự nhạy tối hoàn toàn bởi các tế bào hình que

Khi hoàn toàn thích nghi với ánh sáng, mắt người có phản ứng bước sóng từ khoảng 400 đến 700nm, với độ nhạy cực đại ở 555nm (trong vùng xanh lá cây của phổ ánh sáng khả kiến) Mắt thích nghi tối phản ứng với phổ bước sóng thấp hơn,

từ 380 đến 650nm, với cực đại tại 507nm Đối với cả sự nhìn sáng lẫn nhìn tối, những bước sóng này là không tuyệt đối, mà thay đổi theo cường độ ánh sáng Sự truyền ánh sáng qua mắt trở nên thấp hơn dần ở những bước sóng ngắn Trong vùng xanh dương-xanh lá (500nm), chỉ khoảng 50% ánh sáng đi vào mắt tới được điểm ảnh trên võng mạc Ở 400nm, giá trị giảm xuống còn vừa đúng 10%, kể cả

mắt người trẻ tuổi Sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng bởi các thành phần trong thủy tinh thể góp phần làm giảm thêm độ nhạy ở màu xanh dương nhạt

Các tế bào hình nón gồm có ba loại, mỗi loại “điều khiển” một phản ứng bước sóng riêng có cực đại tập trung tại 430, 535, hoặc 590nm Cơ sở cho từng cực đại là việc sử dụng ba sắc tố quang khác nhau, mỗi sắc tố có một phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến đặc trưng Các sắc tố thay đổi thể cấu tạo của chúng khi một photon được phát hiện, cho phép chúng phản ứng với transducin khởi động một đợt sự kiện thị giác Transducin là một loại protein có mặt trong võng mạc và có khả năng chuyển hóa hiệu quả năng lượng ánh sáng thành tín hiệu điện Số lượng tế bào hình nón nhỏ hơn nhiều so với tế bào hình que, với mỗi mắt chứa từ 5 tới 7 triệu cơ quan thụ cảm màu sắc thuộc loại này Sự nhìn màu sắc thực do sự kích thích của các tế bào hình nón mang lại Cường độ tương đối và sự phân bố bước sóng ánh sáng đi tới mỗi một trong ba loại cơ quan thụ cảm hình nón xác định màu sắc nhìn được, theo kiểu tương tự như màn hìnhvideoRGB cộng màu hoặc camera màu CCD

Một chùm sáng chứa chủ yếu là bức xạ xanh dương bước sóng ngắn làm kích thích các tế bào hình nón phản ứng với ánh sáng 430nm ở quy mô lớn hơn nhiều

so với hai loại tế bào hình nón kia Chùm này sẽ kích hoạt sắc tố màu xanh dương trong những tế bào hình nón nhất định, và ánh sáng đó nhận được là màu xanh dương Ánh sáng có đa số bước sóng tập trung ở khoảng 550nm được nhìn là màu xanh lá cây, và chùm tia chứa hầu hết là bước sóng 600nm hoặc dài hơn được trông có màu đỏ Như đã nói ở phần trên, sự nhìn thuần túy bằng tế bào hình nón được gọi là sự nhìn sáng, và nó chiếm ưu thế ở các mức sáng bình thường, cả trong nhà và ngoài phố Đa số động vật có vú là loài nhị sắc, thường có thể chỉ phân biệt được giữa các thành phần màu hơi lam và hơi lục Trái lại, một số động vật bậc cao (đáng chú ý nhất là con người) biểu hiện sự nhìn màu tam sắc, phản ứng đáng kể với các kích thích sáng đỏ, lục, và lam

Minh họa trong hình 6 là phổ hấp thụ của bốn sắc tố thị giác của con người, biểu hiện cực đại trong vùng đỏ, lục, và lam của phổ ánh sáng khả kiến như mong đợi Khi cả ba loại tế bào hình nón được kích thích như nhau, thì ánh sáng nhận được sẽ không có màu, hoặc màu trắng Ví dụ, ánh sáng Mặt Trời lúc giữa trưa có

vẻ là ánh sáng trắng đối với con người, do nó chứa các lượng ánh sáng đỏ, lục, và lam hầu như bằng nhau Một bằng chứng khác cho phổ màu sắc từ ánh sáng Mặt Trời là sự chặn ánh sáng bằng một lăng kính thủy tinh, nó làm khúc xạ (hoặc bẻ cong) các bước sóng khác nhau ở mức độ khác nhau, làm trải ánh sáng thành các màu thành phần của nó Sự cảm nhận màu sắc của con người phụ thuộc vào tương tác của tất cả các tế bào thụ cảm với ánh sáng, và sự kết hợp này mang lại sự kích thích gần như tam sắc Có sự lệch độ nhạy màu sắc theo sự thay đổi mức độ sáng, nên màu xanh trông tương đối sáng hơn trong ánh sáng lờ mờ và màu đỏ trông sáng hơn trong ánh sáng chói chang Hiệu ứng này có thể quan sát bằng cách trỏ một ngọn đèn flash vào một bản in màu, sẽ thấy ngay là màu đỏ trông sáng hơn nhiều và đậm hơn

Trong những năm gần đây, sự quan tâm đến độ nhạy màu sắc thị giác của con người đã dẫn đến những thay đổi trong thực tế lâu nay của việc sơn các xe tình trạng khẩn cấp, như xe chữa cháy và xe cấp cứu, toàn là màu đỏ Mặc dù màu này dành cho các xe dễ nhìn thấy và tránh né, nhưng sự phân bố bước sóng không dễ nhìn thấy ở mức ánh sáng yếu và gần như trông tối đen vào ban đêm Mắt người nhạy hơn nhiều với màu vàng-lục hoặc các màu tương tự, đặc biệt vào ban đêm, và ngày nay đa số các xe tình trạng khẩn cấp ít nhất phải có một phần sơn màu xanh hơi vàng sặc sỡ hoặc màu trắng, thường vẫn giữ lại một số chỗ nổi bật nhất sơn màu đỏ theo sở thích truyền thống