Principios de Óptica: Visión y Audición

Generalidades de la Visión y Audición: Principios de Óptica

• Diana L Rodríguez V. imparte la clase el 2024

¿Qué es la Luz?

• La luz es una onda electromagnética.
• Está compuesta por un campo eléctrico oscilante y uno magnético, también oscilante, mutuamente perpendiculares.
• El espectro electromagnético comprende una longitud de onda en metros de 10^-13 a 10^5, incluyendo Rayos Gamma Rayos X, Ultravioleta, Visible, Infrarrojo, Radar y Ondas de Radio.
• El espectro visible se encuentra entre 400nm y 700nm, abarcando los colores Azul, Verde y Rojo.

Fotón: Luz Visible-Invisible

• Un fotón es cada una de las partículas que constituyen la luz.
• La luz visible se ubica en medio de espectros invisibles de color entre 400 y 700 nm.
• La fotometría óptica utiliza el lumen como unidad de medida.
• La luz invisible no puede ser vista por el ojo humano y está enmarcada por dos regiones de la luz: los rayos infrarrojos y rayos ultravioletas.

Radiación ultravioleta

• Su energía es mayor que la luz visible.
• Resulta en la transformación de algunas moléculas en vitamina D.
• Es de elección terapéutica y la más difundida para el tratamiento de la ictericia neonatal a través de la fototerapia.
• Aumenta el riesgo de cáncer de piel.
• UV-A tiene una onda larga (400-315nm).
• UV-B tiene una onda media (315-280).
• UV-C tiene una onda corta (280-100) y es germicida.

Tipos de radiación ultravioleta

• La luz UV es una forma de radiación electromagnética emitida por el sol, con una longitud de onda que va desde los 100 hasta los 400 nm.
• UVA es responsable del 95% de la radiación UV que alcanza la superficie de la tierra, penetra la segunda capa de la piel, contribuye a algunos tipos de daños de sol, causa arrugas y envejecimiento prematuro, y penetra las nubes y las ventanas de vidrio.
• UVB afecta la primera capa de piel, causa la mayoría de las quemaduras de sol, está fuertemente vinculada con el cáncer de piel, daña el ADN de la piel, y quema la piel sin protección en tan solo 15 minutos.
• UVC es absorbida completamente por la atmósfera, no es normalmente considerada un factor de riesgo para el cáncer de piel, es encontrada en artefactos hechos por el ser humano, tiene el tipo UV con más energía, va desde los 200nm hasta los 290nm teniendo su pico máximo de eficiencia germicida en los 253.7nm, Es utilizada para desinfectar aire y superficies de virus y bacterias con una eficacia del 99.99%

Generalidades de la Visión: Partes del Ojo Humano

• Capas del ojo: Esclerótica, Coroides, Retina.
• Otros componentes: Córnea, Cristalino, Iris.
• Líquidos presentes: Humor Acuoso y Vítreo.
• Otros: Músculo ciliar, Nervio Óptico.

Partes del ojo humano: Estructuras de la retina

• Disco o Papila óptica: Salida del nervio óptico.
• Fóvea: Depresión de 0.4 mm, donde se encuentra una gran cantidad de conos, lo cual proporciona gran agudeza visual.
• Mácula lútea: Área amarillenta de 1 mm², que rodea la fóvea y se especializa en la visión de colores.

Retina

• Es la capa más interna del globo ocular donde se localizan los receptores.

Organización neuronal de la retina

• La retina está compuesta de 5 capas de neuronas.
• Células fotorreceptoras (Bastones y Conos)
• Células horizontales (2 subtipos)
• Células bipolares (10 subtipos)
• Células amacrinas (25-30 subtipos)
• Células ganglionares (10-15 subtipos)

Capas de la retina

• Células Horizontales: Inhibición lateral
• Células amacrinas: Informan de la aparición y desaparición de la señal

Características diferenciales fotorreceptores entre bastones y conos

• Bastones: más fotopigmentos, respuesta lenta con gran amplificación, no selectividad direccional a la luz, respuesta saturada, caminos retinianos convergentes, alta sensibilidad luminosa, baja agudeza visual, adaptación a la oscuridad lenta, y son acromáticos (un solo tipo de pigmento).
• Conos: menos fotopigmentos, respuesta rápida con probablemente menos amplificación, selectividad direccional, respuesta no saturada, vías retinianas menos convergentes, baja sensibilidad luminosa, agudeza visual elevada, adaptación a la oscuridad rápida, y son cromáticos (3 tipos de pigmentos).

Generalidades de la Visión: Medios Refringentes del Ojo

• Córnea (cámara anterior)
• Humor Acuoso
• Cristalino
• Humor Vítreo

Cristalino

• Su índice de refracción depende de las proteínas que lo forman, siendo su poder de refracción mayor que el de los líquidos que lo limitan.
• La proteína MIP26 ("major intrinsic protein") funciona como un canal iónico, permitiendo que las fibras del cristalino funcionen como un sincitio (gap junction) iónico y eléctrico.
• MIP26 extrae agua del cristalino y mantiene la transparencia.
• Se han identificado entre 9 y 11 canales de potasio y hay canales no selectivos de cationes usando la técnica de patch clamp
• Es una lente que permite enfocar los objetos y concentrar la luz.

Mecanismo de enfoque

• Mecanismo de acomodación: Variación del diámetro antero-posterior de la lente por medio de acción del músculo ciliar sobre el ligamento suspensorio que está unido a la lente.

Fotoisomerización

• Se produce un cambio de conformación
• Luz -> Rodopsina -> All-trans-retinal (vit A) + opsina

Mecanismo de transducción de la luz

• Ocurre en el baston
• Los pasos son Rodopsina -> G-Protein Transducin -> CGMP Phosphodiesterase
• Esto causa un cambio a CGMP gated sodium channel

Transducción visual: Conversión de la luz en señales neurales.

• Cuando ocurre la activación de los bastones por la luz, esta blanquea las moléculas de rodopsina.
• El cGMP se descompone, cerrando canales de sodio.
• Los iones de sodio no pueden entrar en los bastones, causando una hiperpolarización.
• Esto reduce la liberación de glutamato.

Mecanismos de transducción en presencia de la luz

• Los estímulos luminosos sobre los fotorreceptores activan una proteína G, la transducina, que a su vez estimula a una enzima, la fosfodiesterasa de GMPc, reduciendo los niveles de GMPc.
• Los canales de Na+ activados por GMPc impiden que éstos se mantengan abiertos.
• Se interrumpe la corriente de oscuridad, generando un potencial de membrana del fotorreceptor adquiere valores más negativos (cercanos a 70 mV), dando lugar a una hiperpolarización.
• Los fotorreceptores cesan de liberar glutamato y de estimular a las células ganglionares al cerrarse los canales de Ca2+ y disminuir el influjo de iones de Ca2+.

Mecanismo de transducción en la oscuridad

• Los fotorreceptores poseen canales de Na+ que son activados directamente por el GMPc.
• En la oscuridad la concentración de GMPc que se alcanza en el interior de los fotorreceptores (a 2 mM) es suficiente para mantener abiertos los canales de Na+.
• Los canales de Ca2+ activados por voltaje causan una corriente de cargas positivas, denominada corriente de oscuridad que lleva el potencial de membrana del fotorreceptor a un valor cercano a -40 mV (dando lugar a la despolarización).
• Los fotorreceptores liberan continuamente glutamato hacia los receptores presentes en las células bipolares de la retina causando la generación de potenciales de acción que producen la liberación de su neurotransmisor y la excitación de las células ganglionares, las cuales conducen la información sináptica hacia el nervio óptico.
• La luz disminuye la liberación de glutamato por los fotorreceptores

Formación de la Imagen

• Características de la Imagen que se forma en la retina
• Menor Tamaño
• Invertida
• Real

Principios de óptica

• El eje principal es la línea que pasa por el centro de la curvatura del ojo reducido.
• El foco principal los rayos en paralelo que inciden en la superficie de la córnea y que son refractados en punto detrás del cristalino.
• La distancia focal principal es la distancia entre la lente y el foco principal.
• El punto nodal (centro óptico del Ojo) es el sitio en el cual los rayos luminosos provenientes de un objeto, pasan sin ser refractados.
• El concepto de foco es el punto donde convergen los rayos de luz originados desde un punto en el objeto observado.
• La distancia focal es la distancia entre el centro óptico de la lente y el foco cuando se enfoca hacia el infinito.
• El cálculo del tamaño de la imagen se hace con base en la ley de triángulos semejantes usando el modelo de ojo reducido

Cálculo de la imagen:

Si para un árbol de 1.8m a 5m de distancia, con diámetro AP del ojo de 2.3cm y un N=0,6cm