Special Senses : VISION

Assoc. Prof. Chailerd Pichitpornchai, MD, PhDPhysiology Department

Faculty of Medicine Siriraj Hospital

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 2

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 3 Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 4

Physiology Study

Input Process OutputAfferent System Efferent

Stimuli Response

Q: How do you perceive environmental changes?http://www.eyetricks.com

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 5

General concept1. Stimulus - properties2. Sensory receptor Receptor potential3. Afferent pathway Process in CNS4. Efferent pathway Reflex, response5. AbnormalityQ: Can we perceive every kind of energy?

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 6

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 7

Objectives : นักศกึษาสามารถอธิบาย

Physiologic Anatomy of the Eyeระบบเลนสของลูกตากลไกการเกดิภาพของลูกตาสายตาผดิปกติกลไกการกระตุนเซลลรับภาพ

PhotochemistryLight & Dark AdaptationColor Vision & Its Abnormality

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 8

Objectives (2) : นักศกึษาสามารถอธิบายVisual Pathway

Pupillary Light Reflex After ImageField of VisionVisual AcuityBinocular VisionDepth of Vision

ความผิดปกติที่ตรวจพบไดเมื่อทางเดนิประสาทตาไดรับอันตราย

Physiologic Anatomy of the Eye

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 10

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 11

Physiological Anatomy of the Eye

1.Sclera, cornea2. Choroid,ciliary muscle, iris3. Retina : posterior 2/3

Q: Horizontal section of the LEFT or RIGHT eye ?

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 12

Other Structures of the Right EyeLens & lens ligamentCiliary muscleIris : circular fiber (parasym.)longitudinal m. (sym.)Ant. & Post. ChambersCiliary gland

aqueous humor 2 ml/minCanal of SchlemmIntraocular Pressure : 15-20 mmHgIOP >= 25 mmHg Glaucoma

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 13

Retina & Its Blood Supply

1. Rod & Cone2. Outer nuclear layer3. Inner nuclear layer : Bipolar cells4. Ganglionic layer : Ganglion cells

Blind spot << Optic disc

medial << Optic nerve

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 14

Retina

Blood SupplyInt. carotid a. ophthalmic a. centralis retinae a. …เลี้ยง retina ยกเวน rod & cone ซึ่งเลี้ยงโดย capillary plexus ในชั้น choroidRetinal detachment

Pigment epithelium : albinoCentral Fovea : a lot of cone cells

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 15Left or right eye ?

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 16

ระบบเลนสของลูกตาเลนส

น้ํา 65 %, Protein 30%; no blood vv.Nutrients from aqueous humorglutathione ปองกัน oxidation : senile cataract

การหักเหของแสงRefractive IndexRefractive / Dioptive Power (D) = 1 / fD ของตาทั้งหมด 59 D

เลนส 16-32 D (accommodation)

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 17

Accommodation Reflex

ตามองวัตถุไกล (> 6 m) : ciliary m. คลายตัว Zonule lig. ตึง เลนสแบน (convexity ลดลง)

ตามองวัตถุใกล : ciliary m. หดตัว (ควบคุมโดย parasym. N.)Zonule lig. หยอน เลนสปอง (convexity เพิ่มขึ้น)

Near Response1. Acccommodation reflex2. Convergence of eyeballs3. Miosis

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 18

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 19 Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 20

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 21

EmmetropiaChailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 22

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 23 Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 24

การเกิดภาพในลูกตาNear point of vision ขึ้นกบั อายุ

8 yr 8.6 cm20 yr 10.4 cm60 yr 83.3 cm (Presbyopia – สายตาชรา)

Far point of vision : infinity, > 6 mPurkinje-Sanson Image 3 2 1 3 2 1

3 2 1

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 25

สายตาผิดปกติ

ปกติ เรียก Emmetropia, normal eye sight1. Hyperopia / Hypermetropia ; Presbyopia spherical convex lens2. Myopia spherical concave lens3. Astigmatism cylindrical lens4. Blur / Aberration5. Squint / Strabismus :

diplopia, suppression scotoma6. Exophora, Esophoria

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 26

Hyperopia

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 27

MyopiaChailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 28

Spherical Lens

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 29

Cylindrical Lens

Convex Lens Concave Lens

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 30

การกระตุนเซลลรับภาพ (Photoreceptor)

Rods (120 mil. cells)Scotopic visionตองการแสงเพียงเลก็นอยแยกสีไมไดรายละเอียดนอยมีมากรอบๆ retina

Cones (6 mil. cells)Photopic visionตองมีแสงสวางมากพอแยกสีไดรายละเอียดมากมีมากบริเวณ fovea

Duplicity Theory

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 31

Light

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 32

Rod & Cone

Outer segmentInner segmentNuclear regionSynaptic zone

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 33

Rod & Cone

Outer segment disks : phagocytosisMyosin

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 34

Rod & Cone

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 35

Connection Ratio

Rods (120 mil.) Optic n. (1.2 mil.)Cones (6 mil.) (105 : 1)

lat. geniculate nu.geniculocalcarine (1:2)

Visual cortex(no. of cells 1,000x of optic n.)

Cones at fovea - 1:1 to ganglion cell

(fig. 3)

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 36

Photochemistry in RodsRhodopsin / Visual PurpleScotopsin + 11-Cis-RetinalVitamin A (all-trans-Retinol)Night Blindness

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 37

การเกิด Receptor PotentialRods ในขณะพัก (ไมถูกแสงสวาง) dark current

cGMP จับกบั Na channel protein ที่ outer segment Na channel เปด

Na+ ว่ิงกลบัเขาเซลลที ่Outer segment (cGMP)K+ ว่ิงออกนอกเซลลที ่Inner segment Na+ - K+ pump ที ่ Inner segment (mito.)

Resting Membrane Potential ~ -40 mV

Na+

Na+

K+

K+

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 38

การเกิด Receptor Potential (2)

Resting Membrane Potential ~ -40 mVเมื่อมีแสงไปกระตุน rods

cGMP ถูก hydrolizedNa channel ปด ทาํให sodium conductance ที่ outer segment

ลดลงNa+ ว่ิงเขาเซลลลดลง แตที่ inner segment ยังมี K+ effluxHyperpolarization (-70 to -80 mV)

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 39

Excitation Cascade

ขบวนการการกระตุนที่เกดิตอเนื่องจนจบสิ้นขบวนการ ซึ่งมีกาํลังขยายอยางมหาศาลแสง 1 photon กระตุน rod เกดิ Receptor Potential 1 mVphoton กระตุน electron ใน 11-cis-retinal ใน rhodopsin metarhodopsin II transducin phosphodiesterasehydrolize cGMP Na channel ปด ทีo่uter segment แต Na pump ยังคงดําเนินอยูที่ inner segment

Hyperpolarization (Receptor Potential)

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 40

Photochemistry in Cones

Photopsin in cones <--> Scotopsin in rodsColor sensitive pigments <--> Rhodopsin in rods

blue (445 nm)green (535 nm)red (570 nm)

Rhodopsin (505 nm)Absorption curve

400 500 600 700

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 41 Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 42

Light & Dark Adaptation

Dark Adaptationอยูที่สวาง : สารไวแสง -> retinal & opsin

มาหองมืดทนัที Vitamin Aตองรอนาน 5-8 นาที ในการสราง rhodopsinAvitaminosis A dark adaptation time ชากวาปกติมาก

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 43

Color Vision

Color : Hue + Light (Intensity) + SaturationVisual Spectrum : 400 - 800 nm

มวง - คราม - น้ําเงิน - เขียว - เหลือง - แสด - แดงUltraviolet InfraredPrimary colors : RGBYoung-Helmholtz Theory -> Trichromatการสราง rhodopsin & สารสี ถูกควบคุมโดย gene

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 44

Color Blindness

Red-Green BlindnessCommonX-linked recessivemale (8%) > female (0.4%)

Test Ishihara Chart TestYarn Matching Test

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 45

Color Blindness Carrier : female

Cone cell defectsRed ProtanopeGreen DeuteranopeBlue Blue weakness (very rare)

XX XY

XX XY XX XY

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 46

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 47

Visual PathwayChailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 48

Visual Pathway (2)

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 49

Pupilary Light Reflex

เพื่อปรับปริมาณแสงเขาตาใหพอเหมาะReflex arc

Receptor : photoreceptor in retinaAfferent : CN II - unilateralPretectal nu. in midbrain (E-W nu.)Efferent : CN III - bilateral Ciliary ganglionEffector : iris muscle (sphincter pupillae)

Direct & Consensual Light ReflexArgyll-Robertson pupil - neurosyphilis (pretectal nu.) (fig. 4-5)

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 50

After Image

คือ การเกิดภาพคางFlash 1/1,000,000 s Image 0.1 sFusion of images (15-30 images/s)Positive / Negative After ImageExample: Optical Illusion

(fig. 6)

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 51

Field of Vision

Physiologic blind spotdiameter 3 mm, 10o temporal sidebinocular vision physiologic blind spot หายไป

กวางที่สดุ : สีขาว > น้ําเงิน & แดง > เขียว

(fig. 7)

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 52

Visual Acuity

แยกภาพจุด 2 จดุทีร่ะยะทางไกลที่สดุ ระยะหนึ่งไดชัดเจน1. Visual angle : 25-30 วิลิบดา ; 3 cone cells (2-3 μm / cell)2. Snellen’s test Interpretation

LE 6/6, RE 6/18 (5/60, 3/60, 1/60)Finger count at 3 ft.Light direction

(fig. 8)

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 53

Binocular Vision

เห็นเปนภาพเดียวใน visual cortex มีประโยชนคือ1. Depth perception2. กะระยะทางไดแมนยํา3. เพิ่มลานสายตา4. จุดบอดจาก optic disc หายไปความผิดปกติ : Diplopia / Double Vision

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 54

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 55 Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 56

Depth Perception / Stereopsis

คือการบอกระยะทางหรือความลึกของวัตถุจากการเห็น1. Image Size2. Binocular Vision3. Parallax

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 57

Visual Pathway and Its LesionsLeft Right

Visual field

Retina

(fig. 9)

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 58

Quadrantanopsia

Homonymous hemianopsia

Heteronymous or Bitemporal hemianopsia

Blindness

With macular sparing

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 59

Special Senses (อายตนะ – แดนตอความรู, เครื่องรู)Stimulus Light SoundAcceleration/Dec.- Linear- AngularTasteSmellThermal, force, pr.vibration, chemicals

Sensory ReceptorRod, ConeHair cellHair cell- Hair cell- Hair cellTaste cellOlfactory cellCutaneous sensory receptor

Sense organRetinaOrgan of CortiVestibular apparatus- Macula- Christa ampularisTaste budOlfactory membraneSkin

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D. Faculty of Medicine Siriraj Hospital 60

About the speaker

Chailerd Pichitpornchai, M.D., Ph.D.

Associate ProfessorDepartment of PhysiologyFaculty of Medicine Siriraj HospitalMahidol University

Tel: +66-(0)-2419-8550 Fax: +66-(0)-2411-5009E-mail: sicpc@mahidol.ac.thURL: www.ps.si.mahidol.ac.th/