The human eye is optimised to have good colour vision at day and high sensitivity at night. But until recently it seemed as if the cells in the retina were wired the wrong way round, with light travelling through a mass of neurons before it reaches the light-detecting rod and cone cells. New research presented at a meeting of the American Physical Society has uncovered a remarkable vision-enhancing function for this puzzling structure. Israel Institute of Technology researchers studied human retinas (image of an eye interior shown). They looked at why cells in our retinas are wired the wrong way round. Light travels through a mass of neurons before it reaches the 'back'. The research suggests the structure appears to enhance our vision . About a century ago, the fine structure of the retina was discovered. The retina is the light-sensitive part of the eye, lining the inside of the eyeball. The back of the retina contains cones to sense the colours red, green and blue. Spread among the cones are rods, which are much more light-sensitive than cones, but which are colour-blind. Before arriving at the cones and rods, light must traverse the full thickness of the retina, with its layers of neurons and cell nuclei. These neurons process the image information and transmit it to the brain, but until recently it has not been clear why these cells lie in front of the cones and rods, not behind them. The human eye can see more that we thought, researchers said in December. It had previously been believed the human eye cannot see infrared light, in the same way we can't see X-Rays and radio waves. However, researchers have revealed that under certain conditions, the retina can sense infrared light after all. An international team of researchers co-led by scientists at Washington University School of Medicine in St. Louis used cells from the retinas of mice and people. By firing powerful lasers that emit pulses of infrared light, the researchers found that when laser light pulses rapidly, light-sensing cells in the retina sometimes get a double hit of infrared energy. When that happens, the eye is able to detect light that falls outside the visible spectrum. This is a long-standing puzzle, even more so since the same structure, of neurons before light detectors, exists in all vertebrates, showing evolutionary stability. Researchers in Leipzig found that glial cells, which also span the retinal depth and connect to the cones, have an interesting attribute. These cells are essential for metabolism, but they are also denser than other cells in the retina. In the transparent retina, this higher density (and corresponding refractive index) means that glial cells can guide light, just like fibre-optic cables. In view of this, my colleague Amichai Labin and I built a model of the retina, and showed that the directional of glial cells helps increase the clarity of human vision.But we also noticed something rather curious: the colours that best passed through the glial cells were green to red, which the eye needs most for daytime vision. The eye usually receives too much blue - and thus has fewer blue-sensitive cones. Further computer simulations showed that green and red are concentrated five to ten times more by the glial cells, and into their respective cones, than blue light. Instead, excess blue light gets scattered to the surrounding rods. This surprising result of the simulation now needed an experimental proof. With colleagues at the Technion Medical School, we tested how light crosses guinea pig retinas. The back of the retina contains cones to sense the colours red, green and blue. Spread among the cones are rods, which are much more light-sensitive than cones, but which are colour-blind. Before arriving at the cones and rods, light must traverse the full thickness of the retina, with its layers of neurons and cell nuclei . Like humans, these animals are active during the day and their retinal structure has been well-characterised, which allowed us to simulate their eyes just as we had done for humans. Then we passed light through their retinas and, at the same time, scanned them with a microscope in three dimensions. This we did for 27 colours in the visible spectrum. The result was easy to notice: in each layer of the retina we saw that the light was not scattered evenly, but concentrated in a few spots. These spots were continued from layer to layer, thus creating elongated columns of light leading from the entrance of the retina down to the cones at the detection layer. Light was concentrated in these columns up to ten times, compared to the average intensity. Even more interesting was the fact that the colours that were best guided by the glial cells matched nicely with the colours of the cones. The cones are not as sensitive as the rods, so this additional light allowed them to function better – even under lower light levels. Meanwhile, the bluer light, that was not well-captured in the glial cells, was scattered onto the rods in its vicinity. These results mean that the retina of the eye has been optimised so that the sizes and densities of glial cells match the colours to which the eye is sensitive (which is in itself an optimisation process suited to our needs). This optimisation is such that colour vision during the day is enhanced, while night-time vision suffers very little. The effect also works best when the pupils are contracted at high illumination, further adding to the clarity of our colour vision.
Israel Institute of Technology researchers studied human retinas .
They looked at why cells in our retinas are wired the wrong way round .
Light travels through a mass of neurons before it reaches the 'back'
The research suggests the structure appears to enhance our vision .
העין האנושית מותאמת לראיית צבע טובה ביום ורגישות גבוהה בלילה. אבל עד לאחרונה נראה היה כאילו התאים ברשתית מחוברים בצורה לא נכונה, כשהאור עובר דרך מסה של נוירונים לפני שהוא מגיע אל המוט ותאי החרוט המזהים. מחקר חדש שהוצג בפגישה של האגודה האמריקנית לפיזיקה חשף פונקציה יוצאת דופן לשיפור הראייה עבור המבנה התמוה הזה. חוקרי המכון הטכנולוגי חקרו את הרשתית האנושית (מוצגת תמונה של פנים העין). הם בדקו מדוע תאים ברשתית שלנו מחוברים בצורה לא נכונה. האור עובר דרך מסה של נוירונים לפני שהוא מגיע ל'גב'. המחקר מצביע על כך שהמבנה נראה כמשפר את הראייה שלנו. לפני כמאה שנה התגלה המבנה העדין של הרשתית. הרשתית היא החלק הרגיש לאור של העין, המציפה את פנים גלגל העין. החלק האחורי של הרשתית מכיל קונוסים כדי לחוש את הצבעים אדום, ירוק וכחול. בין הקונוסים מפוזרים מוטות, שהם הרבה יותר רגישים לאור מחרוטים, אבל הם עיוורי צבעים. לפני ההגעה לחרוטים ולמוטות, האור חייב לחצות את מלוא עובי הרשתית, עם שכבות הנוירונים וגרעיני התאים שלה. הנוירונים הללו מעבדים את מידע התמונה ומעבירים אותו למוח, אך עד לאחרונה לא היה ברור מדוע התאים הללו שוכבים מול החרוטים והמוטות, ולא מאחוריהם. העין האנושית יכולה לראות יותר ממה שחשבנו, אמרו חוקרים בדצמבר. בעבר האמינו שהעין האנושית אינה יכולה לראות אור אינפרא אדום, באותו אופן שאנו לא יכולים לראות קרני רנטגן וגלי רדיו. עם זאת, חוקרים גילו שבתנאים מסוימים, הרשתית יכולה לחוש בכל זאת אור אינפרא אדום. צוות בינלאומי של חוקרים בראשות מדענים מבית הספר לרפואה של אוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס השתמש בתאים מהרשתית של עכברים ואנשים. על ידי ירי לייזרים עוצמתיים הפולטים פולסים של אור אינפרא אדום, החוקרים גילו שכאשר אור לייזר פועם במהירות, תאים חושי אור ברשתית מקבלים לפעמים מכה כפולה של אנרגיית אינפרא אדום. כאשר זה קורה, העין מסוגלת לזהות אור שנופל מחוץ לספקטרום הנראה. זוהי חידה ארוכת שנים, אפילו יותר מאחר שאותו מבנה, של נוירונים לפני גלאי אור, קיים בכל בעלי החוליות, ומראה יציבות אבולוציונית. חוקרים בלייפציג מצאו כי לתאי גליה, שגם הם משתרעים על עומק הרשתית ומתחברים לקונוסים, יש תכונה מעניינת. תאים אלו חיוניים לחילוף החומרים, אך הם גם צפופים יותר מאשר תאים אחרים ברשתית. ברשתית השקופה, צפיפות גבוהה יותר זו (ואינדקס השבירה המתאים) פירושה שתאי גליה יכולים להנחות אור, בדיוק כמו כבלים סיבים אופטיים. לאור זאת, אני ועמיתי עמיחי לאבין בנינו מודל של הרשתית, והראינו שהכיוון של תאי הגליה עוזר להגביר את בהירות הראייה האנושית. אבל שמנו לב גם למשהו די מוזר: הצבעים שהכי טוב עוברים דרך הגליה. התאים היו ירוקים עד אדומים, שהעין זקוקה להם ביותר לראיית היום. העין מקבלת בדרך כלל יותר מדי כחול - ולכן יש לה פחות קונוסים רגישים לכחול. הדמיות ממוחשבות נוספות הראו שירוק ואדום מרוכזים פי חמישה עד עשרה על ידי תאי הגליה, ואל הקונוסים שלהם, מאשר אור כחול. במקום זאת, עודף אור כחול מתפזר אל המוטות שמסביב. התוצאה המפתיעה הזו של הסימולציה הייתה זקוקה כעת להוכחה ניסיונית. עם עמיתים בבית הספר לרפואה בטכניון, בדקנו כיצד אור חוצה את הרשתית של שפן ניסיונות. החלק האחורי של הרשתית מכיל קונוסים כדי לחוש את הצבעים אדום, ירוק וכחול. בין הקונוסים מפוזרים מוטות, שהם הרבה יותר רגישים לאור מחרוטים, אבל הם עיוורי צבעים. לפני שמגיעים לקונוסים ולמוטות, האור חייב לעבור את כל עובי הרשתית, עם שכבות הנוירונים וגרעיני התאים שלה. כמו בני אדם, גם בעלי חיים אלו פעילים במהלך היום ומבנה הרשתית שלהם אופיינו היטב, מה שאפשר לנו לדמות את עיניהם בדיוק כפי שעשינו לבני אדם. אחר כך העברנו אור דרך הרשתית שלהם ובמקביל סרקנו אותם במיקרוסקופ בתלת מימד. זה עשינו עבור 27 צבעים בספקטרום הגלוי. קל להבחין בתוצאה: בכל שכבה של הרשתית ראינו שהאור אינו מפוזר באופן שווה, אלא מתרכז בכמה נקודות. כתמים אלו הומשכו משכבה לשכבה, וכך נוצרו עמודי אור מוארכים המובילים מכניסת הרשתית אל הקונוסים בשכבת הזיהוי. האור היה מרוכז בעמודים אלו עד פי עשרה, בהשוואה לעוצמה הממוצעת. עוד יותר מעניינת הייתה העובדה שהצבעים שהונחו בצורה הטובה ביותר על ידי תאי הגליה התאימו יפה עם צבעי הקונוסים. הקונוסים אינם רגישים כמו המוטות, כך שהאור הנוסף הזה אפשר להם לתפקד טוב יותר - אפילו ברמות אור נמוכות יותר. בינתיים, האור הכחול יותר, שלא נלכד היטב בתאי הגליה, התפזר על המוטות בסביבתו. תוצאות אלו מביאות לכך שרשתית העין עברה אופטימיזציה כך שהגדלים והצפיפות של תאי הגליה יתאימו לצבעים אליהם העין רגישה (שזה כשלעצמו תהליך אופטימיזציה המותאם לצרכים שלנו). אופטימיזציה זו היא כזו שראיית הצבע במהלך היום משתפרת, בעוד שראיית הלילה סובלת מעט מאוד. ההשפעה פועלת בצורה הטובה ביותר גם כאשר האישונים מכווצים בתאורה גבוהה, מה שמוסיף עוד יותר לבהירות ראיית הצבע שלנו.
חוקרי המכון הטכנולוגי חקרו את הרשתית האנושית.
הם בדקו מדוע תאים ברשתית שלנו מחוברים בצורה לא נכונה.
האור עובר דרך מסה של נוירונים לפני שהוא מגיע ל'גב'
המחקר מצביע על כך שהמבנה נראה כמשפר את הראייה שלנו.