Функциональное взаимодействие дисперсионных физиологических механизмов наведения глаза на резкость с механизмами развития приобретенной миопии. Часть 1. Теоретические аспекты дисперсионной оптометрии
В предыдущей статье [14] было показано, что не «резкость изображения», а предварительная оценка взаимного расположения синих, зелёных и красных полос (СЗК-полос) возбуждения в макуле, а также возможный уровень активации колбочек по условиям их освещённости являются каче-ственным и высокочувствительным входным сигналом для функционирования всей системы управления аккомодацией. Теперь мы теоретически рассмотрим, как работает в гиперметропическом, эмметропическом и миопическом глазу дисперсионный механизм наведения глаза на резкость.
Дисперсионный механизм наведения глаза на резкость
На какую «геометрию» полей возбуждения должна быть настроена макула? На круги светорассеяния или полосы возбуждения?! И хотя эта задача и находится «на стыке» двух дисциплин: оптики и физиоло-гии, она, безусловно, требует уточнения.
Вспомним классический опыт, проведённый предположительно в 1672 г. Исааком Ньютоном в своём родном доме в Вулсторпе. Через малое круглое отверстие, проделанное Ньютоном в ставне окна, в затемненную комнату проникал луч света, а на его пути Ньютон поставил стеклянную трехгранную призму, в которой и преломлялся пучок белого света. На противоположной стене, удалённой от окна на 6 метров, как на экране появлялась горизонтальная разноцветная полоса, которую Ньютон назвал «спектром» (от лат. spectrum – видимое). А само явление – дисперсией (от лат. dispersio – рассеяние) (рис. 1.).
Из серии его опытов со светом стало ясно, что белый свет состоит из лучей разного цвета, а величина преломления каждого луча разная и зависит от «его физической сущности». Ньютон объяснил это явление различием масс корпускул. Удивительно, но Исаак Ньютон, возможно, не обратил внимания ещё на одно поразительное явление: разложенный на цветовые составляющие «круглый» луч белого света, проходя сначала через круглое отверстие в ставне и потом через призму, создавал на стене не круги светорассеивания, а непрерывный спектр с полосовой структурой. Напомним, что круги светорассеяния характерны для интерференции, т.е. когда есть сложение друг с другом в противофазе волн с одинако-выми параметрами. Интерференцию света Ньютон блестяще продемонстрировал в своём классическом эксперименте, названным в его честь как «кольца Ньютона» [36]. А вот дисперсия света в большинстве сред создаёт полосовую структуру.
Были попытки объяснить факт наличия полосового непрерывного спектра разным влиянием на электромагнитную световую волну магнитного поля Земли или, например, с помощью квантовой теории света и теории гравитации [2]. Нам же практически важно уяснить, что полосовой дисперсионный спектр проявляется в природе не только при прохождении белого света через прозрачные кристаллы, стеклянную призму или шар, но и в других средах, имеющих другую пространственную преломляющую структуру: например, в облаке и тумане(рис. 2). И вид непрерывного спектра зависит от свойств преломляющей среды.
Без потери общности рассуждений можно представить, что роговица и хрусталик, по сути, состоят из многочисленных мини-призм. И луч белого света, сразу после прохождения сквозь роговицу с коэффициентом преломления (КП) = 1,376 в водянистую влагу передней камеры с КП = 1,336 [3, 32], по-видимому, должен подвергаться дисперсии при переходе из более сильной в более слабую оптическую среду. И некоторые исследователи отмечали наличие полос разного цвета на внутренней поверхности роговицы или на глазном дне [5]. Сразу возникает вопрос: а почему эти непрерывные цветные полосы можно наблюдать в глазу достаточно редко?
Для того чтобы увидеть свет внутри глаза, от должен от чего-то отразиться. Когда в глазу по разным причинам появляются включения сравнительно больших размеров, то мы их видим в отражённом от них свете. Поэтому введение в полость глаза для диагностики или в моменты хирургического вмешатель-ства различных растворов со сравнительно большими размерами включений позволяет лучше увидеть взаимное расположение и окрашенность внутриглазных структур уже в отражённом свете. Заметим, что в синем свете можно увидеть в растворе более мелкие частицы по сравнению, например, с красным: синий свет обладает большей энергией и поэтому отражённые лучи мощнее.
Поразительно, что для качественного анализа изображения в зрительной коре мозга колбочкам в макуле изначально достаточно фиксировать только три цветовые полосы спектра: синюю, зелёную и красную. И если бы к сетчатке приходил не спектр, а только белый свет, то колбочкам и палочкам пришлось бы сначала научиться выделять из белого света нужную им цветовую составляющую. В этом случае в сетчатке должен был появиться отдельный физиологический механизм выделения СЗК-полос из лучей белого света, явно требующий дополнительного расхода энергии. А энергию надо экономить. Поэтому природа решила эту задачу изящно и просто, причём без расхода энергии, за счёт использования разложения света на составляющие на границе «рогови-ца – водянистая влага».
Синие колбочки сосредоточены в круговом кольце макулы и имеют там огромную концентрацию. Причём синие колбочки отсутствуют в foveola, а в ней есть только зелёные и красные. То есть даже для тонкой «раскраски» изображения мозгу достаточно в foveola всего два цвета, а не три. Это сильный аргумент в пользу достаточности двухцветной теории образования в природе цветовой окраски, а не трехцветной. А вот фиолетово-синяя составляющая спектра обладает самой мощной энергией, поэтому именно на эти лучи целесообразно настроить систему быстрого обнару-жения потенциальной опасности с помощью палочек сетчатки и синих колбочек макулы.
Поэтому для формирования мощного входного сигнала, позволяющего мозгу обеспечить бинокулярную наводку на рассматриваемый объект, концен-трация синих колбочек в «оптическом кольце» макулы существенно выше, чем в других местах сетчатки [14]. А палочки, распределенные по всей огромной площади сетчатки, именно потому чувствительны к фиолетово-синей части спектра, чтобы даже при слабом общем освещении первыми активироваться на куполе сетчатки для быстрого обнаружения движущейся опасности. То есть функциональная задача палочек состоит не в том, чтобы обеспечивать форменное зрение, а в том, чтобы надёжно и даже в отно-сительной темноте обнаруживать движущиеся сбоку объекты.
Конечно, глаза человека и ряда других животных должны быть устроены таким образом, чтобы макула могла воспринимать непрерывные СЗК-полосы, а не так называемые «круги светорассеяния». Это ключевое положение фактически определяет возможную физиологию нашего зрения: ведь в общем спектре входного зрительного стимула должны быть особо выделены трёхцветные линейные полосы, цвет, интенсивность и границу которых, по-видимому, может анализировать мозг с помощью возбуждённых в макуле трёх типов колбочек, различающих только синий, зелёный и красный цвета.
Важно также понимать, что появление круговой засветки макулы почти прямолинейными СЗК-полосами связано с круговой геометрией располо-жения полей СЗК-колбочек в этой плоскости фиксации изображения: это формы, более близкие к кругу. В этих «геометрических кругах» макулы происходит активация СЗК-колбочек от приходящих в макулу и суммарно наложенных друг на друга дисперсионных СЗК-полос, а не кругов светорассеяния.
Заметим, что в составной оптической системе «глазная поверхность – роговица – водянистая влага» сама по себе роговица представляет собой выпукло-вогнутую рассеивающую линзу, которая на грани-це раздела «роговица – водянистая влага» имеет оптическую силу (минус) – 5,8 дптр [34, 35] и отклоняет кнаружи от оптической оси глаза каждую из СЗК-полос, возникшую после дисперсии луча белого света. То есть к хрусталику эти СЗК-полосы приходят от роговицы в виде чуть расходящихся полос, а после их преломления при прохождении через структуры хрусталика эти полосы становятся сходящимися.
И при прохождении через оптические структуры хрусталика ширина пришедших от роговицы базовых СЗК-полос останется неизменной, но на задней поверхности хрусталика угловое отклонение каждой из них в разные фазы аккомодации будет относительно разным в зависимости от цвета полосы, т.е. от степени её склонности к отклонению. Кроме того, после прохождения через собирающую линзу – хрусталик, ширина полос возбуждения будет уменьшать-ся по мере приближения к макуле. Это свойство «обратимости» проверено в многочисленных опытах и позволяет, например, опять собрать полосы засветки от всех лучей спектра в луч белого света с помо-щью двояковыпуклой линзы и призмы, как показано на рис. 3.
Если говорить образно, то на задней поверхности хрусталика фактически образуется своеобразный «светофор-прожектор» с тремя базовыми СЗК-полосами. При этом ширина и область расположения этих полос по вертикали на задней стенке капсулы хрусталика будет определяться его толщиной, радиусом его обеих поверхностей, а также его текущим расположением на оптической оси глаза в разные фазы аккомодации.
Роговица может быть представлена в виде множества мини-призм. Хрусталик – собирающая линза. Передне-задняя ось глаза миопа и эмметропа длиннее, чем у гиперметрома, поэтому макула удалена от хрусталика у миопа на наибольшее расстояние. Каждый из базовых СЗК-лучей будет сведен в одну точку-фокус, но плоскость волнового фронта синей полосы всегда будет ближе к хрусталику, красной – дальше, а зелёная полоса всегда будет находиться между ними.
Обобщая, можно сказать, что во время аккомодации хрусталик преломляет не СЗК-лучи, а СЗК-полосы, степень отклонения которых будет зависеть от одновременной работы трёх известных хрусталиковых биомеханизмов:
• изменения преломляющей силы передней и задней поверхности хрусталика,
• перемещения хрусталика вдоль оптической оси глаза,
• увеличения толщины хрусталика, приводящее к дополнительному расхождению СЗК-волновых фронтов вдоль передне-задней оси глаза (ПЗО) из-за изменения величины тормозного пути в хрусталиковых массах.
Сегодня уже стало понятно, что дисперсия («расплывание») света является результатом взаимодей-ствия оптической (электромагнитной) волны с теми заряженными частицами, которые входят в состав вещества преломляющей среды. Дисперсией света сегодня называется зависимость показателя преломления n вещества от частоты ? (длины волнλ ) света. Заметим, что фазовая скорость распространения в вакууме любой оптической волны раз-ного цвета одинаковая и равна скорости света с = 3 х 108 м/с. Цвет определяется частотой световой волны, а скорость её распространения зависит только от показателя преломления оптической среды. Но где же происходит дисперсия? Только на границе сред или у них внутри?
Хотя Ньютон и открыл дисперсию света, но он не до конца объяснил её сущность, правда, уже тогда считал, что «световые корпускулы, ударяясь о вещество, вызывают в нем волны» [2, 3]. Это нисколько не умаляет величие Ньютона: нам после открытия и разработки волновой, корпускулярной и квантовой тео-рий света сегодня легко рассуждать! Но есть три не отмеченные Ньютоном особенности прохождения белого луча света через прозрачную призму, которые, безусловно, необходимо обсудить, ибо от этого зависит форма и расположение входного оптического сигнала от СЗК-лучей в макуле:
1. Разлагается ли свет в процессе дисперсии луча белого света на круги или на полосы светорассеяния?!
2. Разлагается ли свет на спектральные составляющие уже на первой грани призмы или только на второй грани призмы (т.е. внутри роговицы)?
3. Происходит ли разложение света внутри самой призмы (роговицы) или только на её границах при соприкосновении с менее плотной оптической средой?
Понимание этих особенностей даст нам чёткие представления о структуре и параметрах входного оптического сигнала, приходящего в макулу, а также о том, например, какая из поверхностей оптической линзы – передняя или задняя – собственно и производит разложение белого луча света на составляю-щие. Традиционное представление заключается в том, что при прохождении белого света через призму он расщепляется на спектр сразу после входа в оптическую среду призмы (рис. 4).
Ньютон, возможно, думал так же, когда поставил успешный опыт с выделением с помощью узкой щели только лучей зелёного цвета из всего спектра лучей позади призмы. Однако на практике мы не наблюдаем свечение «радуги» внутри призмы или внутри дра-гоценного камня при прохождении через них лучей белого света. Эту «радугу» мы наблюдаем только на их поверхности (рис. 5, 6). Есть только «конус расширения» белого луча света от точки его входа в про-зрачную призму или шар до выходного белого овала или круга на поверхности выхода.
Почти все драгоценные камни имеют двойное преломление, т.е. у них два значения коэффициента преломления. Одиночным КП обладают алмаз, шпинель и гранат. КП у драгоценных камней изменяется от 3,22 у гематита до 1,52 у опала. Однако белый свет, проходя внутри них, не подвержен дисперсии. Различные сорта стекла имеют КП от 1,47 до 2,14.
Если бы свет разложился на спектр уже внутри призмы, то на тонком полупрозрачном листе бумаги, прижатом к плоскости выходной поверхности призмы или, например, стеклянного шара, должна отразиться «радуга», образованная у них внутри. Но мы этого не видим, а видим только белое выходное пятно засветки(рис. 7В). А вот если чуть-чуть отодвинуть от поверхности призмы лист бумаги, то мы сразу увидим «радугу».
На рис. 7 Бможно увидеть, что на границе разложения каждого белого луча в спектр мощность красной или, соответственно, синей составляющей будет разная. Это перераспределение окраски и определяет, в конечном счёте, базовый цвет каждой из СЗК-полос. Как правило, мы уверенно считаем, что если к задней «выходящей» поверхности призмы плотно приложить белый полупрозрачный тонкий лист бумаги, то мы должны увидеть на нём, как и Ньютон на удалённом экране, хотя и более узкую, но радужную полоску. Однако мы её не видим. А вот если этот лист тонкой бумаги чуть-чуть отодвинуть от поверхности призмы, то на нём будут видны не круги, а полосы светорассеяния, причём чем дальше от призмы, тем большие вертикальные размеры приобретают эти полосы.
Если дополнительно ещё и передвигать в воздухе этот лист бумаги вверх-вниз к краям выходной поверхности призмы, то интенсивность цвета на полосах засветки разным цветом будет изменяться: это хорошо видно но рис. 7Б. Если на засвеченную часть листа попадёт только верхняя часть разложенных белых лучей, то в них будет преобладать интен-сивная красная составляющая спектра, а если лист окажется внизу – то, наоборот, интенсивная фиолетовая и слабая красная составляющие. Но, на наш взгляд, самое важное – это то, что геометрические размеры этих полос засветки будут всегда изменяться пропорционально по отношению к друг другу при разном расстоянии листа бумаги от призмы (рис. 8). Это «настоящее чудо» каждый может сотворить в простом эксперименте у себя дома в качестве ассистен-та Ньютона.
Сказанное означает, что дисперсии света внутри призмы нет, а есть только «разведение» линейного синергетического луча белого света в «конус света». Появление внутри призмы (роговицы) нерасщеплённого на составляющие светового конуса, безусловно, связано с разной энергетической насыщенностью суперпозиции частот в белом луче света, составляющих его спектр, а также с электромагнитным взаи-модействием света с оптическими структурами преломляющего вещества.
Свет как будто «подготавливается» к расщеплению при выходе из более сильной оптической среды в более слабую, собираясь внутри «конуса белого света» в неразделённые пока пучки с преобладанием в каждом из них базовой мощности с условно фиолетово-синим, зелёным и красным диапазонами цвета, имеющими близкую по отношению друг к другу переносимую энергию (частотный диапазон). По-видимому, такая предварительная фильтрационная пакетная «переупаковка» (т.е. изменение супер-позиции частот) СЗК-лучей внутри белого луча в конусе света облегчает его разложение в спектр при переходе границы из «сильной» в «слабую» оптическую среду (рис. 9).
Но поскольку хрусталик – это собирающая линза, то он также способен изменять степень расхождения-сведения СЗК-полос в разные фазы аккомодации, и этот обнаруженный нами четвёртый хрусталиковый исполнительный биомеханизм, на наш взгляд, представляется наиболее важным для высокоэффективно-го функционирования общего аккомодационного механизма наведения глаза на резкость. Сразу отметим, что анализ входного оптического сигнала мы начнём проводить с главного примера: глаз ребёнка в возрасте 3 лет с гиперметропией слабой степени. Это своеобразная «точка отсчёта» в человеческой популяции.
Начиная с возраста 3 года нормальные анатомические размеры глаза, заложенные в генетическом рефракционном механизме, практически сформировались. И первоначальная рефракция в виде слабой гиперметропии характерна для человечества в целом и, по-видимому, для высокоразвитого животного мира в частности. Сегодня мы знаем, что такая рефракция сохраняется у многих представителей живот-ного мира в том случае, когда зрительная среда обитания не требует адаптации к продолжительной работе вблизи.
Для полноты дальнейшего рассмотрения необходимо сначала прояснить один важный вопрос: как же влияет освещённость макулы и сетчатки в целом на создание надёжного и заметного электрического сигнала возбуждения в её колбочках и палочках? Ведь интенсивность приходящего в глаз света создаёт в них определённый и разный уровень электрического потенциала. Разберёмся в этом.
Колбочки и палочки сетчатки, по сути, являются своеобразными «биологическими аккумуляторами». Уровень возникающего в них электрического потенциала (например, 1,5 или 2 вольта) зависит и от интен-сивности приходящего света, в терминах оптики – от освещённости поверхности сетчатки. То есть уровень возбуждения электрического потенциала в структурах сетчатки зависит от мощности наведённого заряда в каждой отдельной «световой биологической батарее» под названием колбочка или палочка.
Начальный уровень заряда в таких «биологических аккумуляторах» должен быть таким, чтобы при прохождении от него электрического импульса к мозгу была возможность преодолеть электрическое сопротивление в структурах электрической части зрительного тракта, в первую очередь – сопротивление аксонов ганглиозных клеток сетчатки. Только такой начальный уровень сигнала возбуждения колбочек или палочек позволит донести до рецепторных зрительных полей нейронов мозга заметный электрический сигнал и обеспечить срабатывание бино-кулярной зрительной системы обнаружения у человека. Очевидно, что уровень наведённого в палочках и колбочках электрического потенциала (в вольтах) имеет определённый порог срабатывания, ниже которого возбуждение нейронных полей в мозгу не происходит.
Классический пример – начальная глаукома. В местах деформации (перегиб и сплющивание) аксонов в решётчатой пластинке склеры (РПС) увеличи-вается их электрическое сопротивление, что приводит к диагностируемому снижению площади поля зрения. Обусловлен этот процесс, по-видимому, тем, что в местах деформации аксоны имеют повышенное электрическое сопротивление, и нормальный электрический потенциал от структур сетчатки приходит к нейронам мозга ослабленным, т.е. ниже функционального порога их срабатывания. В нейроофталь-мологии это состояние традиционно и не вполне корректно называют оптической нейропатией, хотя по-настоящему это электрическая нейропатия, поскольку по аксонам проходит электрический сигнал, а не оптический.
Суть «электрической нейропатии» заключается в том, что хотя ослабленный электрический потенциал и доходит до нейронов зрительных полей, но они не могут его «прочитать» из-за того, что он ниже порога их возбуждения. А мозг в целом трактует это состояние как отсутствие сигнала в отдельных сегментах своих зрительных полей, т.е. как отсутствие стимула для анализа изображения. Поэтому деформированные при начальной глаукоме аксоны гангли-озных клеток сетчатки скорее «живы, чем мертвы», но «терпеливый» мозг на протяжении десятилетий не получает от них сигналов необходимого уровня и потому в конце концов включает лавинообразный апоптоз, чтобы не тратить энергию на поддержание бесполезных структур [18, 25, 28, 29, 30, 31]. Эта «электрическая нейропатия» возникает из-за фоновых процессов ускоренного старения структур глаза, поскольку, по меткому определению доцента Санкт-Петербургской медицинской академии последи-пломного образования Г.В. Родзевич – «глаукома – это старение, опережающее возраст» (1998). На наш взгляд, очень ёмкое определение.
Итак, глаукома – это ускоренное старение структур глаза, в первую очередь связанное с возрастанием ригидности её фиброзной оболочки и ответным ростом ВГД, приводящим к опасной экскавации решётчатой пластинки склеры и деформации аксонов. Это первое ключевое звено. Но есть и второе ключевое звено – это, зачастую, «рукотворное» снижение уровня внутричерепного давления, например, из-за длительного применения бета-блокаторов при гипертонии, также приводящее к увеличению экскавации РПС и дополнительной деформации аксонов [25, 29-31]. Оба этих звена приводят к снижению уровня электрического потенциала, доставляемого в зрительную кору головного мозга.
Но стоит нам применить в глазах с начальной глаукомой медикаментозную или оптическую активацию оттока водянистой влаги, то в ответ уровни ВГД и экскавации РПС часто падают, что даже приводит к так называемому «восстановлению» полей зре-ния по некоторым данным у 70% пациентов с начальной глаукомой [22] и у 80% с вторичной глаукомой [23]. И это «настоящее чудо» в первую очередь связано с выпрямлением деформированных аксонов до обычного состояния. В местах бывшей деформации аксонов их электрическое сопротивление снижается до нормы, что приводит к увеличению приходящего в мозг электрического потенциала до уровня, который равен или выше порога срабатывания нейронов. Поэтому мы уже не раз говорили о том, что одним из перспективных путей лечения глаукомы может быть создание такой медикаментозной терапии, которая будет способна увеличивать электропроводимость аксонов [25, 28, 29-31].
Но и в обычной жизни, в случае слабой освещённости объекта, уровень статического заряда в колбочках и палочках будет снижен и может оказаться ниже порога срабатывания нейронов. Снижение освещённости разных сегментов сетчатки зависит от двух причин: от длины ПЗО и от пре-ломляющей способности хрусталика, который перераспределяет «уровень засветки макулы» СЗК-полосами. Выясним вклад каждой из этих причин в уровень освещённости макулы. Сначала выясним, как влияет на освещённость макулы длина ПЗО. Оценим уровень падения освещённости сетчатки гиперметропа слабой степени и миопа сильной степени при попадании в глаз света от одного и того же точечного источника.
При увеличении ПЗО освещённость сетчатки и, следовательно, возможность создания в ней электрического заряда необходимого уровня будет умень-шаться обратно пропорционально квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности. Это закон природы. Если длина ПЗО гиперметропа слабой степени в возрасте 3 года составляет в среднем 23,0 мм, а у миопа сильной степени – около 33,0 мм [37], то тогда освещённость сетчатки миопического глаза при расположении одинакового точечного источника света на вершине поверхности роговицы будет снижена из-за разницы в длине ПЗО в 2,1 раза. Потому что соотношение освещённостей таково: Qмиопа / Qгиперметропа = (ПЗОмиопа)2 / (ПЗОгиперметропа)2 = (30 мм)2 / (23 мм)2 = 2,1. И это по-настоящему заметное снижение.
Недавно мы даже пришли к гипотезе о том, что снижение нормальной освещённости участков или сегментов макулы в 2 раза приводит к отсутствию сигнала необходимого уровня в зрительной коре мозга. Но эту нашу гипотезу, безусловно, необходимо подтвердить клиническими исследованиями. Это очень важная ступень для создания критерия качества входного оптического сигнала, позволяющего начать разработку регламента зрительной работы для безопасного использования любых достижений «дисплейной цивилизации».
Как же бороться со снижением освещённости, чтобы в «аккумуляторах сетчатки» возникал электрический потенциал необходимого уровня? Самый простой способ – увеличивать яркость и качество источника света. Именно поэтому один из важных путей профилактики глаукомы и миопии – использование ламп повышенной мощности со спектром излучения, соответствующим спектру солнца и, соответственно, сетчатки. Пока же мы можем, например, рекомендовать для освещения рабочего стола расположенную слева от компьютера обычную матовую лампу накаливания мощностью не менее 75 Вт с вольфрамовой нитью.
Спектры других современных источников света не всегда полностью соответствуют спектру чувствительности сетчатки и потому могут являться причи-ной развития миопии или других патологий не только в глазу, но и в организме человека. См. об этом уже опубликованные наши с соавт. аналитические обзоры [5, 21]. Выбор безопасного для глаз современного источника света является важным моментом профилактики миопии. Каждый на личном опыте может убедиться в высокой комфортности чтения при свете «тёплой» желтой лампы со спектром, близким к солнечному, в том числе – по световой температуре не более 2800 К. И это важные аргументы для гигиенистов, занимающихся вопросами видеобезопасности искусственных источников света.
Качество освещённости макулы может играть важную роль не только для системы наведения глаза на резкость, но и для прогрессирование миопии и глаукомы.
Теперь выясним особенности попадания СЗК-полос возбуждения в область макулы у гиперметро-пического глаза слабой степени при работе на дальней, средней и близкой дистанции. Возможно, это позволит нам понять, что же является главной причиной нормальной физиологической адаптации ПЗО такого глаза в случае жизненной необходимости выполнять продолжительную работу вблизи.
Ранее мы уже отмечали, что освещённость макулы зависит как от длины ПЗО, так и от фазы аккомодации (тонуса РМ). Зависимость освещённости макулы от длины ПЗО мы только что выяс-нили. Теперь выясним зависимость освещённости от тонуса РМ. Работа глаза с гиперметропией слабой степени на разных дистанциях, т.е. при разном тонусе РМ, показана нарис. 10, где представлены крайние варианты возможного расположения СЗК-полос возбуждения по отношению к площади макулы.
Анализ рис. 10 позволяет выявить следующее. Кольцо 2 (серый кружок) принадлежит макуле, располагается вокруг foveola и имеет высокую концен-трацию синих колбочек. То есть это кольцо в макуле с максимальной плотностью синих колбочек обладает высокой чувствительностью и способно надёж-но обнаруживать моменты попадания в него полосы из синей составляющей белого света. Это кольцо является, по-видимому, своеобразным «прицелом» для первоначальной фиксации оптического центра глаза на замеченном предмете, а затем последующего включения физиологического механизма точного наведения глаза на резкость за счёт аккомодационной способности хрусталика в сведению-разведе-нию, а также и к наложению ЗК-полос в разные фазы аккомодации.
Отметим, что ресничная мышца рефлекторная, поскольку имеет гладкую морфологическую структуру, а значит она более медленная по сравнению с любой поперечно-полосатой мышцей. Но для наведения на возможно опасный предмет «глазного при-цела», составленного из кольца синих колбочек, не требуется включение ресничной мышцы, а, скорее всего, достаточно только саккадических бинокулярных движений обоих глаз. То есть получается, что мы сначала зрительно бинокулярно фиксируем область «прицеливания» с помощью кольца синих колбочек вокруг foveola, и только потом включаем, при необходимости, аккомодацию. И, по сути, это высокоэф-фективная бинокулярная система наведения с «оптическим прицелом».
Недаром некоторые виды высокоразвитых обезьян, постоянно работающие вблизи (собиратель-ство и разглядывание), приобрели миопическую рефракцию: орангутаны, гориллы, шимпанзе и макаки-резусы. Именно поэтому они вынуждены выстав-лять часовых по периметру стаи, поскольку плохо видят вдаль. И такое поведение вы никогда не встретите у стаи волков: они фактически мало работают вблизи и сохраняют с рождения удобную для их условий обитания начальную гиперметропию [17]. Стоит отметить, что только у вышеуказанных видов обезьян также эволюционно организовался дополнительный путь оттока – трабекулярный, позволяющий длительно работать вблизи, поскольку в этой фазе аккомо-дации отток ВВ через ресничную мышцу затруднён или перекрыт. И у человека, кроме основного – увеосклерального пути оттока ВВ, эволюционно орга-низовался и дополнительный трабекулярный путь оттока, позволяющий длительно работать вблизи. Остальной животный мир имеет только один путь оттока – увеосклеральный [30].
На рисунке 10 (а и б) можно чётко увидеть, что гиперметропический глаз прекрасно приспособлен как для комфортной и надёжной работы вдаль, так и для работы на средней дистанции. Такая рефракция глаза позволяет получать достаточно мощный и максимальный по площади распространения в fovea сиг-нал от каждой из наложенных друг на друга ЗК-полос возбуждения. Это гарантирует высокое качество выходного электрического сигнала возбуждения колбочек fovea в мозг и позволяет быстро и отчётливо распознать объект повышенной опасности.
А вот кратковременная напряжённая зрительная работа вблизи возможна для такого глаза только при максимальном тонусе ресничной мышцы (случай В на рис. 10), но выполнять такую работу продолжительное время невозможно, поскольку РМ и наруж-ные мышцы глаза будут уставать. И для того, чтобы уметь продолжительно и не напряжённо работать вблизи в условиях не максимального тонуса РМ, такому глазу придётся адаптироваться. Эта адаптация обусловлена необходимостью выполнения «закона энергосбережения в биологических системах»: всё живое всегда анатомически приспосабливается таким образом, чтобы суметь выполнять необходимую для выживания работу продолжительное время и в не напряжённом режиме. В случае глаза – при не максимальном тонусе РМ.
Крайние варианты расположения СЗК-полос возбуждения в макуле при пониженном до среднего уровня тонусе РМ представлены на рис. 10г.Снижение тонуса РМ до среднего уровня уменьшает преломляющую способность хрусталика, поскольку он стано-вится таким же плоским, как в случае 10б при работе на средней дистанции. Но мы-то здесь должны надёжно обеспечить возможность продолжительной не напряжённой работы вблизи да ещё при не максимальном тонусе РМ! И решить такую задачу воз-можно только анатомическим удлинением ПЗО, усиливая за счёт этого рефракцию глаза до эмметропии и/или миопии слабой степени. Это и показано на рисунке 10г.
Из рисунка 10 г видно, что во время работы вблизи при среднем тонусе работы РМ СЗК-полосы будут иметь заметно меньшее отклонение от оси глаза по сравнению со случаем в на рис. 10. То есть СЗК-полосы будут существенно сдвинуты от центра маку-лы. У гиперметропа слабой степени это приведёт к неустойчивой фиксации «оптического прицела» на рассматриваемом участке окружающего пространства: синяя полоса возбуждения только малой частью фиксируется в верхнем сегменте площади кольца-прицела. ЗК-полосы также будут сдвинуты к верх-ней части foveola. Долго выполнять такую зрительную работу такому глазу будет достаточно трудно: придётся увеличивать ПЗО и переходить к адаптационной эмметропии.
Как видно из рис. 10г, в глазу эмметропа все СЗК-полосы будут уже достаточно полно представлены и будут надёжно фиксироваться, но по отношению к плоскости foveola ЗК-полосы всё-таки будут располагаться не по центру, а в её верхней половине. В этом случае постоянная фиксация взора всё равно потребует определённых усилий со стороны мышц глаза. А это неблагоприятно для энергосбережения. И если по условиям жизнедеятельности всё-таки потребуется выполнять такую зрительную работу вблизи при минимальном энергопотреблении, то придётся сделать следующий адаптационный шаг: ещё дополни-тельно увеличить длину ПЗО и рефракцию до уровня миопии слабой степени.
На рисунку 10г также видно, что в случае адаптационного перехода к миопии слабой степени все необходимые условия для лучшего приспособления индивида к зрительной среде обитания можно выполнить. В частности, ЗК-полосы располагаются по центру foveola и прекрасно фиксируются. Синяя полоска возбуждения также располагается посередине полосы кольца-прицела и также прекрасно фик-сируется. При этом энергопотребление безусловно может быть снижено.
Стоит отметить, что при тонусе РМ, близком к среднему, межволоконные промежутки с матриксом ресничной мышцы расширяются максимально, и за счёт этого обеспечивается высокий уровень увеосклерального пути оттока (УСПО). При таких бла-гоприятных физиологических условиях работы внутриглазных структур в средней и задней частях глаза обеспечивается нормальный уровень метаболизма и коллагенообразования [11, 25, 26]. Предпосылки для запуска исполнительных механизмов дальнейшего адаптационного удлинения глаза отсутствуют. Какие исполнительные физиологические механизмы непосредственно выполняют задачу адапта-ционного удлинения ПЗО мы также выясним, но чуть позже. Итак, стало понятно, что главной физиологической причиной адаптационного удлинения ПЗО глаза является необходимость выполнения закона энергосбережения, а исходным сигналом для его начала – неблагоприятное расположение СЗК-полос в области макулы.
Кроме того, естественный прямой астигматизм, сохраняющийся у всех людей на Земле практически до самой старости, помогает «собрать» в вертикальном меридиане более чёткую синюю полоску в коль-це вокруг foveola за счёт большей концентрации оптических лучей, исходящих от низа и верха появившегося перед нами предмета. С помощью этого физиологического механизма мы способны мгновенно оценить вертикальные размеры опасности, т.е. способны частично управлять осевой хроматической аберрацией в вертикальной плоскости, что без-условно важно для лучшего выживания вида. Кроме того, именно с удлинением в вертикальном меридиане сориентировано у человека бинокулярное поле зрения [1].
В связи со сказанным стоит обратить внимание на то, что предложения некоторых оптометристов по полному нивелированию естественного физиологического астигматизма в вертикальном мериди-ане, по-видимому, не вполне обоснованы, поскольку «убивают» часть необходимых человеку зрительных функций: ведь не зря всё человечество имеет физиологический прямой астигматизм практически до самой старости [17].
А сейчас рассмотрим рис. 10в «расширенном варианте» и представим себе, что в каждом случае а, б, в, гне только сверху, но и снизу проходят симметричные пограничные СЗК-полосы. И тогда мы смо-жем выделить на плоскости фиксации foveola те зоны, которые будут освещаться или не освещаться верхними и нижними пограничными СЗК-полосами. Эти расположения областей возбуждённых СЗК-полей макулы при разном уровне зрительной работы представлены на рис. 11.
Сразу же попросим читателя обратить внимание на то, что на плоскости фиксации fovea суммарная интенсивность активации колбочек в разных участках её площади будет различна: где-то верхние и нижние пограничные СЗК-полосы будут сильно разведены друг от друга, а где-то нет. Также будут появляться участки в центре foveola, в которых красные или зелёные полосы возбуждения будут отстоять друг от друга. И в промежутках между симметричными полосами будет наблюдаться снижение уровня возбуждённого в колбочках электрического потенциала. Это говорит о том, что мозг должен был научиться «отслеживать» эти тонкие изменения освещённости макулы не только для того, чтобы выработать адекватный сигнал на управление аккомодацией, но возможно также и для формирования цветового изображения с разной яркостью, цветностью и насыщенностью.
Полученные в эксперименте различными авторами кривые спектральной различительной способ-ности глаза имеют сложный характер, но позволяют нам, например, различать около сотни оттенков серого и чёрного цвета [39]. Это говорит о высочайшей чувствительности колбочек к качеству их осве-щённости и о безусловной способности мозга это заметить и создать качественное изображение [2, 9].
На рисунке 11 видно, что в случае а все СЗК-полосы в глазу гиперметропа слабой степени попа-дают в области возможной активации колбочек макулы, хотя полоска активированных синих колбочек имеет минимальную ширину. Однако этот синий входной сигнал обладает максимальной интенсивностью и, по-видимому, будет обеспечивать в коль-це-прицеле макулы подзарядку синих колбочек электрическим потенциалом высокого уровня, т.е. этот сигнал точно будет замечен и проанализирован мозгом. Также в случае авсе пришедшие в глаз ЗК-полосы попадут в область foveola и обеспечат не только возбуждение красных и зелёных колбочек практически на всей её площади, но и высокий уровень наведённого в них электрического потенциала. Такой глаз прекрасно приспособлен для работы вдаль.
В случае работы гиперметропа слабой степени на средней дистанции(рис. 12)мы видим, что полоска активированных синих колбочек имеет среднюю ширину, и это, по сути, для мозга входной электрический сигнал хорошего качества.
Также нарис. 12 видно, что области активации красных и зелёных колбочек от приходящих к foveola ЗК-полос незначительно удалены от её центра. И хотя для полноценной активации задействована не вся площадь foveola, но интенсивность наведённого электрического потенциала непосредственно в возбуждённых зонах максимальная по сравнению с дру-гими вариантами зрительной работы такого глаза.
Такой глаз явно хорошо приспособлен в том числе и для работы на средних дистанциях, не только на дальних. На дальних дистанциях тонус его РМ будет минимальным, а на средних – средним. В итоге, такой глаз может достаточно продолжительное длительное время выполнять не напряжённую зритель-ную работу на средних и дальних дистанциях.
Если же гиперметропу слабой степени потребуется выполнять продолжительную напряжённую работу вблизи, то он сможет это сделать только «на пределе» физиологических возможностей глаза, как показано на рис. 13. Но тогда ресничной мышце и наружным мышцам глаза потребуется включить свой максимальный тонус, а приходящие к макуле пограничные СЗК-полосы будут максимально разнесены по её краям. При этом возможный уровень активации полей возбуждения в плоскости фиксации foveola заметно снизится. Глаз сможет «на пределе» выполнять такую зрительную работу, но только непродол-жительное время. Для продолжительной комфортной работы на ближней дистанции такому глазу потребуется адаптация.
При соответствующих условиях зрительной среды обитания, требующих умения длительно работать вблизи, произойдёт адаптация (удлинение) ПЗО, которая позволит выполнять такую работу продолжительное время в не напряжённом (комфортном) режиме и при не максимальном тонусе РМ. То есть при сниженном энергопотреблении. Для этого глаз с гиперметропией слабой степени должен будет сначала приобрести эмметропическую рефракцию, а при необходимости – затем и миопию слабой степени. Этот случай представлен на рис. 14. Стоит отме-тить, что даже эмметропия – это уже адаптация!
На рисунке 14 видно, что напряжённая для гиперметропа слабой степени зрительная работа может стать комфортной только после адаптационного роста ПЗО и усиления рефракции до миопии слабой степени. Тогда её можно будет выполнять длительное время, но уже при существенно сниженном тонусе РМ. Уровень и условия активации полей возбуждения в макуле будут максимальны, практически заполнят всю площадь fovea и будут близки к случаю работы гиперметропа слабой степени на средней дистанции, как и показано на рис. 14.Но при этом для миопического глаза потребуется тонус РМ более низкого уровня, чем гиперметропу слабой степени. Закон энергосбережения в биологических системах будет выполнен, а глаз фактически приспособился для основной продолжительной работы вблизи.
Но для эффективной профилактики дальнейшего развития начальной миопии в случае постоянной длительной работы вблизи нам необходимо увеличивать её комфортность выполняемой работы. И не только за счёт более высокого уровня освещённости сетчатки с помощью более мощных ламп накаливания, но и за счёт применения ламп со спектром, близ-ким к солнечному, с соответствующей организацией области красного спектра, наиболее воспринимаемого сетчаткой [2, 6, 9].
Из практики мы хорошо знаем, что для увеличения резкости изображения вдаль водители-дально-бойщики и операторы при работе с большими дисплеями успешно применяют жёлтые светофильтры. Эффективность применения жёлтых светофильтров, более близких к области зелёной части спектра, по-видимому, связана с уменьшением хроматических аберраций и повышением контрастности изображения за счёт адекватного «снижения мощности» крас-ной и синей полосы возбуждения в fovea. Кроме того, возникает также и более высокий уровень возбуждения колбочек зелёного цвета, имеющего в своём спек-тре и жёлтую составляющую.
И если это так, то тогда становится более понятным физиологический механизм действия крас-но-зелёного теста при подборе оптометристами корригирующих линз для работы вдаль-вблизь: считается, что они подобраны правильно, если наблю-дается одинаковая чёткость распознавания зрительного стимула как с красным, так и с зелёным фильтром. А это возможно только при полной площади засветки ЗК-полей возбуждения в foveola. Состояние максимальной площади засветки в foveola ЗК-полосами при работе глаза с гиперметропией слабой степени наблюдается на дальней дистанции (рис. 11). Если сказать коротко, то красно-зелёный тест настраивает оптику глаза для работы на дальней и средней дистанции. Хорошо это или плохо?
Возможно самый важный для теории оптометрии физиологический вывод таков: при адекватной адаптированной длине ПЗО именно средний тонус РМ обеспечивает оптимальное физиологическое расположение в foveola CЗК-полос возбуждения, что позволяет снизить энергопотребление и при этом выполнять необходимую зрительную работу длительно, комфортно и высоко надёжно.
Но мы также знаем, что природа – великий оптимизатор! И тогда не стоит удивляться тому факту, что предустановка аккомодации у эмметропического глаза человека в безориентирном пространстве соответствует миопической рефракции – (минус) 1,5-2,0 дптр. [17, 25]. Мы много писали об этом с позиций теории управления и даже ввели термин «предустановка аккомода-ции», которая позволяет перенастроить глаз на работу «вблизь» или «вдаль» за минимальное время и с минимальным расходом энергии [17, 25]. Миопическая предустановка глаза предполагает состояние среднего тонуса у ресничной мышцы, что позволяет «загнать фокус» точно, и, главное, быстро на сетчатку.
Но есть ещё один удивительный факт оптимизации. Как мы выяснили в наших ранних работах, именно средний тонус ресничной мышцы наиболее благоприятен для оттока водянистой влаги и для поддержания процессов метаболизма в средней и задней частях глаза [4, 10-13, 17-20, 24-27, 29]. Выводя оптическую коррекцию миопического глаза на слабую перекоррекцию для дали, мы активно поддерживаем метаболические процессы в его заднем полюсе и сохраняем нормальный уровень коллагенообразования в склере. А это так важно для торможения и профилактики миопии.
Итак, средний тонус РМ необходим:
• для оптимизации зрительного стимула в макуле,
• минимизации времени перенастройки системы аккомодации «вблизь – вдаль»,
• минимизации расхода энергии при выполнении продолжительной не напряжённой зрительной работы,
• а также для профилактики и эффективного торможения адаптационной миопии.
И если вспомнить о наличии первоначально слабой перекоррекции при использовании ортокера-тологических линз ночного ношения, что предполагает поддержание среднего тонуса у ресничной мышцы в течение рабочего дня, то их удивительная эффективность в торможении миопии уже не выглядит загадкой, а, наоборот, стала понятной.
Как мы знаем, в foveola расположены только красные и зелёные колбочки, причём чувствительность зелёных колбочек в разы больше, чем красных. Логично предположить, что зелёные колбочки в первую очередь определяют качество входного оптиче-ского сигнала, и тонкая настройка глаза на резкость, по-видимому, связана именно с полосой возбуждения зелёного цвета. По кольцу вокруг foveola имеются только синие колбочки, концентрация которых значительно выше, чем в других местах сетчатки.
Это кольцо напоминает «оптический прицел», задача которого на первом этапе выделить из общего фонового изображения распознаваемый образ и «поймать» его внутрь foveola как предмет-мишень для более подробного рассмотрения. По-видимому, только в этом случае мозг сможет далее выполнять более точную наводку на резкость. Заметим, что в природе и в технике наибольшей чувствительностью обладают датчики, основанные на относительном перемещении каких-либо структур в измеряемом пространстве.
Сказанное означает, что сама физиологическая возможность чёткого видения, скорее всего, определяется интенсивностью, размерами и поперечным расположением относительно оси глаза полос возбуждения зелёного цвета во все те моменты, когда одновременно активированы и колбочки синего цвета на периферическом кольце вокруг foveola. Если активация синего кольца вокруг foveola отсутствует, то мозг, по-видимому, не сможет создать команду управления для удержания положения и формы хрусталика, позволяющего обеспечить переход к более точному наведению глаза на резкость за счёт регулирования взаимного расположения ЗК-полей возбуж-дения уже в площади foveola.
Из анализа рис. 11-14также можно сделать следующие физиологические Выводы:
• Входной оптический сигнал на плоскости фиксации в foveola характеризуется не только площадью «засветки» полос возбуждения от СЗК-лучей, а также и их геометрическим расположением по отношению друг к другу.
• Физиологический механизм наложения-сведения-расхождения полос возбуждения позволяет определить момент оптически точного наведения глаза на резкость на плоскости фиксации в foveola по моменту сведения (точного касания) красной или наложения на неё зелёной полос возбуждения при первоначальном обязательном появлении поля возбуждения синих колбочек в оптическом прицеле глаза.
• Изменение тонуса РМ приводит к ответному изменению преломляющей силы хрусталика и позволяет направленно изменять расположение полос возбуждения относительно друг друга на плоскости фиксации в foveola.
• Способность зрительной системы человека к реализации всего функционального объёма аккомодации, по-видимому, заключается в том, чтобы инди-видуальная рефракция в каждом глазу при взгляде полностью вдаль позволяла обеспечить сведение (касание) красных полос возбуждения на плоскости фиксации в foveola.
• Для обеспечения качественного бинокулярного зрения в обоих глазах, например, при работе на средних дистанциях, по-видимому, должно быть одновременно достигнуто состояние одинаковой степени сведения для красных и для зелёной полос возбуждения на плоскости фиксации в foveola в каждом глазу при одновременном синхронном возбуждении синих колбочек в оптическом прицеле каждого глаза.
Эти теоретические Выводы отчасти позволяют объяснить пока непонятные клинические факты, полученные в результате исследований зрительной работы глаза на аккомодографе [7]. Функциональные особенности взаимосвязи дисперсионного механизма глаза с физиологическим механизмом адаптаци-онного удлинения ПЗО, а также параметры и условия расположения в макуле СЗК-полос, которые будут инициировать развитие приобретенной миопии, мы рассмотрим в следующей статье.
Сведения об авторах:
Кошиц Иван Николаевич – инженер-механик, биомеханик, ген. директор ЗАО «Питерком-Сети / МС Консультационная группа»
Гусева Марина Геннадьевна – врач-офтальмолог, оптометрист Лечебно-диагностического центра ГУП «Водоканал СПб.»
Эгембердиев М.Б. – канд. мед. наук, зав. офтальмологическим отделением Чуйской областной объединенной больницы г. Бишкека
Светлова Ольга Валентиновна – докт. мед. наук, доцент, профессор кафедры офтальмологии ФГБОУ ВО «Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова Минздрава России»