Introduction to Vision

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1 Introduction to Vision
Chapter 3 Introduction to Vision

2 視覺由眼睛開始 光線角膜（cornea）瞳孔（pupil）水晶體（lens） 網膜（retina） 桿細胞（rods）& 錐細胞（cones） 視神經（optic nerve）

3 光是視覺的刺激 波長(wavelength) 色彩 vs. 波長 可見光波長範圍 400-700 nm (1 nm=10-9 m)
電磁波頻譜的1/70 例外,如響尾蛇

4 眼睛的其他功能 I can see you, so be careful what you do!

5 傳達情感 瞳孔 眼皮 眼淚 CIA追緝令 （The recruit）

6 投射到網膜上的光線，其結構取決於多種因素
環境特性與觀看者的角度 眼球對於光線的折射與聚焦

7 環境特性 eg., 物質的種類與其特性影響反射率 高反射率的表面看起來比較亮，低反射率較暗 反射率突然改變之處為邊界，反射率逐步改變則為曲面
不同物質反射光線的方式也不同，所以它們的「外表」看來不同(Fig 2.16, Blake & Sekuler, 2006)

8 眼球折射與聚焦 眼球結構介紹

9 鞏膜（Sclera） 脈絡膜（Choroid） 角膜(cornea) 富含血管（提供營養） 色素組織 – 吸收多餘光線，降低眼球內反射
前方的鞏膜成透明狀 脈絡膜（Choroid） 富含血管（提供營養） 色素組織 – 吸收多餘光線，降低眼球內反射 紅眼現象與防紅眼裝置 前方形成虹膜（iris） 收縮程度決定瞳孔大小，調整進入眼球光線 瞳孔大小與arousal（興趣，問題難度，非語文溝通）有關

10 水晶體（lens） 網膜 二個室（chambers） 由連結的睫狀肌（ciliary muscle）控制屈度 Aqueous humor
renewed Vitreous humor Not renewed 由連結的睫狀肌（ciliary muscle）控制屈度 網膜

11 水晶體（lens）具有調節 (accommodation)功能
與折射與調節有關的結構 角膜（cornea） 光線折射（80%）--但無法改變形狀 水晶體（lens）具有調節 (accommodation)功能 藉由晶體曲度的變化(變厚或變薄)來使不同距離的物體聚焦於視網膜上 若調節產生問題……..

12 Presbyopia (老花眼) 隨著年齡增加，near point (水晶體無法調節聚焦的最近距離）增加的狀況

13 散光（Astigmatism）– 角膜不平等問題
Hyperopia (遠 視) 晶體彈性不足或眼球距離太短，造成聚焦於網膜之後 Myopia (近 視) 晶體和角膜異常的折射或是眼球過長，造成聚焦於網膜之前 散光（Astigmatism）– 角膜不平等問題

14 光線如何轉換為可以由神經傳遞的電訊號？ 光受器（photoreceptors）為桿細胞（rods）與錐細胞（cones） 外形

15 光線轉換成電能 發生在outer segments 的色素層

16 Opsin & Retinal

17 Visual transduction 光能轉為電能 由isomerization（retinal吸收光子而改變形狀）開始
1 photon is sufficient to isomerize one visual pigment molecule

18 Isomerization triggers the enzyme cascade

19 錐細胞 5百萬個，約有1/100落在fovea，fovea完全沒有rods 桿細胞 一億二千萬個

20 桿細胞均落在網膜周邊—周邊的桿/錐細胞比是20/1

21 Macular degeneration 黃斑部病變 retinitis pigmentosa 視網膜色素病變

22 盲點（blind spot）-- 神經節細胞離開眼球之處，沒有感光細胞
視神經（optic nerve）

23 左眼凝視+，閉右眼，前後移動到左邊圓點消失
為何我們平常不覺得有盲點呢？

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25 暗適應(dark adaptation) 實驗程序 光適應（強光） 測量敏感度(light adapted sensitivity)
關掉光源 連續測量敏感度

26 暗適應曲線 錐細胞適應曲線 如何只針對錐細胞做測量？ 桿細胞適應曲線
如何只針對桿細胞做測量？-- 光刺激呈現在周邊？ -- 用rod monochromat（沒有cones）作受試

27 暗適應的生化基礎 色素分子的再生歷程（visual pigment regeneration）在光環境下色素分子分解（放出電訊號），在暗環境下色素分子再生（促使敏感度提高） pigment bleaching: 色素分子吸收光子後，retinal改變形狀並與opsin 分離而造成retina顏色變淺

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29 pigment regeneration: opsin與retinal在黑暗中重新結合，錐細胞需時6 min，桿細胞需時 30 min---符合暗適應的行為時程

30 Figure 2. 24 Three dark adaptation curves
Figure 2.24 Three dark adaptation curves. The red line is the two-stage dark adaptation curve, with an initial cone branch and a later rod branch. The green line is the cone adaptation curve. The black line is the rod adaptation curve. Note that the downward movement of these curves represents an increase in sensitivity. The curves actually begin at the points indicating “light-adapted sensitivity,” but there is a slight delay between the time the lights are turned off and when measurement of the curves begins. (Partial data [pure rod curve] from “Rhodopsin Measurement and Dark Adaptation in a Subject Deficient in cone Vision,” by W. A. H. Ruston, 1961, Journal of Psychology, 156, Copyright © 1961 by the Psychological Society, Cambridge University Press.) back

31 錐狀細胞及桿狀細胞的光敏感度曲線(spectral sensitivity curve)
閾值及敏感度 sensitivity=1/threshold rod is most sensitive to light of 500 nm while cone is most sensitive to 560 nm

32 Purkinje shift: 暗適應進行時（如黃昏），不同波長光線的敏感度會因為由錐細胞系統轉為桿細胞系統而有變化，造成知覺亮度的改變，例如，紅花與綠葉，前者變得比較不明豔，但後者變得比較亮

33 三種cone pigments綜合產生cone spectral sensitivity curve
短波長色素 nm（最少） 中波長色素 – 531 nm 長波長色素 – 558 nm 一種rod pigment

34 Honeybee absorption spectrum
Absorbs ultraviolet light – strongly reflected by flowers

35 神經元匯聚(neural convergence)
網膜上有五種神經元 垂直連結 桿狀、錐狀細胞→兩極細胞(bipolar cell)→神經節細胞(ganglion cell) 水平連結 水平細胞(horizontal cell) 無軸突細胞(amacrine cell)

36 Figure 3.1(a)

37 光線先經過其他網膜的神經元，才抵達桿狀及錐狀細胞 透明組織 中央錐細胞密度高處較薄
怎麼看得清楚呢？ 透明組織 中央錐細胞密度高處較薄

38 雖然受器細胞有一億二千六百萬個，神經節細胞只有一百萬個 convergence ratio=126:1
Fovea的錐細胞多半與神經節細胞有1-1連結提高錐細胞敏銳度

39 神經處理如何達成知覺的sensitivity與acuity?
匯聚（convergence）或多對一連結增加訊號強度，使敏感度提升

40 Acuity --- 一對一連結增加訊號解析度，使敏銳度提升

41 側抑制（lateral inhibition）
用Limulus作實驗動物 每個小眼連結一個受器（刺激一個小眼引發一個受器反應） 鄰近受器的激發產生抑制作用

42 側抑制影響亮度知覺—Hermann Grid

43 Figure 3.6, page 50 Hermann grid
Copyright © 2002 Wadsworth Group. Wadsworth is an imprint of the Wadsworth Group, a division of Thomson Learning

44 與A連結的兩極細胞受到較多側抑制 與B連結的兩極細胞受到較少側抑制
Figure 3.7, page 51 Hermann grid可以用側抑制解釋 與A連結的兩極細胞受到較多側抑制 Copyright © 2002 Wadsworth Group. Wadsworth is an imprint of the Wadsworth Group, a division of Thomson Learning 與B連結的兩極細胞受到較少側抑制

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46 側抑制影響亮度知覺—Mach Bands Figure 3.8, page 52 Mach bands

47 Figure Circuit to explain the Mach band effect based on lateral inhibition. The circuit works like the one for the Hermann grid in Figure 3.6, with each bipolar cell sending inhibition to its neighbors. If we know the initial output of each receptor and the amount of lateral inhibition, we can calculate the final output of the receptors. (See text for a description of the calculation.)

48 Figure A plot showing the final receptor output calculated for the circuit of figure The bump at B and the dip at C correspond to the light and dark Mach bands, respectively.

49 側抑制影響亮度知覺 -- simultaneous contrast

50 Figure 3.13 How lateral inhibition has been used to explain the simultaneous contrast effect.

51 Figure 3.14 The Benary cross.
這些無法由側抑制解釋 Figure White’s illusion. (From Perception, 1981, 10, p , fig 1a, p Reprinted with permission from Pion, Ltd., London.)

52 End

53 Phantoms of the brain (episode 1)
Phantom limb Blind sight

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58 視覺系統結構