Wie funktioniert das menschliche Auge?

Auge
Auge

Das menschliche Auge ist ein Sinnesorgan. Es nimmt Lichtstrahlen aus unserer Umgebung auf und wandelt es so um, dass die Information im Gehirn weiterverarbeitet werden kann. Das Auge und das Gehirn bilden eine Einheit, die sich gemeinsam entwickelt haben. Neben dem Sehen hat ein Mensch noch vier weitere Sinne: Riechen, Schmecken, Hören und Fühlen. Auf diesen Seiten wird erläutert, wie das menschliche Auge funktioniert. Es ist das Produkt einer Millionen Jahre dauernden Anpassung und Optimierung.

Philosophisch betrachtet ist es nicht so, dass das Auge unsere Umgebung ins Innere des Gehirns spiegelt. Es erfolgt keine "eins zu eins" Übersetzung. Stattdessen interpretiert das Auge die visuelle Information und gruppiert und sortiert sie nach bestimmten festgelegten Prinzipien. Das, was im Gehirn ankommt bzw. dann im Gehirn als ein weit verzweigtes neuronales Muster abgelegt ist, ist nicht "die Realität", sondern unsere Auslegung der vom Auge vorverarbeiteten Realität. Anders gesagt: das Auge kann nur sehen, wozu es im Laufe der Evolution ausgebildet wurde.

Versuchen Sie mal, sich vorzustellen, dass das Bild, das sie vor Augen haben, in ihrem Auge abgebildet wird. Unmöglich, oder?

Die Bestandteile eines Auges

Zur Veranschaulichung der relevanten Bestandteile zunächst der Aufbau des Auges:

Aufbau des Auges
Aufbau des Auges, Bestandteile

Mehr zum Aufbau des Auges

Der Weg des Lichtes ins Gehirn

Das Licht der Sonne wird von den uns umgebenden Dingen reflektiert und dabei gestreut. Ein Teil dieser Lichtstrahlen fällt ins Auge. Dabei trifft es zunächst auf die Hornhaut (Cornea), die das Auge schützend abschirmt und gleichzeitig durch die gewölbte Oberfläche wie eine Sammellinse wirkt. Hinter der Hornhaut befindet sich die Augenkammer, die mit Kammerwasser gefüllt ist. Anschließend fällt das Licht durch die Augenlinse. Die konvexe Wölbung der Linse verstärkt die Brechung des Lichtes durch die Hornhaut. Durch den Glaskörper, der den gröten Teil des Auges bildet, gelangt das Licht dann auf die Augeninnenseite, die mit der Netzhaut (Retina) beschichtet ist.

Der beschriebene "optische Apparat des Auges" bündelt das Licht auf einen möglichst kleinen Punkt auf der Netzhaut abgebildet wird (sog. Makula bzw. Fovea = Ort des schärfsten Sehens). Die Linse ist elastisch und kann aktiv ihre Form verändern, so dass man sowohl im Nahbereich als auch im Fernbereich scharf sehen kann. Diese Fähigkeit des Auges wird als Akkommodation bezeichnet.

Altersweitsichtigkeit

Mit zunehmendem Alter lässt die Akkommodation nach - man spricht dann von Altersweitsichtigkeit (Presbyopie), auch Alterssichtigkeit. Das Auge ist dann nicht mehr so gut in der Lage, zwischen Fernsicht und Nahsicht umzuschalten. Die Alterssichtigkeit entwickelt sich im Laufe der Jahre, aber am Ende kann man kaum noch auf Nahsicht umschalten. Man kann eine Presyopie gut mit einer Lesebrille korrigieren.

Kurzsichtigkeit

Wenn der Lichtstrahl vor der Netzhaut fokussiert wird und sich dann erneut verteilt, spricht man von Kurzsichtigkeit (lat. Myopie). Die Projektion wird so etwas verstreut auf der Netzhaut abgebildet. Das geschieht vor allem bei Dingen, die weit entfernt sind. Man kann auch sagen: Der Augapfel ist für Dinge, die in der Ferne liegen, zu lang, verglichen mit der Brechung des optischen Apparates.

Kurzsichtigkeit (Ursache)
Ursache einer Kurzsichtigkeit: verlängerter Augapfel

Weitsichtigkeit

Genau anders herum verhält es sich bei der Weitsichtigkeit (auch Übersichtigkeit, lat. Hyperopie). In dem Fall ist der Augapfel, gemessen an der Brechkraft des optischen Apparates, zu kurz. Das projizierte Bild wird hinter der Netzhaut fokusiiert, d.h. es sieht unscharf aus.

Weitsichtigkeit (Ursache)
Ursache einer Weitsichtigkeit

Astigmatismus

Wenn die Hornhaut des Auges nicht gleichmäßig gewölbt ist, kommt es zu einer Verzerrung des Bildes. Die Projektion auf der Netzhaut ist dann in einer Richtig "stabförmig" verschoben. Die Fehlsichtigkeit (Ametropie), die sich aus dieser Hornhautverkrümmung ergibt, nennt man Astigmatismus.

Die Netzhaut

Der eigentliche "Sehprozess" findet dann auf der Netzhaut (Retina) statt. Die Retina besteht aus einer Reihe von unterschiedlichen Zelltypen, die sehr unterschiedliche Aufgaben haben. Zunächst wichtig sind die sogenannten Sinneszellen. Sie verwandeln das Licht in einen elektrischen Impuls. Wie das genau abläuft, wird auf der Seite "Wie funktioniert Sehen?" beschrieben. Es gibt zwei Typen von Sehzellen:

Netzhaut (Retina)
Netzhaut (Retina)

Farbensehen

Für das Farbensehen sind drei verschieden Zapfen-Zellen erforderlich:

Chemisch-physikalisch ist der Unterschied einfach, dass die drei Zelltypen bei Licht von unterschiedlicher Wellenlänge reagieren. Trifft also ein Photon mit einer Wellenlänge im Rotbereich auf ein Rotzapfen, dann "feuert" es einen Impuls an die folgenden Zellen. Die anderen beiden Zapfentypen bleiben bei einem "Blau-Photon" still. Sie reagieren entsprechend, wenn Photonen mit ihrer spezifischen Wellenlänge eintreffen. Mehr zur Rot-Grün-Schwäche. Siehe auch Farbsehtest.

Interessant: das Bild wird durch die Linse quasi umgedreht bzw. punktförmig gespiegelt. Am Ende wird es sozusagen auf dem Kopf und seitenverkehrt auf der Netzhaut dargestellt. Aber natürlich braucht es keine "Übersetzung": die Informationen auf der Netzhaut werden natürlich von Gehirn so verarbeitet und interpretiert, dass wir das Bild der Welt "richtig herum" erkennen.

Die Weiterverarbeitung auf der Netzhaut

Die Netzhaut besteht aus einer Vielzahl von weiteren Zellen, die die elektrischen Impulse, die von den Sehzellen gesendet werden, weiterverarbeiten. Dabei wird die visuelle Information aus aneinander-grenzenden Regionen gebündelt, verglichen und im Kontrastfall verstärkt. Grob zusammengefasst kann man sagen, dass nur "neue" und "relevante" Informationen des "Bildes" ans Gehirn weitergeleitet werden. Eine Vielzahl interessanter optischer Täuschungen basiert auf der Verarbeitung der visuellen Information in der Netzhaut. Diese "Filterung" der Information ist sehr effektiv und sparsam. Die Evolution hat das Auge so entwickelt, dass es möglichst wenig Energie verbraucht. Logisch, man muss nicht alles sehen, um zu überleben, sondern nur das, was wichtig ist.

Stereoskopisches Sehen

Der vorstrukturierte optische Information wird dann über den Sehnerv ins Gehirn weitergeleitet. Dabei werden die Informationen aus dem linken und rechten Auge gesammelt und gemeinsam weitergeleitet. Hier entsteht das sogenannte "stereoskopische Sehen", auch "räumliches Sehen" genannt. Die Informationen aus dem linken und rechten Auge sind minimal abweichend, da der Einfallswinkel etwas verschieden ist. Aus dieser Differenz kann das Gehirn dann so etwas wie Raum schlussfolgern. Der räumliche Seheindruck entsteht also aus den unterschiedlichen Informationen der beiden Augen. Korrekterweise muss man allerdings sagen, dass die gelernten Informationen wie Perspektive, Größenverhältnisse und so weiter einen größeren Anteil am dreidimensionalen Seheindruck haben als das stereoskopische Sehen.

Unser Bild der Welt ist ein neuronales Muster

Schließlich gelangt die Information über den Sehnerv ins Gehirn - und hier verteilt sie sich auf große Areale, die unterschiedlich stark abgespeichert werden (über verknüpfte Synapsen der einzelnen Nervenzellen). Letztlich ist diese "neuronale Muster" das, was wir als visuelles Bild der Wirklichkeit kennen. Dieses Muster wird seit dem ersten Tag des Augen-Öffnens ständig weiterentwickelt und modifiziert. Es ist eine Mischung aus visueller Erinnerung und neuen Seheindrücken. Sehen ist ein lebendiger, dynamischer Prozess...

Weitere Informationen über das Auge:

Weitere Themen