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Auge: Aufbau und Funktion

Das Auge ist ein Sinnesorgan. Es nimmt Lichtstrahlen aus unserer Umgebung auf und wandelt es so um, dass die Information im Gehirn weiterverarbeitet werden kann. Auge und Gehirn bilden eine Einheit, die sich gemeinsam im Laufe der Evolution entwickelt hat (Visuelles System). Den Prozess der Verarbeitung nennt man "Sehen", "Schauen" oder "Blicken". Das empfundene Bild, der visuelle Eindruck, wird dabei im Wesentlichen aus der visuellen Erinnerung generiert, in die nur relativ wenige, neue Informationen aus dem Auge eingearbeitet werden.

Aufbau des Auges / Bestandteile
Aufbau des Auges / Bestandteile

Aufbau des Auges

Auge
Auge

Das menschliche Auge ist ein kugelförmiger Körper, der auch als Augapfel bezeichnet wird. Er liegt in der Augenhöhle und ist über verschiedene Muskeln "befestigt". Mit Hilfe der Augenmuskeln kann der Augapfel in verschiedene Richtungen gedreht werden ("aus den Augenwicklen schauen").

Hornhaut (Cornea)

Hornhaut (Cornea)
Hornhaut (Cornea)

Die vordere, "offene" Seite des Auges ist die Hornhaut (Cornea). Diese ist bedeckt mit Tränenflüssigkeit, die in den Tränendrüsen gebildet wird und der Versorgung und dem Schutz des Auges dient. Die Hornhaut ist durchsichtig und besteht aus sechs Schichten. Den ringförmigern Übergang von der Hornhaut (Cornea) zur Lederhaut (Sclera) nennt man Limbus (aus dem lateinischen für "Rand" bzw. "Umgrenzung"). Mit Hilfe der dort angesiedelten Stammzellen wird die Hornhaut permanent erneuert. Sie ist im Zentrum etwas dünner als an den äußeren Bereichen. Das ist vor allem beim Thema Augenlasern von Bedeutung, wenn ein Teil der Hornhaut abgetragen wird, um die Brechkraft zu optimieren. Die Wölbung der Hornhaut bricht das Licht um etwa 45 Dioptrien.

Vordere und hintere Augenkammer / Kammerwasser

Vordere und hintere Augenkammer / Kammerwasser
Vordere und hintere
Augenkammer,
Kammerwasser

Hinter der Hornhaut liegt die vordere Augenkammer, die mit Kammerwasser gefüllt ist. Das Kammerwasser (Humor aquosus) ist eine klare Körperflüssigkeit. Es enthält Nährstoffe und versorgt die Augenlinse und Hornhaut. Zudem schwimmen Immunfaktoren im Kammerwasser, die dazu dienen, potentiell schädigender Fremdkörper und Keime unschädlich zu machen. Darüber hinaus hilft es dabei, einen gleichbleibenden Augeninnendruck zu erzeugen. Hinter der Regenbogenhaut beginnt die hintere Augenkammer. Hier wird das Kammerwasser an den Ziliarfortsätzen erzeugt und freigesetzt. Durch die Pupille strömt es dann langsam in die vordere Augenkammer.

Die Regenbogenhaut (Iris)

Regenbogenhaut (Iris)
Regenbogenhaut (Iris)

Die Regenbogenhaut (Iris) liegt ringförmig im Zentrum der Hornhaut. Sie besteht aus vielen feinen Muskelbahnen, die sich zusammenziehen oder ausweiten können. Die dadurch entstehende runde Öffnung im Zentrum nennt man Pupille. Je dunkler es ist, um so mehr Licht ist für das Sehen erforderlich - entsprechend größer wird die Pupille bei Dunkelheit. Bei sehr hellem Licht ist die Pupille nur klein. Die Iris ist (außer bei sog. Albinos) durch bestimmte Pigmente eingefärbt (blau, braun, grün, grau oder entsprechende Mischwerte).

Pupille
Pupille: Öffnung im Zentrum der Iris

Augenlinse

Augenlinse
Augenlinse

Hinter der Pupille befindet sich die Augenlinse (Phakos). Sie ist für ca. 15 Dioptrien der Brechkraft verantwortlich, allerdings kann sie ihre Brechkraft verändern. Dank dieser Fähigkeit (sog. Akkommodation) kann das Auge sowohl im Nähe als auch in der Ferne scharf sehen. Die Augenlinse ist eine Art flüssige Kugel. Man kann sie mit einem wassergefüllten Ballon vergleichen. In der Mitte - am sog. Linsenäquator - ist die Linse an den Zonulafasern aufgehängt, die vom Ziliarmuskel ausgehen. Die Linsenflüssigkeit verfestigt sich im Laufe der Jahrzehnte. Sie ist somit Ursache der weit verbreiteten Altersweitsichtigkeit. Außerdem verklumpen im Laufe des Alters zunehmend Proteinstrukturen in der Augenlinse, die das Bild eintrüben. Diese Verschlechterung der Sehqualität nennt man auch Grauer Star (Katarakt). Häufig wird dann im Rahmen einer Katarakt-Operation die alte Linse entfernt und einfach eine künstliche Linse eingesetzt - was für klare Sicht auch im Alter sorgt.

Ziliarmuskel

Ziliarmuskel
Ziliarmuskel

Der Ziliarmuskel liegt ringförmig im Augeninneren hinter der Hornhaut. Er kann die Wölbung der Augenlinse aktiv beeinflussen. Im entspannten Zustand ist die Linse flach und in die Länge gezogen - man kann so in der Ferne gut sehen. Wenn sich der Ziliarmuskel jedoch anspannt (Kontrakton), wird der Durchmesser des Ringes kleiner. Die Zonulafasern entspannen sich und die Linse nimmt eine eher bauchige, kugelförmige Gestalt an. Das verändert die Brechkraft der Linse dahingehend, dass man in der Nähe gut sehen kann. Dieser Vorgang wird als Akkommodation bezeichnet.

Der Glaskörper

Glaskörper
Glaskörper

Der Innenraum des Augapfels wird vom Glaskörper ausgefüllt. Er besteht aus einer gelartigen klaren Flüssigkeit und ist vor allem für die Stabilität des Augapfels wichtig: die Flüssigkeit erzeugt einen Druck, den sog. Augeninnendruck. Dieser sorgt dafür, dass sich die umgebenden Schichten nicht ablösen und in sich zusammenfallen. Außerdem wäre das Auge ohne den Augeninnendruck viel empfindlicher für äußere Druck-Einflüsse, die von außen auf die Hornhaut einwirken. Ein unnormaler Augeninnendruck ist Ursache vieler Augenerkrankuneg, zum Beispiel dem Grünen Star (Glaukom).

Der Dioptrische Apparat

Alle Bestandteile, durch die die Lichtstrahlen hindurchgehen, ehe sie auf die Netzhaut treffen, haben eine dioptrische Wirkung. Man nennt sie auch Dioptrischer Apparat. Das Kammerwasser und der Glaskörper sind im Idealfall nahezu durchsichtig, so dass es kaum zu einer messbaren Brechung einzelner Lichtphotonen kommt. Für die eigentliche dioptrische Wirkung sind Hornhaut und Augenlinse zuständig. Das gesamte Auge hat eine Brechkraft von ca. 59 Dioptrie (dpt), davon entfallen ca. 43 dpt (75%) auf die Hornhaut und ca. 19 dpt (25%) auf die Augenlinse (im entspannten, nicht-akkommodierten Zustand).

Dioptrischer Apparat des menschlichen Auges
Dioptrischer Apparat: Brechkraft in Dioptrien

Die Lederhaut (Sklera)

Lederhaut
Lederhaut

Der Augapfel wird im Inneren der Augenhöhle von drei Schichten umschlossen. Die äußere Hülle nennt sich Lederhaut, in der Fachsprache: Sklera. Die Lederhaut hat eine weißlichen Farbe - im vorderen, offenen Teil des Auges kann man sie gut erkennen. Sie umschließt den Augapfel fast vollständig und schützt das Auge. Nur an zwei Stellen ist die Lederhaut unterbrochen: vorne durch die kreisförmige, durchsichtige Hornhaut (Cornea), und hinten auf der Augenrückseite durch den Sehnerv, der aus dem Augeninneren kommt.

Die Aderhaut (Choroidea)

Aderhaut
Aderhaut

Innerhalb der schützenden Lederhaut folgt die Aderhaut, die, wie der Name schon sagt, von zahlreichen Blutgefäßen und Kapillaren durchzogen ist. Das Blut versorgt die Netzhaut mit Nährstoffen und Sauerstoff. Die Choroidea ist dunkel pigmentiert und sorgt so dafür, dass nicht verarbeitetes Licht absorbiert wird (statt ins Augeninnere reflektiert zu werden). Der Effekt der "roten Augen auf Fotos" hängt damit zusammen: das Blitzlicht ist so intensiv, dass es das Augeninnere aufhellt. Die roten Blutgefäße der Aderhaut werden dann auf dem Foto sichtbar.

Die Netzhaut (Retina)

Netzhaut (Retina)
Netzhaut (Retina)

Auf der Rückseite / Innenseite des Auges befindet sich die Netzhaut (Retina). Sie besteht aus verschiedenen Zellschichten: die Photorezeptoren (Stäbchen für Hell-Dunkel-Sehen, Zapfen für Farbensehen) wandeln den Lichtimpuls in einen elektroschen Nervenimpuls um. Die Lichtinformation wird in sog. rezeptiven Feldern gebündelt, verstärkt und über den Sehverv (Sehbahn) ins Gehirn weitergeleitet.

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:

  • die Stäbchen (Hell-Dunkel-Sehen, bei Dämmerlicht oder Dunkelheit aktiv)
  • die Zapfen (verantwortlich für das Farben-Sehen)
Netzhaut (Retina): Aufbau
Netzhaut (Retina): Aufbau in Schichten mit jeweils unterschiedlichen Funktionen

Farbensehen

Für das Farbensehen sind drei verschieden Zapfen-Zellen erforderlich:

  • Zapfen für Rot-Sehen (ca. 46 % aller Zapfen)
  • Zapfen für Grün-Sehen (ca. 46 % aller Zapfen)
  • Zapfen für Blau-Sehen (ca. 8 % aller Zapfen)

Die drei Zapfentypen reagieren jeweils auf Licht unterschiedlicher Wellenlänge. Trifft also ein Photon mit einer Wellenlänge im Rotbereich auf ein Rot-Zapfen, dann "feuert" er einen Impuls an die folgenden Zellen. Die anderen beiden Zapfentypen bleiben bei einem "Rot-Photon" inaktiv (zumindest statistisch gesehen). Sie reagieren entsprechend, wenn Photonen mit ihrer spezifischen Wellenlänge eintreffen.

Farben sehen: Lichtempfindlichkeit der Zapfen
Farben sehen: Lichtempfindlichkeit der Zapfen (Fotorezeptoren)

Wenn eine dieser Zapfentypen aufgrund eines genetischen Defekts nicht richtig ausgebildet sind, komm,t es zu einer Farbsehschwäche oder Farbenblindheit. Siehe zur Rot-Grün-Schwäche. Die genetisch bedingte Farbfehlsichtigkeiten des Auges sind:

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". 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.

Stereoskopisches Sehen
Stereoskopisches 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...

Die Welt auf dem Kopf

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.

Der Gelbe Fleck: Maklua und Fovea

Gelber Fleck (Maklua)
Gelber Fleck (Maklua)

Der Bereich, an der die Lichtinformation gebündelt auf die Netzhaut fällt, ist der Bereich des "schärfsten Sehens". Man nennt ihn Makula (Gelber Fleck). Hier sind die Photorezeptoren besonders dicht gedrängt. Praktisch alle brechungsbasierten Fehlsichtigkeiten (Kurzsichtigkeit, Weitsichtigkeit, Astigmatismus und Altersweitsicht) basieren darauf, dass die gebündelten Lichtstrahlen nicht exakt auf der Makula fokusiiert werden. Aber: Alle diese Fehlsichtigkeiten lassen sich durch Sehhilfen - also optisch korrigierende Linsen - ausgleichen.

Fundus (Augenhintergrund)
Fundus (Augenhintergrund):
feine Blutgefäße
durchzeihen die Retina

Der Blinde Fleck (Papille)

Blinder Fleck
Blinder Fleck

Die Nervenenden der ca. 1 Millionen Ganglienzellen müssen an einer Stelle die Netzhaut verlassen und als Sehnerv in das Gehirn führen. Diese Stelle liegt etwas unterhalb der Makula und etwas nach innen (zur Nase hin) versetzt. Sie wird als Blinder Fleck bezeichnet, weil sich dort keine Fotorezeptoren befinden - folglich kann man alles, was in diese Region projiziert wird, nicht sehen. Alles, was in diesem Bereich abgebildet wird, ist "unsichtbar". Man ist also in einem kleines Teil des Gesichtsfeldes quasi blind.


Sehen ist Gehirnarbeit

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?

Aufbau des Auges von vorne

In der Abbildung des Auges von vorn sind Tränendrüse und Tränensack zu erkennen:

Aufbau des Auges von vorn
Auge: Tränenflüssigkeit - links oben: Tränendrüse - rechts unten: Tränensack

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.

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 (Hornhautverkrümmung)

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.

Astigmatismus
Ursache des Astigmatismus

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.

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