Un viaje por nuestro sistema visual (II)

por | 29 septiembre, 2012

Continuamos esta pequeña aventura que iniciamos en el primer artículo de esta serie. En base a una sencilla escena ficticia ( la familia, los niños, las moras, ¿recuerdan?) pudimos conocer a nuestro primer viajero, el fotón, que llegaba desde el sol, se reflejaba en el objeto visible y llegaba a nuestro ojo. Hoy tenemos que resolver el misterio de de la organización de los innumerables fotones que nos llegan del exterior.

El desafío

En el artículo previo poníamos el ejemplo del ojo simple, un sistema visual que existe realmente en los moluscos, consistente en una membrana sensible a la luz. Este ojo primitivo nos puede informar de la presencia de luz, pero es incapaz de formar una imagen. El ser humano, al igual que la práctica totalidad de vertebrados, posee un ojo en cámara, fruto de millones de años de evolución. Los cambios morfológicos y funcionales permiten la creación de una imagen dentro del ojo, una representación virtual del entorno. Pero con toda la complejidad que posee este ojo en cámara, no deja de ser una derivación del ojo simple. Y por lo tanto la forma de integrar la información del exterior, que llega en forma de fotones, con el sistema nervioso es mediante una membrana sensible a la luz. Esta membrana es capaz de transmitir información en forma de impulsos nerviosos cuando es estimulada mediante fotones.
Esta membrana sensible a la luz, que llamaremos retina, está constituida por multitud de células receptoras a la luz. La forma que tiene esta retina de generar la imagen virtual es mediante la ordenación espacial: los fotones que llegan a un punto de la retina se corresponde a un punto del exterior. Así, simplificando mucho, el resto de tejidos del ojo tiene como función hacer que los fotones que llegan del exterior se ordenen cuando llegan a la retina. Concretamente, que los fotones de un solo punto de fuera lleguen a un solo punto retiniano. Los fotones que llegan de otro segundo punto del exterior se reúnan en otros segundo punto retiniano, diferente del primero. Y así sucesivamente con todos los puntos.

La superficie del ojo

Para llevar a buen puerto este viaje “organizador” a través del ojo, la primera parada es la superficie de éste. ¿Qué es lo que vemos cuando miramos un ojo?

La superficie ocular se nos presenta en el espacio que hay entre el párpado superior y el inferior. Vemos una parte blanca que enmarca un círculo de color. Y dentro de éste, un círculo negro. Comencemos con las presentaciones.

  • La zona blanca corresponde con la conjuntiva. Ofrece un recubrimiento de protección al globo ocular y al interior de los párpados. Mantiene la película lagrimal, ofrece una defensa tanto mecánica como biológica. Cuando se inflama por una agresión externa hablamos de conjuntivitis. Por debajo de la conjuntiva está la cápsula de Tenon, tejido de sostén que aísla, sujeta y relaciona diferentes estructuras: la conjuntiva que explicábamos antes, el globo ocular, los músculos, ligamentos, arterias, venas, etc. Y por debajo de la Tenon tenemos la esclerótica o simplemente esclera. Si bien la conjuntiva y la Tenon son tejidos relacionados con el ojo, no pertenecen realmente al globo ocular. Sin embargo la esclera sí. Es su cubierta externa, la más resistente, la que contiene y protege los delicados tejidos intraoculares. Estas tres capas (conjuntiva, Tenon y esclera) se encuentran en planos superpuestos. En lo que ahora nos ocupa tienen un papel secundario porque los fotones no entran por aquí. La conjuntiva es semitransparente, pero la Tenon y la esclera son opacas (1).
  • El círculo de color se llama iris, es la parte más conocida y característica del ojo y realmente no necesita presentación. Cuando hablamos del color de ojos nos referimos al color del iris, ya que la parte que lo rodea (lo que hemos explicado hace un momento de la conjuntiva, Tenon y esclera) es siempre blanca (2) con vasos sanguíneos rojos, y la pupila es siempre negra. El iris sin embargo tiene una gran variedad de colores que abarcan entre el marrón oscuro que casi se confunde con el negro hasta el azul pálido, pasando por distintos tonos de gris, cualquier gama de verde, amarillos y ocres (si bien no se encuentra el amarillo como color único, puede haber zonas amarillentas en iris verdes). Esta amplia gama se debe a la proporción de melanina. Los colores oscuros son más homogéneos, pero los claros y mixtos pueden tener diferentes zonas de color, además de una superficie heterogénea que produce efectos ópticos interesantes, como que el color del iris parece cambiar con la iluminación del entorno, o con la cercanía con la que lo examinamos (un iris gris puede verse más azulado al acercarnos, por ejemplo). En iris claros, los vasos sanguíneos se hacen más visibles, y a veces el color rojo de la sangre puede entrar a formar parte del juego de colores, de forma que a cierta distancia algunos iris pueden parecer más azules que verdes, incluso violetas.
  • En el centro del iris tenemos la pupila, también llamada niña. Es un agujero del propio iris, un círculo negro que se hace mayor o menor en función de la acción de los dos músculos presentes en el interior del iris.

Estos tres elementos son los que vemos a simple vista en la superficie del ojo: “lo blanco” (conjuntiva, Tenon y esclera), el iris y la pupila. Pero realmente no es cierto. El iris y la pupila, aunque los vemos “por fuera”, son estructuras estrictamente intraoculares. Hay un espacio entre la superficie real del ojo y la pupila o el iris, que puede ser de unos 3 milímetros. ¿Cómo puede ser eso?. Se debe a nuestra gran protagonista de hoy, una parte de nuestro sistema visual que rivaliza en importancia con la propia retina: la córnea.


La córnea es un tejido totalmente transparente, curvo como si fuera una parte de una esfera (más o menos, luego matizaremos), de poco más de medio milímetro de espesor y unos 11 milímetros de diámetro en su base. Se continúa con la conjuntiva y la esclera. Junto con la conjuntiva, constituye la superficie ocular. Y junto con la esclera, constituye la cubierta externa del ojo. Esclera y córnea conforman un “estuche sellado” que contienen las estructuras del ojo. Aquello que está por dentro es un tejido intraocular, y lo que queda por fuera sería extraocular.
La córnea es la gran desconocida, por la sencilla razón de que no la vemos. Dejando aparte el tema de los orificios corporales naturales (3), en donde podemos ver tejidos del tipo mucosa que no son ni internos ni externos, a simple vista sólo podemos “ver” la superficie corporal. Los órganos y tejidos internos están vedados a la visión, porque la superficie del cuerpo es opaca. La única excepción es precisamente el ojo. El iris es un tejido interno, y lo podemos ver gracias a que la córnea es transparente.

Aparte de estas curiosidades, la córnea juega un papel muy importante en nuestro viaje, porque va a ser la puerta de entrada de nuestro primer viajero, el fotón, al interior del ojo. Además, también realiza un papel crucial (de hecho, el más importante) para el desafío que hemos planteado al principio del artículo: ordenar los fotones que llegan.

Nuestro viajero entra

Volvamos a la escena ficticia del primer artículo: los niños y las moras. Para simplificarlo, vamos a considerar un sólo ojo que contempla la escena, y de la infinidad de puntos que envían sus fotones, sólo estudiaremos uno solo que viene de una mora. Se trata de unos fotones con la longitud de onda correspondiente al morado, como explicábamos en el artículo anterior, que llegan con dirección divergente. Los que no llegan a la córnea no pasan al interior del ojo, así que nos podemos olvidar de ellos. Sin embargo, ¿qué pasa con los que llegan a la córnea?
Pues lo primero que se encuentran nuestros fotones viajeros es que cambian de medio de transmisión. Hasta ese momento la luz estaba viajando por el aire, un medio transparente que le permite desplazarse sin problemas. Ahora entran en contacto con un medio acuoso. Y no, no son las células de la superficie de la córnea, aunque también las consideramos fundamentalmente agua con fines ópticos. Todavía no hemos llegado al propio tejido corneal. Entre estas células de la superficie y el aire está la película lagrimal. Compuesta principalmente por agua con proteínas, lípidos e iones, como medio de transmisión de la luz es asimilable al agua pura. Es un medio transparente que también deja pasar los fotones a su través sin mayores problemas. Pero el paso crucial es el cambio de medio, el “salto” entre viajar por el aire y viajar por el agua. Cuando un rayo de luz cambia de un medio a otro medio en el que su velocidad de transmisión cambia, se produce un fenómeno físico llamado refracción.

La refracción corneal

La refracción consiste básicamente en un cambio de dirección de la luz. Es el sustrato que explica el funcionamiento de todas las lentes. Una lente artificial es un cuerpo transparente, normalmente de cristal o un sólido semejante, con superficies creadas para inducir un tipo de refracción determinada.
Pero olvidémonos por un momento de las lentes artificiales y volvamos a los medios que teníamos antes: el aire y el agua. El fotón sigue una línea recta en el aire y también en el agua, pero justo en el lugar en el que cambia de medio estas dos líneas forman un ángulo.

La cuantía de la refracción, para lo que nos interesa ahora (4), depende del ángulo que forma el rayo que incide (el fotón que llega por el aire hasta encontrarse con el agua) con la superficie acuosa.
Si la superficie es más o menos plana esta refracción produce un desplazamiento aproximadamente proporcionado. Digamos que la imagen se desplazaría en bloque hacia un lado. Todo el que ha tenido una pecera ha podido experimentar de forma intuitiva estos conceptos. Digamos que la imagen no sufre grandes cambios. La imagen refractada puede verse “desplazada”, “cortada” o algo “girada”, pero sigue con las proporciones y tamaños similares a la imagen original.

Sin embargo la película lagrimal no forma un plano. Como si de un guante se tratara, reproduce fielmente la forma de la córnea. A todos los efectos, la refracción inicial que sufren los rayos luminosos al entrar en el ojo es un efecto fundamentalmente corneal, aunque el sustrato físico sea la película lagrimal.
¿Qué pasaría si no hubiera película lagrimal? Además de que la supervivencia de la córnea y la conjuntiva no es posible sin lágrima, además de las funciones defensivas, nutricionales, regenerativas, etc, el aspecto óptico es crucial. La córnea tiene una curva característica necesaria para que la refracción sea exactamente la que es, como veremos en seguida. Pero eso es así a nivel “macroscópico”, digamos. A escala microscópica la superficie de las células no es para nada regular. Si careciéramos de lágrima la refracción no se realizaría de forma adecuada y la visión se deterioraría. Como de hecho ocurre en las personas que sufren ojo seco, una enfermedad en la que la lágrima se produce de manera insuficiente, con una composición alterada, o no se reparte adecuadamente por la superficie del ojo. Por suerte, en el ojo normal estas irregularidades de superficie se cubren con la película lagrimal, de modo que ofrecemos a los rayos de luz una superficie de refracción perfectamente regular.
Decíamos más arriba que la córnea tiene una forma de curva como si fuera una parte de una esfera, más o menos. Eso quiere decir que a los fotones entrantes les ofrecemos una superficie convexa. Si efectivamente la córnea fuera una parte de una esfera perfecta (y en este momento comenzamos a trazar nuestro modelo teórico), sería una lente convergente perfecta. Una lente convergente es el tipo de lente artificial más utilizada. Está en las cámaras fotográficas y de vídeo, en los telescopios y microscopios, y en las lupas. Quedémonos con este último ejemplo: la mayoría de nosotros hemos jugado con lupas. Sabemos que, jugando con la distancia adecuada, podemos concentrar los rayos de luz en un punto muy pequeño. Según jugamos con la distancia entre la lupa y la superficie de proyección (una mesa, por ejemplo), concentramos la luz en un área mayor o menor, depende de lo lejos o cerca que esté la lupa de la mesa.

Esta es la característica de estas lentes: son capaces de hacer convergentes rayos de luz que llegan paralelos o divergentes. La propia geometría convexa así lo permite. Los rayos que llegan por el centro no sufren refracción. Los que llegan a la zona más periferia de la lente forman un ángulo diferente de 90º, por lo que se refractan. Y cuando más nos alejamos del centro, el ángulo de incidencia es más acusado, y por lo tanto la refracción también. Si la superficie, además de convexa es perfectamente esférica, todos los rayos convergerán en el llamado punto focal.

Y esto es precisamente lo que necesitamos: los rayos que llegan divergentes procedentes de un punto, los hacemos convergentes hasta reunirse en un sólo punto por detrás de la lente, lo que hemos llamado punto focal. L distancia entre el punto focal y la lente depende de la potencia de la lente (cuanto más curva es la lente, más cerca está) y de la cercanía del punto que emite la luz. Cuanto más cerca está el punto emisor de la lente, los rayos llegan más divergentes, y el punto focal se irá hacia atrás. Y si el punto emisor de luz está más atrás los rayos llegan a la lente menos divergentes, y el punto focal se acerca a la lente. Además del tema de las distancias con respecto a la lente, tenemos que considerar las demás posiciones. En la imagen de arriba vemos un esquema en dos dimensiones para entenderlo fácilmente. Pero la lente convergente es realmente tridimensional, y es capaz de refractar rayos que vienen de todas direcciones, no sólo de los puntos que están justo delante.

Para entender hacia dónde converge la luz en función de la localización de la fuente luminosa, se puede entender de forma muy intuitiva si jugamos con el experimento de antes de la lupa y la mesa. Si el punto emisor de luz está justo delante de la lente, el punto focal estará justo detrás. Si el emisor está a la izquierda, el punto focal aparece detrás pero a la derecha. Si el emisor está arriba el punto focal queda abajo.

Y por fin: el primer modelo óptico

Ya tenemos nuestro modelo de córnea: una lente convergente perfecta. Y sabemos lo que hace: los rayos divergentes de una fuente de luz se reúnen en un solo punto por detrás de la córnea, y este punto proyectado se corresponde con la localización del punto de luz exterior. Ya sabemos lo suficiente de óptica para avanzar con nuestro ejemplo del principio: la planta con las moras. Supongamos que la mora es un único punto luminoso que se encuentra a la izquierda de nuestro ojo. Si el globo ocular tuviera una lente convergente perfecta (nuestro modelo teórico), los rayos divergentes de la mora se reunirían por detrás y a la derecha de la lente en un punto y sólo en este. Si ahora suponemos que una hoja verde es también un único punto luminoso, esta vez situado a la izquierda del ojo, sus fotones correspondientes, si bien están entremezclados con los de la mora al viajar por el aire y en la córnea, al final se reúnen por detrás de ésta en un punto situado a la derecha. Si la membrana sensible a la luz, la retina, estuviera en ese plano donde se encuentran estos puntos focales, entonces un punto de la retina, y sólo uno, se estimularía por los fotones violetas de la mora. Y en otra zona de la retina llegan los fotones verdes de la hoja. Si bien durante la mayor parte del trayecto los fotones violetas y verdes estaban entremezclados, compartiendo espacio físico, gracias a los fenómenos de refracción ocular, la información llega separada a la retina. Y en estas condiciones sí es capaz de generarse una imagen virtual en la retina. Y de la refracción ocular que permite esta “ordenación óptica de fotones” tan maravillosa, la parte corneal es la más importante.

Este es el modelo teórico que nos permite entender las generalidades de la óptica del sistema visual humano. Pero sin embargo, las cosas no funcionan así. Ni la córnea es una lente convergente perfecta, ni es una lente suficientemente potente como para por sí misma hacer converger los rayos de luz en la retina (5).
Pero eso lo veremos en el siguiente artículo.

 

—–

1. Cuando decimos que los tejidos que están fuera del eje visual son opacos realmente queremos indicar que la cantidad de fotones que entran a través de los planos conjuntiva-Tenon-esclera es despreciable en circunstancias normales, por lo que no afecta al fenómeno visual y a efectos prácticos los podemos considerar opacos. Pero realmente la luz puede entrar a través de estos tejidos, al igual que puede atraversar los párpados. Sólo adquiere relevancia ante estímulos lumínicos fuertes. En cualquier caso la luz que entra por fuera del eje visual nunca forma una imagen en la retina.

2. Cuando en circunstancias normales vemos desde el exterior la conjuntiva, con la Tenon y la esclera por detrás el color de fondo es blanco y se ven vasos sanguíneos como ramificaciones rojas. Hay variantes de la normalidad, como pigmentaciones pardas o grisáceas en razas de piel oscura. Y numerosas anomalías son capaces de cambiar el color de “lo blanco del ojo”, como en el caso de la ictericia.

3. Con respecto a los orificios corporales, podemos mencionar una curiosidad: si bien podemos reconocer 7 u 8 orificios naturales en función de nuestro sexo, realmente tenemos que añadir 4 más. Va un punto trivial al primero que lo adivine.

4. La refracción depende del ángulo de incidencia (el ángulo que forma el rayo de luz incidente con el plano del cambio de medios) y el la diferencia de los índices de refracción, de los medios transparentes. El índice de refracción mide la relación entre  la velocidad de propagación de la luz de ese medio y la velocidad en el vacío. Cuanto mayor es la diferencia de los índices de refracción entre un medio y otro, mayor refracción. En nuestro caso, el medio externo casi siempre es el aire y el medio interno es el agua, así que estos valores los consideramos constantes (pero no siempre ocurre así). Para saber más, aquí está el artículo sobre la refracción en la Wikipedia española. Las fotografías que he puesto sobre el tema están sacadas de esta fuente.

5. Como veremos en posteriores artículos, la córnea es una lente insuficiente en sí misma para generar una imagen nítida en la retina en la gran mayoría de los casos. Pero existen excepciones, en el caso de miopes altos con una graduación muy concreta.

9 pensamientos en “Un viaje por nuestro sistema visual (II)

  1. Ulises Herrera Soto

    Los otros orificos a los que se refiere son: Película lágrimal, conjuntiva, Tenon y la Córnea.
    Saludos desde México.

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  3. Henry Martínez Rincón

    Imagino que los poros de la piel son uno de los cuatro orificios faltantes…no sabria si también la membrana entre los dedos de los pies y el espacio microscópico existente entre la uña y la piel del dedo propiamente dicha…

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    1. Ocularis Autor

      Descartaríamos los poros por ser entradas microscópicas que además no penetran al interior del cuerpo, ya que las glándulas sudoríparas llegan hasta la dermis. Como pista, los cuatro orificios que faltan tienen mucha relación con los ojos.

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  4. Marta

    Los cuatro orificios restantes son los puntos lagrimales superior e inferior de cada ojo. Muy interesante artículo, como todos los demás. Gracias.

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