Laboratorium AMP2_ver2

Analiza i modelowanie procesów fizjologicznych
Laboratorium 2
[wersja 2/2016]
Prof. dr hab. inż. Antoni Grzanka
Mgr inż. Ryszard Gomółka
Mgr inż. Katarzyna Kaczmarska
Skrypt do laboratorium – ćwiczenie 2: Wzrok, czucie, węch i smak
Optyka wzroku (Visual optics) [1.5 pkt.]
Schematyczny model strzałkowego przekroju oka obrazuje w jaki sposób światło skupiane jest na siatkówce.
Poprzez wybór odpowiedniej opcji, można zaobserwować co dzieje się ze światłem białym oraz jego składowymi
czerwoną i niebieską (‘Show red / blue’) po przejściu przez soczewkę oka. Przyciski wyłącznego wyboru określają
trzy możliwe odległości obiektu (‘Target at’) oraz 3 stany akomodacyjne (‘Refractive state’): myopii, emmetropii
oraz hypermetropii. Możliwe jest także sterowanie zdolnością akomodacyjną soczewki za pomocą wydzielonego
suwaka ('Accomodation'). Można także dodać okulary (‘Prescription’) o soczewkach zbliżających lub oddalających
obraz widziany.
Wykonaj eksperymenty przy różnych kombinacjach ustawień.
- Opisz jakie kolory widzą lepiej krótkowidze (‘Myopia’), jakie dalekowidze (‘Hypermetropia’) oraz osoby z
dalekowzrocznością starczą (‘Presbyopia’)?
- Opierając się na odległości dobrego czytania (określ), wyjaśnij przy jakiej odległości obiektu widzianego możliwe
jest rozróżnienie tekstu czytanej gazety w warunkach presbyopii? Określ jakościowo wielkość obiektu widzianego.
Zauważ, przy jakich odległościach lepiej widoczne są obiekty w presbyopii, podpowiedź: przy jasnym oświetleniu
oraz gdy źrenica oka (pupil) jest zwężona. Czemu zwężona źrenica poprawia aberrację kolorów?
- ‘Demo’ pozwala obejrzeć prosty pokaz wpływu aberracji kolorów na głębię pozorną. Czy wszystkie kolory
pozwalają na względną percepcję odległości obiektu widzianego z tą samą dokładnością (elementy czerwone,
niebieskie)? Czy akomodacja wymaga zawsze tego samego wysiłku by skupić się na różnych kolorach?
Rozpatrując oba z powyższych ćwiczeń, określ wniosek dotyczący działania badanego systemu: jakie implikacje są
oczywiste dla autoregulacji ostrości wzroku?
Fotoreceptory (Retinal receptors) [1.5 pkt.]
Ćwiczenie opiera się na prostym modelu kaskady zdarzeń: od detekcji fotonu światła przez pręciki ropuchy
(‘toad rods’) po aktywację enzymufosfodiestrazy (PDE), redukcję cGMP (cykliczny guanozynomonofosforan), aż
do zamknięcia kanałów sodowych.
Przycisk ‘Sweep’ uruchamia dziedzinę czasu (czerwona linia) oraz powoduje określenie odpowiedzi wynikowego
prądu fotoreceptorów (zielona linia) w wyniku zadziałania bodźca świetlnego.
Zbadaj wpływ różnych poziomów oświetlenia tła ('background') oraz różnych intensywności bodźca ('Increment').
Zaobserwuj rozmiar odpowiedzi przy dużych bodźcach, a także sposób w jaki jasność tła redukuje wrażliwość na
bodźce? Opierając się na dynamice zmian obserwowanych w modelu, określ czemu znaczenie odgrywa tu względna
różnica intensywności między tłem a bodźcem (uwzględnij wpływ na poziom jonów wapnia, które pośredniczą w
adaptacji poprzez zmianę szybkości z jaką odtwarzany jest cGMP)?
- Wyobraź sobie, że sygnał wzrokowy przesyłany jest w postaci sygnału 0/1 linią sygnałową. Wyjaśnij zjawisko
zawarte w modelu, opisując przy jakim stanie linii (wysoki lub niski) przesyłana jest informacja z nerwó w
wzrokowych do ośrodkowego układu nerwowego? Jakie implikacje dla własności i efektywności przenoszenia
informacji posiada taki mechanizm?
- Przypominając sobie wiedzę z laboratorium 1 oraz podsumowując powyższą analizę, wyjaśnij rolę aktywacji
kanałów jonowych i powstawania potencjału czynnościowego? Kiedy następuje aktywacja receptorów, a kiedy
włókien nerwu wzrokowego?
- Przypominając sobie schemat zaćmienia Słońca i bazując na badanym modelu, wyjaśnij czemu zjawisko ‘korony
Słonecznej’ może doprowadzić do stałej ślepoty? (pytanie dodatkowe).
-Ile kompartmentów ma badany model - wymień je.
[Pole wyboru 'Auto-zero' powoduje, start każdej z odpowiedzi na bodziec z tego samego poziomu. Jeśli chcesz
porównać kolejne stany ustalone - wyłącz to pole. Dla zapewnienia łatwiejszego porównywania, przebiegi są
nakładane dopóki nie zostanie naciśnięty przycisku ‘Clear’.]
Ćwiczenie domowe: Usiądź w ciemnym pomieszczeniu i zamknij oczy. Zanotuj, po jakim czasie zaczniesz widzieć jasne
punkty, chaotycznie pojawiające się i znikające? Wyjaśnij przyczynę tego zjawiska na podstawie wiedzy uzyskanej
podczas zajęć.
Pola odbiorcze (Receptive fields) [1 pkt.]
Ćwiczenie pozwala na wykonanie wirtualnych eksperymentów na różnych rodzajach komórek czuciowych, poprzez
określenie właściwości pól odbiorczych w obecności różnych bodźców. Po prawej stronie znajdują się dwa rodzaje
przycisków: typ bodźca (‘Stimulus’) i typ pola odbiorczego (‘Field’).
Wybierz koło (‘Circle’) jako bodziec i proste duże pole (‘Simple large-field’) jako typ pola. Umieszczając bodziec
w polu odbiorczym, zauważysz pojawienie się białego dysku na czarnym tle (lub czarnego dysku na białym tle, jeśli
zaznaczyłeś ‘Invert white/black’). Możesz zmieniać rozmiar bodźca za pomocą suwaka 'Size'. W przypadku
bodźców o podłużnych kształtach, suwak 'Angle' zmienia ich orientację.
Poziom odpowiedzi receptorów (powstałego sygnału) wyrażony będzie wypełnieniem kolorem niebieskim niżej
umieszczonego suwaka.
- Krótko podsumuj obszary pól odbiorczych oraz ich ogólne cechy. Czy istnieją bodźce pobudzające tylko
odpowiednie receptory? Czy istnieją receptory, które pobudzane są w pełni tylko przez dany kierunek, wielkość,
kształt, kąt i prędkość propagacji bodźca? Jakie bodźce mogą powodować hamowanie odpowiedzi i kiedy? Czy
każde pole recepcyjne pozwala na pobudzenie i odczucie tych samych wrażeń? Opis dostosuj do wiedzy o
receptorach mieszków włosowych oraz pól czuciowych w obrębie dłoni i brzucha.
- Jak mogą reagować receptory bólowe? Jaką rolę mogą spełniać receptory czuciowe będące w sąsiedztwie lub
przesyłające sygnał przez ten sam interneuron?
[Podpowiedź: odpowiedzi pobudzające znajdziesz jedynie w środkowym obszarze mającym niemalże kolisty
kształt. Możesz to potwierdzić zaznaczając pole Reveal po prawej stronie. Dwa pola wyboru powyżej
określają, czy odpowiedź jest odwrócona (tj. hamująca, a nie pobudzająca) i czy charakter odpowiedzi
receptora jest w przeważającej części przejściowy. Zbadaj bardziej wyszukane pola odbiorcze, pobudzając je
różnymi rodzajami bodźców. Nie omiń możliwości przebadania odpowiedzi na ruch i kierunek propagacji
bodźca.]
Receptory czuciowe, ciałko Paciniego (Pacinian corpuscle) [1 pkt.]
Ciałka blaszkowate (‘Pacinian Corpuscle’) są receptorami dotyku i ucisku. W ćwiczeniu badany jest prosty model
właściwości mechanicznych ciałka Paciniego, złożony z elementu sprężystego (sprężyna) reprezentującego rdzeń
oddziałujący na element trący (tłok reprezentujący zewnętrzne warstwy ciałka, wypełnione płynem). Przycisk
‘Sweep’ uruchamia przebieg pokazujący wejściowy bodziec (zielony) i odpowiedź ciałka (kolor żółty) w funkcji
czasu. Po prawej stronie znajduje się sterowanie bodźcem wejściowym: można zmienić jego kształt i częstotliwość.
-Jakie częstotliwości są przenoszone lepiej i czemu? Jakie zalety ma przenoszenie wybranych zakresów
częstotliwości? Na jakie sygnały wrażliwe jest ciałko Paciniego? Czy sygnał jest odwzorowany w czasie
rzeczywistym? Wyszukaj analogię do filtru sygnałowego?
Literatura: R.H.S. Carpenter: Neurophysiology. Arnold, London-Sydney-Auckland, 1996, str. 134, 167-169.
W. Z. Traczyk: Fizjologia człowieka w zarysie, PZWL, wyd. VI, Warszawa 1997, str. 136-142.