Is the vision of the eye made up of pixels?
Vereinfacht gesagt hat die menschliche Netzhaut etwa 92 Millionen Stäbchen und 5 Millionen Zapfen, von denen jeder in gewissem Sinne als ein Pixel betrachtet werden kann.
Aber im Folgenden möchte ich erklären, warum das von einem anderen Standpunkt aus nicht stimmt.
Hier sehen wir eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der menschlichen Netzhaut.
Der Sehnerv hat jedoch nur etwa 1 Million Nervenfasern, die die visuellen Signale zum Gehirn leiten, so dass es vom Standpunkt dessen, was das Gehirn sieht - oder zumindest "empfängt" - eigentlich nur 1 Million Pixel gibt.
In Wirklichkeit sind es sogar noch weniger, da nicht alle Sehnervenfasern in den visuellen Kortex des Gehirns münden.
Da die Signale von 97 Millionen Rezeptorzellen auf nur 1 Million Nervenfasern geleitet werden, findet in der Netzhaut offensichtlich eine starke Konvergenz statt.
Schauen wir uns zunächst mal die Stäbchen an.
Sie sind unsere empfindlichsten Netzhautzellen, die für das Sehen bei schwachem Licht (skotopisch oder nachts) zuständig sind. Bemerkenswerterweise kann ein Stäbchen ein Signal und eine bewusste Reaktion auf ein einziges Lichtphoton erzeugen.
Das Sehen bei schwachem Licht (z. B. bei mondlosem oder sternenklarem Licht) wird jedoch erst durch die umfassende neuronale Konvergenz zwischen den Stäbchen und dem Sehnerv (bzw. den Ganglienzellen, deren Axone den Sehnerv bilden) ermöglicht.
Es ist unmöglich, dies in einem Diagramm genau darzustellen, aber das nächste Bild soll zumindest das Konzept verdeutlichen.
Im Stäbchensystem (skotopisch) konvergieren zahlreiche Stäbchen auf eine kleinere Anzahl von Neuronen, die "Bipolarzellen" genannt werden, und zahlreiche Bipolarzellen konvergieren (indirekt - durch Details, die in der Abbildung nicht dargestellt sind) auf jede "Ganglienzelle".
Jede Ganglienzelle produziert eine Sehnervenfaser.
Aufgrund dieser neuronalen Konvergenz repräsentiert ein Signal in einer Sehnervenfaser einen Bereich der Netzhaut von durchschnittlich etwa 1 Quadratmillimeter (größer im fernen peripheren Sehen, kleiner im zentralen Gesichtsfeld).
Das kann man mit einem Pixel im skotopischen System vergleichen.
Wenn du eine Zeitung, eine Zeitschrift oder ein digitales Foto mit 1 mm^2 Pixeln betrachten würdest, wäre das ein extrem körniges Bild, etwa wie die pointillistische Kunst von Georges Seurat.
Und dann musst du dir dieses Gemälde in Schwarz-Weiß vorstellen.
Aber es gibt einen Grund für all diese Konvergenz und den Verzicht auf die Auflösung.
Bei schwachem Licht können diese Stäbchen ihren Input für jede Bipolarzelle und noch mehr für jede Ganglienzelle kombinieren.
Eine schwache Reaktion eines einzelnen Stäbchens reicht vielleicht nicht aus, um eine Sehnervenfaser zu erregen, aber der kombinierte Einfluss vieler Stäbchen kann das schaffen.
Wir erhalten also eine bessere Lichtempfindlichkeit in diesen konvergenten Bahnen - aber der Preis, den wir dafür zahlen, ist eine geringere Bildauflösung.
Das Zentrum unseres Gesichtsfeldes - insbesondere eine kleine Vertiefung, die so genannte Fovea, auf der Sehachse direkt hinter der Mitte der Linse - wird jedoch von winzigen, dicht gepackten Zapfen dominiert.
Außerdem speist jeder Zapfen nur eine Bipolarzelle und jede dieser Bipolarzellen eine Ganglienzelle ein.
Damit hat jeder Zapfen eine "Privatleitung" zum Gehirn. (In größerer Entfernung von der Fovea gibt es eine gewisse Konvergenz der Zapfen, aber immer noch weniger als beim Stäbchensystem.)
In diesem Fall repräsentiert jedes visuelle Pixel - jedes Sehnervsignal - nur 2 Quadratmikrometer (µm) der Netzhaut.
Wir erhalten hier also ein sehr feinkörniges, hochauflösendes Sehen. Deshalb müssen wir etwas wie diesen Text direkt ansehen, um ihn lesen zu können. In unserem peripheren Sehen ist der Text zu grobkörnig, um ihn zu lesen.
Dieses hochauflösende photopische (Tag-)Sehen hat jedoch auch seinen Preis.
Die Zapfen können nicht zusammenarbeiten, um eine Ganglienzelle zu stimulieren; sie können schwache Reaktionen nicht zu einem Signal kombinieren, das stark genug ist, um ein Signal an das Gehirn zu senden.
Daher benötigt jeder Zapfen mehr Lichtenergie, um ein Signal zu erzeugen, und Zapfen werden mit dem Sehen bei Tageslicht (oder Kunstlicht) in Verbindung gebracht. (Die Zapfen reagieren jedoch bis zu einem gewissen Grad auch bei einer Lichtintensität, die irgendwo zwischen Mondlicht und Sternenlicht, das von weißem Papier reflektiert wird, liegt).
Kurz gesagt, die Pixel des Stäbchensystems haben einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 1 mm^2, während die Pixel des Zapfensystems bis zu 2 µm^2 groß sein können.
Auf der Ebene des Sehnervs ist ein skotopisches (Stäbchen-)Pixel 500.000 Mal so groß wie ein photopisches (Zapfen-)Pixel.
Daher ist es leicht zu verstehen, warum wir am Tag viel schärfer sehen als in der Nacht und es ziemlich schwierig ist, bei Mondlicht ein Buch zu lesen.