[생리학] 10. 감각생리학 (6) 눈과 시각

10. 감각생리학

 

10.6 눈과 시각

관찰된 사물로부터 나온 빛은 각막(cornea)과 수정체(lens)에 의해 안구 뒤쪽에 있는 광수용 망막에 초점이 맺힙니다. 사물과 눈 사이의 다양한 거리에서도 근육 수축에 의해 수정체의 두께와 곡률(만곡)을 변화시켜 망막상에 초점을 유지합니다.

 

 

눈은 전자기 스펙트럼의 에너지를 신경 자극으로 변환합니다. 이 스펙트럼의 제한된 부분만이 광수용기를 흥분시킬 수 있으며, 400~700nm 파장의 전자기 에너지는 가시광선이 됩니다. 적외선 영역에서 파장이 긴 빛은 열로 느껴지지만 광수용기를 흥분시킬 만큼 충분한 에너지를 가지고 있지 않습니다. 가시광선보다 파장이 짧고 에너지가 훨씬 많은 자외선은 수정체의 황색에 의해 걸러집니다. 꿀벌은 자외선 영역에서 빛을 볼 수 있고, 수정체를 제거하면 사람도 자외선을 볼 수 있습니다.

안구의 외층은 바깥쪽에서 눈의 하얀 부분으로 보이는 공막(sclera)으로 단단한 결합조직 피막으로 이루어져 있고, 공막의 조직은 투명한 각막과 연속적입니다. 빛은 각막을 통해 눈의 전안방으로 들어가 홍채(iris)로 둘러싸인 동공(pupil)을 통해 수정체로 들어갑니다.

홍채는 색깔이 있는 근육으로 카메라의 조리개와 같은 역할을 하며, 조리개는 그 틈(동공)의 직경을 늘리거나 줄여 빛의 양을 조절합니다. 홍채의 윤상근(환상근)이 수축하면 동공이 수축하고 방사근이 수축하면 동공이 확장합니다. 동공의 수축은 동안신경(제3뇌신경)을 통한 부교감신경의 자극에 의해 발생하며, 동공의 확장은 교감신경의 자극에 의해 발생합니다. 동공 직경의 편차는 카메라의 f-스톱(f-stop)의 편차와 효과가 비슷합니다.

홍채 뒤쪽에 색소상피가 있어 눈의 색깔을 나타냅니다. 눈의 색깔은 색소의 양에 의해 결정되며, 푸른 눈은 색소의 양이 가장 적고, 갈색 눈은 색소의 양이 조금 더 많고, 검은 눈은 색소의 양이 가장 많습니다. 멜라닌 색소를 합성하지 못해 선천적으로 색소가 없는 백색증(albinism)의 눈은 색소가 없고 혈관이 드러나 옅은 분홍색으로 보입니다. 수정체는 모양체(ciliary body)라고 불리는 근육성 돌기로부터 떠 있습니다. 소대섬유(zonular fiber)는 수정체를 지지하는 현수인대(suspensory ligament)를 형성하여 수정체가 모양체에서 뜰 수 있도록 합니다. 각막과 홍채 사이의 공간을 전안방이라고 하며, 홍채와 모양체와 수정체 사이의 공간을 후안방이라고 합니다.

전안방(anterior chamber)과 후안방(posterior chamber)은 안방수(aqueous humor)라는 액체로 채워져 있는데, 이것은 모양체에서 후안방으로 분비되어 동공을 통해 전안방으로 들어가 혈관이 없는 각막과 수정체에 영양분을 공급합니다. 전안방의 안방수는 공막의 정맥동으로 빠져나가 정맥혈로 돌아갑니다. 안방수가 적절하게 빠져나가지 못하면 안방에 과도하게 축적돼 안압이 상승하는데 이를 녹내장이라고 하고 망막이 심하게 손상되면 시력을 잃을 수도 있습니다.

수정체의 뒤쪽 부분은 두껍고 끈적거리는 물질인 초자체(vitreous body) 또는 초자액(vitreous humor)으로 채워져 있습니다. 수정체에서 나오는 빛은 초자체를 통과하여 안구의 뒤쪽에 있는 광수용기를 포함하는 신경층(neural layer)으로 들어가는데, 이것을 망막(retina)이라고 합니다. 망막을 통과하여 지나간 빛은 아래의 짙게 채색된 맥락막(choroid layer)에 의해 흡수됩니다. 일부 빛은 망막을 통과하는 동안 광수용기를 자극하여 다른 뉴런을 활성화시킵니다. 망막 뉴런의 축삭은 시반(optic disc, 시신경원판)이라고 불리는 지점에 모여 시신경이 되어 망막을 빠져나갑니다. 시반에는 광수용기가 없기 때문에 맹점(blind spot)이라고 불리며, 또한 시반은 혈관이 드나드는 지역이기도 합니다.

 

(1) 굴절

한 밀도 매질에서 나와 다른 밀도 매질로 들어가는 빛은 굴절합니다. 굴절 정도는 두 매질 사이의 상대 밀도에 따라 다르며 굴절률로 표시됩니다. 공기의 굴절률이 1.00일 때 각막의 굴절률은 1.38이고, 안방수와 수정체의 굴절률은 각각 1.33과 1.40입니다. 공기와 각막의 경계면에서 굴절률의 차이가 가장 크기 때문에 대부분의 빛은 각막에서 굴절됩니다.

빛의 굴절은 또한 두 매질 사이의 경계면의 곡률(curvature of interface)에 따라 달라집니다. 각막의 곡률이 일정하고 수정체의 곡률이 변할 수 있기 때문에, 수정체의 굴절 특성은 망막에 빛의 초점이 형성되는 것을 조절할 수 있습니다. 빛이 굴절되기 때문에, 망막에 맺히는 이미지는 상하와 좌우가 바뀝니다.

그래서 망막에 투영된 외부 세계의 부분인 시야는 각각의 눈에서 반대로 됩니다. 각막과 수정체에서 시야의 오른쪽 부분은 각 눈 망막의 왼쪽 절반에 초점을 형성하고, 시야의 왼쪽 절반은 각 망막의 오른쪽 절반에 초점을 형성합니다. 따라서 왼쪽 눈의 내측 망막은 오른쪽 눈의 외측 망막과 같은 이미지를 받고, 오른쪽 눈의 비측 망막은 왼쪽 눈의 외측 망막과 같은 이미지를 받습니다.

 

(2) 원근조절

정상적인 눈이 물체를 볼 때, 평행한 광선은 망막의 초점에 의해 굴절됩니다. 굴절률은 일정하며, 물체가 눈에 가깝거나 멀어지면 초점이 그대로 움직이기 때문에 망막의 뒤쪽이나 앞쪽에 초점이 맺히게 됩니다.

눈과 물체 사이의 거리가 바뀔 때 망막상에 초점을 유지하는 능력을 원근조절(accommodation)이라고 하고, 원근조절은 모양체근의 수축에 의해 발생하는데, 이는 다양한 방법으로 틈을 조절할 수 있는 괄약근과 같습니다. 모양체근이 이완되면, 그 틈은 넓어집니다. 따라서 모양체근의 이완은 현수인대의 소대섬유에 장력을 주어 수정체를 팽팽하게 당깁니다. 이런 현상은 정상적인 눈에서 6m 이상 떨어진 물체를 볼 때 발생하는데, 상이 망막에 초점을 형성하고 수정체가 가장 납작해져 가장 볼록하지 않게 됩니다. 물체가 눈 가까이로 움직일 때, 모양체근은 수축합니다. 모양체근의 수축은 모양체 틈을 좁게 하여 수정체를 떠받치던 소대섬유에 가해지는 장력을 감소시킵니다. 장력이 감소하면 수정체는 그 자체의 탄성으로 인해 더 둥글고 볼록해집니다.

(3) 시력

시력(visual acuity)은 시각의 명료함을 의미합니다. 상의 명료함은 시각적 시스템의 해상력(resovling power)에 따라 결정됩니다. 시각적 해상력은 두 개의 밀접하게 분리된 점을 구별하는 시각적 시스템의 능력을 나타냅니다. 시각 시스템의 해상력이 좋을수록 두 점을 두 점으로 구분할 수 거리가 더욱 가까워집니다.. 시각 시스템의 해상력이 초과되면 점들이 흐릿해지고 하나의 이미지로 인식됩니다.

 

◎ 근시와 원시

정상 시력을 가진 사람은 스넬렌 시력표(Snellen eye chart)에서 6m 떨어진 곳에 서서 '20/20'이라고 표시된 줄의 글자를 읽을 수 있습니다. 근시(myopia)인 사람의 경우 이미지의 초점이 망막 앞에 맺히기 때문에 이 줄의 글자가 흐릿하게 보입니다. 이러한 현상은 안구가 너무 길어졌기 때문에 발생합니다. 근시는 빛을 발산하는 오목렌즈의 안경에 의해 교정되어 초점이 렌즈에서 더 멀리 이동하여 망막으로 되돌아가게 됩니다.

안구(eyeball)가 너무 짧으면 수정체의 초점거리가 망막의 초점거리보다 길어지기 때문에 '20/20'이라고 표시된 줄의 글자가 흐릿하게 보입니다. 그래서 이미지의 초점은 망막의 뒤에 맺히고, 물체가 눈에서 멀리 떨어져 있을 때 선명하게 보입니다. 이러한 조건을 원시 (hyperopia)라고 합니다. 원시는 볼록렌즈에 의해 교정되는데, 볼록렌즈가 광선의 집중을 증가시키면서 초점이 수정체에 가까워지면서 망막 위에서 맺힙니다..

 

◎ 난시

각막과 수정체의 곡률이 완전히 대칭적이지 않으면, 이러한 구조의 한 부분을 통과하는 빛은 다른 부분을 통과하는 빛과 다른 정도로 굴절됩니다. 각막이나 수정체의 비대칭이 심각한 경우에 난시(astigmatism)를 가졌다고 합니다. 난시를 가진 사람이 바퀴의 살처럼 중앙에서 방사되는 선들의 원을 볼 때, 이 선들의 이미지는 360° 내내 선명하게 보이지 않습니다. 원의 희미하게 보이는 부분은 난시 지도를 만드는 데 사용됩니다. 난시는 각막이나 수정체의 비대칭성을 보상하는 원주렌즈로 교정됩니다.