What is the detailed structure and function of the human eye?

Aufbau und Funktion des menschlichen Auges

Das menschliche Auge ist ein komplexes Sinnesorgan, das aus verschiedenen spezialisierten Geweben besteht, die Licht aufnehmen, umwandeln und weiterleiten, um den Sehvorgang zu ermöglichen. 1 Die anatomische und physiologische Organisation des Auges ermöglicht die präzise Wahrnehmung von Licht, Farben und Bewegungen in unserer Umgebung.

Anatomischer Aufbau

Äußere Augenhülle

• Sklera (Lederhaut):

  • Besteht aus dichtem Bindegewebe
  • Akustische Impedanz von 1,67±0,06 MRayl und Dichte von 1,03±0,04 g/cm³ 1
  • Bildet die weiße, schützende äußere Hülle des Auges
  • Geht im vorderen Bereich in die transparente Hornhaut über

• Kornea (Hornhaut):

  • Transparente Struktur im vorderen Augenabschnitt
  • Mehrschichtiger Aufbau:
    • Kornealepithel: hochregelmäßiges, geschichtetes, nicht-keratinisiertes Plattenepithel 1
    • Kornealstroma: präzise organisierte Kollagenfibrillen in parallelen Bündeln, umgeben von extrazellulärer Matrix (Glykosaminoglykane wie Keratansulfat, Chondroitinsulfat, Dermatansulfat und Hyaluron) und Keratozyten 1
  • Akustische Eigenschaften: Kornealepithel mit Impedanz von 1,60 MRayl, Kornealstroma mit 1,63±0,05 MRayl 1
  • Brechkraft: Hauptbrechkraft des optischen Systems (ca. 43 Dioptrien)

Mittlere Augenhaut (Uvea)

• Choroidea (Aderhaut):

  • Stark vaskularisierte Schicht zwischen Retina und Sklera
  • Versorgt die äußeren Schichten der Netzhaut mit Sauerstoff und Nährstoffen
  • Akustische Impedanz von 1,59±0,02 MRayl und Dichte von 0,99±0,04 g/cm³ 1

• Ziliarkörper:

  • Enthält den Ziliarmuskel (akustische Impedanz: 1,58±0,02 MRayl) 1
  • Produziert das Kammerwasser
  • Steuert über Zonulafasern die Linsenform bei der Akkommodation

• Iris (Regenbogenhaut):

  • Ringförmige, pigmentierte Membran mit zentraler Öffnung (Pupille)
  • Reguliert den Lichteinfall durch Pupillenweite
  • Enthält glatte Muskelfasern (Dilatator und Sphinkter)

Innere Augenhaut

• Retina (Netzhaut):

  • Mehrschichtige neurosensorische Schicht
  • Akustische Impedanz von 1,57±0,01 MRayl und Dichte von 0,97±0,03 g/cm³ 1
  • Enthält lichtempfindliche Photorezeptoren:
    • Stäbchen: ca. 120 Millionen, für das Dämmerungssehen
    • Zapfen: ca. 6 Millionen, für das Farbsehen und Scharfsehen
  • Schichtenaufbau von außen nach innen:
    • Retinales Pigmentepithel (RPE)
    • Photorezeptorschicht (Stäbchen und Zapfen)
    • Äußere Grenzmembran
    • Äußere Körnerschicht (Zellkörper der Photorezeptoren)
    • Äußere plexiforme Schicht
    • Innere Körnerschicht (Bipolar-, Horizontal- und Amakrinzellen)
    • Innere plexiforme Schicht
    • Ganglienzellschicht
    • Nervenfaserschicht (RNFL)
    • Innere Grenzmembran

• Makula und Fovea centralis:

  • Makula: Bereich des schärfsten Sehens
  • Fovea centralis: Zentrale Vertiefung in der Makula mit höchster Zapfendichte

Innere Strukturen

• Linse:

  • Bikonvexe, transparente Struktur
  • Akustische Impedanz von 1,73±0,03 MRayl und Dichte von 1,06 g/cm³ 1
  • Besteht aus Linsenkapsel, Linsenepithel und Linsenfasern
  • Verändert ihre Form zur Akkommodation (Naheinstellung)

• Glaskörper (Corpus vitreum):

  • Gallertartige, transparente Substanz
  • Füllt den Raum zwischen Linse und Netzhaut
  • Akustische Impedanz von 1,54±0,04 MRayl und Dichte von 1,01 g/cm³ 1
  • Besteht zu 99% aus Wasser, enthält Kollagenfibrillen und Hyaluronsäure

• Kammerwasser:

  • Klare Flüssigkeit in der vorderen und hinteren Augenkammer
  • Wird vom Ziliarkörper produziert und über das Trabekelwerk abgeleitet
  • Wichtig für den Augeninnendruck und die Ernährung von Hornhaut und Linse

Hilfsorgane des Auges

• Augenlider:

  • Schützen das Auge vor Fremdkörpern und Austrocknung
  • Enthalten die Meibom-Drüsen, die den Lipidanteil des Tränenfilms produzieren 1

• Tränenapparat:

  • Tränendrüsen: produzieren den wässrigen Anteil der Tränenflüssigkeit
  • Tränenfilm: komplexe Struktur aus wässriger, nährstoffreicher Komponente und Lipidschicht 1
  • Tränenkanälchen und Tränennasengang: leiten überschüssige Tränenflüssigkeit ab

• Augenmuskulatur:

  • Sechs äußere Augenmuskeln pro Auge (vier gerade, zwei schräge)
  • Ermöglichen präzise Augenbewegungen und Fixation

Physiologische Funktionen

Optisches System und Lichtbrechung

• Brechkraft:

  • Gesamtbrechkraft des Auges: ca. 58-60 Dioptrien
  • Hauptbrechkraft durch Hornhaut (ca. 43 Dioptrien)
  • Variable Brechkraft durch Linse (ca. 15-20 Dioptrien)

• Akkommodation:

  • Anpassung der Linsenbrechkraft für Nah- und Fernsicht
  • Kontraktion des Ziliarmuskels entspannt die Zonulafasern
  • Linse nimmt durch Eigenelastizität eine stärker gewölbte Form an (erhöhte Brechkraft)

Lichtwahrnehmung und Signalverarbeitung

• Phototransduktion:

  • Umwandlung von Lichtreizen in elektrische Signale durch Photorezeptoren
  • Stäbchen: enthalten Rhodopsin, hochempfindlich bei schwachem Licht
  • Zapfen: drei Typen (rot-, grün-, blauempfindlich) für Farbsehen

• Signalverarbeitung in der Retina:

  • Vertikale Signalweiterleitung: Photorezeptoren → Bipolarzellen → Ganglienzellen
  • Horizontale Verschaltung: durch Horizontal- und Amakrinzellen
  • Kontrastverstärkung und erste Bildverarbeitung bereits in der Netzhaut

• Weiterleitung zum Gehirn:

  • Axone der Ganglienzellen bilden den Sehnerv (Nervus opticus)
  • Akustische Impedanz des Sehnervs: 1,57±0,02 MRayl 1
  • Kreuzung im Chiasma opticum
  • Weiterleitung über Corpus geniculatum laterale zum visuellen Kortex

Schutz- und Regulationsmechanismen

• Pupillenreaktion:

  • Regulation des Lichteinfalls durch Erweiterung/Verengung der Pupille
  • Lichtreflex: Verengung bei hellem Licht
  • Naheinstellungsreaktion: Verengung bei Nahfixation

• Tränenfilm:

  • Dreischichtiger Aufbau: Muzinschicht, wässrige Schicht, Lipidschicht
  • Funktionen:
    • Schutz der Hornhautoberfläche
    • Erhöhung der optischen Qualität durch glatte Oberfläche
    • Antibakterielle Wirkung durch Enzyme wie Lysozym 1

• Immunprivileg des Auges:

  • Spezielle immunologische Umgebung zum Schutz vor Entzündungsreaktionen
  • Blut-Retina-Schranke verhindert unkontrollierten Eintritt von Immunzellen
  • Immunsuppressive Moleküle regulieren Immunzellen 2

Histologische Besonderheiten

Hornhaut

• Fünfschichtiger Aufbau:
  • Epithel: mehrschichtiges, nicht verhorntes Plattenepithel
  • Bowman-Membran: azelluläre Kollagenschicht
  • Stroma: regelmäßig angeordnete Kollagenfibrillen und Keratozyten
  • Descemet-Membran: Basalmembran des Endothels
  • Endothel: einschichtiges Plattenepithel mit Na⁺-Transportfunktion zur Regulation des Wassergehalts 1

Netzhaut

• Zelluläre Organisation:

  • Photorezeptoren mit Außen- und Innensegment
  • Bipolarzellen als erste Umschaltstelle
  • Ganglienzellen mit langen Axonen zum Sehnerv
  • Stützzellen (Müller-Glia) durchziehen die gesamte Netzhaut

• Retinales Pigmentepithel (RPE):

  • Einschichtiges Epithel zwischen Photorezeptoren und Choroidea
  • Funktionen:
    • Phagozytose abgestoßener Photorezeptoraußensegmente
    • Teilnahme am Sehzyklus (Vitamin-A-Stoffwechsel)
    • Bildung der äußeren Blut-Retina-Schranke

Linse

• Avaskuläre Struktur:

  • Keine Blutgefäße zur Erhaltung der Transparenz
  • Ernährung durch Diffusion aus dem Kammerwasser

• Zellulärer Aufbau:

  • Linsenkapsel: dicke Basalmembran
  • Linsenepithel: nur an der Vorderfläche
  • Linsenfasern: langgestreckte, kernlose Zellen mit hohem Kristallingehalt

Diagnostische Verfahren zur Untersuchung des Auges

Klinische Untersuchungsmethoden

• Spaltlampenbiomikroskopie:

  • Ermöglicht die detaillierte Untersuchung der vorderen Augenabschnitte
  • Beurteilung von Hornhaut, Vorderkammer, Iris, Linse und vorderem Glaskörper 1

• Ophthalmoskopie:

  • Direkte und indirekte Methode zur Untersuchung des Augenhintergrunds
  • Beurteilung von Netzhaut, Gefäßen und Sehnervenkopf 1

• Optische Kohärenztomographie (OCT):

  • Hochauflösende Querschnittsbilder der Netzhaut und des Sehnervs
  • Messung der Nervenfaserschichtdicke (RNFL) zur Glaukomdiagnostik 3
  • Beurteilung der Makula bei Makulaerkrankungen

Funktionsprüfungen

• Visusbestimmung:

  • Prüfung der zentralen Sehschärfe für Ferne und Nähe 1

• Refraktionsbestimmung:

  • Ermittlung der Brechkraft des Auges und eventueller Fehlsichtigkeiten 1

• Gesichtsfelduntersuchung:

  • Prüfung des peripheren Sehens
  • Konfrontationstest als Screening 1

• Farbsehprüfung:

  • Untersuchung des Farbunterscheidungsvermögens 1

Häufige Erkrankungen und ihre anatomischen Grundlagen

• Refraktionsfehler:

  • Myopie (Kurzsichtigkeit): zu lange Augachse oder zu starke Brechkraft
  • Hyperopie (Weitsichtigkeit): zu kurze Augachse oder zu schwache Brechkraft
  • Astigmatismus: unregelmäßige Hornhautkrümmung

• Katarakt (Grauer Star):

  • Trübung der Linse mit Beeinträchtigung der Lichtdurchlässigkeit

• Glaukom (Grüner Star):

  • Erhöhter Augeninnendruck durch gestörten Kammerwasserabfluss
  • Schädigung des Sehnervs und der Nervenfaserschicht
  • RNFL-Verdünnung als frühes Zeichen, besonders bei einer Verdünnungsrate von mehr als 2,0 μm/Jahr 3

• Makuladegeneration:

  • Degeneration im Bereich des schärfsten Sehens
  • Altersbedingte Form (AMD) als häufigste Ursache für Erblindung im Alter

• Retinopathien:

  • Diabetische Retinopathie: mikrovaskuläre Schädigung durch Diabetes
  • Hypertensive Retinopathie: Netzhautveränderungen durch Bluthochdruck