Download - Mecánica Ondulatoria
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CONKAL
Licenciatura en Biología
Biofísica
Mecánica Ondulatoria
Responsable:
Br. Moreno Torres Harry Alberto
Profesora:
Dr. María Fernanda Ricalde Pérez
Conkal, Yucatán; Mayo de 2011
Mecánica Ondulatoria
Tipos de Onda
Una onda es una propagación (sin disipación) de una perturbación desde una
región del espacio a otra. Las ondas transportan energía y cantidad de movimiento
a través del espacio sin transporte neto de materia (Tipler, 2008).
Las ondas se clasifican en dos grandes grupos: las electromagnéticas y las
mecánicas. Las electromagnéticas son las ondas que no necesitan medios de
propagación (pueden viajar en el vacío). Las ondas mecánicas son las que
necesitan un medio material de propagación; se subdividen en transversales y
longitudinales (Rodríguez, 2009 et al).
Onda transversal
Una perturbación que viaja con una rapidez definida se llama onda viajera.
Cuando el pulso de una onda viajera se desplaza a lo largo de un medio, cada
segmento que es perturbado se mueve perpendicularmente al movimiento de la
onda, el medio nunca se mueve en dirección de la onda. Una onda viajera en la
que las partículas de un medio perturbado se mueven perpendicularmente a la
velocidad de la onda, se llama onda transversal (Figura 1).
Figura 1. Onda transversal (Fuente: Ilustración de Microsoft).
Ondas longitudinales
En este tipo de ondas, los elementos de medio experimentan desplazamientos
paralelos a la dirección del movimiento de la onda. Las ondas de sonido en el aire,
por ejemplo, son ondas longitudinales. Su perturbación corresponde a una serie
de regiones de alta y baja presión que viajan por el aire o cualquier medio material
a cierta rapidez (Figura 2). (Serway, 2005, et al).
Figura 2. Onda longitudinal (Fuente: Ilustración de Microsoft).
Las ondas pueden ser unidimensionales bidimensionales y tridimensionales según
se propaguen en una sola dirección, en un plano o en las tres dimensiones del
espacio (Gijón, 2010). Ejemplos:
Unidimensional: Onda transversal en una cuerda.
Bidimensional: Olas concéntricas en la superficie de un estanque.
Tridimensional: El sonido en el aire.
Componentes de las ondas
Como todo fenómeno físico, las ondas tienen características particulares: cresta,
valle, amplitud, longitud de onda, periodo, frecuencia y velocidad (Figura 3). La
cresta de una onda es un punto más alto y el valle, más bajo. La amplitud /A) es la
distancia que mide la onda desde la cresta hasta el punto de equilibrio. El largo de
la onda () es la distancia entre dos puntos equivalentes de la onda, sin
repeticiones entre ellos, por ejemplo las distancias que hay entre dos crestas
consecutivas.
Figura 3. Vista fija de una onda transversal. La linea punteada muestra la configuracion de
equilibrio: la posicion del medio cuando no hay ondas (Fuente: Rodriguez, 2009 et al).
El periodo (T) es el tiempo que le toma a una longitud de onda pasar por un punto.
La frecuencia (f) es el inverso del periodo (1/T) y se mide en Hertz (Hz). La
velocidad de la onda está establecida por el producto de la frecuencia por el rango
de la onda (v= f). (Rodríguez, 2009 et al).
Óptica y visión / Mecánica de la visión
Si analizamos las obras de divulgación científica vemos que tradicionalmente el
ojo se ha comparado a una cámara fotográfica. La comparación es afortunada ya
que ambas estructuras tienen amplias semejanzas (Urbina, 2007).
La lente de la cámara y la córnea del ojo cumplen objetivos semejantes. Ambas
son lentes positivas cuya función es la de hacer que los rayos de luz que inciden
en ellas enfoquen en un solo punto, película fotográfica o retina respectivamente.
Para que córnea y lente trabajen en forma óptima deben ser perfectamente
transparentes y tener las curvaturas adecuadas. De no ser así,
la imagen proporcionada será defectuosa o no enfocará en el sitio debido.
Detrás de la lente fotográfica se halla el diafragma, que no es otra cosa que un
dispositivo que regula la cantidad de luz. Es sabido que las películas fotográficas
tienen distintas sensibilidades (ASA) a la luz. Esta sensibilidad es función directa
del tipo de emulsión con la que están fabricadas, por lo cual las que son poco
sensibles (números de ASA bajos) requieren tiempos de exposición prolongados y
gran cantidad de luz, mientras que las altamente sensibles (números de ASA
elevados) requieren poca luz y tiempos de exposición breves.
A diferencia de la película fotográfica, la retina cuenta con una sensibilidad
luminosa muy reducida (limitada sólo al espectro visible). En el ojo, el
iris, estructura muscular perforada en su centro (pupila), es el responsable
del control de la luz. Así, a poca luz, el iris se dilata creando una pupila muy
grande, mientras que si la luz es intensa el iris se contrae cerrando al máximo la
pupila.
Acomodación de la visión
Un proceso de suma importancia desde el punto de vista óptico es la capacidad de
enfoque o acomodación.
En proceso de enfoque del ojo; inmediatamente detrás del iris se encuentra una
estructura en forma de lente biconvexa (lupa) llamada cristalino. Este cristalino es,
al igual que la córnea, perfectamente transparente pero, a diferencia de ella, es
sumamente elástico en condiciones normales. En toda su periferia el cristalino
está sujeto al ojo por unas fibrillas conectadas a un músculo circular (músculo
ciliar). Cuando el cristalino está en reposo el sistema óptico del ojo que
corresponde a la suma óptica de los poderes de la córnea y del cristalino hace que
el ojo esté enfocado al infinito, es decir, a la visión lejana. Cuando el objeto se
acerca, los rayos luminosos que llegan al ojo ya no son paralelos sino que
paulatinamente se hacen cada vez más divergentes, por lo que el ojo tiene que
modificar su fuerza en el músculo ciliar para poder enfocarlos en la retina. Como
ya se mencionó, en la cámara esto se obtiene alejando la lente de la película
fotográfica. En el ojo, el mismo resultado se obtiene modificando las curvaturas del
cristalino, es decir, haciéndolo más y más convexo conforme el objeto observado
se acerca. Para ello el músculo ciliar se contrae relajando la tensión a la que está
sometido el cristalino, y éste se abomba aumentando por consiguiente su poder
óptico. A este fenómeno se le conoce como acomodación y es el que nos permite
poder ver con nitidez los objetos cercanos.
Fijación de la imagen
La retina ocular recibe la imagen en foco gracias a las propiedades ópticas de la
córnea y del cristalino, con la intensidad luminosa óptima determinada por el iris.
Esta imagen se "fija" en la retina, ocasionando cambios físicos y químicos. La
imagen es transformada por la retina en impulsos químicos y eléctricos que
viajarán posteriormente hasta los centros visuales del cerebro para hacer que la
imagen sea "vista" por el individuo.
Adaptación a la luz
El ojo necesita de cierto período de adaptación para pasar de una intensidad
luminosa correspondiente a la luz del día, a intensidades de luz menores y
viceversa. Este periodo de adaptación se encuentra en relación con una estructura
muy sensible, que es la encargada de capta la luz: la Retina.
Esta posee células encargadas de generar la visión diurna (los conos), siendo los
responsables de la visión a color, y las de la visión nocturna (los bastones).
Para alcanzar la Retina, un haz de luz debe atravesar los medios refringentes del
ojo humano, que son la córnea, el humor acuoso, la lento o cristalino y el humor
vítreo.
Ya dentro del ojo, los índices de refracción del cristalino, humor acuoso y humor
vítreo, son tan parecidos, que el haz de luz no sufre mucho cambio. Además de
los elementos nombrados anteriormente, el ojo presenta una estructura no
refringente muy importante, cuya función es la de regular la entrada de luz. Nos
referimos al Iris, parte pigmentada a la cual le debemos el color de nuestros ojos.
Esta posee fibras musculares que de forma involuntaria se contraen o expanden,
limitando o facilitando la incidencia lumínica al órgano. El Iris regula el área de la
pupila que quedará expuesta a la radiación luminosa. Si nos encontramos en un
sitio muy iluminado, la pupila se contraerá, disminuyendo de tamaño. Este proceso
recibe el nombre de Miosis. En cambio, si nos encontramos en una zona oscura,
la pupila se expandirá, para facilitar el ingreso de mayor cantidad de luz. Este
proceso se llama Midriasis (Urbina, 2007).
Organización estructural del ojo
El globo ocular constituye el órgano receptor de la visión. Las vías ópticas
comprenden el conjunto de neuronas que transmiten la información visual de la
retina hasta la corteza cerebral occipital. Los músculos oculomotores garantizan el
movimiento coordinado de ambos ojos. La conjuntiva, las vías lagrimales y los
parpados son necesarios para una visual normal.
El ojo tiene forma esférica ligeramente aplanada en su parte anterior, con un
diámetro de alrededor de 24 mm, este pesa 7 g y su volumen es de 6.5 cm 3. Está
contenido en la parte interior de la órbita. El ojo está formado por una pared y un
contenido, cuya estructura se ilustra en la figura 4 (Perlemuter 1999 et al).
La pared posterior del globo ocular está formada por tres capas o túnicas, la
exterior, designada como esclera o esclerótica, es una capa protectora formada
por tejido fibroso denso, blando y opaco, con un espesor que varía entre 0.3 y 1
mm. En la parte anterior del ojo, la esclerótica se modifica para formar la córnea,
clara y transparente, a la que se debe la mayor parte del poder refractivo del ojo
(43 dioptrías). La segunda túnica, denominada coroides, es una membrana muy
vascularizada, de aproximadamente 0.2 mm de espesor que contiene numerosos
vasos sanguíneos y cuya función principal es suministrar nutrientes al ojo.
La mayor parte de la superficie interior de esta capa, especialmente en la porción
posterior del ojo, esta considerablemente pigmentada con un pigmento negro, la
melanina, que evita la reflexión de la luz por todo el globo ocular. Esto es
sumamente importante para una visión clara y la función del pigmento es similar al
revestimiento negro del interior de una cámara fotográfica. Sin él, los rayos de luz
se reflejarían en todas direcciones dentro del ojo y se produciría una iluminación
difusa de la retina que impediría apreciar el contraste entre puntos obscuros y
claros, indispensable para la percepción de los detalles finos de las imágenes.
Figura 4. Corte sagital del globo ocular (Fuente: Perlemuter 1999 et al).
En la parte anterior, la coroides termina en tejido muscular que forma el cuerpo
ciliar, una estructura que no solo soporta a la lente de cristalino, sino que también
proporciona el mecanismo mediante el cual la forma de la lente puede ajustarse
en el acto de acomodación. La lente contribuye aproximadamente a 1/3 del poder
refractivo del ojo. En el extremo anterior, la coroides forma el iris, es un diafragma
circular que regula la penetración de la luz en el globo ocular. Presenta un orificio
central de 3 a 4 mm de diámetro, la pupila. El iris cuenta con fibras musculares
radiales y circulares que permiten la dilatación y contracción de la pupila (Pérez,
2003 et al).
Luz y óptica
La luz es el agente físico que impresiona nuestra retina y nos permite ver los
objetos. La óptica es la parte de la Física que trata de la luz y de los fenómenos de
la visión y más ampliamente de los fenómenos asociados con la generación,
transmisión y detección de la radiación electromagnética.
El conocimiento de las leyes de la óptica permite comprender como y por qué se
forman esas imágenes, que constituyen para el hombre la representación más
valiosa del mundo exterior (Ibáñez, 1989).
Propagación de la luz
Reflexión
Cuando un rayo de luz que se propaga en un medio transparente encuentra una
frontera tras la cual hay un segundo medio, parte del rayo que incidente se refleja
de regreso al primer medio. Los rayos reflejados son paralelos entre sí, la reflexión
de la luz en una superficie lisa se conoce como especular. Por otra parte, si la
superficie reflectora es rugosa, la superficie refleja los rayos en diversas
direcciones, este tipo de reflexión se conoce como reflexión difusa (Serway, 2001).
Refracción
La refracción es el fenómeno que se presenta en un rayo luminoso cuando incide
oblicuamente sobre la superficie de separación de dos medios, y en virtud del cual
el rayo cambia de dirección y velocidad.
Cuando un rayo luminoso incide sobre la superficie que separa dos medios, por
ejemplo el aire y el agua, parte de la luz incidente se refleja, mientras que la otra
parte se refracta y penetra en el segundo medio. Aunque el fenómeno de la
refracción se aplica fundamentalmente a las ondas luminosas los conceptos son
aplicables a cualquier onda incluyendo las ondas electromagnéticas (Bueche,
1988 et al).
Leyes de la reflexión y refracción
Las leyes de reflexión y refracción pueden deducirse mediante el principio de
Huygens o mediante el principio de Fermat.
Principio de Huygens.
De acuerdo con este principio, cada punto de un frente de ondas puede
considerarse como un foco puntual de ondas elementales secundarias que se
propagan en todas direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de
onda que el frente de donde proceden (Tipler, 2005 et al).
Principio de Fermat
Una forma moderna de expresar el principio de Fermat dice:
El trayecto seguido por la luz al propagarse de un punto a otro es tal que el tiempo
empleado en recorrerlo es estacionario respecto a posibles variaciones de la
trayectoria.
Esto quiere decir que, si se expresa el trayecto recorrido por la luz entre dos
puntos por medio de una funcional llamada camino óptico, la trayectoria real de la
luz seguirá un camino extremal respecto de esta funcional.
Modelo corpuscular
En el modelo corpuscular, la luz es considerada como una multitud de diminutas
partículas emitidas a gran velocidad por la fuente luminosa. En sustancias
homogéneas y transparentes no están sujetas a ningún tipo de fuerza, de manera
que se mueven en trayectorias rectilíneas. Cerca de la superficie de separación
entre dos medios, fuerzas repulsivas y atractivas de corto alcance que actúan
sobre las partículas provocan la reflexión y refracción.
Modelo Ondulatorio
De acuerdo a este modelo, una fuente puntual de luz se considera como el origen
de la perturbación que (en medios homogéneos) de lugar a ondas esféricas.
Como se ilustra en la figura 5, una onda circular de agua, después de alcanzar
una pared plana sólida, se refleja como otra cuya forma es un arco de circulo
(Rossi, 1977).
Figura 5. Reflexion de una onda de agua contra una pared solida (Fuente: Rossi, 1977).
Ondas electromagnéticas
Maxwell J.C demostró teóricamente que un circuito eléctrico oscilante debía radiar
ondas electromagnéticas, determinando que su velocidad era igual a la velocidad
de propagación de la luz obtenida experimentalmente, lo que fue comprobado por
Hertz, vía experimental. Parecía pues evidente que la luz consistía en ondas
electromagnéticas de longitud de onda extremadamente corta.
La teoría electromagnética de Maxwell estableció que la luz consiste en una
propagación conjunta a través del espacio de un campo eléctrico y otro magnético
en forma de ondas transversales, suministrando así la base general el tratamiento
de los fenómenos ópticos. En particular sirvió para entender la interacción de la luz
con la materia (Ibáñez, 1989 et al).
La diferencia entre las ondas de radio (no visibles) y las luminosas tan sólo
radicaba en su longitud de onda, desplazándose ambas a la velocidad de la luz, es
decir, a 300 000 km/s.
Sensibilidad visual
El ojo humano es sensible a la radiación electromagnética cuyas longitudes de
onda están comprendidas entre 400 y 700 nm (Figura 6). Las longitudes de onda
más cortas del espectro visible corresponden a la luz violeta y las más largas a la
luz roja. Los colores percibidos de la luz son el resultado de la respuesta
fisiológica y psicológica del sistema sensitivo ojo – cerebro a las distintas
frecuencias de luz visible. Aunque la correspondencia entre color percibido y
frecuencia es muy exacta, existen desviaciones interesantes. Por ejemplo, una
mezcla de luz roja y luz verde es percibida por el sistema ojo – cerebro como
amarillo, incluso en ausencia de luz en la región amarilla del espectro (Tipler, 2005
et al).
Al igual que en la fotografía, la cantidad de luz juega un papel importante en la
visión. Así, en condiciones de buena iluminación (más de 3 cd/m2) como ocurre de
día, la visión es nítida, detallada y se distinguen muy bien los colores; es la visión
fotópica. Para niveles inferiores a 0.25 cd/m2 desaparece la sensación de color y
la visión es más sensible a los tonos azules y a la intensidad de la luz. Es la
llamada visión escotópica. En situaciones intermedias, la capacidad para
distinguir los colores disminuye a medida que baja la cantidad de luz pasando de
una gran sensibilidad hacia el amarillo a una hacia el azul. Es la visión
mesiópica.
En estas condiciones, se definen unas curvas de sensibilidad del ojo a la luz
visible para un determinado observador patrón que tiene un máximo de longitud de
onda de 555 nm (amarillo verdoso) para la visión fotópica y otro de 480 nm (azul
verdoso) para la visión escotópica. Al desplazamiento del máximo de la curva al
disminuir la cantidad de luz recibida se llama efecto Purkinje.
Figura 6. Espectro visible por el ojo humano (Fuente: Horts Frank, 2005).
Toda fuente de luz que emita en valores cercanos al máximo de la visión diurna
(555 nm) tendrá un rendimiento energético óptimo porque producirá la máxima
sensación luminosa en el ojo con el mínimo consumo de energía. No obstante, si
la fuente no ofrece una buena reproducción cromática puede provocar resultados
contraproducentes (Fernández, 2005 et al).
Actividad eléctrica de los conos y los bastones
Consideremos que el sistema visual es un detector de energía. En la retina existen
dos clases de células fotoreceptoras: los conos y los bastones (figura 7). En
general, son responsables de la visión diurna. Proporcionan información sobre los
detalles del entorno y por lo tanto son la fuente de visión de mayor precisión, o
agudeza (Carlson, 1996).
Cuando hay poca luz, los conos no son suficientemente sensibles y la respuesta
viene medida por los bastones. Se dice entonces que estamos en nivel de
iluminación escotópico (hasta 10-3 cd/m2, aproximadamente). Por el contrario,
cuando hay mucha luz (aproximadamente por encima de 1 cd/m2) los bastones
están bloqueados y solo los conos dan respuesta. Se dice que estamos en nivel
de iluminación fotópico. Entre estos límites, ambos tipos de fotorreceptores dan
alguna respuesta y se dice que estamos en nivel mesópico (Pascual, 2002 et al).
Tanto en los conos como en los bastones hay discos planos que contienen un
pigmento fotorreceptor. En las células bastón, este pigmento es la rodopsina, y en
los conos son los pigmentos rojo, verde y azul.
Figura 7. Micrografía electrónica y representación esquemática de las células de la retina
humana (Fuente: Devlin, 2004).
Existen tres “mini” ciclos bioquímicos interconectados en la conversión de la
energía lumínica en impulsos nerviosos Estos ciclos describen las reacciones de
la rodopsina, la transducina y la fosfodiesterasa, respectivamente. El resultado
neto de su operación es una hiperpolarización de la membrana plasmática del
bastón o del cono, es decir, desde – 30 mV hasta aproximadamente – 35 mV.
Los bastones de un ojo humano plenamente adaptados a la oscuridad pueden
detectar un destello de luz que emita 5 fotones. El bastón es un tipo especializado
de neurona en la que la señal genera no depende de un fenómeno de todo o
nada. La señal puede ser graduada en intensidad, y esta repercutirá en la
magnitud de la variación en milivoltios que sufre el potencial de membrana
plasmática desde su estado de reposo de – 30 mV (Devlin, 2004).
Fotorreceptor
Cada fotorreceptor tiene un segmento externo unido por un cilio con el segmento
interno, donde se halla el núcleo (figura 7). El segmento externo está formado por
varios cientos de láminas, o placas delgadas de la membrana.
El primer paso del proceso conduce a la percepción visual se lleva a cabo en la
presencia de una sustancia química llamada fotopigmento. Los fotopigmentos son
moléculas incrustadas en las membranas de las láminas; un solo bastón contiene
aproximadamente 10 millones de ellas. Las moléculas constan de dos partes: una
opsina (una proteína) y retina (un lípido). Existe una gran variedad de opsinas; por
ejemplo, el fotopigmento de los bastones humanos, la rodopsina.
Cuando una molécula de rodopsina es expuesta a la luz, se descompone en sus
constituyentes, la rodopsina y el retinal. Al ocurrí esto, el color de la opsina del
bastón cambia de un tono rosáceo a un amarillo pálido; por lo tanto se dice que la
luz blanquea el fotopigmento. La división del fotopigmento provoca un cambio en
el potencial con la que el fotorreceptor libera el neurotransmisor. La membrana de
los fotorreceptores es diferente de la de otras neuronas: contienen canales iónicos
que por lo general están abiertos y que liberan continuamente su neurotransmisor.
Cuando una molécula del fotopigmento se descompone por acción de la luz, los
canales iónicos de la membrana externa del fotorreceptor se cierran.
La información visual, proveniente de la retina, llega a la corteza estriada que
rodea la fisura calcarina después de haber atravesado las capas magnocelular y
parvocelular de los núcleos geniculado laterales dorsales. Otras regiones del
cerebro, incluyendo el hipotálamo y el tectum, también reciben información visual
(Carlson, 1996).
Organización funcional de la retina
La retina comprende una porción neurosensorial y el epitelio pigmentario retiniano.
La retina se extiende desde la papila hasta la “ora serrata”, y después continua en
sentido anterior, atreves de la “pars plana”, como dos monocapas, el epitelio no
pigmentado y el epitelio pigmentado, llega hasta el cuello ciliar. El aspecto más
anterior de la retina se aprecia en la región nasal. La ora serrata está constituida
por bahías retinianas y procesos dentados, que se extienden en la pars plana
(figura 8).
Figura 8. Componentes de la retina (Fuente: Bachnell, 2001).
Además, pueden existir complejos meridionales o fibras zonulares que se
extienden atreves de la pars plana y se insertan en la retina. Cuando el cristalino
se acomoda, la tracción de las fibras zonulares puede causar un desgarro
retiniano, especialmente si se ha administrado pilocarpina.
La porción neurosensorial de la retina comprende 10 capas (figura 9), y mide
aproximadamente 0.5 mm en el polo posterior y 0.2 mm en la periferia lejana.
Existen 120 millones de bastones y 6 millones de conos. Los bastones participan
en la visión escotópica (nocturna) y los conos se usan para la visión de colores
(Pulido, 2003).
Figura 9. Capas de la retina y la coroides (Fuente: Birmingham).
Epitelio pigmentado retiniano
El epitelio pigmentado retiniano (EPR) comprende aproximadamente 120 millones
de células, unidas unas a otras mediante uniones estrechas que conforman una
monocapa. El EPR separa la retina neurosensorial y la coriocapilar; debido a estas
uniones, actúa como una porción externa de la barrera hematorretiniana.
Desempeña una multitud de funciones, entre ellas la fagocitosis de las papilas
renovables desprendidas desde los bastones y los conos, el metabolismo de la
vitamina A, el control de la difusión de oxigeno hacia los fotorreceptores y el
suministro de nutrientes a los fotorreceptores.
Vítreo
La cavidad vítrea tiene un volumen de alrededor de 4 ml, aproximadamente el
80% del volumen total del globo ocular. El vítreo está constituido principalmente
por agua, con una concentración baja de proteínas y mucopolisacáridos. La gran
mayoría de las proteínas se encuentran en forma de colágeno tipo II, que también
existe en el cartílago. El mucopolisacárido principal es el ácido hialurónico, este
compuesto proporciona al vítreo elasticidad y viscosidad, mientras que el colágeno
contribuye a mantener las forma y estructura.
Entre el 40 y 80% del vítreo adquiere la consistenci9a de gel. Como consecuencia
de la edad, la miopía y ciertos trastornos hereditarios, el vítreo tiende a licuarse
por perdida de ácido hialurónico. Las propiedades del gel permiten que el vítreo
actué como amortiguador de impactos y sustancias tampón. Cuando se producen
orificios retinianos, el vítreo joven contribuye a sellar las roturas y prevenir el
desprendimiento de retina.
Las fibrillas colágenas se insertan en las conexiones oculares del vítreo. En la
parte posterior, el vítreo está unido a la papila, a la retina (especialmente a la
mácula) y a lo largo de los vasos sanguíneos. En la parte posterior se encuentra
fuertemente unido a la arteria y la pars plana, en una banda con aproximadamente
3 mm de ancho que abarca la ora serrata. Esta es una zona de inserción
especialmente fuerte, por lo que se conoce como base anterior del vítreo (Pulido,
2003).
Procesamiento central
Proceso receptor
La refracción de los rayos de luz en el cristalino y la córnea, que hacen llegar a la
retina una imagen nítidamente enfocada.
Proceso transductor
La conversión de la energía electromagnética de los rayos de luz en impulsos
nerviosos, que se realiza en las células fotorreceptoras de la retina (conos,
bastones) y su transmisión a las células bipolares y ganglionares, cuyos axones
convergen en el disco óptico para formar la vía ocular.
Proceso transmisor
La transmisión de los impulsos nerviosos mediante potenciales de acción,
generados desde las células receptoras de la retina hasta el sistema nervioso
central a través de los axones de las células ganglionares de la retina, forman el
nervio óptico y luego la cintilla óptica, que termina en el cuerpo geniculado
externo, desde donde nacen las siguientes vías de conexión:
1. Tracto geniculado – cortical. Son radiaciones ópticas que terminan en el
área receptora visual primaria (información directa al córtex visual primario).
2. Conexiones intradiencefálicas, principalmente con el núcleo pulvinar (vía
geniculopulvinar), que a su vez envían sus axones a las áreas receptoras
secundarias visuales (vía genicular – pulvinar – cortical).
3. Fibras descendentes hacia los núcleos tectales, donde se unen con las
fibras frontotectales en orden a conjugar los movimientos oculares y reflejos
ópticos en general (López, 1999 et al).
Proceso perceptivo
La percepción de las imágenes visuales en el córtex visual primario y secundario.
El córtex visual recibe y analiza los estímulos visuales y se proyecta a otras áreas
corticales. Este proceso se lleva a cabo en dos áreas neurofuncionales específicas
diferenciadas:
1. Área visual primaria, cuya función es la detección de la orientación y
posición especifica de líneas mediante las células y complejas, así como la
detección de la longitud de líneas mediante las células hipercomplejas. En
la percepción del color no participa solo el córtex visual primario.
2. Área visual secundaria, que tienen conexiones con las áreas terciarias
parietales y el área terciaria temporal. Así se produce en primer lugar la
discriminación de la forma y la conversión de los estímulos en símbolos
perceptivos.
Estadios del procesamiento visual
Los estímulos que llegan al córtex se procesan en los tres estadios siguientes, que
no son sucesivos:
1. Procesamiento sensorial.
2. Representación perceptual.
3. Procesamiento semántico.
Procesamiento sensorial
Agudeza visual. Es la capacidad para determinar la ausencia o la presencia de
luz, los cambios en el contraste, si se producen uno o más estímulos en el campo
visual y la capacidad de detectar un objeto que varía en tamaño (resolución del
objeto).
Discriminación de formas. Es sistema visual es capaz de realiza finas
discriminaciones entre formas similares, capacidad que puede estar
selectivamente alterada en personas con daño cerebral.
Percepción del color, La percepción del color puede alterarse de forma selectiva
(acromatopsia). Las lesiones bilaterales en los lóbulos occipitales, los daños
bilaterales en la región fusiforme y en el giro lingual de este lóbulo son las más
implicadas en este déficit.
Representación perceptual
Se trata del acceso al almacén de información, previamente adquirida, que posee
el sujeto sobre el objeto. El observador puede percibir un objeto a partir de su
tamaño, su volumen o el ángulo desde donde es visto. Al modificarse alguna de
estas características puede surgir un déficit específico de este nivel de
procesamiento.
Procesamiento semántico
Permite dar un significado y un sentido concreto al objeto percibido. Cuando falla,
lo que se pierde es la capacidad de asignar un significado al objeto,
manteniéndose preservados los anteriores niveles de procesamiento (el sujeto
puede copiar perfectamente el objeto, pero ser incapaz de saber lo que es).
(López, 1999 et al).
Control de los movimientos oculares
Dado que gran parte del campo visual es binocular, se requiere de un alto grado
de coordinación de los movimientos de los dos ojos, para lograr que las imágenes
visuales se proyecten de forma permanente en los puntos correspondientes de las
dos retinas consiguiendo de esta forma tener visión en profundidad.
Se denomina “área de fijación” a los limites extremos del campo visual que se
alcanzan con la mirada por el movimiento de los ojos y no de la cabeza. Los
movimientos simultáneos de ambos ojos en la misma dirección reciben el nombre
de movimiento conjugado. El sistema regulador de esos movimientos se llama
sistema motor ocular (sistema óculomotor) y comprende varias vías nerviosas
centrales (Urtúbia, 1999).
Cada ojo es aproximadamente una esfera, libre para moverse como una pelota en
un cuenco. Cada ojo tiene 6 músculos extraoculares anclados a él y se mueven
por el acortamiento apropiado de algunos de estos.
Si cada musculo no tuviera alguna tracción constante, el ojo estaría suelo en su
órbita; consecuentemente cualquier movimiento ocular se realiza contrayendo un
musculo y relajando su oponente en exactamente la misma cantidad (figura 10). Si
miramos un objeto situado a corta distancia, los dos ojos rotan hacia adentro; si
miramos hacia la izquierda, el ojo derecho rota hacia adentro y el ojo izquierdo
rota hacia afuera; si miramos hacia arriba i hacia abajo, ambos ojos rotan juntos
hacia arriba o hacia abajo.
Figura 10. Músculos oculares que controlan la rotación horizontal de los ojos (Fuente:
Hubel, 2000).
Cada músculo ocular se contrae por el disparo de las motoneuronas del
troncoencéfalo, cada motoneuronas en un núcleo oculomotor informa a varias
fibras musculares en el musculo ocular. Estas a su vez reciben aferencias de otras
fibras excitadoras.
Prácticamente cualquier movimiento que realizamos es el resultado de muchos
músculos que se contraen a la vez y muchos otros que se relajan (Hubel, 2000).
Sonido y Audición
Aunque frecuentemente se emplean indistintamente los términos sonido y audio,
por sonido se entiende que es la sensación percibida por el sentido del oído como
resultado de la energía mecánica transportada por ondas longitudinales de presión
en un medio material como el aire, el agua, metales, etc. La audición es un
proceso fisiológico que nos permite la capacidad de oír, derivado de la
estimulación de los órganos de la audición, y procesos psicológicos, derivados del
acto consciente de escuchar un sonido.
La acústica estudia la producción, transmisión y efectos de las ondas sonoras que
se propagan en medios materiales, solidos, líquidos o gaseosos. Las ondas
acústicas son ondas elásticas, no electromagnéticas, cuya frecuencia puede
extenderse hasta el rango de giga Hertz. Al hablar de ondas sonoras, nos
referimos a las ondas acústicas en el rango audible o cercano a este, para el cual
se ha establecido la siguiente clasificación:
Infrasonidos: Son sonidos de frecuencia inferior a unos 15 Hz y no suelen ser
percibidos por el oído humano. Se utilizan en sonares para la detección
submarinas y ciertas aplicaciones biomédicas.
Sonido Audible: Se considera como tales los sonidos de frecuencia comprendida
entre unos 15 y 20000 Hz. La máxima frecuencia sonora que es capaz de percibir
el oído humano depende de diversos factores, entre ellos la edad.
Ultrasonidos: Sonidos de frecuencia superior a unos 20 KHz y pueden ser
percibidos por algunos animales como perros. Se utiliza sonidos ultrasónicos de
frecuencia de 5 MHz o superior en aplicaciones médicas como la ecografía.
Cualquier sonido puede describirse mediante tres características perceptuales:
intensidad, tono y timbre. Estas características corresponden a tres magnitudes
físicas: amplitud, frecuencia y contenido armónico o forma de onda.
La intensidad de sonido está asociada con el nivel de presión en el medio acústico
y suele expresarse en dB referidos a 20 mPa. La frecuencia expresada en Hz,
permite identificar el tono del sonido. Los tonos agudos son de frecuencia alta, en
tanto que las bajas frecuencias corresponden a tonos graves o bajos. El termino
tono, por lo general corresponde a una señal senoidal pura, es decir, de frecuencia
única y se utiliza, tanto referido a señales sonoras, como a señales de cualquier
otra frecuencia (Pérez, 2003).
Frecuencia Audible/Sensibilidad; relación intensidad – frecuencia
El oído humano tiene unas características que hacen que solo seamos sensibles a
sonidos cuya frecuencia este contenida en el espectro audible. Este margen
incluye una gama de frecuencias de vas desde los 20 Hz hasta 20000 Hz.
El espectro no es el mismo en todas las personas y, normalmente, se va
modificando con la edad; un niño puede percibir frecuencias cercanas a los 20
kHz, una persona de más de 60 años solo percibe frecuencias hasta unos 10 o 12
kHz (Iglesias, 2004).
El espectro audible se puede dividir en tres zonas en función de su tonalidad.
Cuando la frecuencia es mayor se habla de tono o tonalidad mayor. Se distinguen:
Zona de frecuencias graves:
De los 20 Hz a los 300 Hz.
Por ejemplo, el sonido del bombo de una orquesta.
Zona de frecuencias medias:
De los 300 Hz a los 4 kHz.
Por ejemplo, la voz humana en una conversación normal.
Zona de frecuencias agudas:
De los 4 kHz a los 20 kHz.
Por ejemplo, el sonido emitido por una trompeta.
Medida de intensidad del sonido
La intensidad es una sensación en la conciencia de un ser humano. También esta
relaciona con una cantidad físicamente medible: la intensidad de la onda. La
intensidad se define como la energía transportada por una onda por unidad de
tiempo atreves de una unidad de área perpendicular al flujo de energía.
El oído humano puede detectar sonidos con una intensidad tan baja como 10 -12
W/m2 y tan alta como 1 W/m2 (e incluso intensidades más altas, aunque esto
resulta muy doloroso). Se presume que a causa de este amplio rango, lo que se
describe como volumen no es directamente proporcional a la intensidad. Para
producir un sonido que suene aproximadamente le doble de fuerte se requiere una
onda sonora que tenga 10 veces la intensidad.
En virtud de esta relación entre la sensación subjetiva y la cantidad físicamente
mensurable de “intensidad”, los niveles de intensidad del sonido generalmente se
especifican en escala logarítmica (Glancoli, 2006).
Es más útil hablar de “niveles relativos”. El nivel de intensidad N se mide en
decibelios y se define mediante la expresión:
N= 10 log I / I0
Donde I es, en este caso, la intensidad de la onda sonora considerada; e I0, la
intensidad que se toma como referencia (umbral de audición). De esta forma, el
umbral de audición es:
N= 10 log I0 / I0 = 0 dB
Y el umbral de dolor:
N= 10 log I / 10-12 = 120 dB
Por lo tanto, los niveles de intensidad de los sonidos están comprendidos
aproximadamente entre 0 y 120 dB.
La unidad de esta escala el bel, en honor del inventor Alexander Graham Bell, o
mucho más comúnmente conocido como decibel (dB), que es 1/10 bel (10 dB = 1
bel). (Cabrero, 2007).
Estructura del órgano auditivo
El sistema auditivo es un órgano complejo que está dividido en tres partes: el oído
externo, el oído medio y el oído interno. Cada parte tiene su función, aunque en
el caso del oído interno y sobre todo en el procesamiento de los datos por el
cerebro, existen muchos puntos desconocidos sobre los mecanismos de audición
(Bartí, 2006).
Oído Externo
Comprende el pabellón auricular y el conducto auditivo externo, donde son
captadas y conducidas las ondas sonoras hasta la membrana timpánica.
El pabellón auricular es una lámina con pliegues de naturaleza fibrocartilaginosa,
cubierta de piel y con numerosos ligamentos y músculos rudimentarios (figura 11).
En el centro, presenta una excavación, la concha, al fondo de la cual se abre el
conducto auditivo externo. Periféricamente, se diferencian los repliegues: hélix que
contornea todo el pabellón, antehélix por dentro, el trago por delante de la concha
y el antitrago por debajo. El lóbulo de la oreja es un simple acúmulo graso carente
de esqueleto cartilaginoso.
Figura 11.Pabellón auricular. Hélix (1), antehélix (2), trago (3), concha (4), antitrago (5),
lóbulo de la orejas (6). Fuente: Rodríguez, 2003.
Conducto auditivo externo
Se prolonga desde el fondo de la concha hasta la membrana del tímpano que le
separa del oído medio, realizando un trayecto en forma de “S” tumbada de
aproximadamente 2.5 cm de longitud y 8 mm de diámetro.
Oído Medio
Es una cavidad aérea excavada en el interior del peñasco del temporal y tapizada
de mucosa, en la que podemos diferenciar tres partes: la caja del tímpano en el
centro, la trompa de Eustaquio dirigida hacia delante y adentro y las cavidades
mastoideas por detrás (figura 12).
La caja del tímpano es la parte principal del oído medio, porque a través de la
cadena de huesecillos (martillo, yunque y estribo) que aloja en su interior, tiene
que transmitir eficazmente las señales acústicas que le llegan del oído externo
hasta el oído interno, donde existe un medio líquido. En su interior, las ondas
sonoras se amplifican en cuanto a su fuerza y presión.
Figura 12. Estructura interna del oído (Fuente Bartí, 2006).
Oído Interno
Está situado profundamente en la porción petrosa del temporal. Dentro de él se
diferencia un laberinto óseo, excavado en el hueso, que aloja en su interior una
sección de estructuras blandas, el laberinto membranoso, donde se localizan las
células receptoras del sonido y del equilibrio. Entre las paredes óseas y las
estructuras membranosos queda el espacio perilinfático lleno de perilinfa, liquido,
derivado en parte del líquido cefalorraquídeo, parecido al extracelular pues es rico
en Na+; mientras que el interior de las vesículas membranosos está lleno de
líquido endolinfático rico en K+, similar al intracelular (Rodríguez, 2003).
Transducción
La percepción auditiva se compone de cinco procesos principales:
Proceso receptor
Las ondas sonoras chocan contra la membrana timpánica, se transmiten a
través de los huesecillos del oído medio (que amplifican la energía 22 veces) y
se transforman en energía hidráulica en el líquido coclear interno.
Proceso transductor
La energía hidráulica estimula células ciliadas sensoriales de la cóclea y la
convierten en impulsos nerviosos que son transmitidos por las fibras del VIII
par craneal.
Proceso transmisor
Las fibras provenientes del ganglio espiral de Corti tienen su primera sinapsis
en los núcleos cocleares dorsales y ventrales del bulbo raquídeo; desde aquí,
un grupo de fibras se dirigirá al lado opuesto del tronco encefálico a través del
cuerpo trapezoide hasta llegar a los olivos superiores, mientras que otro grupo
menos numeroso que le primero se dirigirá del mismo lado hacia las olivas
superiores del mismo lado.
A lo largo de la vía auditiva las señales sonoras sufren modificaciones, lo cual
da a los núcleos del tronco, tubérculos cuadrigéminos inferiores y tálamo una
importancia enorme en la función lingüística comprensiva, al ser capaces de
intervenir directamente en muchas funciones auditivas sin necesidad de
participación cortical.
Proceso perceptivo
La vía auditiva termina en dos áreas diferenciadas funcionalmente:
1. El área receptora auditiva primaria, ubicada en la circunvolución de Helsch.
Su función es completar y elaborar la información auditiva. Su relación
directa con las áreas de asociación temporales permite una implicación
directa con las funciones comprensivas del lenguaje.
2. El área receptora auditiva secundaria, abarca las áreas 21 y 22 de
Brodmann, recibe la información del área auditiva primaria y también recibe
la información directa de los núcleos talámicos. La función de estas áreas
es la integración de los estímulos que llegan de las dos vías. Por último, su
nivel de integración corticas y bihemisférica le permiten acceder a un
procesamiento cognitivo más complejo, lo que la lugar a la comprensión del
lenguaje hablado.
Proceso motor
Es el que permite la orientación del cierto y la cabeza para una mejor audición
(López, 1999).
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