光のエネルギーを運ぶ「光子」

光には、波として空間を広がる性質と、 粒のようにエネルギーを運ぶ性質があります。

この光のエネルギーの最小単位を、 光子・フォトンと呼びます。

明るい屋外や照明のついた室内では、 非常に多くの光子が瞳孔を通って目の中へ入っています。

一方、極端に暗い環境では、 網膜へ届く光子の数は大きく減少します。

1942年に行われた視覚研究では、 暗闇に十分慣れた人が青緑色の弱い光を感じるためには、 角膜へ約54～148個の光子が届く必要があると報告されました。

角膜や水晶体を通過する途中で失われる光を考慮すると、 実際に網膜の桿体細胞へ吸収された光子は、 わずか5～14個程度 だったと推定されています。

さらに2016年には、一つの光子を人の目へ届ける実験が行われ、 厳密な条件では、偶然をわずかに上回る確率で 光子が届いたことを判断できる可能性が示されました。

日常では、どれくらいの光が目に入っている？

日常生活では、視覚の限界を調べる実験とは 比べものにならないほど多くの光子が目へ入っています。

ただし、目に入る光子数は一定ではありません。

光の量は、次のような条件によって大きく変化します。

目安として、緑色に近い555ナノメートルの光を使って単純計算すると、 1ルクスの光には、1平方メートル当たり毎秒約4000兆個もの 光子が含まれます。

実際に瞳孔へ入る量はその一部ですが、 一般的な室内や明るい屋外では、 毎秒数兆個から数百兆個以上という膨大な光子が 目の方向へ届いていると考えられます。

ただし、そのすべてが網膜の光受容細胞へ 吸収されるわけではありません。

角膜で反射される光、水晶体などで吸収される光、 網膜を通過する光もあります。

網膜で光を受け取る桿体細胞と錐体細胞

網膜には、光を受け取る二種類の光受容細胞があります。

暗い場所や弱い光に強い「桿体細胞」

桿体細胞は、色や細かい形を識別することには向いていませんが、 非常に少ない光にも反応できます。

明るい場所で色や細部を捉える「錐体細胞」

錐体細胞は桿体細胞ほど弱い光への感度は高くありませんが、 明るい場所で細かい輪郭や色を見分けることに優れています。

人の片方の網膜には、約1億2000万個の桿体細胞と、 約600万個の錐体細胞があるとされています。

私たちは、周囲の明るさに合わせて桿体と錐体を使い分けながら、 暗い夜から明るい屋外まで、幅広い環境に対応しています。

光子を受け取るロドプシンとは？

桿体細胞の中には、 ロドプシンという 光に反応する視物質があります。

ロドプシンは、オプシンというタンパク質と、 ビタミンAをもとに作られる 11-シスレチナールという分子から構成されています。

光子がロドプシンへ吸収されると、 レチナールの形が変化します。

曲がった形の「11-シス型」から、 伸びた形の「全トランス型」へ変わるのです。

この最初の変化は、 約200フェムト秒という極めて短い時間で始まるとされています。

1フェムト秒は1000兆分の1秒です。

錐体細胞には、桿体細胞のロドプシンとは異なる S・M・Lの錐体視物質があります。

それぞれが主に短波長、中波長、長波長の光へ反応することで、 私たちは色を識別できます。

桿体と錐体では視物質の種類は異なりますが、 どちらも光子のエネルギーを受け取り、 神経系が扱える情報へ変える入口です。

光子は網膜で神経情報へ変わる

光子がロドプシンへ吸収されると、 桿体細胞の内部では連鎖的な化学反応が始まります。

変化したロドプシンは、 トランスデューシンというタンパク質を活性化します。

その後、複数の反応を経て、 細胞膜にあるイオンチャネルが閉じ、 桿体細胞の電気的な状態が変化します。

この仕組みを、 光情報変換・フォトトランスダクション と呼びます。

ここで重要なのは、 光子そのものが視神経を通って脳へ向かうわけではない ということです。

光子は視物質に吸収され、 そのエネルギーが分子の構造変化や 電気的な変化へ置き換わります。

その後に脳へ伝わるのは、 光によって生まれた神経情報です。

網膜は映像を写すだけの場所ではない

光を受け取った桿体細胞や錐体細胞の信号は、 すぐに視神経へ送られるわけではありません。

網膜内では、複数の神経細胞を通りながら 情報が整理されます。

さらに、水平細胞やアマクリン細胞が 途中の信号調整に関わります。

この段階で網膜は、次のような情報を分析しています。

つまり網膜は、カメラのフィルムのように 映像をそのまま写しているわけではありません。

約1億個の光受容細胞から、約100万本の視神経へ

片方の網膜には、桿体細胞と錐体細胞を合わせて、 約1億2600万個の光受容細胞があります。

一方、それらの情報を脳へ運ぶ視神経は、 片目当たり約100万本の神経線維で構成されています。

ただし、これは視覚情報の大部分を 捨てているという意味ではありません。

網膜では、複数の光受容細胞から得た情報をまとめ、 明暗、輪郭、色、動きなどの 意味のある信号へ 変換しています。

周辺網膜では、複数の桿体細胞の信号が 一つの経路へ集まることで、弱い光への感度を高めています。

一方、網膜の中心部では、 一つひとつの錐体細胞に近い単位で情報が伝わり、 細かい文字や輪郭を識別しやすくなっています。

網膜から脳へ、情報はどう進む？

網膜神経節細胞の軸索は、 眼球の後ろで集まり、視神経になります。

視覚情報は、主に次の経路を通って 脳へ送られます。

視交叉では、左右の目から伸びる神経線維の一部が 反対側へ交差します。

この仕組みによって、右側の視野の情報は主に左脳へ、 左側の視野の情報は主に右脳へ送られます。

視床の外側膝状体を経由した情報は、 後頭葉にある一次視覚野へ届きます。

一次視覚野では、線の向き、位置、明暗、 コントラストなど、視覚の基本的な特徴が分析されます。

「何を見ているか」を処理する経路

後頭葉から側頭葉へ向かう経路では、 物の形、色、顔、文字などが処理されます。

「どこにあるか・どう動くか」を処理する経路

後頭葉から頭頂葉へ向かう経路では、 位置、距離、動き、奥行きなどが処理されます。

脳のどのくらいが視覚処理に関わるのか？

「脳が受け取る情報の多くは視覚情報である」 「脳の大部分が視覚へ使われている」 と表現されることがあります。

しかし、脳の何％が視覚を処理しているのかを、 一つの数字で正確に示すことはできません。

どこまでを視覚処理に含めるかによって、 割合が変わるためです。

一次視覚野だけでなく複数の視覚関連領域を含めると、 視覚に特化した皮質は、 大脳皮質全体の約20％ を占めると推定されることがあります。

ただし、実際に物を見るときには、 視覚野だけが働くわけではありません。

人の顔を見る場合には、形や色だけでなく、 その人の記憶、感情、注意、過去の経験なども使われます。

歩きながら周囲を見る場合には、 視覚に加えて、平衡感覚、身体感覚、小脳、 運動を調整する脳領域なども関わります。

私たちは「光そのもの」を見ているのではない

ここまでの流れを整理すると、 私たちが見ているものは、 目へ入った光そのものではないことが分かります。

光子は、網膜のロドプシンや 錐体視物質へ吸収されます。

網膜では、光のエネルギーが化学反応と電気的な変化へ変換され、 明暗、輪郭、色、動きなどの神経情報として整理されます。

その情報が視神経を通って脳へ送られ、 記憶、予測、注意、身体の位置などと統合されます。