SlideShare a Scribd company logo
1 of 28
Download to read offline
 

                                     Science of the Eye: Vision 
                                             How do we see? 
 
 
Have you ever thought about how we see the world around us?  What is the science behind this 
sense?  In this unit, we will discuss how vision works, how we see color and some of the diseases 
that affect vision.  Let’s start with the general concept of vision.  We will start with a few questions 
that will help you understand how you think vision works. 
 
Unit Objectives: 
   1. Understand the molecular basis of vision  
   2. Recognize the complexity of the retinal network of neurons (Massachusetts Biology Frameworks 4.7) 
   3. Practice Science Inquiry Skills (SIS)  
 
Comments for Teachers are in italics (i.e., different activities to perform in the classroom and directions on 
how to perform these activities). 
 
Mirror, Mirror, on the Wall:  If a mirror is mounted flat against the wall, how big does it have to be in 
order for you to see your entire body?  Does distance play a role? 
                                                      




                                                                  
 
                           What is your prediction? (Sketch your description) 
 




           
 
 
 
                                                                                                                  1 
 
 
 
 
Let’s think about how we see objects.  Using the images below, show how you think we see the apple. 
                                                      




                                                                                     
                                                       
                                                       
                                                       
                                                       
How long does the mirror have to be? 
 




                                       
 




                                                                                                       2 
 
 




                                                                      
                                                 
                                                 
                                                 
                                 The Digital Camera and the Eye: 
You may have heard that the eye is like a camera.  The digital camera is even a better analogy of how the 
vertebrate eye works.  A traditional camera uses a chemical process that “burns” the image on a thin film.  
On the other hand, a digital camera uses a sensor that absorbs light and converts it to a signal more 
analogous to what happens in our eyes.  




                                                                                 
Digital Camera Questions: 
 
What is a digital camera? 
 
 
 
 
Do you own a digital camera?  If so, what kind (i.e., what’s the zoom, how many pixels, etc.)? 
 
 
 
 
How do you think it works? 
 
 
                                                                                                          3 
 
 
 
 
What do you need to make a digital camera? 
 
 
 
 
Using the diagram below, observe the parts of the camera and label the analogous parts in the eye.  
Show the pathway of light including the image. 
 




                                                                                                     
 
 
 
 
Lenses – focuses light onto the sensor 
 
Sensor (e.g. CCD) – contains pixels (photosensors) that capture light (color and intensity) and convert it 
to an electrical signal and then to a digital signal  
 
Image Processing Unit  ‐ takes signal from sensor, processes the information, and creates an image (e.g. 
jpeg) 
 




                                                                                                          4 
 
 




                                                                                                      
 
                                                  
                                                  
                            In Living Color: Constructing Color Vision 
                                                         
Why is the sky blue?  How can we distinguish between a purple flower and a yellow flower?  Why are 
there so many shades of gray?   Color vision is essential to how we “see” our everyday world.  It is 
sometimes considered a construction project because it requires many components to function 
completely.  How we see color is still a subject of investigation for scientists.  Scientists do not know all of 
the details of color processing; that is, how we see or perceive colors.  Have you ever looked at a picture 
and thought that it did not exactly capture all of the contrast and hues of colors that you observed.  Even 
the most expensive camera does not have the same resolution as our visual system.    
 
Pre­Discussion Questions: 
 
1.  What are your favorite colors? 
 
 
 
2.  What organ(s) of the body do you think are responsible for color vision? 
 
 
 
 
3.  What is light and how is it useful? 
 
 
 
 
4.  Look at these two photographs.  Describe three differences between the two photos. 
 
 


                                                                                                               5 
 
 




                                                                                                      
 
 
Discussion: Visible Light Spectrum 
 
Most animals and plants can detect and respond to light.  Animals detect a narrow region of the 
electromagnetic radiation spectrum called the visible light region because it is visible to the human eye.  
Light reflects from objects and is refracted by the cornea and the lens onto a photosensitive (light 
detecting) region of the eye called the retina.  Photosensitive cells in the retina can detect the visible light 
region of the spectrum ranging from short wavelengths, starting at 390 nm, to longer wavelengths, 
ending at 750 nm.  How we see or perceive the colors of this visible light spectrum is the next topic of this 
unit. 
 




                                                                                 
        Diagram of the Electromagnetic Radiation Spectrum and the Visible Light Spectrum 
 
Other animals are able to see outside of the visible light spectrum.  For example, insects such as bees can 
see in the ultraviolet region of the electromagnetic spectrum.  If you look at an ultraviolet picture of a 
flower, in some cases you can almost see a pattern reminiscent of a landing strip that directs bees to the 
flower’s pollen (see picture below).   We will see why bees can detect UV later in this unit. 
 

                                                                                                               6 
 
 




                                                                                          
                                                         
    Marsh Marigold Flower – A. Visible Light (how humans see the flower)  B.  UV light (how bees see the flower) 
     (Image from http://www.eso.org/~rfosbury/home/natural_colour/biochromes/UV_flowers/nc_bio_flower_uv.html) 
 
 
Discussion:  Retina and Phototransduction 
 
Introductory activities to introduce color vision in the classroom: 
 
   1. Where’s Waldo?  Use a Where’s Waldo picture that is printed in color and in black and white.  Give 
        half the class the color photo and half the class the black and white photo.  Each student records how 
        long it takes to find Waldo.  Average the time it takes students to find Waldo and create a 
        comparison chart (you can include in this analysis standard deviation and create bar graphs or other 
        graphs).   (At the end of the activity, ask students what are some problems with this analysis, e.g., 
        there is no real control, some people may have more experience with this type of puzzle than others, 
        which can affect the outcome.) 
 
   2.   Obtain paint samples (swatches) from the store that are within the same color family and test 
        students’ ability to tell the different colors apart.  
 
 
                   How the eye uses signals to communicate what we see? 
 
 
Pre­Discussion Questions: 
 
   1. Give an example of a signal.   How do we use this signal? 
    
    
    
   2. Name one example of how signals are important in your everyday life? 
 
 
 
   3. What are some examples of signals in the cell or human body? 
 
 

                                                                                                                    7 
 
 
 
What do signals mean to us?  We use signals in our everyday lives.  Signals provide order, a way to 
communicate a message, and a way to pass on information.  The definition of a signal is anything that 
serves to indicate, warn, direct, command or act.  In electronics, a signal is an electrical quantity or effect, 
as current, voltage, or electromagnetic waves that can be varied in such a way as to convey information 
(Webster’s Dictionary).   

Imagine you want to pass a note to someone at the back of your class, but you can’t use your cell phone in 
class!!  To deliver the message, you might write something on a piece of paper and pass it to a number of 
individuals in your class until the person receives it. 
                                                          




                                                                       
In the cell or in the body, there are messages that are being passed along as a way of communicating from 
one cell to another or from one region of the body to another. 
  
For example, when you put on your earphones from your iPod, the hair cells in your ears move to waves 
of sound.  The sound waves move your hair cells and send a signal to the brain with the message of what 
is playing on your iPod.  The mechanical force of the moving hair cells turns into an electrical signal that 
goes to the brain.  Light can also be converted to electrical signals to send messages to the brain via the 
retina. 
 
How the retina signals to the brain: The retina contains several layers of cells that are responsible for 
translating light refracted from the front of the eye (cornea and lens) into signals to send to the brain.   
Here is a simplified close‐up of the retinal layers.  The photoreceptor cells respond to light first and 
translate or convert it into an electrical signal. 
 
Phototransduction is the process of converting light to electrical signals. When light is absorbed, it 
sends a message or signal that triggers a change in the photoreceptor.  There are two types of 
photoreceptors, cones and rods.  The cone photoreceptors are named as such because part of the cell is 
shaped like a cone.  Rod photoreceptors have rod‐shaped parts.  The parts of the cell that are cone‐
shaped or rod‐shaped are called the outer segments.  The cone photoreceptors are responsible for color 
vision and respond in bright light.  The rod photoreceptors respond under dim light conditions.   
 
 




                                                                                                                8 
 
 




                                                                                            
The outer segment regions of the photoreceptors are membranous disc structures.  Proteins that respond 
to light are embedded in these structures.    




                                                                           
                                                   
                                  Cartoon diagram of a rod and a cone 
                                                   
There are three major parts to the photoreceptors: the outer segment, the cell body, and the synaptic 
terminal. 
 
 
The outer segment regions of the photoreceptors are disk‐like structures made up of the cell membrane.  
The proteins that respond to light are embedded in these structures. 
 
The cell body is where the nucleus is located. 
 
The synaptic terminal is where the neurotransmitter gets released. 
 
 
 
                                                                                                       9 
 
 
Under a high‐powered microscope (Scanning Electron Microscopy), the cones and rods look like the 
following. (Only the outer segments are visible in this image.) 
 




                                                                                                    
        Image from http://www.chm.bris.ac.uk/webprojects2003/white/functional_anatomy_of_files/image004.jpg 
 
 
          Compare the sizes of the photoreceptor outer segments.  Which one is bigger? 
 
 
 
Photosensitive Proteins: Rhodopsin and Cone Opsins  
Rhodopsin and the cone opsins are receptor proteins that span the membrane of disks in the outer 
segments.    
 
                                                    




                                                                                     
 
Rhodopsin and cone opsin are situated in the membrane of the discs in the photoreceptor outer 
segments.   Since the rod photoreceptors have larger outer segments, they have more opsin protein 
(rhodopsin).  This is part of the reason they can respond in lower light levels.   
 

                                                                                                               10 
 
 




                                                                               
      The wavelengths of light that maximally initiate the response of the three types of cone 
                             photoreceptors and rod photoreceptor 
 
I can see in UV!!  Some animals have an additional type of cone photoreceptor, which maximally 
responds to UV light.  This photoreceptor contains an opsin protein that responds to UV light (< 380 nm).  
There is a huge amount of research ongoing that addresses how animals see in the UV and how seeing in 
the UV affects their behavior.  For example, in the picture of the flower shown above, bees are thought to 
be able to see a contrast in the area of the flower’s pollen.  It almost looks like a landing strip for the bee! 
 
Phototransduction involves three steps: 
 
1.  In the dark, photoreceptors are constantly releasing neurotransmitter.  They are depolarized or they 
have a negative membrane potential (just like other neurons).  The photoreceptors respond to light 
through the rhodopsin (rod) and cone opsin (cones) proteins. 
 
2. The absorption of light initiates a conformational change in the protein.  This change sets off a cascade 
of events (a signal) that closes Na+ ion channels in the cell.  The Na+ ion channels are gated by binding 
cGMP (cyclic GMP, a molecule in the cell).  “Gated ion‐channel” means that the channel can only open if 
something is bound to it.  The signal initiated by light breaks up the cGMP molecule (an enzyme is 
activated that breaks down cGMP to GMP) so that it no longer can bind to the Na+ ion channel.  As a 
result, the channel closes.  Closing the channel prevents Na+ molecules from coming in the cell, which 
makes the photoreceptor more negative or hyperpolarized (membrane potential). 
 
3.  The change in membrane potential reduces the release of a signal (neurotransmitter) in the synaptic 
vesicle from the synaptic terminal.  Fewer signals are then transmitted to the next layer of cells, the 
bipolar cells. 
 
Light is acting as a signal to turn down the amount of neurotransmitter that gets released from the cell.   
The next cell, the bipolar cell, is a neuron that responds to both stimuli, lights on and lights off.  There are 
bipolar cells that are called ON‐bipolar cells that respond (send a signal) when the lights are ON and there 
are OFF‐bipolar cells that respond (send a signal) when the lights are OFF.   Also there are horizontal cells 
that connect to photoreceptors and receive input from them.   Although much is known about these 
pathways, researchers are still uncovering information of how all of these neurons coordinate with one 
another to pass along information about what we see to our brains.   

                                                                                                             11 
 
 




                                                                                          
                                                    
                               A diagram representing Phototransduction 
 
It may seem strange that the photoreceptor releases less transmitter upon light and that the next level of 
neurons, the bipolar cells, can respond to the less transmitter.  One way to think about it is that, like other 
neurons, the photoreceptors release neurotransmitter when depolarized (membrane potential is slightly 
negative).  Dark in this case does not have to be complete darkness.  It can be a shadow that passes over 
your eye, a change in light intensity. 
 
Activity: What can you see in the dark? 
 
This exercise demonstrates how the two types of photoreceptors in the eye, the rods and cones, adapt in dim 
light conditions. 
 
Pre­Activity Questions: 
     
    1.   When you walk into a dark room, can you immediately see objects around you?  
 
 
    2. Are you able to distinguish colors in dim light?  
 
 
 
    3. Do you think that you can see certain colors in the dark?  If so, which colors? 
 
 
 

                                                                                                             12 
 
 
     4. When you walk out of a dark theatre after a movie, what can you see? 
 
 
 
For this activity, students will first separate balls that have the same shape but are in three different colors.  
You can do this with any object that feels the same but has different color or the writing on the object is 
different.  Have students place a pirate’s patch on one eye.  Ask students to separate the balls into categories 
in bright light.  Mix up the balls again and turn off the lights.  Immediately ask the students to separate the 
balls in the dim light.  This can be a quantitative exercise by counting the number of errors per group and 
making charts with averages and standard deviations.   Then have students switch the patch to the other 
eye, repeat the sorting of the objects and count the number of errors among student groups.   
 
 Other classroom activities: 
1. You can try to separate cups of water with different concentrations of food coloring and ask students to 
sort the cups of water by increasing degree of color. 
 
2.  You can try magazine pictures or different colors of construction paper. 
 
3.  You can test variables, such as time, (e.g., how long does it take for the rod photoreceptors to adapt to dim 
light?) 
 
4.   After being in the dark for several minutes, turn on the light and have students stare at different colored 
items.  Then, determine how long it takes for them to distinguish the colors.  (This activity is testing how long 
it takes cone photoreceptors to adapt to bright light.) 
 
 
Is it difficult to distinguish color in the dark? 
The cone photoreceptors are responsible for color vision.  A certain amount of light energy (threshold) 
has to be present for the cone photoreceptors to respond.  However, in dark conditions, in humans and 
other animals, the cone photoreceptors do not receive enough light to give a response.  
 
Light Adaptation Activity:  What is the minimum amount of light (threshold) required for the cone 
photoreceptors to respond?  Students can measure how much light is required for the cone receptors to 
respond by performing the aforementioned activities and increasing the level of light.  The amount of light 
can be measured in Watts by a basic light meter (check with your school’s physics lab). 
 
Why does it take a long time to adapt in dim light? 
The rod photoreceptors are the photoreceptors responsible for vision in dim light.  A single photon of 
light is enough energy for the rod photoreceptors to respond.   In bright light, the rod photoreceptors are 
saturated with light and are bleached, which means that the visual pigment has converted to another 
form.  In this form, it can no longer respond to light and has to go through a set of reactions to return to 
its original form.  When you first turn off the lights, the rod photoreceptors are still saturated and it takes 
a few minutes for the pigment molecules that respond to light to regenerate.  It usually takes 20 ‐25 
minutes to complete dark adaptation of the rod photoreceptors.  When you turn the lights on, the rods 
again will saturate (the visual pigment can no longer respond to light), but the light is now at a threshold 
in which cone photoreceptors can respond. 
 
                                                                                                               13 
 
 
Activity: Acting it OUT!! 
 
This provides an opportunity to get students outside!  Have students act out one part and then act out 
another part in this demonstration.   
 
Parts: 
­ Light (students will hold light bulbs) 
­ Outer segment disks – outline with students in the shape of the outer segments (students are kneeling 
down) 
­ Synaptic vesicles (two students holding hands with one student in the middle who will get released) 
­  Opsin protein (students can wear different colors) 
­ Ion­Channel (two students stand arm­length apart in membrane) 
­ cGMP (student is “bound” to channel) 
­Na+ (student holds salt shaker) 
 
In the Dark: 
The channel is open with cGMP student bound to it.  Na+ student shakes salt into the cell through the 
channel.  Synaptic vesicles are releasing neurotransmitter.  Students can demonstrate this by picking up 
another student and releasing him or her.  
 
In the Light: 
Students with light bulbs touch the Opsin protein student.  This initiates a chain reaction and the cGMP 
student moves away from the channel.  The students who are acting as the channel close by moving side by 
side to each other.  The student with the salt shaker stops shaking the salt.  The synaptic vesicle students 
reduce the release of neurotansmitter. 
 
Discussion: Central and Peripheral Vision 
 
The Macula:  The macula is the small sensitive region of the retina that gives central vision.  In this 
central region, there are all cones and no rods.  The fovea is the center part of the macula, which 
contributes to the sharpest vision.  As shown in the figure, the fovea is a thinning of the retinal tissue and 
shaped like a pit.  This thinning of the retinal layer allows for more light to directly contact the cone 
photoreceptors, avoiding other cells in the retina.  In humans, there are about 120 million rods and 6 
million cones.   The majority of the cone photoreceptors are in the fovea region. 




                                                                                                            14 
 
 




                                                                                         
                                                           Cross­section of the retina 
                                                                                  
 
Central and Peripheral Vision Activity: 
Hold this image paper a few inches from your face.  Then, stare at the black cross in this picture for 10 – 
20 seconds. 




                                                                                     
 
What did you observe? 
 
 
 
What happened to the dots after staring at the cross for 10 ‐20 seconds? 
                                                                                                           15 
 
 
 
 
 
When you are staring at the cross, where are the dots located? 
 
 
 
Based on your observations, do you think your peripheral vision is better or your central vision is better? 
 
 
Measuring your central vision (adapted from The Cheshire Cat and other eye­popping 
experiments on how we see the world) 




                                                                          
Pre­Activity Questions: 
 
How much do you think you can see out of the corner of your eye?  Shapes? Colors? A persons face? 
 
 
Materials: 
­Poster board 
­pushpin 
­ String about 2 feet long 
­a pencil  
­scissors 
­ 2 plastic cups 
­white index cards 
­glue 
­stickers of different colors and shapes 
 
Assembly:   
For assembly, you basically want to make a large protractor to measure the angle of your central vision.  
Make a circle with a radius of 1 foot, using the pushpin in the middle and tying the string around the pushpin 
and the pencil.  Cut out the circle and cut it down the middle to make a half circle.  Cut a small circle in the 
middle of the board to place your nose at the base of the giant protractor.  Cut strips of index cards and 
place the stickers with the colored shapes at the tip of the strip. 
 
                                                                                                             16 
 
 
Procedure: 
 
Before the Procedure, predict where you think you would see color or shapes on your giant 
protractor. 
 
 
 
   1. Using the cups as the handles, hold the poster board base up to your face and put your nose in the 
       center hole. 
   2. Place a pushpin directly in front of your eyes. 
   3. Stare at the pushpin, while another person in your group slowly moves the index card with the 
       colored shape inward toward the pushpin. 
   4. When you see the color or the shape, let the person in your group know. 
   5. Make a mark at that point. 
   6. Using the protractor and ruler, measure the angle at which you recognized the shape and color. 
 
For more advanced classrooms: Carrots are good for your eyes? 
        
       Rhodopsin and the cone opsins are located in the photoreceptor outer segment disks.   A small 
molecule called retinal binds to the rhodopsin and cone opsin proteins.  The absorption of light causes a 
change in the retinal molecule.  Retinal changes conformation from its cis form to its trans form.  This 
change is like a domino effect in the photoreceptor cell.  When retinal changes, rhodopsin also changes, 
leading to a cascade of events.  The last event is that the Na+ channels close and the cell becomes more 
negative because now Na+ ions which are positive cannot flow into the cell.  This change in membrane 
potential causes a reduced amount of neurotransmitter to be released.   
        




                                                                    
        
       Carrots contain β ‐carotene, a molecule that the body uses to make retinal.  We do not produce β‐
carotene, therefore we must obtain it from our diets.  Besides carrots, olives are another good source of 
β‐carotene.  However, don’t worry too much that you’ll need to eat like a rabbit.  As long as you are 
eating sensibly, your body will make enough retinal for proper vision.  However, in countries where 
vitamin A deficiency due to lack of nutritious foods is a serious issue, vision problems, such as night 
blindness, do occur. 
 




                                                                                                         17 
 
 




                                                                                                              
 
 
Colored Shadows: (Adapted from Exploratopia, from the Exploratorium) 
 
The basic principle of this exercise is to remind students that there is a difference between subtractive and 
additive color mixing.  They probably learned this in elementary school or middle school.  However, we will 
know relate this to color vision.   
 
Pre­activity Questions: 
 
What color to you get when you mix all colors together? 
 
 
 Procedure: 
Using flashlights or lamps with color filters, arrange each light so that they converge on a whilte surface. 
Try to make the room as dark as possible. 
 
Observe the colors that you see once you begin to overlap the light. 
 
Now, place your hand in front of the light. 
 
Explorations Questions: 
    1. How many shadows do you see? 
 
 
    2. What are the colors of the shadows? 
 
 
    3. What are the colors of the shadows when they overlap? 
        
        
    4. Now, block one of the bulbs or turn off the light. 
                                                                                                            18 
 
 
 
 
     5.  How does this change the colors that you see in the shadows? 
 
 
 
 
Other Activities for the classroom: 
 
1.  If you have a light source or a lamp in your class, you can look at the effects of light when you use 
different color filters.   
 
2.  Using three flashlights you can place blue, red, and green color filters in front of each flashlights and 
project it on a white board or white poster board. 
 
 
Discussion: How do we detect different colors?  
 




                                                                          
                                                          
        If you mix red, green, and blue light, you will equally activate all three cone photoreceptors 
resulting in the perception of white color.  White is an additive effect of all three colors, which activate all 
three cone photoreceptors.  Other colors are perceived by mixing the proper ratio from the red, green, 
and blue light. The contributions of red, green, and blue cones largely determine the colors that we 
perceive.   The contribution of all three cones is processed in part by a direct path from photoreceptors to 
bipolar cells to ganglion cells.  Other retinal neurons influence the flow of this information indirectly.  The 
horizontal cells receive input from photoreceptors and influence the surrounding bipolar cells.  Amacrine 
cells contribute to the signal by receiving input from bipolar cells and sending signals to ganglion, bipolar, 
and other amacrine cells.  In a sense, the horizontal and amacrine cells form a web of information 
contributing to the overall signal sent to the ganglion cells.  Basically, information from 126 million 
photoreceptors has to be funneled into 1 million ganglion cells to be sent to the brain.  The ganglion cells 
then pass on the message to the brain via its axons that make up the optic nerve (see picture below). 
         
         



                                                                                                                 19 
 
 




                                                                                              
                                                     
             How information flows through the retina (Image modified from Purves et al. (Ed.), 
                         "Neuroscience", Sinauer Asociates Inc. Publisher) 
                                                     
                              Retinal Processing: the Flow of Information 
         
Picture the retina as a train station to think about how it processes information.  Passengers get to the 
train station via different mechanisms; for example, some walked, some took the bus, some drove, or 
some rode their bike.  Next, passengers board the train to get to the next station.  In this analogy, the 
input of the photoreceptors, bipolar, amacrine, and horizontal cells come together to activate the 
ganglion cells (the train).  The train traveling to the next station is analogous to the output from the 
ganglion cells to the brain.  The axons of the ganglion cells make up the optic nerve, which travels from 
the retina (one station) to the brain (next station).  
 
 
Activity: What a weird American Flag! 
 




                                                                                                             20 
 
 




                                                                                     
 
What are the colors represented in this version of the American Flag? 
 
 
Stare at the white cross in the center of this image of the American Flag for 1 minute. Then move 
your eyes to this blank box. 
 




                                                                                     
 
Do you see anything?  If so, what colors do you see? 
 
 
 
 
Discussion IV:  Why does this happen?  
        So far we have discussed the initial stages of color vision, specifically how light can be converted 
(transduced) into an electrical signal to be sent eventually to the brain.  However, there is more to color 
vision than the processing from the cone and rod photoreceptors.  The signal gets processed in the retina 
by other neurons and it gets processed in the brain.  That is why we are often fooled by optical illusions!!  
The ganglion cells respond to all of the input from multiple cone photoreceptors.  Part of the retinal 
processing of color is described by the color‐opponent theory. 
 
                                                                                                            21 
 
 
The Color­Opponent Theory (For more advanced classrooms): 
Have you ever seen a color that is red‐green or blue‐yellow?   
 
         Certain colors are not seen in combination. These are called opponents, or antagonists.  White and 
Black are also opponents in the sense of light illumination (the measure of light and dark or whiteness 
and blackness).  The theory is that the information passed down to the some of the ganglion cells gets 
sorted into three different channels before it goes to your brain.  A channel represents a field of ganglion 
cells or a group of cells responding together.  Let’s say you are watching TV and you can only switch to 
three different channels.  However, those three different channels have all the shows categorized into 
three different topics, sports, news, and reality TV.   
          
         In the retina, information about color and light intensity is sorted into the three channels.  One 
channel is devoted to information from the group of ganglion cells that responded to red and green light.  
One channel is devoted to information from the group of ganglion cells that responded to blue and yellow 
light.  One channel is devoted the group of ganglion cells that respond to light intensity measured by the 
degree of blackness or whiteness.  Specific types of ganglion cells gather these three different processes 
together (light versus dark, red versus green, yellow versus blue) to send to the brain. The ganglion cells 
that respond in this fashion are called color‐opponent cells.  These ganglion cells are sensitive to 
differences in the wavelength of light.  For each of the channels, if both types of stimuli stimulate the 
ganglion cells, only one output gets read: red or green, blue or yellow, and light or dark.  For example, if a 
concentric field of ganglion cells is stimulated by red light (via mainly red cone photoreceptors) and 
green light (via mainly green cone photoreceptors), the center ganglion cell might have a direct pathway 
from the red photoreceptor cell while the surrounding ganglion cells are receiving signals mainly from 
green photoreceptors.  The channel from this field of cells will cancel each other out and the ganglion cell 
will not fire (send an electrical pulse).  The same would happen if the center ganglion cell is illuminated 
by green light and the surrounding cells are illuminated by red light.  The same is true for blue and yellow 
light responses.  Thus, you never get both responses from both red and green light or blue and yellow 
light sending their signal at the same time.  That is why you never see colors that are red‐green or blue‐
yellow.   
          




                                                                                                          
 
Analogy:  Imagine you have entered an arm wresting contest.  In this scenario, you are the input from a 
red light stimulus and your opponent is the input from a green light stimulus.  Your first opponent is 
someone who is stronger than you so he or she wins the match.  In this case, the ganglion cell fires in 
                                                                                                           22 
 
 
response to the green light.  Your next opponent is someone who is weaker than you so you win the 
match.  Thus, the ganglion cell fires in response to the red light.  You and your next opponent have an 
equal amount of strength.  In this case, the ganglion cell does not fire because the input from red light 
stimulus and the input from the green light stimulus cancel each other out. 
  
Afterimages:  The picture of the American flag above is an example of an afterimage.  Afterimages occur 
because after staring at one color for a prolonged time, the corresponding cone photoreceptor becomes 
saturated.  Just like other sensory cells, the cell will stop responding if bombarded with the same stimulus 
for long periods of time.  The cone photoreceptors in a sense become “fatigued.”  The reason you see the 
opposite color can be partly explained by the opponent‐color theory.  Remember red and green are not 
seen at the same time, blue and yellow, and white and black (light illumination) are also antagonistic 
(they cancel each other out).  Remember white is an addition of all colors and requires all of the cone 
photoreceptors input.  Thus in order to “see” white (light reflected from the background), both red and 
green cones (which due to the color‐opponent theory cancel each other out) have to send signals.  The 
cone photoreceptor that is “fatigued” will not respond when you switch to the white background.  Thus, 
you are left with the response from the opposite cone photoreceptor.  For example, what if you were to 
stare at the red box below for a minute or so then switch to the white square?  Your red photoreceptors 
are “fatigued” from the prolonged stimulation, so you perceive red’s opponent color, green.   
 
Analogy:  Let’s continue with the arm wrestling analogy.   If your opponent has the same strength as you, 
no one wins.  The ganglion cell will not fire, so the signals cancel each other out.  However, if you stopped 
during the match and performed 20 push‐ups, your arm is fatigued, now your opponent wins the match.   
Since you are staring at the red square for long periods of time, your red photoreceptors become over 
stimulated and now its opponent, green can be perceived. 
 




                                                                              
 
Stare at the cross in the middle of the blue square for at least a minute.  Based on the color‐opponent 
theory what do you predict you should see?  What color do you see? 
 
                                                        
 
Switch a Roo:  Stare at these images for 1 minute and then look at the white box.  
  




                                                                                                           23 
 
 




                                                                                         
 
Questions that can be investigated in classroom activities: 
  1. Repeat the exercise by altering the time that you stare at the boxes.   
      How does the time you stare at the box make a difference in the color that you see? 
       
  2. Repeat exercise this time with your left eye closed, then open your left eye and stare at the box 
      with your left eye open but right eye closed.  How does this make a difference in the color that you 
      see?  What is your explanation for your results? 
 
  3. Make your own afterimage using opponent colors.  
 
 
Research Focus:  A “Bionic” Eye? 
Note: I would like to include a comparison of the digital camera and eye first in this section and maybe 
incorporate an activity with cameras, etc?  
Questions: 
Understanding what you know now about the retina, what would happen if you no longer had functional 
photoreceptors? 
 
 
 
Looking at the pictures below, describe how the vision of an individual with retinitis pigmentosa is 
affected?  An individual with age‐related macular regeneration? (Hint: What part of your vision is 
affected, central or peripheral?) 
 




                                                                                                   
 




                                                                                                        24 
 
 




                                                                                                            
 
                Images Courtesy of the National Eye Institute (http://www.nei.nih.gov/health/examples/) 
 
        Have you ever heard of the TV shows, “The Six Million Dollar Man” and “The Bionic Woman”?  The 
shows were about two individuals who were in terrible accidents and had parts of their bodies replaced 
with prosthetic limbs.  However these prosthetic limbs actually improved their ability to run, hear, and 
see.  For example, the six million dollar man had prosthetic legs that allowed him to run at the speed of 60 
mph (miles per hour)!  Sounds like science fiction, right?  Well, maybe not!  What if you could implant a 
prosthetic retina in someone to restore eyesight?  Last year, researchers at multiple labs funded by the 
US Department of Energy performed clinical trials in which they implanted an artificial retina or what is 
being called a “bionic” eye in blind individuals.  This “bionic” eye will not give the blind individual better 
vision than non‐blind individuals, but it is still a remarkable advance in the field of vision science. 
 
        There are two major retinal diseases, Retinitis Pigmentosa and Age‐related Macular Degeneration, 
which can cause blindness due to loss of photoreceptor function (see pictures above).   Remember the 
photoreceptors are a part of the retina and respond to light sending electrochemical signals to the rest of 
the retina and brain.  In these diseases, the photoreceptors degenerate, but in many cases, other retinal 
neurons, such as the bipolar, horizontal, amacrine, and ganglion cells are still present and functional.  One 
of these diseases causes photoreceptors primarily in the fovea to be destroyed.   
 
What is the function of the fovea?   Which disease affects the photoreceptors of the fovea?  
 
 
        There are no known cures for these retinal diseases.   Millions of people have lost their sight due 
to these diseases.  Two million Americans have Age‐related Macular Degeneration; while hundreds of 
thousands of people suffer from Retinitis Pigmentosa.  Engineers and scientists are now trying to 
improve this device to assist millions of people who have lost their sight due to these retinal diseases.  
 
How does it work?   
 
If the retina contains photoreceptors that are not functional, how is vision affected?  What could you do to 
simulate other retina cells? 
 
An external miniature digital camera is placed on a pair of sunglasses worn by the patient.  The digital 
camera gathers the image and transmits the information to a miniprocessor.  This miniprocessor 

                                                                                                               25 
 
 
converts the data from the image to electrical signals that stimulate the implanted microelectrode array 
on the surface of the retina.  The microelectrodes will send out electrical pulses to stimulate the other 
retinal cells.  So instead of a release of transmitter from the photoreceptors to the bipolar cells, this 
electrical signal directly stimulates any remaining retinal cells.  This signal goes through the optic nerve 
and to the brain.  The brain can now perceive light and dark spots, which corresponds to the 
microelectrodes that were stimulated due to the image received from the digital camera. 
 




                                                                                                              
 
(From: http://www.sciencedaily.com/releases/2009/10/091021012847.htm, Credit: Jessy Dorn / Second Sight Medical Products, 
Inc. and Department of Energy Artificial Retina Project: http://artificialretina.energy.gov/) 
 
Not Perfect Vision, Yet! 
Do you think that individuals with the “bionic” eye implant will be able to perceive images immediately?  
Why or why not? 
 
 
 
                                                       
 
 
Remember that the brain is a crucial component of the visual system.  After receiving the implant, 
individuals have to learn what they are “seeing.”  Their eye and brain has to be in a sense “retrained” to 
be able to interpret the images that they now are able to see.   Most individuals with the implant can see 
light and contrasts between objects.  The picture below shows what researchers think is possible for 
individuals with the implant to see when they increase the number of electrodes and improve the 
processing software of the digital camera (pre‐processing the image before it is sent to the electrode). 
 




                                                                                                                       26 
 
 




                                                                                                                
                (Image courtesy of  California Institute of Technology, http://artificialretina.energy.gov) 
 
Further Discussion Questions: 
 
Do you think that with the “bionic” eye implant, individuals will be able to see colors? 
 
 
 
If not, what do you think would be necessary for them to see colors? 
 
 
 
You are the scientist working for the artificial retina project.  What are some things you would like to 
know before making the implant available to any blind patient? 
 
 
 
 
If you knew someone who was thinking about receiving the “bionic eye” implant, what would you tell him 
or her?  Would you have any concerns?   
 




                                                                                                                   27 
 
 
Resources: 
 
1. Neuroscience: Exploring the Brain, 3rd edition, Bear M., Connors B., Paradiso, M. 
 
2. The thinking eye, the seeing brain: Explorations in visual cognition, James T. Enns 
 
3. Eye and Brain: the Psychology of Seeing 5th edition, Richard Gregory, Oxford University Press 1998 
 
4. Neuroscience for kids: http://faculty.washington.edu/chudler/neurok.html 
 
5. The Exploratorium: http://www.exploratorium.edu/, 
http://www.exploratorium.edu/exhibits/mix_n_match/ 
 
6. How a Digital Camera works: http://electronics.howstuffworks.com/digital‐camera.htm 
 
7. http://colour.australianmuseum.net.au/  
 
8. Webvision: http://webvision.med.utah.edu/ 
 
9. More about the “Bionic” Eye: http://artificialretina.energy.gov 
http://www.cnn.com/2009/HEALTH/12/11/bionic.eye/index.html 
http://www.youtube.com/watch?v=iUz1ScDKslk   
 
10. More about “mirror on the wall” exercise: Harvard Smithsonian Center for Astrophysics 1995. 
Vision: Can we believe our own eyes?  http://www.learner.org/workshops/privuniv/pup05.html 
 
11. Video acting out Neurons Firing Action Potentials: 
http://www.youtube.com/watch?v=TQ7NIvXEpVY 




                                                                                                         28 
 

More Related Content

Viewers also liked

Agua de mar es salud
Agua de mar es saludAgua de mar es salud
Agua de mar es saludPrema Perez
 
The Future of News, Publishing, and Media (INMA 2010 Presentation)
The Future of News, Publishing, and Media (INMA 2010 Presentation)The Future of News, Publishing, and Media (INMA 2010 Presentation)
The Future of News, Publishing, and Media (INMA 2010 Presentation)Gerd Leonhard
 
STOP DIABETES CON FLP PERU
STOP DIABETES CON FLP PERUSTOP DIABETES CON FLP PERU
STOP DIABETES CON FLP PERUVictor Ravines
 
Foro - Ley electoral
Foro - Ley electoralForo - Ley electoral
Foro - Ley electoralPorOtraCuba
 
Maestria en gestion de la innovación uniminuto
Maestria en gestion de la innovación uniminutoMaestria en gestion de la innovación uniminuto
Maestria en gestion de la innovación uniminutoOscar Lunatico
 
Better email response time using Microsoft Exchange 2013 with the Dell PowerE...
Better email response time using Microsoft Exchange 2013 with the Dell PowerE...Better email response time using Microsoft Exchange 2013 with the Dell PowerE...
Better email response time using Microsoft Exchange 2013 with the Dell PowerE...Principled Technologies
 
eCommerce Helsinki 2016_Anders Innovations & GlobalSign_16th march, 2016, Hel...
eCommerce Helsinki 2016_Anders Innovations & GlobalSign_16th march, 2016, Hel...eCommerce Helsinki 2016_Anders Innovations & GlobalSign_16th march, 2016, Hel...
eCommerce Helsinki 2016_Anders Innovations & GlobalSign_16th march, 2016, Hel...Timo Halima
 
10 pasos a la felicidad
10 pasos a la felicidad10 pasos a la felicidad
10 pasos a la felicidadlopaumoval
 
Industrial Investment Engineering Presentation
Industrial Investment Engineering PresentationIndustrial Investment Engineering Presentation
Industrial Investment Engineering PresentationDavid1Mayagoitia
 
13 insights (Troiano Branding)
13 insights (Troiano Branding)13 insights (Troiano Branding)
13 insights (Troiano Branding)Luis Rasquilha
 
Visual speech to text conversion applicable to telephone communication
Visual speech to text conversion  applicable  to telephone communicationVisual speech to text conversion  applicable  to telephone communication
Visual speech to text conversion applicable to telephone communicationSwathi Venugopal
 
Helden - Jugend gestern Und heute
Helden - Jugend gestern Und heuteHelden - Jugend gestern Und heute
Helden - Jugend gestern Und heuteMH1970
 
DAFO PERSONAL - Catedra Bancaja UPF-idec 12 feb2011 _lluis soldevila
DAFO PERSONAL - Catedra Bancaja UPF-idec 12 feb2011 _lluis soldevilaDAFO PERSONAL - Catedra Bancaja UPF-idec 12 feb2011 _lluis soldevila
DAFO PERSONAL - Catedra Bancaja UPF-idec 12 feb2011 _lluis soldevilaEmprèn UPF
 

Viewers also liked (20)

Agua de mar es salud
Agua de mar es saludAgua de mar es salud
Agua de mar es salud
 
The Future of News, Publishing, and Media (INMA 2010 Presentation)
The Future of News, Publishing, and Media (INMA 2010 Presentation)The Future of News, Publishing, and Media (INMA 2010 Presentation)
The Future of News, Publishing, and Media (INMA 2010 Presentation)
 
resume
resumeresume
resume
 
STOP DIABETES CON FLP PERU
STOP DIABETES CON FLP PERUSTOP DIABETES CON FLP PERU
STOP DIABETES CON FLP PERU
 
(2012-12-12) HIPERTENSION ARTERIAL (DOC)
(2012-12-12) HIPERTENSION ARTERIAL (DOC)(2012-12-12) HIPERTENSION ARTERIAL (DOC)
(2012-12-12) HIPERTENSION ARTERIAL (DOC)
 
Noches románticas
Noches románticasNoches románticas
Noches románticas
 
Proyecto marketing móvil
Proyecto marketing móvilProyecto marketing móvil
Proyecto marketing móvil
 
Foro - Ley electoral
Foro - Ley electoralForo - Ley electoral
Foro - Ley electoral
 
Maestria en gestion de la innovación uniminuto
Maestria en gestion de la innovación uniminutoMaestria en gestion de la innovación uniminuto
Maestria en gestion de la innovación uniminuto
 
Better email response time using Microsoft Exchange 2013 with the Dell PowerE...
Better email response time using Microsoft Exchange 2013 with the Dell PowerE...Better email response time using Microsoft Exchange 2013 with the Dell PowerE...
Better email response time using Microsoft Exchange 2013 with the Dell PowerE...
 
eCommerce Helsinki 2016_Anders Innovations & GlobalSign_16th march, 2016, Hel...
eCommerce Helsinki 2016_Anders Innovations & GlobalSign_16th march, 2016, Hel...eCommerce Helsinki 2016_Anders Innovations & GlobalSign_16th march, 2016, Hel...
eCommerce Helsinki 2016_Anders Innovations & GlobalSign_16th march, 2016, Hel...
 
Actividad 2
Actividad 2Actividad 2
Actividad 2
 
10 pasos a la felicidad
10 pasos a la felicidad10 pasos a la felicidad
10 pasos a la felicidad
 
Industrial Investment Engineering Presentation
Industrial Investment Engineering PresentationIndustrial Investment Engineering Presentation
Industrial Investment Engineering Presentation
 
13 insights (Troiano Branding)
13 insights (Troiano Branding)13 insights (Troiano Branding)
13 insights (Troiano Branding)
 
Visual speech to text conversion applicable to telephone communication
Visual speech to text conversion  applicable  to telephone communicationVisual speech to text conversion  applicable  to telephone communication
Visual speech to text conversion applicable to telephone communication
 
Helden - Jugend gestern Und heute
Helden - Jugend gestern Und heuteHelden - Jugend gestern Und heute
Helden - Jugend gestern Und heute
 
Historia De Mi Vida
Historia De Mi Vida Historia De Mi Vida
Historia De Mi Vida
 
DAFO PERSONAL - Catedra Bancaja UPF-idec 12 feb2011 _lluis soldevila
DAFO PERSONAL - Catedra Bancaja UPF-idec 12 feb2011 _lluis soldevilaDAFO PERSONAL - Catedra Bancaja UPF-idec 12 feb2011 _lluis soldevila
DAFO PERSONAL - Catedra Bancaja UPF-idec 12 feb2011 _lluis soldevila
 
Data Quality Everywhere
Data Quality EverywhereData Quality Everywhere
Data Quality Everywhere
 

Similar to Color vision

Senior Project Paper
Senior Project PaperSenior Project Paper
Senior Project PaperMark Kurtz
 
The eye
The eyeThe eye
The eyecmagn
 
Microscope parts and E Lab.pptx
Microscope parts and E Lab.pptxMicroscope parts and E Lab.pptx
Microscope parts and E Lab.pptxMarcoSuarez72
 
Module 4 optical instruments
Module 4 optical instrumentsModule 4 optical instruments
Module 4 optical instrumentsdionesioable
 
EYE TRACKING TECHNOLOGY
EYE TRACKING TECHNOLOGYEYE TRACKING TECHNOLOGY
EYE TRACKING TECHNOLOGYgeothomas18
 
Applied Computer Vision - a Deep Learning Approach
Applied Computer Vision - a Deep Learning ApproachApplied Computer Vision - a Deep Learning Approach
Applied Computer Vision - a Deep Learning ApproachJose Berengueres
 
0-1--Introduction FPCV-0-1.pdf
0-1--Introduction FPCV-0-1.pdf0-1--Introduction FPCV-0-1.pdf
0-1--Introduction FPCV-0-1.pdfPatrickMatthewChan
 
User Experience 2: Psychology Concepts
User Experience 2: Psychology ConceptsUser Experience 2: Psychology Concepts
User Experience 2: Psychology ConceptsMarc Miquel
 
Eye as an optical system.
Eye as an optical system.Eye as an optical system.
Eye as an optical system.AmritJha7
 
Eye Tracking Software model of left right all
Eye Tracking Software model of left right allEye Tracking Software model of left right all
Eye Tracking Software model of left right allAtharvaTanawade
 
Vision topics examples
Vision topics   examplesVision topics   examples
Vision topics examplesLance Jones
 

Similar to Color vision (20)

SCIENCE7: The Microscope
SCIENCE7: The MicroscopeSCIENCE7: The Microscope
SCIENCE7: The Microscope
 
Senior Project Paper
Senior Project PaperSenior Project Paper
Senior Project Paper
 
Optical instruments
Optical instrumentsOptical instruments
Optical instruments
 
Physio eye-1-
Physio   eye-1-Physio   eye-1-
Physio eye-1-
 
CGch-3.pptx
CGch-3.pptxCGch-3.pptx
CGch-3.pptx
 
The eye
The eyeThe eye
The eye
 
Microscope parts and E Lab.pptx
Microscope parts and E Lab.pptxMicroscope parts and E Lab.pptx
Microscope parts and E Lab.pptx
 
Do something cool
Do something coolDo something cool
Do something cool
 
Module 4 optical instruments
Module 4 optical instrumentsModule 4 optical instruments
Module 4 optical instruments
 
EYE TRACKING TECHNOLOGY
EYE TRACKING TECHNOLOGYEYE TRACKING TECHNOLOGY
EYE TRACKING TECHNOLOGY
 
Applied Computer Vision - a Deep Learning Approach
Applied Computer Vision - a Deep Learning ApproachApplied Computer Vision - a Deep Learning Approach
Applied Computer Vision - a Deep Learning Approach
 
0-1--Introduction FPCV-0-1.pdf
0-1--Introduction FPCV-0-1.pdf0-1--Introduction FPCV-0-1.pdf
0-1--Introduction FPCV-0-1.pdf
 
User Experience 2: Psychology Concepts
User Experience 2: Psychology ConceptsUser Experience 2: Psychology Concepts
User Experience 2: Psychology Concepts
 
Eye as an optical system.
Eye as an optical system.Eye as an optical system.
Eye as an optical system.
 
Eye Tracking Software model of left right all
Eye Tracking Software model of left right allEye Tracking Software model of left right all
Eye Tracking Software model of left right all
 
Essay Plan Form
Essay Plan FormEssay Plan Form
Essay Plan Form
 
Exhibit Educator's Guide
Exhibit Educator's GuideExhibit Educator's Guide
Exhibit Educator's Guide
 
Exhibit Educator's Guide
Exhibit Educator's GuideExhibit Educator's Guide
Exhibit Educator's Guide
 
Vision topics examples
Vision topics   examplesVision topics   examples
Vision topics examples
 
Methods in the Study of Cells
Methods in the Study of CellsMethods in the Study of Cells
Methods in the Study of Cells
 

More from guisbond

20 Years After Education Reform: Choosing a Path Forward to Equity and Excell...
20 Years After Education Reform: Choosing a Path Forward to Equity and Excell...20 Years After Education Reform: Choosing a Path Forward to Equity and Excell...
20 Years After Education Reform: Choosing a Path Forward to Equity and Excell...guisbond
 
Animal vision mabt smaller 030912
Animal vision mabt smaller 030912Animal vision mabt smaller 030912
Animal vision mabt smaller 030912guisbond
 
Animal vision
Animal vision Animal vision
Animal vision guisbond
 
Animal vision nsta 102911
Animal vision nsta 102911Animal vision nsta 102911
Animal vision nsta 102911guisbond
 
Color blindness activity
Color blindness activityColor blindness activity
Color blindness activityguisbond
 
Color blindness activity
Color blindness activityColor blindness activity
Color blindness activityguisbond
 
Color vision
Color visionColor vision
Color visionguisbond
 
Eye anatomy
Eye anatomyEye anatomy
Eye anatomyguisbond
 

More from guisbond (8)

20 Years After Education Reform: Choosing a Path Forward to Equity and Excell...
20 Years After Education Reform: Choosing a Path Forward to Equity and Excell...20 Years After Education Reform: Choosing a Path Forward to Equity and Excell...
20 Years After Education Reform: Choosing a Path Forward to Equity and Excell...
 
Animal vision mabt smaller 030912
Animal vision mabt smaller 030912Animal vision mabt smaller 030912
Animal vision mabt smaller 030912
 
Animal vision
Animal vision Animal vision
Animal vision
 
Animal vision nsta 102911
Animal vision nsta 102911Animal vision nsta 102911
Animal vision nsta 102911
 
Color blindness activity
Color blindness activityColor blindness activity
Color blindness activity
 
Color blindness activity
Color blindness activityColor blindness activity
Color blindness activity
 
Color vision
Color visionColor vision
Color vision
 
Eye anatomy
Eye anatomyEye anatomy
Eye anatomy
 

Color vision

  • 1.   Science of the Eye: Vision  How do we see?      Have you ever thought about how we see the world around us?  What is the science behind this  sense?  In this unit, we will discuss how vision works, how we see color and some of the diseases  that affect vision.  Let’s start with the general concept of vision.  We will start with a few questions  that will help you understand how you think vision works.    Unit Objectives:  1. Understand the molecular basis of vision   2. Recognize the complexity of the retinal network of neurons (Massachusetts Biology Frameworks 4.7)  3. Practice Science Inquiry Skills (SIS)     Comments for Teachers are in italics (i.e., different activities to perform in the classroom and directions on  how to perform these activities).    Mirror, Mirror, on the Wall:  If a mirror is mounted flat against the wall, how big does it have to be in  order for you to see your entire body?  Does distance play a role?        What is your prediction? (Sketch your description)              1   
  • 3.           The Digital Camera and the Eye:  You may have heard that the eye is like a camera.  The digital camera is even a better analogy of how the  vertebrate eye works.  A traditional camera uses a chemical process that “burns” the image on a thin film.   On the other hand, a digital camera uses a sensor that absorbs light and converts it to a signal more  analogous to what happens in our eyes.     Digital Camera Questions:    What is a digital camera?          Do you own a digital camera?  If so, what kind (i.e., what’s the zoom, how many pixels, etc.)?          How do you think it works?        3   
  • 4.       What do you need to make a digital camera?          Using the diagram below, observe the parts of the camera and label the analogous parts in the eye.   Show the pathway of light including the image.              Lenses – focuses light onto the sensor    Sensor (e.g. CCD) – contains pixels (photosensors) that capture light (color and intensity) and convert it  to an electrical signal and then to a digital signal     Image Processing Unit  ‐ takes signal from sensor, processes the information, and creates an image (e.g.  jpeg)      4   
  • 5.           In Living Color: Constructing Color Vision    Why is the sky blue?  How can we distinguish between a purple flower and a yellow flower?  Why are  there so many shades of gray?   Color vision is essential to how we “see” our everyday world.  It is  sometimes considered a construction project because it requires many components to function  completely.  How we see color is still a subject of investigation for scientists.  Scientists do not know all of  the details of color processing; that is, how we see or perceive colors.  Have you ever looked at a picture  and thought that it did not exactly capture all of the contrast and hues of colors that you observed.  Even  the most expensive camera does not have the same resolution as our visual system.       Pre­Discussion Questions:    1.  What are your favorite colors?        2.  What organ(s) of the body do you think are responsible for color vision?          3.  What is light and how is it useful?          4.  Look at these two photographs.  Describe three differences between the two photos.        5   
  • 6.         Discussion: Visible Light Spectrum    Most animals and plants can detect and respond to light.  Animals detect a narrow region of the  electromagnetic radiation spectrum called the visible light region because it is visible to the human eye.   Light reflects from objects and is refracted by the cornea and the lens onto a photosensitive (light  detecting) region of the eye called the retina.  Photosensitive cells in the retina can detect the visible light  region of the spectrum ranging from short wavelengths, starting at 390 nm, to longer wavelengths,  ending at 750 nm.  How we see or perceive the colors of this visible light spectrum is the next topic of this  unit.      Diagram of the Electromagnetic Radiation Spectrum and the Visible Light Spectrum    Other animals are able to see outside of the visible light spectrum.  For example, insects such as bees can  see in the ultraviolet region of the electromagnetic spectrum.  If you look at an ultraviolet picture of a  flower, in some cases you can almost see a pattern reminiscent of a landing strip that directs bees to the  flower’s pollen (see picture below).   We will see why bees can detect UV later in this unit.      6   
  • 7.       Marsh Marigold Flower – A. Visible Light (how humans see the flower)  B.  UV light (how bees see the flower)  (Image from http://www.eso.org/~rfosbury/home/natural_colour/biochromes/UV_flowers/nc_bio_flower_uv.html)      Discussion:  Retina and Phototransduction    Introductory activities to introduce color vision in the classroom:    1. Where’s Waldo?  Use a Where’s Waldo picture that is printed in color and in black and white.  Give  half the class the color photo and half the class the black and white photo.  Each student records how  long it takes to find Waldo.  Average the time it takes students to find Waldo and create a  comparison chart (you can include in this analysis standard deviation and create bar graphs or other  graphs).   (At the end of the activity, ask students what are some problems with this analysis, e.g.,  there is no real control, some people may have more experience with this type of puzzle than others,  which can affect the outcome.)    2.   Obtain paint samples (swatches) from the store that are within the same color family and test  students’ ability to tell the different colors apart.       How the eye uses signals to communicate what we see?      Pre­Discussion Questions:    1. Give an example of a signal.   How do we use this signal?        2. Name one example of how signals are important in your everyday life?        3. What are some examples of signals in the cell or human body?        7   
  • 8.     What do signals mean to us?  We use signals in our everyday lives.  Signals provide order, a way to  communicate a message, and a way to pass on information.  The definition of a signal is anything that  serves to indicate, warn, direct, command or act.  In electronics, a signal is an electrical quantity or effect,  as current, voltage, or electromagnetic waves that can be varied in such a way as to convey information  (Webster’s Dictionary).    Imagine you want to pass a note to someone at the back of your class, but you can’t use your cell phone in  class!!  To deliver the message, you might write something on a piece of paper and pass it to a number of  individuals in your class until the person receives it.      In the cell or in the body, there are messages that are being passed along as a way of communicating from  one cell to another or from one region of the body to another.     For example, when you put on your earphones from your iPod, the hair cells in your ears move to waves  of sound.  The sound waves move your hair cells and send a signal to the brain with the message of what  is playing on your iPod.  The mechanical force of the moving hair cells turns into an electrical signal that  goes to the brain.  Light can also be converted to electrical signals to send messages to the brain via the  retina.    How the retina signals to the brain: The retina contains several layers of cells that are responsible for  translating light refracted from the front of the eye (cornea and lens) into signals to send to the brain.    Here is a simplified close‐up of the retinal layers.  The photoreceptor cells respond to light first and  translate or convert it into an electrical signal.    Phototransduction is the process of converting light to electrical signals. When light is absorbed, it  sends a message or signal that triggers a change in the photoreceptor.  There are two types of  photoreceptors, cones and rods.  The cone photoreceptors are named as such because part of the cell is  shaped like a cone.  Rod photoreceptors have rod‐shaped parts.  The parts of the cell that are cone‐ shaped or rod‐shaped are called the outer segments.  The cone photoreceptors are responsible for color  vision and respond in bright light.  The rod photoreceptors respond under dim light conditions.          8   
  • 9.     The outer segment regions of the photoreceptors are membranous disc structures.  Proteins that respond  to light are embedded in these structures.         Cartoon diagram of a rod and a cone    There are three major parts to the photoreceptors: the outer segment, the cell body, and the synaptic  terminal.      The outer segment regions of the photoreceptors are disk‐like structures made up of the cell membrane.   The proteins that respond to light are embedded in these structures.    The cell body is where the nucleus is located.    The synaptic terminal is where the neurotransmitter gets released.          9   
  • 10.   Under a high‐powered microscope (Scanning Electron Microscopy), the cones and rods look like the  following. (Only the outer segments are visible in this image.)      Image from http://www.chm.bris.ac.uk/webprojects2003/white/functional_anatomy_of_files/image004.jpg      Compare the sizes of the photoreceptor outer segments.  Which one is bigger?        Photosensitive Proteins: Rhodopsin and Cone Opsins   Rhodopsin and the cone opsins are receptor proteins that span the membrane of disks in the outer  segments.             Rhodopsin and cone opsin are situated in the membrane of the discs in the photoreceptor outer  segments.   Since the rod photoreceptors have larger outer segments, they have more opsin protein  (rhodopsin).  This is part of the reason they can respond in lower light levels.        10   
  • 11.     The wavelengths of light that maximally initiate the response of the three types of cone  photoreceptors and rod photoreceptor    I can see in UV!!  Some animals have an additional type of cone photoreceptor, which maximally  responds to UV light.  This photoreceptor contains an opsin protein that responds to UV light (< 380 nm).   There is a huge amount of research ongoing that addresses how animals see in the UV and how seeing in  the UV affects their behavior.  For example, in the picture of the flower shown above, bees are thought to  be able to see a contrast in the area of the flower’s pollen.  It almost looks like a landing strip for the bee!    Phototransduction involves three steps:    1.  In the dark, photoreceptors are constantly releasing neurotransmitter.  They are depolarized or they  have a negative membrane potential (just like other neurons).  The photoreceptors respond to light  through the rhodopsin (rod) and cone opsin (cones) proteins.    2. The absorption of light initiates a conformational change in the protein.  This change sets off a cascade  of events (a signal) that closes Na+ ion channels in the cell.  The Na+ ion channels are gated by binding  cGMP (cyclic GMP, a molecule in the cell).  “Gated ion‐channel” means that the channel can only open if  something is bound to it.  The signal initiated by light breaks up the cGMP molecule (an enzyme is  activated that breaks down cGMP to GMP) so that it no longer can bind to the Na+ ion channel.  As a  result, the channel closes.  Closing the channel prevents Na+ molecules from coming in the cell, which  makes the photoreceptor more negative or hyperpolarized (membrane potential).    3.  The change in membrane potential reduces the release of a signal (neurotransmitter) in the synaptic  vesicle from the synaptic terminal.  Fewer signals are then transmitted to the next layer of cells, the  bipolar cells.    Light is acting as a signal to turn down the amount of neurotransmitter that gets released from the cell.    The next cell, the bipolar cell, is a neuron that responds to both stimuli, lights on and lights off.  There are  bipolar cells that are called ON‐bipolar cells that respond (send a signal) when the lights are ON and there  are OFF‐bipolar cells that respond (send a signal) when the lights are OFF.   Also there are horizontal cells  that connect to photoreceptors and receive input from them.   Although much is known about these  pathways, researchers are still uncovering information of how all of these neurons coordinate with one  another to pass along information about what we see to our brains.      11   
  • 12.       A diagram representing Phototransduction    It may seem strange that the photoreceptor releases less transmitter upon light and that the next level of  neurons, the bipolar cells, can respond to the less transmitter.  One way to think about it is that, like other  neurons, the photoreceptors release neurotransmitter when depolarized (membrane potential is slightly  negative).  Dark in this case does not have to be complete darkness.  It can be a shadow that passes over  your eye, a change in light intensity.    Activity: What can you see in the dark?    This exercise demonstrates how the two types of photoreceptors in the eye, the rods and cones, adapt in dim  light conditions.    Pre­Activity Questions:    1.   When you walk into a dark room, can you immediately see objects around you?       2. Are you able to distinguish colors in dim light?         3. Do you think that you can see certain colors in the dark?  If so, which colors?          12   
  • 13.   4. When you walk out of a dark theatre after a movie, what can you see?        For this activity, students will first separate balls that have the same shape but are in three different colors.   You can do this with any object that feels the same but has different color or the writing on the object is  different.  Have students place a pirate’s patch on one eye.  Ask students to separate the balls into categories  in bright light.  Mix up the balls again and turn off the lights.  Immediately ask the students to separate the  balls in the dim light.  This can be a quantitative exercise by counting the number of errors per group and  making charts with averages and standard deviations.   Then have students switch the patch to the other  eye, repeat the sorting of the objects and count the number of errors among student groups.       Other classroom activities:  1. You can try to separate cups of water with different concentrations of food coloring and ask students to  sort the cups of water by increasing degree of color.    2.  You can try magazine pictures or different colors of construction paper.    3.  You can test variables, such as time, (e.g., how long does it take for the rod photoreceptors to adapt to dim  light?)    4.   After being in the dark for several minutes, turn on the light and have students stare at different colored  items.  Then, determine how long it takes for them to distinguish the colors.  (This activity is testing how long  it takes cone photoreceptors to adapt to bright light.)      Is it difficult to distinguish color in the dark?  The cone photoreceptors are responsible for color vision.  A certain amount of light energy (threshold)  has to be present for the cone photoreceptors to respond.  However, in dark conditions, in humans and  other animals, the cone photoreceptors do not receive enough light to give a response.     Light Adaptation Activity:  What is the minimum amount of light (threshold) required for the cone  photoreceptors to respond?  Students can measure how much light is required for the cone receptors to  respond by performing the aforementioned activities and increasing the level of light.  The amount of light  can be measured in Watts by a basic light meter (check with your school’s physics lab).    Why does it take a long time to adapt in dim light?  The rod photoreceptors are the photoreceptors responsible for vision in dim light.  A single photon of  light is enough energy for the rod photoreceptors to respond.   In bright light, the rod photoreceptors are  saturated with light and are bleached, which means that the visual pigment has converted to another  form.  In this form, it can no longer respond to light and has to go through a set of reactions to return to  its original form.  When you first turn off the lights, the rod photoreceptors are still saturated and it takes  a few minutes for the pigment molecules that respond to light to regenerate.  It usually takes 20 ‐25  minutes to complete dark adaptation of the rod photoreceptors.  When you turn the lights on, the rods  again will saturate (the visual pigment can no longer respond to light), but the light is now at a threshold  in which cone photoreceptors can respond.      13   
  • 14.   Activity: Acting it OUT!!    This provides an opportunity to get students outside!  Have students act out one part and then act out  another part in this demonstration.      Parts:  ­ Light (students will hold light bulbs)  ­ Outer segment disks – outline with students in the shape of the outer segments (students are kneeling  down)  ­ Synaptic vesicles (two students holding hands with one student in the middle who will get released)  ­  Opsin protein (students can wear different colors)  ­ Ion­Channel (two students stand arm­length apart in membrane)  ­ cGMP (student is “bound” to channel)  ­Na+ (student holds salt shaker)    In the Dark:  The channel is open with cGMP student bound to it.  Na+ student shakes salt into the cell through the  channel.  Synaptic vesicles are releasing neurotransmitter.  Students can demonstrate this by picking up  another student and releasing him or her.     In the Light:  Students with light bulbs touch the Opsin protein student.  This initiates a chain reaction and the cGMP  student moves away from the channel.  The students who are acting as the channel close by moving side by  side to each other.  The student with the salt shaker stops shaking the salt.  The synaptic vesicle students  reduce the release of neurotansmitter.    Discussion: Central and Peripheral Vision    The Macula:  The macula is the small sensitive region of the retina that gives central vision.  In this  central region, there are all cones and no rods.  The fovea is the center part of the macula, which  contributes to the sharpest vision.  As shown in the figure, the fovea is a thinning of the retinal tissue and  shaped like a pit.  This thinning of the retinal layer allows for more light to directly contact the cone  photoreceptors, avoiding other cells in the retina.  In humans, there are about 120 million rods and 6  million cones.   The majority of the cone photoreceptors are in the fovea region.    14   
  • 15.                                                                Cross­section of the retina      Central and Peripheral Vision Activity:  Hold this image paper a few inches from your face.  Then, stare at the black cross in this picture for 10 –  20 seconds.      What did you observe?        What happened to the dots after staring at the cross for 10 ‐20 seconds?    15   
  • 16.         When you are staring at the cross, where are the dots located?        Based on your observations, do you think your peripheral vision is better or your central vision is better?      Measuring your central vision (adapted from The Cheshire Cat and other eye­popping  experiments on how we see the world)    Pre­Activity Questions:    How much do you think you can see out of the corner of your eye?  Shapes? Colors? A persons face?      Materials:  ­Poster board  ­pushpin  ­ String about 2 feet long  ­a pencil   ­scissors  ­ 2 plastic cups  ­white index cards  ­glue  ­stickers of different colors and shapes    Assembly:    For assembly, you basically want to make a large protractor to measure the angle of your central vision.   Make a circle with a radius of 1 foot, using the pushpin in the middle and tying the string around the pushpin  and the pencil.  Cut out the circle and cut it down the middle to make a half circle.  Cut a small circle in the  middle of the board to place your nose at the base of the giant protractor.  Cut strips of index cards and  place the stickers with the colored shapes at the tip of the strip.      16   
  • 17.   Procedure:    Before the Procedure, predict where you think you would see color or shapes on your giant  protractor.        1. Using the cups as the handles, hold the poster board base up to your face and put your nose in the  center hole.  2. Place a pushpin directly in front of your eyes.  3. Stare at the pushpin, while another person in your group slowly moves the index card with the  colored shape inward toward the pushpin.  4. When you see the color or the shape, let the person in your group know.  5. Make a mark at that point.  6. Using the protractor and ruler, measure the angle at which you recognized the shape and color.    For more advanced classrooms: Carrots are good for your eyes?    Rhodopsin and the cone opsins are located in the photoreceptor outer segment disks.   A small  molecule called retinal binds to the rhodopsin and cone opsin proteins.  The absorption of light causes a  change in the retinal molecule.  Retinal changes conformation from its cis form to its trans form.  This  change is like a domino effect in the photoreceptor cell.  When retinal changes, rhodopsin also changes,  leading to a cascade of events.  The last event is that the Na+ channels close and the cell becomes more  negative because now Na+ ions which are positive cannot flow into the cell.  This change in membrane  potential causes a reduced amount of neurotransmitter to be released.          Carrots contain β ‐carotene, a molecule that the body uses to make retinal.  We do not produce β‐ carotene, therefore we must obtain it from our diets.  Besides carrots, olives are another good source of  β‐carotene.  However, don’t worry too much that you’ll need to eat like a rabbit.  As long as you are  eating sensibly, your body will make enough retinal for proper vision.  However, in countries where  vitamin A deficiency due to lack of nutritious foods is a serious issue, vision problems, such as night  blindness, do occur.      17   
  • 18.         Colored Shadows: (Adapted from Exploratopia, from the Exploratorium)    The basic principle of this exercise is to remind students that there is a difference between subtractive and  additive color mixing.  They probably learned this in elementary school or middle school.  However, we will  know relate this to color vision.      Pre­activity Questions:    What color to you get when you mix all colors together?       Procedure:  Using flashlights or lamps with color filters, arrange each light so that they converge on a whilte surface.  Try to make the room as dark as possible.    Observe the colors that you see once you begin to overlap the light.    Now, place your hand in front of the light.    Explorations Questions:  1. How many shadows do you see?      2. What are the colors of the shadows?      3. What are the colors of the shadows when they overlap?      4. Now, block one of the bulbs or turn off the light.    18   
  • 19.       5.  How does this change the colors that you see in the shadows?          Other Activities for the classroom:    1.  If you have a light source or a lamp in your class, you can look at the effects of light when you use  different color filters.      2.  Using three flashlights you can place blue, red, and green color filters in front of each flashlights and  project it on a white board or white poster board.      Discussion: How do we detect different colors?         If you mix red, green, and blue light, you will equally activate all three cone photoreceptors  resulting in the perception of white color.  White is an additive effect of all three colors, which activate all  three cone photoreceptors.  Other colors are perceived by mixing the proper ratio from the red, green,  and blue light. The contributions of red, green, and blue cones largely determine the colors that we  perceive.   The contribution of all three cones is processed in part by a direct path from photoreceptors to  bipolar cells to ganglion cells.  Other retinal neurons influence the flow of this information indirectly.  The  horizontal cells receive input from photoreceptors and influence the surrounding bipolar cells.  Amacrine  cells contribute to the signal by receiving input from bipolar cells and sending signals to ganglion, bipolar,  and other amacrine cells.  In a sense, the horizontal and amacrine cells form a web of information  contributing to the overall signal sent to the ganglion cells.  Basically, information from 126 million  photoreceptors has to be funneled into 1 million ganglion cells to be sent to the brain.  The ganglion cells  then pass on the message to the brain via its axons that make up the optic nerve (see picture below).        19   
  • 20.       How information flows through the retina (Image modified from Purves et al. (Ed.),  "Neuroscience", Sinauer Asociates Inc. Publisher)    Retinal Processing: the Flow of Information    Picture the retina as a train station to think about how it processes information.  Passengers get to the  train station via different mechanisms; for example, some walked, some took the bus, some drove, or  some rode their bike.  Next, passengers board the train to get to the next station.  In this analogy, the  input of the photoreceptors, bipolar, amacrine, and horizontal cells come together to activate the  ganglion cells (the train).  The train traveling to the next station is analogous to the output from the  ganglion cells to the brain.  The axons of the ganglion cells make up the optic nerve, which travels from  the retina (one station) to the brain (next station).       Activity: What a weird American Flag!      20   
  • 21.       What are the colors represented in this version of the American Flag?      Stare at the white cross in the center of this image of the American Flag for 1 minute. Then move  your eyes to this blank box.        Do you see anything?  If so, what colors do you see?          Discussion IV:  Why does this happen?   So far we have discussed the initial stages of color vision, specifically how light can be converted  (transduced) into an electrical signal to be sent eventually to the brain.  However, there is more to color  vision than the processing from the cone and rod photoreceptors.  The signal gets processed in the retina  by other neurons and it gets processed in the brain.  That is why we are often fooled by optical illusions!!   The ganglion cells respond to all of the input from multiple cone photoreceptors.  Part of the retinal  processing of color is described by the color‐opponent theory.      21   
  • 22.   The Color­Opponent Theory (For more advanced classrooms):  Have you ever seen a color that is red‐green or blue‐yellow?      Certain colors are not seen in combination. These are called opponents, or antagonists.  White and  Black are also opponents in the sense of light illumination (the measure of light and dark or whiteness  and blackness).  The theory is that the information passed down to the some of the ganglion cells gets  sorted into three different channels before it goes to your brain.  A channel represents a field of ganglion  cells or a group of cells responding together.  Let’s say you are watching TV and you can only switch to  three different channels.  However, those three different channels have all the shows categorized into  three different topics, sports, news, and reality TV.      In the retina, information about color and light intensity is sorted into the three channels.  One  channel is devoted to information from the group of ganglion cells that responded to red and green light.   One channel is devoted to information from the group of ganglion cells that responded to blue and yellow  light.  One channel is devoted the group of ganglion cells that respond to light intensity measured by the  degree of blackness or whiteness.  Specific types of ganglion cells gather these three different processes  together (light versus dark, red versus green, yellow versus blue) to send to the brain. The ganglion cells  that respond in this fashion are called color‐opponent cells.  These ganglion cells are sensitive to  differences in the wavelength of light.  For each of the channels, if both types of stimuli stimulate the  ganglion cells, only one output gets read: red or green, blue or yellow, and light or dark.  For example, if a  concentric field of ganglion cells is stimulated by red light (via mainly red cone photoreceptors) and  green light (via mainly green cone photoreceptors), the center ganglion cell might have a direct pathway  from the red photoreceptor cell while the surrounding ganglion cells are receiving signals mainly from  green photoreceptors.  The channel from this field of cells will cancel each other out and the ganglion cell  will not fire (send an electrical pulse).  The same would happen if the center ganglion cell is illuminated  by green light and the surrounding cells are illuminated by red light.  The same is true for blue and yellow  light responses.  Thus, you never get both responses from both red and green light or blue and yellow  light sending their signal at the same time.  That is why you never see colors that are red‐green or blue‐ yellow.          Analogy:  Imagine you have entered an arm wresting contest.  In this scenario, you are the input from a  red light stimulus and your opponent is the input from a green light stimulus.  Your first opponent is  someone who is stronger than you so he or she wins the match.  In this case, the ganglion cell fires in    22   
  • 23.   response to the green light.  Your next opponent is someone who is weaker than you so you win the  match.  Thus, the ganglion cell fires in response to the red light.  You and your next opponent have an  equal amount of strength.  In this case, the ganglion cell does not fire because the input from red light  stimulus and the input from the green light stimulus cancel each other out.     Afterimages:  The picture of the American flag above is an example of an afterimage.  Afterimages occur  because after staring at one color for a prolonged time, the corresponding cone photoreceptor becomes  saturated.  Just like other sensory cells, the cell will stop responding if bombarded with the same stimulus  for long periods of time.  The cone photoreceptors in a sense become “fatigued.”  The reason you see the  opposite color can be partly explained by the opponent‐color theory.  Remember red and green are not  seen at the same time, blue and yellow, and white and black (light illumination) are also antagonistic  (they cancel each other out).  Remember white is an addition of all colors and requires all of the cone  photoreceptors input.  Thus in order to “see” white (light reflected from the background), both red and  green cones (which due to the color‐opponent theory cancel each other out) have to send signals.  The  cone photoreceptor that is “fatigued” will not respond when you switch to the white background.  Thus,  you are left with the response from the opposite cone photoreceptor.  For example, what if you were to  stare at the red box below for a minute or so then switch to the white square?  Your red photoreceptors  are “fatigued” from the prolonged stimulation, so you perceive red’s opponent color, green.      Analogy:  Let’s continue with the arm wrestling analogy.   If your opponent has the same strength as you,  no one wins.  The ganglion cell will not fire, so the signals cancel each other out.  However, if you stopped  during the match and performed 20 push‐ups, your arm is fatigued, now your opponent wins the match.    Since you are staring at the red square for long periods of time, your red photoreceptors become over  stimulated and now its opponent, green can be perceived.        Stare at the cross in the middle of the blue square for at least a minute.  Based on the color‐opponent  theory what do you predict you should see?  What color do you see?        Switch a Roo:  Stare at these images for 1 minute and then look at the white box.        23   
  • 24.       Questions that can be investigated in classroom activities:  1. Repeat the exercise by altering the time that you stare at the boxes.    How does the time you stare at the box make a difference in the color that you see?    2. Repeat exercise this time with your left eye closed, then open your left eye and stare at the box  with your left eye open but right eye closed.  How does this make a difference in the color that you  see?  What is your explanation for your results?    3. Make your own afterimage using opponent colors.       Research Focus:  A “Bionic” Eye?  Note: I would like to include a comparison of the digital camera and eye first in this section and maybe  incorporate an activity with cameras, etc?   Questions:  Understanding what you know now about the retina, what would happen if you no longer had functional  photoreceptors?        Looking at the pictures below, describe how the vision of an individual with retinitis pigmentosa is  affected?  An individual with age‐related macular regeneration? (Hint: What part of your vision is  affected, central or peripheral?)          24   
  • 25.         Images Courtesy of the National Eye Institute (http://www.nei.nih.gov/health/examples/)    Have you ever heard of the TV shows, “The Six Million Dollar Man” and “The Bionic Woman”?  The  shows were about two individuals who were in terrible accidents and had parts of their bodies replaced  with prosthetic limbs.  However these prosthetic limbs actually improved their ability to run, hear, and  see.  For example, the six million dollar man had prosthetic legs that allowed him to run at the speed of 60  mph (miles per hour)!  Sounds like science fiction, right?  Well, maybe not!  What if you could implant a  prosthetic retina in someone to restore eyesight?  Last year, researchers at multiple labs funded by the  US Department of Energy performed clinical trials in which they implanted an artificial retina or what is  being called a “bionic” eye in blind individuals.  This “bionic” eye will not give the blind individual better  vision than non‐blind individuals, but it is still a remarkable advance in the field of vision science.    There are two major retinal diseases, Retinitis Pigmentosa and Age‐related Macular Degeneration,  which can cause blindness due to loss of photoreceptor function (see pictures above).   Remember the  photoreceptors are a part of the retina and respond to light sending electrochemical signals to the rest of  the retina and brain.  In these diseases, the photoreceptors degenerate, but in many cases, other retinal  neurons, such as the bipolar, horizontal, amacrine, and ganglion cells are still present and functional.  One  of these diseases causes photoreceptors primarily in the fovea to be destroyed.      What is the function of the fovea?   Which disease affects the photoreceptors of the fovea?       There are no known cures for these retinal diseases.   Millions of people have lost their sight due  to these diseases.  Two million Americans have Age‐related Macular Degeneration; while hundreds of  thousands of people suffer from Retinitis Pigmentosa.  Engineers and scientists are now trying to  improve this device to assist millions of people who have lost their sight due to these retinal diseases.     How does it work?      If the retina contains photoreceptors that are not functional, how is vision affected?  What could you do to  simulate other retina cells?    An external miniature digital camera is placed on a pair of sunglasses worn by the patient.  The digital  camera gathers the image and transmits the information to a miniprocessor.  This miniprocessor    25   
  • 26.   converts the data from the image to electrical signals that stimulate the implanted microelectrode array  on the surface of the retina.  The microelectrodes will send out electrical pulses to stimulate the other  retinal cells.  So instead of a release of transmitter from the photoreceptors to the bipolar cells, this  electrical signal directly stimulates any remaining retinal cells.  This signal goes through the optic nerve  and to the brain.  The brain can now perceive light and dark spots, which corresponds to the  microelectrodes that were stimulated due to the image received from the digital camera.        (From: http://www.sciencedaily.com/releases/2009/10/091021012847.htm, Credit: Jessy Dorn / Second Sight Medical Products,  Inc. and Department of Energy Artificial Retina Project: http://artificialretina.energy.gov/)    Not Perfect Vision, Yet!  Do you think that individuals with the “bionic” eye implant will be able to perceive images immediately?   Why or why not?              Remember that the brain is a crucial component of the visual system.  After receiving the implant,  individuals have to learn what they are “seeing.”  Their eye and brain has to be in a sense “retrained” to  be able to interpret the images that they now are able to see.   Most individuals with the implant can see  light and contrasts between objects.  The picture below shows what researchers think is possible for  individuals with the implant to see when they increase the number of electrodes and improve the  processing software of the digital camera (pre‐processing the image before it is sent to the electrode).      26   
  • 27.     (Image courtesy of  California Institute of Technology, http://artificialretina.energy.gov)    Further Discussion Questions:    Do you think that with the “bionic” eye implant, individuals will be able to see colors?        If not, what do you think would be necessary for them to see colors?        You are the scientist working for the artificial retina project.  What are some things you would like to  know before making the implant available to any blind patient?          If you knew someone who was thinking about receiving the “bionic eye” implant, what would you tell him  or her?  Would you have any concerns?        27   
  • 28.   Resources:    1. Neuroscience: Exploring the Brain, 3rd edition, Bear M., Connors B., Paradiso, M.    2. The thinking eye, the seeing brain: Explorations in visual cognition, James T. Enns    3. Eye and Brain: the Psychology of Seeing 5th edition, Richard Gregory, Oxford University Press 1998    4. Neuroscience for kids: http://faculty.washington.edu/chudler/neurok.html    5. The Exploratorium: http://www.exploratorium.edu/,  http://www.exploratorium.edu/exhibits/mix_n_match/    6. How a Digital Camera works: http://electronics.howstuffworks.com/digital‐camera.htm    7. http://colour.australianmuseum.net.au/     8. Webvision: http://webvision.med.utah.edu/    9. More about the “Bionic” Eye: http://artificialretina.energy.gov  http://www.cnn.com/2009/HEALTH/12/11/bionic.eye/index.html  http://www.youtube.com/watch?v=iUz1ScDKslk      10. More about “mirror on the wall” exercise: Harvard Smithsonian Center for Astrophysics 1995.  Vision: Can we believe our own eyes?  http://www.learner.org/workshops/privuniv/pup05.html    11. Video acting out Neurons Firing Action Potentials:  http://www.youtube.com/watch?v=TQ7NIvXEpVY    28