De informatie in dit stuk is gebaseerd op Anderson (2005), Boron & Boulpaep (2005), Kalat (2004), Kolb e.a. (2013) en Wickens e.a. (2004).

Licht wordt omgezet in een neurologisch signaal

Licht valt, via de pupil, door de oogbal op ons netvlies (ook wel, retina). Dit netvlies is opgebouwd uit heel veel lichtgevoelige cellen, ook wel receptoren genoemd. Je kent ze vast nog onder de naam kegeltjes en staafjes. Deze receptoren bevatten fotopigmenten, waarmee de energie die licht ‘heeft’ wordt geabsorbeerd en omgezet in een elektrische ontlading. Deze elektrische ontlading wordt gebruikt om, via andere cellen, een signaal door te geven aan onze hersenen.

Wat doen receptoren?

Het enige wat een receptor doet is reageren op de hoeveelheid energie die het absorbeert. Omdat de receptor communiceert door middel van elektrische ontladingen, is de informatie die een receptor kan versturen beperkt. De receptor kan alleen informatie doorgeven over of de receptor wordt geactiveerd (valt er licht op de receptor?), hoe sterk de activatie is (hoe ‘fel’ is het licht?) en hoe vaak deze wordt geactiveerd (hoe lang brand het licht?)

Het is belangrijk om te beseffen dat één cel dus geen complexe informatie zoals ‘ik zie nu helder geel’ kan doorgeven. Eén (soort) receptor is dus eigenlijk kleurenblind (hierover later meer).

Verschillende soorten receptoren: kegeltjes & staafjes

Goed, laten we eens naar de kegeltjes en staafjes kijken. Deze lichtgevoelige cellen heten kegeltjes en staafjes omdat ze een beetje de vorm van kegeltjes en staafjes hebben. Er is een belangrijk verschil tussen de kegeltjes en de staafjes dat mogelijk maakt dat wij kleur kunnen zien:

We hebben verschillende soorten kegeltjes en maar één soort staafjes

Voordat ik ga uitleggen waarom het hebben van verschillende soorten kegeltjes noodzakelijk is, wil ik even stil staan bij de volgende vraag:

Waarom is het handig dat wij kleur kunnen zien?

Stel, we hebben één soort receptoren waarmee we het moeten doen. Omdat de receptoren alleen informatie kunnen doorgeven over hoeveel energie ze absorberen (hoe fel het licht is), zien we daardoor alleen het verschil tussen donker en licht (dit is het geval voor staafjes, hierover later meer). Een gevolg hiervan is dat als er twee objecten voor elkaar staan die dezelfde hoeveelheid aan energie uitzenden (ze zijn qua oppervlakte even fel), we geen verschil tussen deze objecten kunnen zien (er is geen energiecontrast).

Kleurenzicht is een oplossing voor dit probleem. Kleurenzicht maakt gebruik van een ander contrast; het contrast tussen golflengtes. Hierdoor wordt het wel mogelijk om verschillende objecten met dezelfde energie te onderscheiden.

Verschil tussen golflengtes maakt kleurzicht mogelijk

Om dit onderscheidt mogelijk te maken, hebben onze hersenen verschillende soorten informatie (over golflengte) nodig om met elkaar te kunnen vergelijken. De verschillende soorten kegeltjes geven deze informatie aan de hersenen. Deze verschillende soorten kegeltjes onderscheiden zich van elkaar in gevoeligheid voor verschillende soorten golflengtes. De kegeltjes blijven de ‘simpele’ receptoren die alleen reageren op de hoeveelheid energie die ze absorberen, alleen zijn ze ieder gevoeliger voor licht met een bepaalde golflengte. Hierdoor kunnen de hersenen een signaal vergelijken en ontstaat er contrast in golflengte: kleur.

Het plaatje hieronder geeft goed weer op welke soorten licht de verschillende receptoren in onze ogen reageren. Zoals je ziet reageren de verschillende kegeltjes (S, M & L) op meer dan alleen ‘hun eigen’ golflengte. Dit zorgt ervoor dat de hersenen bij veel kleuren informatie krijgen van verschillende receptoren.

Dat we geen ultra violet kunnen zien komt omdat deze straling niet ver genoeg ons oog binnen dringt. Als we kleinere ogen hadden gehad, hadden we dit waarschijnlijk wel kunnen zien. Sommige insecten hebben ogen die klein genoeg zijn, zij kunnen wel ultra violet licht zien. We zien geen infra rood omdat dit licht niet genoeg energie bij zich heeft om receptoren te activeren.

Extra cellen in het oog

De verschillende receptoren zenden hun informatie niet alleen naar de hersenen, maar ook, of misschien vooral, met elkaar. Door verschillende lagen van cellen staan de receptoren met elkaar in verbinding en kunnen ze er bijvoorbeeld voor zorgen dat andere cellen tijdelijk ‘uit’ gezet worden. Dit helpt ons om bijvoorbeeld om beter contrast te kunnen zien of het identificeren van ‘randen’ van een object.

Ook worden op deze manier de informatie die receptoren ‘verzamelen’ gecombineerd. Zo worden bijvoorbeeld het signaal van vele staafjes door één cel gecombineerd. Op die manier ontstaat een gebied in het oog dat erg gevoelig is voor kleine beetje licht. Dit helpt bij het detecteren van bewegingen in je ooghoeken. Het gaat te ver om alle functies van deze cellen helemaal uit te werken (dan wordt de blog erg lang), maar als je er meer over wilt weten, zie dit webboek over zicht.

Signaal gaat naar de hersenen

De informatie wordt vervolgens naar de hersenen gezonden, waar het de informatie wordt gecombineerd. Hoewel er al veel onderzoek is gedaan naar hoe zicht in de hersenen werkt, is hier nog relatief weinig over bekend. Natuurlijk zijn er wel belangrijke hersengebieden geïdentificeerd (met de weinig zeggende namen als V1, V2 en V4), maar wat er precies gebeurd is nog niet duidelijk. (Wederom, wil je meer weten, lees dan dit webboek over zicht).

Wel is duidelijk dat wij het eindresultaat van dit hele proces als kleur ervaren.

Kleur, als fysische eigenschap op zich, bestaat niet. Dat is puur een illusies die door onze hersenen gecreëerd wordt. Zo kunnen wij bijvoorbeeld kleuren zien die niet voorkomen in het natuurlijk spectrum, denk aan roze of magenta.

Waarom zien we geen kleur in het donker?

Er is nog een tweede manieren waarop kegeltjes en staafjes van elkaar verschillen. De kegeltjes hebben veel licht nodig om geactiveerd te worden (dit geldt in het bijzonder voor de kegeltjes die gevoelig zijn voor licht met een golflengte van ca. 520 nm), de staafjes juist niet. Anders gezegd, de staafjes zijn erg lichtgevoelig, kegeltjes hebben een hoge drempel.

Overdag en in goedverlichte ruimtes is er genoeg licht om de kegeltjes te activeren, waardoor we kleur zien. Omdat we alleen kleur kunnen zien met verschillende soorten receptoren (wat we alleen bij de kegeltjes hebben), is een gevolg hiervan dat we alleen kleur kunnen zien als er genoeg licht is.

Als er te weinig licht is (bijvoorbeeld ’s avonds), moeten dus op onze staafjes vertrouwen om te kunnen zien (lees ook de blog ‘waarom verlichten ze de brug van schepen met rood licht?‘ ). Omdat we daar maar één soort van hebben, krijgen onze hersenen slechts de informatie van één soort receptoren en dus kunnen ze dit nergens mee vergelijken. Gevolg hiervan is dat we praktisch alleen het verschil zien tussen donker en licht. Dat het echt donker is, komt onze samenleving steeds minder voor omdat we ’s nachts veel van onze omgeving verlichten. Hierdoor maken we steeds minder gebruik van onze staafjes.

Staafjes zijn (niet) kleurenblind

Er wordt wel eens gezegd dat de staafjes kleurenblind zijn. Maar eigenlijk is dat een rare uitspraak, alle receptoren zijn namelijk kleurenblind. Het zijn niet de receptoren die de kleur maken, maar het verschil in golflengte dat de hersenen in staat stelt om ‘kleur’ waar te nemen.

Je zou dan nog kunnen zeggen dat kegeltjes gevoelig zijn voor een bepaalde kleur (beter gezegd, golflengte). Maar dat verhaal gaat ook op voor de staafjes. Staafjes hebben een piek gevoeligheid rond de 500 nm, zie ook het plaatje ‘golflengtes kegeltjes en staafjes’ hierboven. Datzelfde licht ervaren wij overdag met onze 3 soorten kegeltjes als blauw-groen licht.

Conclusie

Een betere uitleg over de werking van kleurenzicht zou het benoemen zijn van hoe we nu eigenlijk tot de ervaring kleur komen. De energie die een receptor absorbeert en het kunnen vergelijken van deze informatie met die van andere receptoren, maakt dat we helderheid en verzadiging ‘zien’. De verschillende golflengtes waar de verschillende kegeltjes op reageren, maken dat we tint (de kleur) kunnen zien. Dit verschil is ook terug te zien in de hersenen; helderheid en verzadiging van licht worden op een andere plek ‘verwerkt’ dan de tint van een kleur.