روایت مغز: بررسی سیستم بینایی توسط آلوار گالسترند

مقدمه

در تاریخ پزشکی دانشمندان زیادی بودند که نقش مهمی در پیشرفت دانش ریاضی سیستم بینایی انسان داشته‌‍اند. یکی از پیشگامان تاثیر گذار در حوزه چشم پزشکی، آلوار گولسترند است.

کارهای گولسترند در حیطه چشم پزشکی بر پایه دانش هندسه و بینایی خود آموخته‌اش بود. او بر اساس اطلاعات پیشین خود و مطالعات فرآوان دیگر توانست نظزیه‌های جامع‌تری در مورد چگونگی شکست نور در سیستم چشمی را ارئه دهد.  

اطلاعاتی که او در قالب چشم گولسترند( Gullstrand eye) و فرمول گولسترند ارائه داده است، اساس علم چشم پزشکی را تشکیل می‌دهد. او تحقیقات مهمی در مورد آستیگماتیسم انجام داده و چندین دستگاه مهم مورد استفاده در چشم پزشکی را نیز اختراع کرده است؛ مانند لنزهای اصلاحی که بعد از جراحی آب مروارید استفاده می‌شوند، اسلیت لمپ و افتالموسکوپی.

آلوار گالسترند

آلوار گالسترند (Allvar Gullstrand) فرزند ارشد دکتر آلفرد گالسترند (Alfred Gullstrand )، مدیر اصلی پزشکی شهرداری** است که در سال ۱۸۶۲ در لندسکرونا (Landskrona) متولد شد. پس از اتمام تحصیل ابتدایی خود در لندسکرونا و Jönköping ، تصمیم گرفت که ادامه تحصیلات خود را در اوپسولا (Uppsala) آغاز کرده و در سال ۱۸۸۵ برای یادگیری مهارت بیشتر در حوزه افتالموسکوپی، اوتوسکوپی و لارنژوسکوپی  به وین سفر کرد. پس از گذشت ۱ سال تحصیلات پزشکی خود در استکهلم  ادامه داده و در سال ۱۸۸۸از این دانشگاه فارغ التحصیل شد. گالسترند در بیمارستان چشم پزشکی Seraphim در استکهلم به عنوان دستیار یوهان ویدمرک (Johan Widmark) مشغول به کار شد و در سال ۱۸۹۰ توانست دکترای خود را به دست آورد. پس از کسب مدرک خود، در سال ۱۸۹۱ به عنوان مدرس چشم پزشکی در سال در انستیتوی کارولینسکا (Karolinska) در استکهلم مشغول به کار شد.

گالسترند پس از این که مدتی در کلینیک‌های مختلف به عنوان پزشک، مدرس و از اعضای بورد پزشکی سوئد خدمت کرد،  در سال ۱۸۹۴ به عنوان اولین استاد چشم پزشکی در دانشگاه اوپسالا منصوب شد.

او تا سال ۱۹۱۳ کرسی استادی دانشگاه اوپسالا را بر عهده داشت و از سال ۱۹۱۴ به بعد در دانشگاه اوپسالا در چایگاه استادی شخصی را در حوزه فیزیك و فیزیولوژی بینایی خدمت کرد.

پایه علمی بسیاری از مطالعات گالسترند، پژوهشی بود که او به عنوان پایان نامه خود با نام to the theory of astigmatism Contribution در مورد آستیگماتیسم در سال ۱۸۹۰ ارائه داد. از این زمان بود که او پی برد که علم چشم پرشکی به تغییرات و قانون‌های جدید نیاز دارد و ادامه زندگی خود وقف مطالعه و اختراع ابزارهای مختلف چشم پزشکی کرد.

عمده کارهای گالسترند شامل محاسبات ریاضی، بررسی سطوح انکساری در ابزارهای نوری و بررسی قوانین سیستم بینایی و تکمیل آن‌ها بود. اختراع اسلیت لمپ و روش‌های نور دهی شکافی یکی از مهم‌ترین دست آوردهای حوزه چشم پزشک عملی است.

مطالعات بسیاری از گالسترند منتشر شده است که مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از: (۱) تئوری کلی انحرافات مونوکروماتیک و اهمیت آن‌ها در چشم پزشکی (General theory of monochromatic aberrations and their immediate significance for phthalmology)، تصویر نوری واقعی (The true optical image)، تصویر نوری در مدیای هتروژنوس و دیوپترهای لنزهای کریستالی انسان ** (The optical image in heterogeneous media and the dioptrics of the human crystalline lens) و رنگدانه‌های ماکولا مرکزی شبکیه (The pigments of the central macula of the retina).

گالسترند دکترای افتخاری فلسفه دانشگاه های اوپسالا، جنا و دوبلین را داشته و عضو تعدادی از جوامع علمی سوئدی و کشورهای دیگر بود. وی در سال ۱۹۱۱ به  پاس تحقیقات خود بر روی سیستم بینایی و انکسار نور در چشم، جایزه نوبل پزشکی را دریافت کرد. او از سال ۱۹۱۱ تا سال ۱۹۱۹ عضو کمیته فیزیک نوبل آکادمی علوم سوئد بوده و از سال ۱۹۲۲ تا سال ۱۹۲۹ رئیس آن مرکز بود. در سال ۱۹۲۷ به او مدال Graefe از Deutsche Ophthalmologische Gesellschaft  را دریافت کرد.

او آخرین خلاصه از آزمایش‌های نوری خود را در سال ۱۹۲۶ در مقاله برخی از جنبه‌های تصاویر نوری (Some aspects of optical images) ارائه داد. گالسترند در سال ۱۹۲۷، در سن ۶۵ سالگی، بازنشسته شد. و  در سال ۱۹۳۰ به سبب خون ریزی مغزی در استکهلم درگذشت.

تحقیقات و اختراعات گالسترند

گالسترند در تحصیلات خود به عنوان دانشجو پزشکی موفق بود در نتیجه امکانات لازم برای مطالعات پیشرفته برای او فراهم شد. او تصمیم گرفت به بررسی چگونگی انکسار نور در چشم بپردازد و نظریات پیشین مطرح شده در این باره را  بیازماید.

در آن زمان اعتقاد بر این بود که چشم انسان شکلی شبه مخروطی با دو خط کانونی متمایز، عمود بر یکدیگر دارد. گالسترند در پایان نامه خود رد سال ۱۸۹۰ تعریفی جدید‌تر و دقیق‌تر از این خطوط کانونی ارائه داد. او نشان داد که انکسار دسته‌های پرتوی نوری در چشم انسان بسیار پیچیده‌تر از توضیحی است که در مورد سیستم‌های لنزی ساده مطرح می‌شود.  در ادامه به بررسی تعدادی از اختراعات و مطالعاات گالسترند خواهیم پرداخت.

فرمول گالسترند

فرمول گالسترند، یکی از فرمول‌های شناخته شده در فیزیک نوری است و هنوز هم در محاسبه قدرت انکساری سیستم نوری استفاده می‌شود.

چشم گالسترند

گالسترند با ارائه اطلاعات خود در مورد آناتومی و ویژیگی‌های فیزیکی چشم انسان، موفق شد که برای اولین بار یک مدل علمی تصویری از چشم انسان ترسیم کند. این اطلاعات هنوز هم به عنوان یک استاندارد طلایی در نظر گرفته می‌شود و در کلیه کتاب‌های آموزش چشم پزشکی قابل مشاهده است. او موقعیت دقیق صفحه‌های اصلی* سیستم نوری را به صورت زیر نشان داد. از آن جایی که هر دو صفحه اصلی و گرهی به هم نزدیک هستند، در بسیاری از موارد می‌توان هر یک از این صفحه‌های دوگانه را یک صفحه محسوب کرد. در این حالت شکل شماتیک از سیستم چشم انسان ساده‌تر می‌شود.

اسلیت لمپ

برای ایجاد یک تصویر شماتیک دقیق از چشم گالسترند نیاز داشت تا قدرت انکساری لایه‌های مختلف شفاف چشمی، سطح قدامی و خلفی قرنیه و لنز و … را اندازه بگیرد.

در نتیجه او توانست تا مقدار ثابت هر یک از لایه‌های چشمی را* اندازه گرفته و تصویر شماتیک چشمی‌اش دقیق‌تر باشد. پژوهش‌های او به منظور اندازه گیری انحنای قدامی، خلفی و ضخامت قرنیه، منجر به اختراع اسلیت لمپ شد.

برای اندازه گیری ضخامت قرنیه، لازم بود تصویر رفلکسی از سطح خلفی قرنیه مشاهده شده و سپس با استفاده از همان روش کاربردی در اندازه گیری ضخامت لنز، ضخامت قرنیه مشخص شود.

پیش از گالسترند، هلمهولتز (Helmholtz) تلاش کرده بود تا رفلكس خلفی قرنیه را با استفاده از نوردهی نقطه‌ای مایل** مشاهده كند، اما به علت ضعف و پراکنده بود پرتوهای نوری، آزمایش‌های او با شکست مواجه شد. منبع نوری بسیار ضعیف و پراكنده بود. گالسترند بدین منظور از لامپ نرنست (Nernst) استفاده کرد. والتر نرنست مخترع این لامپ، خود بعدها در سال ۱۹۲۰ به پاس ارائه به قانون سوم ترمودینامیک، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. در لامپ نرنست از یک رشته فیلامان درخشان استفاده نمی‌شد؛ بلکه از میله سرامیکی با جنس ترکیبی از اکسید زیرکونیوم – اکسید ایتریم استفاده شده بود. این میله به وسیله یک رشته گرم کننده دیگر داغ شده و در نتیجه از خود نور منتشر می‌کرد.

اهمیت این لامپ در این است که می‌توانست یک پرتو خطی درخشان به طول ۲۰ میلی متر و عرض ۵ میلی متر ایجاد کند. در نتیجه پرتوهای نوری تولید شده متمرکزتر و متراکم‌تر بودند.

لامپ نرنست در انتهای یک لوله تیره قرار گرفته و نور درخشان تولید شده از آن توسط یک لنز متراکم اپلانتیکی (عدسی خطاگیر) اصلاح می‌شد. در انتهای دیگر لوله نیز یک شکاع کوچک وجود داشت. نور خارج شده از لوله توسط یک لنز ۱۴D  کروی متمرکز شده و یک تصویر به شکل شکاف سر لوله در قسمت قدامی چشم ایجاد می‌شد.**

استفاده از این منبع نوری با زاویه‌ای درست هنگام معاینه، موجب شد تا گالسترند به طور دقیق خط اتصال سطوح قدامی و خلفی قرنیه و سپس ثابت هر یک را اندازه گیری کند. با استفاده از همین تکنیک او توانست تصور شماتیک خود از چشم گالسترند را تکمیل کند. او همچنین اولین کسی بود که توانست ساختارهای ظریف شیشه‌ای را در زجاجیه چشم زنده با استفاده از این دستگاه مشاهده کند.

گالسترند به کمک گروه مهندسی دانشگاه اوپسالا، یک مدل آزمایشی از اسلیت لمپ نرنست را طراحی کرده و برای اولین بار در نشست جامعه چشم پزشکی هیدلبرگ (Heidelberg) در سال ۱۹۱۱ از اختراع خود رو نمایی کرد.

به احتمال زیاد گالسترند هیچ گزارشی در مورد کاربرد بالینی اسلیت لمپ منتشر نکرده است. اولین گزارش رسمی از به کار بردن این روش جدید به سال ۱۹۱۴ بر میگردد که توسط هاینریش ارگگلت (Heinrich Erggelet) انجام شد.

گولستران ساختارهای چشمی را که به وسیله نور روشن می‌شدند را* با یک جفت دوربین شکاری با بزرگنمایی x4 بررسی می‌کرد. اسلیت لمپ به صورت ثابت بر روی میز قرار می‌گرفت اما هر دو عدسی متراکم کروی و دوربین شکاری به ثورت دستی استفاده می‌شدند. بیمار روی یک صندلی در کنار میز نشسته و ساختارهای چشمی او به کمک اسلیت لمپ واضح‌تر شده و پزشک با عدسی‌های در دست خود معاینه را انجام می‌داد. در این روش معاینه قسمت قدامی چشم به مهارت دستی عالی نیاز داشت.

استفاده و پذیرش این روش در معاینه چشمی در جامعه چشم پزشکی به آرامی صورت گرفت و پزشکان به روش سنتی استفاده از یک منبع نور دستی و یک عدسی کوچک* کم قدرت بیشتر علاقه داشتند.

لئونارد کوپه (Leonard Koeppe) افتالمولوژیت آلمانی در سال ۱۹۱۵ استفاده از نوع ایستاده میکروسکوپ قرنیه دو چشمی Czapksi را همراه با اسلیت لمپ را برای داشتن بزرگنمایی بالاتر پیشنهاد کرد. میکروسکوپ قرنیه دو چشمی Czapksi در اوایل سال ۱۸۹۸ اختراع شده بود. او به همراه شرکت Zeiss تصمیم گرفت که با تلفیق این دو دستگاه، یک اسلیت لمپ پیشرفته‌‍تر را اختراع کند.

سال بعد ، اتو هنکر (Otto Henker)، رئیس علمی دپارتمان ابزارهای نوری پزشکی در زایس جنا، نوع جدیدی از اسلیت لمپ ترکیبی را ارائه داد. در روش ابداعی او میکروسکوپ بر روی یک پایه نصب و بر روی میز قرار می‌گرفت. لامپ نرنست نیز بر روی یک بخش دوبازویی** قرار گرفته و پزشک می‌توانست اسلیت لمپ را به راحتی بر روی این بخش جا به جا کرده و نور را از یک چشم به چشم دیگر بتاباند. لنز در انتهای دیگر بازویی که لامپ بر روی آن قرار داشت، قرار می‌گرفت.

پس از جنگ جهانی اول، لامپ نرنست به دلیل کمبود پلاتین مورد استفاده در سیم پیچ مقاومتی آن، در دسترس نبود؛ در نتیجه لامپ نیترا که قوی‌تر و درخشان‌تر بود، جایگزین این قسمت از دستگاه شد. در طی دهه‌های بعدی پیشرفت‌های کوچک و بزرگ دیگری نیز بر روی این دستگاه انجام گرفت.

افتالموسکوپ گالسترند

در سال ۱۹۱۱ گالسترند در دیدار خود در هایدلبرگ، افتالموسکوپ بدون رفلکس خود را ارائه داد.  به کمک این ابزار، انتهای چشم از نظر عمق و برجستگی با جزئیات قابل مشاهده بود.

افتالموسکوپی به دلیل برگشت و رفلکس نور از ساختارهای چشمی به خصوص قرنیه خیره کننده دشوار بود. منبع نوری با روشنایی بالا و کوچک بودن مردک نیز از دیگر عواملی بودند که باعث تشدید این شرایط می‌شدند. راه حل گالسترند برای حل این مشکل جدا کردن سیستم‌های روشنایی و مشاهده‌ای بود.

او معتقد بود که برای از بین بردن رفلکس برگشته از قرنیه و سایر لایه‌ها، مسیر نوری كه فوندوس را روشن می‌كند نباید با مسیر تصویری هم پوشانی داشته باشد. برای کارآمد بودن این نظریه، گالسترند یک شکاف کوتاه، باریک ۱.۵ میلی متر را در دستگاه روشنایی خود  ایجاد کرده و آن را در زاویه‌ای مخصوص بخ چشم بیمار تاباند؛ به صورتی انتهای چشم به حالت تک چشمی یا دو چشمی از طریق مردمک کشاده شده ۲.۴ میلی متری مشاهده شود. به تدریج افتالموسکوپ اختراعی او نیز پیشرفت کرده و تصاویر واضح‌تری قابل مشاهده بود.