המשימה המוטלת על מערכת הראייה מורכבת למדי - יצירת דימוי של עולם תלת-ממדי על סמך היטלים דו-ממדיים רגעיים שלו על רשתיות העיניים. בבני אדם, מערכת הראייה היא המפותחת במערכות החושים וביצועיה עולים מבחינות רבות על אלו של מערכות הראייה הממוחשבת המתקדמות ביותר.
מערכת הראייה מסתמכת על תהליך של התמרה חזותית , שבו פוטונים שפוגעים ברשתית עוברים התמרה לאותות חשמליים של מערכת העצבים.
מערכת הראייה המתוארת להלן מתייחסת בעיקר ליונקים, אם כי רבים ממרכיביה משותפים גם לבעלי גולגולת אחרים.
מערכת הראייה האנושית.
מערכת הראייה משלבת בתוכה את העין, שהיא איבר החישה שקולט את הגירוי הראייתי, ואת כל האזורים והרשתות העצביות במוח שתפקידם הוא לעבד את הגירוי. בנוסף לעיבוד המידע החזותי, המוח שולט באופן פעיל על כניסתם של גירויים למערכת, וזאת באמצעות הכוונה של תנועות העיניים וויסות הקשב החזותי.
ברשתית העין מתבצעת ההתמרה של האור לאותות חשמליים, על מנת שניתן יהיה לייצג את המידע בתוך מערכת העצבים. מתוך הרשתית יוצאים אקסונים של תאי עצב, שלאורכם עובר המידע על הגירוי הראייתי. מידע זה מועבר אל המוח דרך עצב הראייה, ומשם מתפצל למספר מסלולים אשר מערבים גרעינים שונים בתוך המוח. במסלולים אלה מתבצע עיבוד מתקדם של המידע החזותי, אשר ישפיע בסופו של דבר על ההתנהגות.
במסלול העצבי העיקרי של המידע החזותי, האקסונים ממשיכים דרך צרור הראייה ("Optic tract"), שהוא המשכו של עצב הראייה, אל התלמוס, שבו אזור הנקרא גרעין הברך הצדי. באזור זה מתבצע העיבוד הראשוני של המידע החזותי. בעוברם דרך עצב הראייה, כמחצית מהאקסונים חוצים לצדו הנגדי של הראש במקום שנקרא תצלובת הראייה ("Optic chiasm"). בצורה זו, המידע שמגיע משתי העיניים מתפצל בחלוקה לפי שני שדות ראייה: ימני ושמאלי. מן גרעין הברך הצדי יוצא צרור סיבים עצביים של תאי העצב שלו, הפרוש לאורך אזור הנקרא מַעֲנִית הַפָּרִישׁ ומוליך את האותות אל אזורים בקליפת המוח הראייתית, אשר נמצאת באונה העורפית. באזורים אלה מתבצע עיבוד מתקדם יותר של המידע החזותי. מסלול זה הוא החשוב ביותר מבחינת עיבוד המידע החזותי, והוא הכרחי ליצירת תפיסה חזותית מודעת.
המסלול העצבי השני עובר מצרור עצבי הראייה אל התליל העליון ("Superior colliculus") של הטקטום במוח התיכון. אזור זה מבקר את תנועות שרירי גלגל העין ומחווט אף הוא אל קליפת המוח, דרך הכר התלאמי ("Pulvinar"). ככל הנראה מועבר מידע חזותי לקליפת המוח גם במסלול משני זה. תנועת שרירי גלגל העין מבוקרת גם באופן בלתי רצוני גם על ידי הרפלקס הפרוזדורי-עיניתי ("Vestibulo-ocular reflex"), השומר על עקיבת העיניים אחר עצמים נוכח תנועות הראש. רפלקס מהיר זה, החיוני למשל לקריאה, מתבסס על מידע המגיע מהאוזן הפנימית בנוגע לשיווי המשקל הרגעי של הראש.
המסלול העצבי השלישי עובר מתאי גנגליון קולטי-אור ברשתית ("Photosensitive ganglion cell"), דרך הצרור הרשתיתי-היפותלמי ("Retinohypothalamic tract") אל הגרעין העל-תצלובתי ("Suprachiasmatic nucleus") בהיפותלמוס. מסלול זה משמש לתיאום המקצב היממתי של השעון הביולוגי ביחס לרמות התאורה השוררות בסביבה, על ידי תזמון ייצורם והפרשתם של הורמונים בהיפותלמוס ובבלוטת יותרת המוח, שמווסתים תפקודי ערות שונים. כמו כן הם שולחים את סיביהם לעבר הפרטקטום ("Pretectum") שבמוחה הקדמית ("Prosencephalon"), השולט על שרירי הקשתית המווסתים את קוטר האישון.
מקצת הסיבים העצביים מתאי גנגליון קולטי-אור אלה נשלחים לעבר התליל העליון ואף לעבר גרעין הברך הצדי, אך בשלב זה לא ידוע אם הם מעורבים ישירות בעיבוד התפיסה החזותית של העולם.
העין.
העין היא איבר מורכב למדי. קיים דמיון חיצוני מסוים בין העין האנושית לבין המצלמה, שמחקה את פעולת העין באופן חלקי. גם בעין וגם במצלמה נעשה שימוש בעדשה שקופה למיקוד האור לעבר מערך של קולטנים רגישים לאור ברשתית העין, או התקן רגיש לאור כמו סרט צילום במצלמה אנלוגית או חיישן אלקטרוני במצלמה דיגיטלית. גם צמצם המצלמה דומה לקשתית העין בהיותו התקן טבעתי המווסת את שטף האור המגיע לרשתית. עם זאת, אופן הפעולה של העין שונה מהרבה בחינות אחרות מזה של כל מצלמה, בהתאם לתפקידים השונים שהיא ממלאת.
האור המגיע לעין נשבר על ידי הקרנית. בהמשך הוא עובר דרך הנקב במרכז קשתית העין, המכונה אישון. עדשת העין ממקדת את קרני האור, לקבלת דמות ממשית הפוכה על הרשתית.
הרשתית.
הרשתית היא החלק בעין שקולט את האור ומתמיר אותו לדחפים עצביים. הרשתית בנויה כמערך רבוד של שכבות תאים, כאשר תהליך ההתמרה מתבצע בתאים קולטי אור אשר נמצאים בשכבה האחורית. האור, אשר מוקד על ידי עדשת העין, חולף דרך שתי שכבות של תאי עצב בתוך הרשתית לפני שהוא פוגע בתאים קולטי האור. לאחר התהליך שמתרחש בתוכם, האותות המותמרים מועברים חזרה דרך אותם תאי עצב, אשר מבצעים עיבוד ראשוני של המידע ומעבירים אותו הלאה אל המוח.
מסלול ה-phototransduction הוא כלל התהליכים המעורבים בראייה מרמת התאים הרגישים לאור, ועד יציאת סיגנל חשמלי לעצב הראייה.
לתהליך העיבוד שמתרחש בתוך הרשתית ישנה חשיבות לאופי התפיסה הראייתית - אינטראקציות בתוך קבוצות של תאי עצב ברשתית מובילות לכך שהאות שמועבר החוצה אינו סכום ליניארי פשוט של המידע הראייתי שנקלט.
התמרת האור לאותות עצביים.
התאים קולטי האור ברשתית ממירים את האור שנכנס לעין לאותות חשמליים. תאים אלה מכילים חלבונים ממברנליים ממשפחת האופסינים, שהם קולטנים לאור (פוטורצפטורים).
כל האופסינים מכילים קבוצה פונקציונלית בשם "רטינל", המשנה את תצורתה המרחבית כאשר היא בולעת פוטון יחיד של אור. שינוי התצורה מוביל לשרשרת ביוכימית של מעבר אותות. בסוף התהליך, התא קולט האור עובר היפרפולריזציה, ובכך משנה את האותות החשמליים המועברים הלאה לתאי העצב שאליהם הוא מחובר. תאים קולטי אור שומרים על מתח מנוחה גבוה יחסית, שדי בו כדי לגרום לשחרור מתמיד של מוליך עצבי. תהליך ההיפרפולריזציה שמתרחש בהשפעת האור מעכב את שחרור המוליך העצבי אל הסינפסות עם תאי העצב.
מידת הרגישות של הקולטן לתדרים אלקטרומגנטיים שונים (כלומר, לפוטונים באורכי גל שונים) נקבעת על ידי החלבון הייחודי הקשור לרטינל. נכון לשנת 2005, זוהו למעלה מאלף חלבונים שונים במשפחת האופסינים, כאשר שישה מתוכם קיימים ברשתית האנושית. בהתאם לתפקודם ולסוג האופסינים שהם מכילים, התאים קולטי האור ברשתית מתחלקים לשלוש קבוצות:
בסך הכול יש בעין כשישה מיליון מדוכים וכ-125 מיליון קנים. אלה מצופפים על גזרה של 72% משפת כדור שקוטרו 22 מ"מ, באדם בוגר. במרכז הרשתית נמצאת נקודת היציאה של האקסונים אל עצב הראייה, אשר מכונה "הכתם העיוור" (Blind spot) היות שאין בה תאים קולטי אור. זהו אזור אליפטי שצבעו לבן, בשטח כ-3 מ"מ רבועים. מצד הכתם העיוור, בכיוון הרקות נמצא הכתם שבמרכזו הגומה המרכזית (Fovea). הגומה המרכזית מרוצפת בכוורת צפופה במיוחד של מדוכים קטנים ביותר, בסידור משושה המאפשר ניצולת מרבית של פני השטח ללא שטחים מתים. הצפיפות המשטחית של המדוכים בגומה המרכזית מגיעה לכ-140,000 מדוכים למילימטר רבוע. כך מושגת חדות ראייה מרבית בגומה המרכזית, על חשבון רגישות פחותה לאור קלוש.
ככל שמתרחקים מן הגומה המרכזית לכיוון שולי הרשתית, צפיפות המדוכים יורדת ושכיחות הקנים עולה. בזווית של כעשרים מעלות ביחס לקו הראייה מגיעה צפיפות הקנים לשיא של כ-160,000 קנים למילימטר רבוע. היות ששיעור קטן יותר של תאי גנגליון מוקדשים לעיבוד המידע משולי הרשתית, רגישות העין לאור היא מרבית בהיסט קטן יותר: 8-16 מעלות ביחס לקו הראייה. אסטרונומים המחפשים גרמי שמיים חיוורים משתדלים להביט מעט הצידה ממיקומם המשוער, כדי להיעזר ברגישות המוגברת של העין לאור בזוויות אלה. שיטה זו נקראת ראייה מופנית.
תאי עצב בתוך הרשתית.
בתוך הרשתית קיימות מספר אוכלוסיות של תאי עצב, אשר בהן מתבצע העיבוד הראשוני של המידע הראייתי. מהתאים קולטי האור, האותות העצביים עוברים לתאי רשתית דו-קוטביים, ומשם לתאי גנגליון, שהם אלה שמעבירים את המידע החוצה דרך עצב הראייה. בנוסף, הרשת העצבית הזו משלבת בתוכה שני סוגים נוספים של תאי עצב, הנקראים תאים אופקיים ותאי אמקרין.
מאפייני העיבוד הראייתי ברשתית.
בהתאם לאוכלוסיות של התאים קולטי האור שמהם הם מקבלים קלט עצבי, לתאי העצב ברשתית ישנם שדות קלט מוגדרים. משמעות הדבר היא שדפוס הדחפים העצביים של כל תא עצב מושפע אך ורק מגירויים ראייתיים שנמצאים באזור מסוים של שדה הראייה, שהוא שדה הקלט של אותו תא. כך, בסיכום של כלל התאים ברשתית, נוצר מיפוי עצבי של שדה הראייה השלם.
פעולתה של הרשת העצבית ברשתית יוצרת במרבית תאי הגנגליון דגמי הפעלה אופייניים, שבהם התגובה לאור היא שונה בחלק המרכזי של שדה הקלט של התא לעומת ההיקף של שדה הקלט. בחלק מהתאים, תא הגנגליון מגיב בצורה מרבית למצב שבו קיימת הארה במרכז שדה הקלט שלו אך לא קיימת הארה בהיקף של שדה הקלט. תאים אלה מכונים תאי "מרכז-דולק" (ON-center). באופן דומה, בתאים מסוג "מרכז-כבוי" (OFF-center), התא מגיב בצורה מרבית כאשר ישנה הארה בהיקף שדה הקלט, אך לא קיימת הארה במרכזו. בתאי גנגליון אחרים, ההבחנה בין המרכז וההיקף של שדה הקלט מבוססת לא על רמת הארה, אלא על צבעים שונים - למשל, קיימים תאים שמגיבים בצורה חזקה לאור אדום במרכז שדה הקלט שלהם לצד אור ירוק בהיקף שדה הקלט.