Video: Sinneszellen

Nach einer langen, anstrengenden Woche ist es immer wieder schön, mit einer warmen Tasse Tee, einem spannenden Buch und gemütlicher Musik zur Ruhe zu kommen. Das kann eine ganz schön sinnliche Erfahrung sein: Man hört die Musik, sieht die Buchstaben auf den Seiten, man spürt das leicht raue Gefühl des Papiers an den Fingern sowie die Wärme der Tasse und riecht und schmeckt den leckeren Tee. All diese Erfahrungen werden durch die unterschiedlichen Sinnesmodalitäten unseres sensorischen Systems ermöglicht. Dieses empfängt und verarbeitet all diese Reize aus der Umwelt.

Dabei gehören einige dieser Sinnesmodalitäten zu den klassischen bzw. auch spezifischen Sinnen, während andere zur somatoviszeralen Sensibilität gezählt werden. Viszerosensorische Modalitäten, wie beispielsweise die Messung des Blutdrucks, werden größtenteils nicht bewusst wahrgenommen. Sie werden trotzdem im Gehirn, genauer gesagt im Hirnstamm verarbeitet, allerdings so, dass wir diesen Prozess nicht bewusst miterleben. Was all diese Empfindungen jedoch gemeinsam haben, ist, dass sie von Sinneszellen erkannt werden. Diese stellen somit die Eintrittspforte zu unserem sensorischen System dar. In diesem Tutorial sehen wir uns deshalb die verschiedenen Arten von Sinneszellen genauer an.

Sinneszellen werden ebenfalls oft als Sinnesrezeptoren bezeichnet. Ihre Aufgabe ist die Erkennung sensorischer Reize und deren Umwandlung in elektrische Signale. Dieser Prozess wird auch als Transduktion bezeichnet. Die Informationen werden dann durch sensorische Neurone an das zentrale Nervensystem, also an das Gehirn und das Rückenmark, gesendet, wo sie dann weiterverarbeitet werden.

Sinneszellen lassen sich anhand ihrer Struktur, Lokalisation und ihrer Funktion unterscheiden. Eine wichtige Rolle spielt ebenfalls der Mechanismus der Signalweiterleitung, anhand dessen zwischen primären und sekundären Sinneszellen unterschieden wird. Auf der strukturellen Ebene sind primäre Sinneszellen eine Art sensorischer Neurone mit freien oder korpuskulären Nervenendigungen. Sie können Reize detektieren und direkt in Aktionspotentiale umwandeln, die dann über ihr Axon zum ZNS weitergeleitet werden. Sinneszellen mit korpuskulären Nervenendigungen stellen dabei oft komplexe Rezeptoren dar, wie es beispielsweise bei den Vater-Pacini-Körperchen oder den Muskelspindeln der Fall ist.

Sekundäre Sinneszellen sind dagegen nicht-neuronale Rezeptorzellen, die selbst kein Axon besitzen. Sie wandeln den Reiz in ein Rezeptorpotential um und übertragen die Information durch die Freisetzung von Neurotransmittern auf ein nachgeschaltetes sensorisches Neuron. Sekundäre Sinneszellen spielen vor allem bei speziellen Sinnen wie dem Schmecken oder Hören eine wichtige Rolle.

Die Lokalisation der Rezeptoren ist abhängig vom Reiz, den die Sinneszelle detektieren soll. Insgesamt werden die Rezeptoren aufgrund ihrer Lokalisation in drei Arten eingeteilt. Sinneszellen, die äußere Reize erkennen, also beispielsweise Empfindungen der Haut, werden als Exterozeptoren bezeichnet. Die Erkennung innerer Stimuli, die von den viszeralen Organen ausgehen, wird von Interozeptoren gewährleistet. Sinneszellen in Muskelnund Gelenken, die für die Tiefensensibilität zuständig sind und das Gehirn über Stellung, Bewegung und angewandte Kraft in unseren Extremitäten informieren, gehören zu den Propriozeptoren.

Jede dieser Sinneszellen reagiert dabei auf einen bestimmten Reiz, ein bisschen so, als hätten sie eine Vorliebe für diesen. Thermorezeptoren erkennen beispielsweise die Temperatur und sind somit für die Modalität des Temperatursinns zuständig.

Auf der funktionellen Ebene lassen sich Sinneszellen auch anhand des Reizes, den sie wahrnehmen, in Mechanorezeptoren, Photorezeptoren, Chemorezeptoren, Thermorezeptoren und Nozizeptoren unterscheiden. Die Mechanorezeptoren stellen dabei die mit Abstand größte Gruppe dar. Sie reagieren auf mechanische Reize, indem ihre Membran durch Druck, Dehnung oder Vibration verformt wird. Die Mehrzahl der Mechanorezeptoren befindet sich in der Haut und erkennt taktile Reize wie Berührungen und Druck, weswegen diese auch als kutane Mechanorezeptoren bezeichnet werden.

Mechanorezeptoren mit freien Nervenendigungen detektieren vor allem grobe, nicht diskriminatorische Berührungen sowie Druck. Später gehen wir noch einmal genauer darauf ein und sehen, dass sie auch bei der Erkennung von Schmerzen und Temperatur eine Rolle spielen.

Des Weiteren gibt es Rezeptoren, die an bestimmte Strukturen in der Haut oder an Hautanhangsgebilden gebunden vorkommen. Ein Beispiel hierfür sind die Haarfollikelrezeptoren, die sich an den Haarfollikeln befinden. Sie erkennen die mechanische Biegung des Haarfollikels. Manche Nervenendigungen gehen zudem Verbindungen mit speziellen Zellen, den Merkel-Zellen, ein und bilden gemeinsam die sogenannten Merkel-Zell-Axon-Komplexe

Zu den Sinneszellen mit korpuskulären Nervenendigungen gehören beispielsweise die Meissner-Körperchen, die zu den Sinneszellen des Tastsinns zählen. Tiefer in der Dermis befinden sich die Ruffini-Körperchen, die Dehnungen der Haut erkennen. Schließlich bleiben noch die Vater-Pacini-Körperchen, die es uns ermöglichen, Vibrationen wahrzunehmen.

Mechanorezeptoren sind ebenfalls in der Lage, die Position eines Körperteils zu erkennen. Dabei handelt es sich um Propriozeptoren, die in den Muskeln, Sehnen und Gelenken vorkommen. Zu den wichtigsten Sinneszellen der Tiefensensibilität zählen die Muskelspindeln und die Golgi-Sehnenorgane. Sie erfassen Informationen über Bewegungen, die Stellung der Gelenke und die verwendete Kraft der Muskeln einer Extremität und leiten diese an das zentrale Nervensystem weiter. Dieser Prozess wird als Propriozeption bezeichnet.

Die kutanen Mechanorezeptoren sind allerdings nicht die einzigen mechanisch gesteuerten Sinneszellen des menschlichen Körpers. Auch Barorezeptoren, die beispielsweise am Sinus caroticus sowie am Aortenbogen zu finden sind, gehören zu den Mechanorezeptoren. Sie erkennen die Dehnung der Arterienwände im Rahmen von Blutdruckschwankungen. Es handelt sich also genauer gesagt um Dehnungsrezeptoren, die eine wichtige Rolle für die Blutdruckregulation spielen.

Interessanterweise enthält auch das Innenohr Mechanorezeptoren, die sowohl für das Hören als auch für die Gewährleistung des Gleichgewichtssinns notwendig sind. Die Rede ist von den cochleären Haarzellen der Hörschnecke und von den vestibulären Haarzellen in den drei Bogengängen. Die cochleären Haarzellen reagieren auf Schallvibrationen, während die vestibulären Haarzellen Veränderungen der Kopfposition erkennen, indem Teile dieser Rezeptoren mechanisch verformt und dadurch aktiviert werden. Genau deshalb werden die Haarzellen des Innenohrs funktionell auch zu den Mechanorezeptoren gezählt.

Unsere Augen besitzen spezielle lichtsensible Sinneszellen, die sogenannten Photorezeptoren. Zu diesen Zellen gehören die Stäbchen und Zapfen in der Retina, die auf Lichtreize reagieren. Während Stäbchen durch ihre hohe Lichtempfindlichkeit uns vor allem das Sehen im Dämmerlicht ermöglichen, erkennen Zapfen besonders gut helles Licht und sind für das Farbsehen zuständig. Treffen Lichtstrahlen auf die Retina, wird ihre Energie in den Photorezeptoren durch den Prozess der Reiztransduktion in elektrische Signale umgewandelt. Diese Signale werden dann über die Sehbahn zum Gehirn geleitet und ermöglichen so das Sehen.

Nun bleiben noch zwei spezielle Sinne übrig, nämlich Geschmack und Geruch, die durch gustatorische und olfaktorische Sinneszellen vermittelt werden. Dabei handelt es sich um Chemorezeptoren, die auf chemische Reize reagieren. Die Geschmacksrezeptoren des Sinnesepithels befinden sich in den Geschmacksknospen der Zunge sowie in anderen Bereichen der Mundhöhle. Sie reagieren auf Geschmacksstoffe, die sich im Speichel auflösen. Ähnlich werden auch Gerüche detektiert: Die Duftstoffe lösen sich in der Mukusschicht der Nasenschleimhaut und die Sinneszellen des Riechepithels, das sich im Dach der Nasenhöhle befindet, reagieren darauf.

Der Begriff Chemorezeptoren wird klassischerweise im Zusammenhang mit dem Atmungssystem verwendet. Dort gibt es zentrale und periphere Chemorezeptoren, die Veränderungen der Sauerstoff-, Kohlendioxid- und pH-Werte im Blut feststellen. Sie sind wichtig für die Regulierung der Atmung.

Osmorezeptoren befinden sich in Bereichen wie dem Gefäßorgan der Lamina terminalis und dem Subfornikalorgan im Gehirn. Wie der Name es verrät, erkennen sie Veränderungen der Osmolalität des Plasmas und sind für die Aufrechterhaltung des Flüssigkeitshaushaltes notwendig.

Als Nächstes betrachten wir die Thermorezeptoren. Das sind in der Regel Sinneszellen mit freien Nervenendigungen, die die Temperatur messen. Es gibt sowohl Kalt- als auch Warmrezeptoren, deren Messkapazität jedoch begrenzt ist. Nicht alle Wärmeempfindungen werden nämlich als angenehm wahrgenommen, manche sind sogar schmerzhaft. Bei sehr hohen oder sehr niedrigen Temperaturen werden daher Schmerzrezeptoren stimuliert. Und damit sind wir bei unserer letzten Kategorie, den Nozizeptoren, angekommen. Auch diese sind in der Regel Sinneszellen mit freien Nervenendigungen. Sie reagieren auf Reize, die das Gewebe schädigen können. Solche schädlichen Reize werden als Noxen bezeichnet, da es sich um starke und potenziell schädliche mechanische, chemische oder extreme thermische Reize handelt. Informationen über diese nozizeptiven Reize werden von den sensorischen Neuronen an das Gehirn weitergeleitet und können dort als Schmerz wahrgenommen werden.

Es ist wichtig zu wissen, dass Schmerz eine subjektive, komplexe Wahrnehmung ist. Die Schmerzwahrnehmung, die aus der Aktivierung eines Nozizeptors resultiert, wird dabei als nozizeptiver Schmerz bezeichnet. So, jetzt haben wir eine Vielzahl verschiedener Arten sensorischer Modalitäten besprochen, die als Stimuli für zahlreiche Rezeptoren dienen.

Unabhängig von ihrer sensorischen Modalität reagieren Sinneszellen in der Regel mit einer Änderung ihres Membranpotentials, wenn sie durch einen Reiz stimuliert werden. Diese Veränderung wird als Rezeptorpotential bezeichnet, unabhängig davon, ob es sich um eine Depolarisation oder eine Hyperpolarisation handelt.

Wenn also ein Reiz auf eine Sinneszelle trifft, öffnen sich in den meisten Fällen Ionenkanäle in der Zellmembran. Bei Mechanorezeptoren öffnen sich die mechanisch gesteuerten Rezeptoren beispielsweise als Reaktion auf eine Stimulation durch Verformung. Die Öffnung dieser Kanäle führt häufig zu einem Einstrom von Natriumionen in die Zelle, wodurch sich das Membranpotential verändert.

Wenn der Reiz stark genug ist, dann überschreitet das Rezeptorpotential der Depolarisation das Schwellenpotential. Dadurch werden spannungsgesteuerte Natriumkanäle geöffnet und im sensorischen Neuron werden Aktionspotentiale ausgelöst. Auf diese Weise können die Sinneszellen einen Reiz in ein elektrisches Signal umwandeln. Dieser Prozess wird als Transduktion bezeichnet.

Die Entstehung von Aktionspotentialen folgt dabei dem Alles-oder-nichts-Gesetz. Das bedeutet: Überschreitet das Rezeptorpotential das Schwellenpotential, wird ein Aktionspotential ausgelöst und an das zentrale Nervensystem weitergeleitet. Dort wird es dann als Reiz wahrgenommen. Ein Aktionspotential hat dabei stets die gleiche Amplitude. Bleibt das Rezeptorpotential jedoch unterschwellig und erreicht somit das Schwellenpotential nicht, dann entsteht kein Aktionspotential und der Reiz kann nicht wahrgenommen werden. Dadurch wird eine Überstimulation des Gehirns verhindert, da schwache Reize, die keine Bedeutung haben, ignoriert werden.

Ganz so einfach ist es allerdings nicht, denn bei den Rezeptorpotentialen handelt es sich um graduierte Potentiale. Das bedeutet, dass sie sich summieren können, wenn die Reizstärke zunimmt. Dadurch erhöht sich auch die Frequenz der Aktionspotentiale, die über das sensorische Neuron weitergeleitet werden. Dieser Mechanismus wird als zeitliche Summation bezeichnet und ist eine Möglichkeit, die Stärke eines Reizes an das Gehirn zu übermitteln.

Des Weiteren kann sich ein Reiz auch über eine größere Fläche verteilen. Dadurch werden gleich mehrere Sinneszellen aktiviert, die elektrische Signale weiterleiten. Dieser Mechanismus wird als räumliche Summation bezeichnet.

Neben der Reizstärke kann auch die Dauer eines Reizes eine erhöhte Aktionspotentialfrequenz auslösen. Bei einem anhaltenden Reiz nimmt die Antwortrate der Sinnesrezeptoren jedoch ab, was als Adaptation bezeichnet wird. Die Geschwindigkeit der Adaptation variiert dabei je nach Rezeptortyp. Es gibt langsam adaptierende oder auch proportionalsensorische Rezeptoren. Diese werden auch kurz als SA-Rezeptoren, aus dem Englischen von slowly adapting receptors, bezeichnet. Auf der anderen Seite gibt es die schnell adaptierenden oder auch differentialsensorischen Rezeptoren, kurz RA-Rezeptoren von rapidly adapting receptors. Die Mehrheit aller Sinnesrezeptoren liegt irgendwo in der Mitte, weshalb diese als Rezeptoren mit Proportional-Differential-Verhalten, kurz PD-Verhalten, bezeichnet werden.

Ein Beispiel für langsam adaptierende Rezeptoren sind die Ruffini-Körperchen und die Golgi-Sehnenorgane. Ihre schnelle initiale Reizantwort wird von einer etwas langsameren, jedoch anhaltenden Aktionspotentialfrequenz gefolgt, wodurch der Stimulus weiterhin an das zentrale Nervensystem weitergeleitet wird. Schnell adaptierende Rezeptoren, wie beispielsweise das Vater-Pacini-Körperchen, reagieren mit einer schnellen, intensiven Antwort auf eine Verformung ihrer Kapsel. Aufgrund ihrer schnellen Adaptation stellen sie ihre Antwortreaktion jedoch ein, es sei denn, es kommt zu einer Reizänderung, wie einer Verstärkung oder einer Verminderung des Druckes auf die Rezeptorkapsel. Dadurch sind diese Rezeptoren besonders gut geeignet, um dynamische Veränderungen eines Reizes, wie beispielsweise hochfrequente Vibrationen im Falle der Vater-Pacini-Körperchen, an das Gehirn weiterzuleiten.

Wenn sich die Aktionspotentiale aber selbst nicht unterscheiden, wie erkennt das zentrale Nervensystem dann die unterschiedlichen Empfindungen? Dies liegt an den unterschiedlichen Nerven- beziehungsweise Leitungsbahnen, die die Signale weiterleiten. Dabei wird eine bestimmte Sinnesmodalität über spezifische Bahnen an die entsprechenden Areale im Gehirn übermittelt. Wird beispielsweise ein Thermorezeptor, der für Wärme empfindlich ist, stimuliert, nimmt das Gehirn dies so auch immer als Wärme wahr

Diesem Prinzip folgend gibt es separate Leitungsbahnen für die unterschiedlichen Modalitäten wie das Sehen, Hören oder auch die somatosensorischen Modalitäten wie Berührung oder Vibration. Die Rezeptoren stellen also den ersten Schritt in einer langen Bahn der sensorischen Signalübertragung dar.

Und damit sind wir auch schon am Ende unseres Tutorials über die Sinneszellen angekommen. Schau dir gerne noch unsere anderen Lerneinheiten und Artikel über das Nervensystem an.