Laminierung [Bearbeiten]

Sinnesphysiologie
[Notizen hauptsächlich nach Klinke/Pape/Kurtz/Silbernagl, Physiologie, Thieme, 2009 und
Schmidt/Lang/Heckmann, Physiologie des Menschen, Springer, 2010]
1. Stunde: Das zentrale Nervensystem – Grundlage bewussten Menschseins: Neurone, Synapsen,
Rezeptoren
Zur Erinnerung:
• Zentrales Nervensystem (Gehirn, Rückenmark)
• Peripheres Nervensystem (Nerven: Afferente, efferente Systeme)
• Gehirn besteht aus Nervenzellen (Neuronen) und Gliazellen
• Nervenzellen: Morphologie: Zellkörper, initiales Segment, Axon, Axonterminale, Dendriten:
Funktionen?
• Gliazellen: Myelin: Funktionen?
• Synaptische Transmission: Präsynapse, Postsynapse, Botenstoffe
Fünf klassische Sinne: Riechen, Fühlen, Hören, Sehen, Schmecken. Plus: Gleichgewichtssinn,
Schmerzsinn, andere Systeme, die den Zustand des Körpers an ZNS melden (Gelenkstellungen,
Muskelkraft, Muskellänge, Blutdruck, CO2-Gehalt des Blutes, etc). Alle brauchen spezialisierte
Sinnesrezeptoren.
Sinnesrezeptoren: Adäquater Reiz: Erregung von Sinneszellen: Umsetzung in eine „Sprache“, die das
ZNS versteht: Aktionspotenziale
Adäquater Reiz: Im Allgemeinen der Reiz, der die minimale Energie benötigt, um das betreffende
Organ zu erregen. Inadäquater Reiz: z.B. Stäbchen und Zapfen der Retina lassen sich auch erregen,
wenn man den Bulbus kräftig massiert; Kaltsensoren in der Schleimhaut von Mund und Nase
reagieren auf Kälte, aber auch Menthol.
Reiztransduktion:
• der Reiz wird durch einen reizleitenden Apparat an die Rezeptoren herangebracht
• ein Transduktionsvorgang am Rezeptor: z.B. Mechanorezeptor: dehnungsaktivierte
Ionenkanäle: bei Dehnung wird der Durchmesser dieser Kanäle vergrößert: elektrische
Leitfähigkeit steigt: Transduktionsstrom: Veränderung des Membranpotenzials: im
Allgemeinen eine Depolarisation (nicht an Photorezeptoren). So entsteht ein
Rezeptorpotenzial, dessen Größe die Särke des Reizes widerspiegelt. Wichtig: Die
Rezeptorpotenziale bilden den Reiz in analoger Form ab, obwohl nicht in der physikalischen
Dimension des Reizes.
• Rezeptormodulation: Rezeptorzellen werden über efferente Nervenbahnen innerviert und
moduliert. Die Empfindlichkeit wird modifiziert, um sie an die vorhandene Reizstärke
anzupassen (Adaptation). Beispiel für Adaptation => die Erhöhung der Reizschwelle bei
kontinuierlicher Reizung in Sinnesorganen.
Reiztransformation:
• Signale können nicht auf analoge Weise ans ZNS weitergegeben werden: Kodierung in
Aktionspotenzialen: Digitale Form
• Sinneszellen, die in der Lage sind, auf die reizabhängige Depolarisation hin Aktionspotenziale
zu generieren und weiterzuleiten sind primäre Sinneszellen (z.B. Mechanosensorik)
• Sinneszellen, die reizabhängig Botenstoffe freisetzen, aber keine Aktionspotenziale
generieren, sind sekundäre Sinneszellen. Aktionspotenziale werden über synaptische
Verschaltung in den nachgeschalteten Neuronen ausgelöst (z.B. Hören)
• Über afferente Nervenbahnen gelangt die informationstragende Folge von Aktionspotenzialen
ans ZNS
Reizkodierung:
Primäre Sinneszellen
• Das Rezeptorpotenzial breitet sich elektrotonisch bis zum ersten Ranvier-Schnürring aus
• Hier kann ein Aktionspotenzial entstehen – aber das ist nicht genug für eine korrekte
Kodierung!
1
•
Je stärker der Reiz, desto stärker der Generatorstrom (bzw. das Rezeptorpotenzial): Umso
mehr Aktionspotenziale pro Zeiteinheit werden ausgelöst (höherer Reiz => höhere AP
Frequenz)
Sekundäre Sinneszellen
• Rezeptorpotenzial breitet sich elektrotonisch bis zur Botenstoff-freisetzenden Maschinerie aus
(Präsynapse)
• Transmitterausschüttung, abhängig von Reizstärke/Rezeptorpotenzialstärke
• Aktionspotenziale in die afferenten Nerven, wie oben
Antwortverhalten:
• Einige Rezeptoren reagieren stark, wenn der Reiz rasch zunimmt. Sie signalisieren die
Geschwindigkeit der Reizänderung. Dieser Antworttyp => dynamische = phasische =
differenziale Antwort.
• Rezeptoren, die unabhängig von der Geschwindigkeit reagieren, signalisieren nur die
Reizgröße. Diese Antworttyp => statische = tonische = proportionale Antwort.
• Die meisten Rezeptoren übermitteln Informationen über die Reizgröße, aber auch über die
Geschwindigkeit => Proportional-differenziales Antwortverhalten (PD).
Informationsleitung/Übertragung:
Nervenfasern, Myelin, Synaptische Übertragung.
Reizverarbeitung:
• Primäre rezeptive Felder: afferente Nervenfasern verzweigen sich in ihrem Innervationsgebiet
in mehrere Kollaterale, die jeweils in Sensoren enden: alle Sensoren einer Nervenfaser bilden
ihr primäres rezeptives Feld. Größe: Funktionsangepasst (z.B. für Mechanoafferenzen in der
Haut: kleiner in der Fingerspitze als im Unterarm).
• Sekundäre rezeptive Felder: unterschiedlich viele primär afferente Nervenfasern konvergieren
und haben synaptische Kontakte mit einzelnen zentralen sensorischen Neuronen. Die
rezeptiven Felder dieser zentralen Neurone = Sekundäre Felder.
• Neuronale Netzwerke: Information wird von einem Neuron auf viele andere verteilt
(Divergenz)
• Umgekehrt erhält ein Neuron Informationen von vielen anderen Neuronen (Konvergenz)
• Räumliche oder zeitliche Bahnung: Entstehung von Aktionspotenzialen nach einem an sich
unterschwelligen Reiz, wenn an diesem Neuron noch weitere exzitatorische Synapsen
anderen Ursprungs aktiviert werden => Summation
• Hemmungen: wichtig um repetitive Entladungen zu verhindern: Vorwärts- (Neuron A hemmt
Neuron B) und Rückwärtshemmung (Neuron A hemmt durch ein hemmendes Interneuron sich
selbst)
• Laterale Inhibition (Laterale Hemmung): Viele Neurone im visuellen und somatosensorischen
System werden z.B. von Zentrum ihres rezeptiven Feldes her erregt, von einem mehr oder
minder großen und mehr oder minder regelmäßig geformten Umfeld hingegen gehemmt.
Hemmung: Die primären Afferenzen sind mit Interneuronen verbunden, die an den
betreffenden
zentralen
Neuronen
hemmende
Synapsen
bilden.
Generiert
Kontrastverschärfung. Wichtig z.B für die Augen: Information über die Helligkeitsunterschiede
im Bild wird geliefert => also über die Begrenzungen einzelner Bildelemente (viel wichtiger als
Information über die absoluten Helligkeiten).
• Reizmodulation: Disinhibition (der inhibitorische Einfluss auf ein Neuron von Seiten
hemmender Synapsen fällt weg); Disfazilitation (Unterdrückung einer tonischen Exzitation
führt zu eine relativen Hyperpolarisation); Habituation (Anpassung an einen wiederholten, für
den Organismus als unwichtig erkannten Reiz).
• Plastizität: Das Gehirn verändert sich, Synapsen werden ständig abgeändert – kann die
Wahrnehmung/Empfindung ändern.
2
2. Stunde: Subjektive Sinnesphysiologie: Weber – Fechner – Stevens
Empfindungen = Konstrukte des Gehirns. Die Empfindungs- und Wahrnehmungsprozesse sind einer
direkten naturwissenschaftlichen Analyse nicht zugänglich. Sie werden mithilfe von Angaben von
Versuchspersonen studiert, weswegen dieser Bereich als Subjektive Sinnesphysiologie bezeichnet
wird.
Methoden:
Psychophysik => studiert die Beziehungen zwischen Reiz und Empfindung
Psychophysiologie => studiert die Korrelation zwischen Empfindungsgröße und Aktivitätszuständen
der Rezeptoren und/oder afferenten Nervenbahnen
Um die Empfindungsintensität (Empfindungsstärke) zu quantifizieren, studieren wir die Aussage des
Wahrnehmenden.
Psychophysik: Johannes Müller (1837) => „Gesetz der spezifischen Sinnesenergien“ = die
Empfindung einer bestimmten Sinnesmodalität hängt nur vom gereizten Sinneskanal und nicht von
der Art des Reizes ab (z.B. Augen; siehe oben).
Empfindungen haben immer eine bestimmte Intensität (obwohl Empfindungen auch verschiedene
andere „Qualitäten“ haben können: z.B. Farbe von Licht, nicht nur Intensität). Die Intensität ist nicht
unbedingt leicht zu messen. Ein Beispiel = die Hörschwellenkurve des Ohres, welche den
Mindestschalldruck zur Hörempfindung ( = die Absolutschwelle) über die verschiedenen Frequenzen
des Hörbereichs darstellt.
Methoden für die Schwellenmessung: die Grenzmethode: man beginnt mit einem intensiven Reiz,
dann wird die Intensität verringert bis der Reiz unterschwellig ist; dann beginnt man mit einem sehr
schwachen Reiz, der gesteigert wird, bis die Schwelle erreicht ist.
Die Konstantreizmethode: Die Schwelle = die Reizintensität die in der Hälfte der Fälle wahrgenommen
wird. Messung: Probanten bekommen Reize mit verschiedene Intensitäten in randomisierter
Reihenfolge. Für jede Reizintensität wird gemessen, wie oft sie wahrgenommen wird. Eine Kurve wird
gezeichnet, mit % erkannte Reize vs. Reizintensität – generell s-förmig = psychometrische Funktion.
Die psychometrische Funktion errinnert an die kumulierte Form der Normalverteilung (das Integral der
Gauss-Verteilung). Diese Art von Funktion ist als Ogive bekannt.
Weber.
Es ist wichtig zu wissen, wie groß der Unterschied zwischen zwei Reizstärken sein muss, um
Unterschiede zwischen den Reizen zu empfinden = Unterschiedsschwelle.
Versuch von Weber (1834): Um wie viel sich zwei Gewichte voneinander unterschieden müssen:
• Zwei Gewichte von 1 und 2 kg – leicht zu unterscheiden
• Zwei Gewichte von 50 und 51 kg – sehr schwer zu unterscheiden, obwohl der Unterschied
immer 1 kg ist.
• => große Gewichte müssen sich um einen größeren absoluten Betrag voneinander
unterscheiden als kleine, damit sie unterschieden werden können
• Das Weber-Gesetz: Die Änderung der Reizintensität, die gerade eben noch wahrgenommen
werden kann (ΔΦ) ist ein konstanter Bruchteil (c) der Ausgangsintensität (Φ). ΔΦ ist auch als
„just noticeable difference“ oder „difference limen“ (Differenzlimen) bekannt.
Formel: ΔΦ/ Φ = c was auch als ΔΦ= c x Φ geschrieben wird.
•
•
•
c ist als Weber-Quotient bekannt. c wird benutzt, um die relative Empfindlichkeit von
Sinnessystemen zu untersuchen.
Das Weber Gesetz beschreibt die experimentellen Daten nur im mittleren Bereich
befriedigend. In der Nähe der Reizschwelle nehmen z. B. die Weber-Quotienten zu => es ist
schwer, schwache Reize (Signale) von stochastischen Prozessen in den Sensoren (spontane
Aktivität, auch als Rauschen bezeichnet) zu unterscheiden.
In anderen Bereichen muss eine Korrektur eingefügt werden:
Formel: ΔΦ/ (Φ+a) = c was auch als ΔΦ= c x (Φ+a) geschrieben wird
3
•
•
Der Korrekturfaktor a (wie c eine Konstante) beschreibt die Größe des Rauschens im
Sinneskanal
Weber => Formel sagt nichts über die Wahrnehmungsintensität.
Fechner.
Fechner, Begründer der Psychophysik, sagt, dass die Wahrnehmungsintensität von der Stärke der
Erregung im Hirn abhängt (1860).
• Idee: Eine logarithmische Zunahme der Reizstärke (Φ) führt zu einer linearen Zunahme der
Empfindungsstärke (ψ).
• Fechner nutzt Webers Gesetz zur Definition einer Skala der Empfindungsstärke. Nullpunkt ist
die Absolutschwelle, die nächst-stärkere Empfindung ist um eine „Unterschiedschwelle“
(Differenzlimen, DL) größer, etc => DL ist die Grundeinheit der Empfindungsstärke (für
Fechner).
Formel: ψ = k x log (Φ/ Φ0) (k ist eine Konstante, und Φ0 ist die Absolutschwelle)
•
Die Gültigkeit von Fechners Formel ist sehr begrenzt, wie Webers Gesetz.
Stevens.
Stevens (1953) führt eine Methode der quantitativen Abschätzung der Empfindungsstärke ein.
Probanten sollen angeben, wann ein Reiz doppelt so groß, dreimal so groß, etc ist wie ein
Vergleichsreiz => die Probanten machen direkte Angaben über die Stärke ihrer Empfindungen.
Eine zweite Methode = Intermodaler Intensitätsvergleich = Probanten versuchen, die
Empfindungsstärke in einer Sinnesmodalität durch Angaben in einer anderen Sinnesmodalität
auszudrücken.
Formel = Potenzfunktion:
abhängt.
ψ = k x (Φ - Φ0)
a
wobei a ein Exponent ist, der von der Sinnesmodalität
Was ist die Bedeutung des Exponenten? Warum ist er viel größer bei Schmerz?
Log (Formel) => log (ψ)= log(k) + a x log (Φ - Φ0), was relativ einfach dargestellt ist (Potenzfunktionen
werden zu linearen Beziehungen unter logarithmischen Koordinaten).
Psychophysiologie
=> Messung von Rezeptorantworten zeigt, dass die Empfindungsschwelle nicht nur von der
Rezeptorempfindlichkeit, sondern auch von der Übertragung, abhängt (zum Beispiel
Mechanosensoren der Haut in Fingerspitze und Handfläche).
4
3. Stunde: Das Somatosensorische System: Bahnsysteme, somatosensorische Neurone
Somatoviszerale Sensibilität (Somatosensorik) = Sinnesleistungen, deren Sinnesorgane über den
gesamten Körper verteilt sind (inklusive der inneren Organe).
Verschiedene Submodalitäten:
• Mechanorezeption: Vermittelt die Qualitäten Druck, Berührung, Vibration
• Propriozeption: Lage, Bewegung und Kraft
• Thermorezeption: Wärme und Kälte (Veränderungen der Hauttemperatur)
• Nozizeption: Schmerz
• Viszerozeption: Verschiedene Qualitäten von viszeralem Schmerz zu Hunger, Durst oder
Atemnot
Diese Modalitäten nutzen verschiedene afferente Nervenfasern – schnellste bei Propriozeption und
Mechanorezeption (30-80 m/s) und langsamste bei den anderen Modalitäten (~1-2 m/s).
Das somatosensorische System nutzt zwei Bahnsysteme, um diese Submodalitäten zu leiten:
• Das Lemniskale System für Mechanorezeption und Propriozeption. Erste synaptische
Verschaltung in Medulla oblongata; die Axone kreuzen dann auf die Gegenseite und ziehen
auf die Gegenseite als „Lemniscus medialis“ zum somatosensorischen Thalamus
• Das spinotalamisches System (= extralemniskales System) für Thermorezeption, Nozizeption,
Viszerozeption. Erste synaptische Verschaltung in Hinterhorn des Rückenmarks, ziehen dann
direkt zum somatosensorischen Thalamus
• Was passiert bei halbseitiger Durchtrennung des Rückenmarks? Brown-Séquard Syndrom.
• Vom Thalamus => zu somatosensorischen Arealen in der Großhirnrinde
Beide Bahnen (Lemniskales System, LS, und spinotalamisches System, STT) nutzen vier
Neuronenpopulationen:
• 1. Neuron, im ipsilateralen Spinalganglion bzw. Ganglion Gasseri des V. Hirnnerven [im
Bereich des Kopfes]
• 2. Neuron, ipsilateral in den Hinterstragkernen (LS), im Rückenmark (STT)
• 3. Neuron, kontralateral im somatosensorischen Thalamus
• 4. Neuron, kontralateral in somatosensorischen Arealen in der Großhirnrinde
Das 1. Neuron:
• Primäre Sinneszellen
• Zellkörper im Spinalganglion, zusammen mit Gliazellen (Satellitenzellen)
• Axone teilen sich in zwei Äste: Peripheren Ast, der das Organ innerviert (und afferente
Nervenfasern ausbildet), und zentralen Ast, der Synapsen mit 2. Neuron macht
• Periphere Äste enden in korpuskulären Endigungen (Propriozeption und Mechanorezeption)
oder frei (andere Modalitäten)
• Die afferenten Nervenfasern: Myelinisiert (drucksensitiv) und unmyelinisiert (empfindlich
gegen Lokalanästhetika)
• Generatorpotenziale finden in den Endingungen statt
• Transduktion: mechanische Reize: Ionenkanäle, die auf Zugspannungen in der Membran
reagieren
• Transduktion: thermische Reize: temperaturgesteuerte Ionenkanäle (TRPV1)
• Transduktion: chemische Reize: ligand-gesteuerte Ionenkanäle oder G-Protein-gekoppelte
Rezeptoren
• Transformation: Aktionspotenziale finden im Bereich der Schnürringe statt (myelinisierte
Axone) oder in der Axonmembran (unmyelinisierte Axone)
• Die Axone im zentralen Ast machen erregende Synapsen (Glutamat + Neuropeptide)
Das 2. Neuron:
Lemniskales System:
• Zellkörper in der Medulla oblongata in Hinterstrangkernen (Nucleus cuneatus, Nucleus
gracilis). Die Neurone sind somatotopisch angeordnet (Fuß medial, Hand lateral, etc)
• Axone kreuzen die Mittelebene als Lemniscus medialis und ziehen zum kontralateralen
somatosensorischen Thalamus.
Spinotalamisches System:
5
•
•
•
•
•
Zellkörper im Hinterhorn des Rückenmarks (in den oberflächlichen und tiefen Schichten des
Hinterhorns)
Axone kreuzen die Mittelebene ventral des Zentralkanals und ziehen zum kontralateralen
somatosensorischen Thalamus.
Afferenzen der Propriozeption ziehen auch ins Vorderhorn => erregende Synapsen mit
Interneuronen oder mit Motoneuronen => Reflexwege im Rückenmark.
Die 2. Neuronen sind auch Bestandteile von motorischen und vegetativen Reflexen im
Hirnstamm
Afferente Innervation zeigt eine räumliche Ordnung entsprechend der segmentalen
Gliederung der Spinalnerven: Die Afferenzen jedes Spinalnerven innervieren ein klares
Hautgebiet, das Dermatom. Analog: Myotome, Viszerotome
Das 3. Neuron:
• Zellkörper in spezifischen Thalamuskernen (ventrobasaler Anteil des Thalamus)
• Reziproke exzitatorische Verbindungen mit Teilen der Großhirnrinde
• Es gibt generell eine somatotope Anordnung
• Die Axone erregen auch inhibitorische Neurone des retikulären Thalamuskerns => diese
projezieren zu dem spezifischen Thalamuskern, führen zu lateraler Hemmung
• Diese Neurone funktionieren auch im Schlaf-Wach-Rhythmus: Regulation von Wachheit und
Schlaf (non-REM) durch das System Hirnstamm-Thalamus-Kortex:
- Wachheit: Hirnstammneurone aktiv => aktivieren Thalamusneurone => APs in Thalamus
generiert => Aktivität im Thalamus = getreue Übertragung afferenter Sinnessignale von
Peripherie zum zerebralen Kortex => Aktivität im Kortex
- Schlaf: Aktivität in Hirnstammneuronen nimmt ab => Hyperpolarisation der Thalamusneurone.
Diese beginnen langsam-rhythmische Salven von Aktionspotenzialen zu generieren
(Oszillationen). Getreue Übertragung afferenter Sinnessignale von Peripherie zum zerebralen
Kortex verhindert!
Das 4. Neuron: im Kortex
Primärer somatosensorischer Kortex (Gyrus postcentralis)
• Aktivität in diesen Arealen => dann werden Reize bewusst wahrgenommen
• Somatotop angeordnet (Homunkulus)
• Überrepräsentation von Mund, Finger, Zehen => proportional zur räumlichen Auflösung des
Tastsinns in den verschiedenen Arealen
• Neurone in vertikal zur Hirnoberfläche liegenden Säulen angeordnet
• Hier erfolgen Schritte wie Mustererkennung (z.B. Orientierung von Objektkanten)
Sekundärer somatosensorischer Kortex (parietales Operculum)
• Somatotop angeordnet
• Schritte wie Kodierung von Form (bei Tastobjekten)
• Weniger bekannt
Posteriorer Parietaler Kortex
• Assoziationsareale
• Reagieren auf Hautreize + visuelle Reize
• Steuerung der Motorik
• Kortikale Repräsentation des Körperschemas
Inselrinde
• Thermorezeption, Nozizeption, Viszerozeption
• Kortikale Repräsentation des inneren Zustandes des Körpers
Plastizität im System: Wenn z.B. Finger denerviert/amputiert wird, gibt es eine Lücke in der kortikalen
Repräsentation. Nach einiger Zeit erhalten diese Gebiete andere funktionelle Anschlüsse => neue
Synapsen. Auch in anderen Fällen, z.B. bei Training.
6
4. Stunde: Mechanorezeption und Propriozeption
Mechanorezeption: Vermittelt die Qualitäten Druck, Berührung, Vibration
Was können wir fühlen?
• Druck: Statischen Druck, natürlich nur über einer bestimmten Intensitätsschwelle (besonders
niedrig im Gesicht). Die räumliche Unterschiedsschwelle (wie wird die gemessen?) ist
besonders niedrig an Zunge, Lippen, Fingerspitzen.
• Bewegte Reize => wir können dann die Bewegungsrichtung erkennen
• Vibrationen – auch für Schwingungen von nur ein paar µm.
Klassifizierung von Rezeptoren:
Diese sind mechanorezeptive Aβ-Fasern mit korpuskulären Endigungen. Klassifizierung nach
adäquatem Reiz, Geschwindigkeit und dem Ausmaß der Adaptation (= wie schnell/stark wird die
Antwort bei anhaltendem Reiz abnehmen):
Langsam adaptierende (slowly adapting), SA; kodieren die Reizstärke. Sie zeigen nach der
Adaptation noch eine statische Antwort, die nur bei Beendigung des Reizes endet. Funktionieren als
Proportional-Differenzial Sensoren (übermitteln Information über die Reizgröße – Proportionalantwort
– aber reagieren auch auf rasche Reizänderungen – Differenzialantwort).
SA1 Rezeptoren = Merkel-Endigungen. In Basalschicht der Epidermis in der unbehaarten + behaarten
Haut. Umgewandelte Epithelzellen (Merkel-Zellen), die rezeptive Endigungen umgeben. Kleine
rezeptive Felder (~3 mm). Kodieren die Stärke von länger andauerndem Druck. Sie reagieren stärker
auf Kanten als auf ebene Flächen => sie sind besonders nützlich für Objekterkennung.
SA2 Rezeptoren = Ruffini Körperchen. In Dermis in der unbehaarten + behaarten Haut. Sensorische
Endigungen sind umschlungen von einem kolbenförmigen Gebilde, in das kollagene Fasern
einstrahlen (meist von einer Kapsel aus Perineuralzellen umgeben). Weniger empfindlich, langsamer
adaptierend als SA1. Große rezeptive Felder (~3 cm). Kodieren tangentiale Dehnung der Haut => lang
andauernden Druck und Spannung.
Schnell adaptierende (rapidly adapting), RA; kodieren die Veränderung der Reizstärke => sie sind
Geschwindigkeitssensoren
RA = Meißner Körperchen. In der unbehaarten Haut. Lamellen-artig angeordnete Schwannzellen mit
einer perineuralen Kapsel. Von mehreren sensorischen Endigungen innerviert (schraubenförmig
zwischen die Schwanzellen eingelagert). Durch Kollagenfibrillen an Epithelzellen gebunden (was die
mechanische Übertragung ermöglicht). Kodieren die Geschwindigkeit eines Druckreizes und
langsame Vibrationen.
Sehr schnell adaptierende (Pacini), PC; funktionieren als Beschleunigungssensoren.
PC = Pacini Körperchen. Im subkutanen Gewebe, auch im Mesenterium. Ovale Korpuskeln; das Ende
einer sensorischen Nervenfaser wird von vielen Schichten umgewandelter Schwannzellen und
Perineuralzellen eingehüllt. Kodieren die Geschwindigkeitswechsel von Reizen (Beschleunigung),
Vibrationen. Extrem empfindlich, sehr große rezeptive Felder.
Räumliche Diskrimination: Am besten durch SA1 Rezeptoren (warum?), deren Innervationsdichte
besonders hoch an den Fingerspitzen ist. Räumliche Diskrimination => Relation zu Hemmung (siehe
oben).
Formkodierung: Von SA1 Rezeptoren bis zu kortikalen Neuronen im primären somatosensorischen
Kortex (Brodmann Area 3b) gibt es eine Punkt-zu-Punkt Repräsentation der Hautoberfläche. Innerhalb
von Subregionen des primären somatosensorischen Kortex => Neurone, die auf Kanten,
Orientierungen, etc. reagieren => Mustererkennung. Weitere Schritte im sekundären
somatosensorischen Kortex.
7
Bewegungskodierung: RA-Rezeptoren => zu bewegungssensitiven Neuronen in Area 1 (primärer
somatosensorischer Kortex). Antworten bevorzugt auf eine bestimmte Bewegungsrichtung. Weitere
Schritte im posterioren parietalen Kortex.
Vibrationskodierung: Meissner (<40 Hz) und PC-Rezeptoren (100-200 Hz). Schwelle = Die
Schwingungsamplitude, bei der die afferenten Nervenfasern ein AP pro Schwingungsperiode
generieren; niedrigere Amplitude => einige APs fehlen; höhere Amplitude => mehr als 1 AP pro
Periode.
Propriozeption: Vermittelt die Qualitäten Lage, Bewegung, Kraft.
•
•
•
•
Lagesinn: Information über die Stellung der Gelenke.
Bewegungssinn: Vermittelt die Geschwindigkeit der Bewegung (egal ob aktive oder passive
Bewegungen)
Kraftsinn: Vermittelt das Ausmaß der Muskelkraft, die für die Aufrechterhaltung einer
Gelenkstellung oder für die Durchführung einer Bewegung erförderlich ist. Untersucht von…?
Ergorezeption: Ein grober Kraftsinn, vermittelt durch freie Nervendigungen im Muskel
(Temperatur- oder Metabolit-sensitiv).
Propriozeptoren:
• Korpuskuläre Endigungen (Ruffini-ähnlich) in Gelenkkapseln => Dehnungsrezeptoren.
• Muskelspindeln, die Endigungen von Gruppe Ia- und Gruppe IIa-Afferenzen enthalten
(dynamische vs. statische Reizantworten). Parallel zu den Muskelfasern angeordnet.
Signalisieren die Muskellänge (Reiz = Längezunahme des Muskels)
• Golgi-Sehnenorgane, die Endigungen von Gruppe Ib-Afferenzen enthalten und sich am
Übergang vom Muskel in die Sehne befinden. In Serie zu den Muskelfasern angeordnet.
Signalisieren die Muskelkraft (Reiz = aktiv erzeugte Muskelkraft, nicht passive Dehnung).
8
5. Stunde: Thermorezeption, Viszerozeption
Thermorezeption: Vermittelt die Qualitäten Wärme und Kälte (Veränderungen der Hauttemperatur).
Es gibt nicht eine „Temperaturempfindung“, sondern zwei Arten: Wärme- und Kälteempfindung.
Die Rezeptoren sind freie Nervendigungen in der Haut (Epidermis oder Dermis, noch nicht klar).
• Kaltrezeptoren werden von Aδ-Fasern gebildet (nach Erlanger und Gasser; = III nach Lloyd
und Hunt)
• Warmrezeptoren werden von ummyelinisierte C-Fasern ( = IV) gebildet.
• Beide Rezeptortypen funktionieren als Proportional-Differential Sensoren: Sie reagieren stark
(durch eine starke Änderung ihrer Aktionspotenzialfrequenz) auf stufenförmige
Temperaturänderungen (dynamische Antwort), aber kodieren auch die statische Temperatur
mit tonischen Antworten.
• Dynamische Temperaturempfindungen: Detektionsschwellen hängen von der Geschwindigkeit
der Temperaturänderung, der Größe der gereizten Hautfläche und der Ausgangstemperatur
ab; kann so niedrig sein wie 0.2°C. Abhängigkeit von Ausgangstemperatur: Im Kaltbereich
wird eine Abkühlung leichter erkannt als eine Erwärmung; im Wärmebereich wird eine
Erwärmung leichter erkannt.
• Ausgeprägte Adaptation (was ist Adaptation?). Beispiel für Adaptation: Webers „ZweiSchalen-Versuch“.
• Jeder Kalt- und Warmrezeptor besitzt eine individuelle Antwortkurve mit einer optimalen
Temperatur, bei der die tonische Aktivität am höchsten ist. Die Temperaturempfindung
entsteht im ZNS aus der Differenz der Aktivitäten von Kalt- und Warmrezeptoren.
• Kaltrezeptoren: Aktiv von ~10°C bis ~38°C; Maximum bei ~25°C. Unterhalb wird die
Kälteempfindung durch Kälteschmerz ersetzt (Nozizeptoren werden aktiviert).
• Warmrezeptoren: Aktiv von ~30°C bis ~45°C; Maximum bei ~43°C. Oberhalb wird die
Wärmeempfindung durch Hitzeschmerz ersetzt (Nozizeptoren).
• Thermische Indifferenzzone (oder Indifferenztemperatur): ~30-35°C: beide Rezeptortypen
aktiv, aber nach Adaptation verschwindet die Wärme- oder Kälteempfindung völlig
• Einige Kaltrezeptoren werden über 45°C aktiv (inadäquat gereizt) => paradoxe
Kälteempfindung.
Zentrale Neurone der Thermorezeption: Kalt-Neurone: lokalisiert im Hinterhorn des Rückenmarks.
Werden von Kaltrezeptorafferenzen erregt, von Warmrezeptorafferenzen gehemmt => Axon zum
somatosensorischen Thalamus. Andere Neurone im Hinterhorn werden durch Abkühlung und
Erwärmung aktiviert => HPC Neurone, aktiviert von „heat“, „pinch“, „cold“. Die Kalt-Neurone hemmen
die
thalamokortikale
Verarbeitung
der
Ausgangssignale
dieser
Neurone.
Paradoxe
Hitzeempfindungen: Diese Hemmung entfällt z.B. bei Blockade der myelinisierten Afferenzen durch
Nervkompression.
Viszerozeption: verschiedene Qualitäten von viszeralem Schmerz zu Hunger, Durst oder Atemnot.
• Generell nicht bewusst wahrgenommen: Empfindungen entstehen bei Abweichungen von der
normalen physiologischen Funktion => unangenehm/schmerzhaft.
• Viszeraler Schmerz wird in die Haut fehllokalisiert
• Viszeraler Schmerz wird durch spinale Afferenzen vermittelt; kortikale Repräsentation in der
Inselrinde.
Verschiedene Beispiele:
Mechanorezeptoren:
• Mechanorezeptoren in der Bauchwand; Dehnungrezeptoren im Gastrointestinaltrakt vom
Ösophagus bis zum Rektum (für die Kontrolle der Peristaltik). Leichte Dehnung => phasische
Antwort; starke Dehnung => tonische Antwort => Schmerz. Struktur: Unmyelinisierte
Endigungen, die von myelinisierten afferenten Nervenfasern gebildet werden.
• Herz-Kreislauf System: Mechanorezeptoren, die Blutdruck oder intravasale Volumina messen.
Mechanorezeptoren auch in Thoraxwand (um Herzaktivität zu detektieren).
• Dehnungrezeptoren in der Harnblase (=>Harndrang), Lungendehnungsrezeptoren,
Mechanorezeptoren in den Mammillen der stillenden Mutter (für den Milchejektionsreflex).
9
Chemorezeptoren:
• Chemorezeptoren der Glomera carotica und aortica. Registrieren die Veränderungen des O2und CO2-Partialdrucks. Für CO2 auch Rezeptoren in der Medulla oblongata und Area
postrema.
• Glucose-Rezeptoren im Duodenum/Dünndarm.
• Chemorezeptoren in der Schleimhaut von Bronchien, Pharynx, Nase => zur Steuerung des
Hustenreflexes, Würgereflexes und Niesreflexes.
• Nozizeptive Afferenzen aus dem Herzen oder den Blutgefäßen, die chemisch gereizt werden
können => Schmerz.
10
6. Stunde: Schmerz
Schmerz = „ein unangenehmes Sinnes- und Gefühlserlebnis, das mit aktueller oder potenzieller
Gewebsschädigung verknüpft ist oder mit Begriffen einer solchen Schädigung beschrieben wird“.
(International Association for the Study of Pain, IASP). Der Schmerz hat verschiedene Komponenten:
Sensorische, affektive (Emotionen), vegetative (Reaktionen des vegetativen Nervensystems, z.B.
Blutdruckabfall, Übelkeit), motorische (Schutzreflexe) und kognitive (z.B. Schmerzäußerungen).
Nozizeption: vermittelt Schmerz = objektive Vorgänge, mit denen das Nervensystem noxische Reize
aufnimmt und verarbeitet.
Schmerzklassifikationen:
Nach Art der Schmerzentstehung:
• Physiologischer Nozizeptorschmerz (bei Gewebeschädigungen). Dies sind „normale“
Schmerzen: Zeigen Krankheiten an; erzwingen ein nützliches Verhalten (z.B. Schonung)
• Pathophysiologischer Nozizeptorschmerz (bei Gewebeveränderungen, z.B. Entzündung). Die
Schmerzschwelle sinkt, so dass niedrige Reizintensitäten als schmerzhaft empfunden werden
(Hyperalgesie). Die Hyperalgesie ist nicht nur auf den Ort der Schädigung begrenzt (z.B.
Sonnenbrand, Gelenkentzündung)
• Neuropatischer Schmerz (Schädigung von Nervenfasern). Bei Schädigung im
Zentralnervensystem=> zentrale Schmerzen
• In manchen Fällen (oft bei chronischen Rückenschmerzen) gibt es keine pathologische
Schädigung, sondern ein psychisches Phänomen (sensorische, psychologische und soziale
Faktoren)
Nach Entstehungsort:
• Somatischer Oberflächenschmerz (Haut)
• Somatischer Tiefenschmerz (Muskulatur, Knochen, Gelenke, Bindegewebe)
• Viszeraler Tiefenschmerz (Eingeweide)
Nozizeptoren:
• Rezeptoren sind freie Nervenendigungen in der Epidermis/Dermis/Eingeweideorganen/Teilen
des Bewegungsapparats; z.B. wird stechender Schmerz dünnen myelinisierten Aδ (III;
Leitungsgeschwindigkeit 2,5-30 m/s) Afferenzen zugeschrieben, brennender Schmerz => C
(IV; 1-2,5 m/s) unmyelinisierten Afferenzen.
• Die Schwelle => hoch – nur durch intensive Reize erregt.
• Die räumliche Auflösung in der Haut ist ~1 cm; viel schlechter in Eingeweiden.
• Die meisten Nozizeptoren sind polymodal => reagieren auf mechanische, thermische und
chemische Reize. Es gibt z. B. auch Mechanonozizeptoren.
• Die Rezeptoren adaptieren langsam.
• Einige Empfindungen, die durch Nozizeptoren vermittelt werden werden nicht als Schmerz
erkannt: Nozizeptoren in der Schleimhaut vermitteln z.B. scharfen Geschmack.
• Gereizte Nozizeptoren können verschiedene Substanzen (z.B. Substanz P, Neurokinin A,
Somatostatin oder Calcitonin-gene related peptide, CGRP) lokal freisetzen => lokale
Änderungen der Durchblutung und Gefäßpermeabilität = neurogene Entzündung.
Immunzellen können auch lokal aktiviert werden.
• Das zentralnervöse nozizeptive System: nozizeptive Neurone des Rückenmarks und des
Trigeminuskerns (für den Kopfbereich) und des nozizeptiven thalamokortikalen Systems (für
die Entstehung bewusster Schmerzempfindungen verantwortlich).
Transduktionsmechanismen:
• Mechanische Reize: Durch Kationenkanäle, die mechanisch geöffnet werden
• Hitzereize: Der Vanilloidrezeptor 1 aus der „transient receptor potential“ (TRP) Familie,
TRPV1 genannt. Kationenkanal, der durch Hitze aktiviert wird. Auch durch Capsaicin aktiviert.
• Chemische Reize: Viele verschiedene Rezeptoren, die durch Moleküle (Mediatoren) aktiviert
und/oder sensibilisiert werden; z.B. Entzündungsmediatoren wie Bradykinin, Prostaglandine.
Metabotrope Rezeptoren (G-Protein-gekoppelt; z.B. Prostaglandinrezeptoren) und auch
ionotrope Rezeptoren (z.B. Serotoninrezeptoren).
+
• Säure-sensitive Kanäle: Na -permeable Kanäle, die bei niedrigen pH-Werten geöffnet werden
(ASIC = acid sensing ion channel)
11
Spinales nozizeptives System: Nozizeptive Rückenmarkneurone
• Aufsteigende Bahnen, die das thalamokortikale System aktivieren (=> bewusste
Schmerzempfindung).
• Über nozizeptive Interneurone werden motorische Reflexe ausgelöst; z.B. der Wegziehreflex,
der gekreuzte Streckreflex (Zurückziehen + Aktivierung der kontralateralen Seite =>
Körperstabilisierung). Auch komplexe motorische Reaktionen; z.B. Schonhaltungen
verletzeter Gliedmaßen.
• Auch vegetative Reflexe (vegetative und neuroendokrine Reaktionen)
• Viele Nozizeptoren konvergieren auf eine nozizeptive Zelle => das rezeptive Feld eines
Rückenmarkneurons ist größer als das eines Nozizeptors. Einige Rückenmarkneurone
werden von A) Primärafferenzen, und B) Nozizeptoren aktiviert. A) – die Neurone reagieren
mit APs mit niedriger Frequenz. B) – hohe Frequenz. Konvergenz:
¾ Nur von der Haut, reagieren auf Oberflächenschmerz
¾ Haut + Tiefengewebe (Gelenke, Muskulatur)
¾ Nur Tiefengewebe, reagieren auf somatischen Tiefenschmerz
¾ Viszera, Haut und/oder Tiefengewebe
¾ Das resultiert im „übertragenen Schmerz“ (z.B. bei Ischämie des Herzens
wird der Schmerz im linken Arm empfunden). Die verschiedenen Fälle
wurden von Head beschrieben; bekannt als „Head-Zonen“.
• Nozizeptive Neurone haben Post-Synapsen für u.a. Mechanosensoren, Nozizeptoren
(erregend) und Interneurone (inhibitorisch).
¾ Erregung: Durch Glutamat, Neuropeptide (Substanz P, CGRP). Glutamat
= Haupttransmitter. Substanz P, CGRP => stärken die Glutamatwirkung
über GS-Proteine.
¾ Hemmung: Durch GABA und/oder Glycin, hemmende Neuropeptide wie
Opioidpeptide (z.B. Enkephalin)
¾ Glutamat: Aktiviert AMPA/Kainat-Rezeptoren, NMDA Rezeptoren, mGluR
Rezeptoren. Niedrige Depolarisation (z.B. durch Mechanosensoren)
aktiviert hauptsächlich AMPA-Rezeptoren. Höhere Depolarisation: NMDA
Rezeptoren auch aktiviert (Magnesiumblock der NMDA Rezeptoren wird
aufgehoben – wie?).
¾ NMDA Rezeptor Aktivierung kann plastische Konsequenzen haben
(Sensibilisierung)
¾ Deszendierende Bahnen können den Schmerz kontrollieren; z.B. durch
Opioide wie Endorphine und Endomorphine (wirken an µ-Rezeptoren),
Enkephaline (δ-Rezeptoren) oder Dynorphin (κ-Rezeptoren) => Neurone
werden hyperpolarisiert. Diese Neurone ermöglichen vielleicht
Plazeboeffekte => durch die Erwartung werden anti-nozizeptive Neurone
aktiviert, die Opioide freisetzen.
Thalamokortikales nozizeptives System:
• Bewusste Schmerzempfindung.
• Thalamokortikales System im Wachzustand => Schmerz wird empfunden. Starke
Schmerzreize aktivieren Wachmechanismen.
• Mehrere Areale im Kortex beteiligt (S1 im Gyrus postcentralis, mit sensorisch-diskriminativen
Aufgaben; S2 im Parietalkortex, sensorisch-integrativ; Insula, sensorisch-limbische
Interaktionen; Gyrus cinguli, Aufmerksamkeit; präfrontaler Kortex, Kontrolle über Affekt,
Emotion, Gedächtnis).
Klinisch-relevante Schmerzen:
• Entzündungsschmerzen. Polymodale Nozizeptoren werden sensibilisiert durch Mediatoren
von Entzündungszellen, Plasma, Thrombozyten => Schwelle sinkt => primäre Hyperalgesie.
Sensibilisierung
erfolgt
durch
Second-Messenger-Systeme;
z.B.
ProstaglandinAdenylatzyklase-cAMP-Protein Kinase A-Phosphorylierung von Ionenkanälen oder
Bradykinin-Phospholipase C-Diacylglycerin-Protein Kinase C-Phosphorylierung von
Ionenkanälen. Auch spontane Nozizeptoraktivität in entzündetem Gebiet => Ruheschmerzen.
„Stumme“ Nozizeptoren (die eine extrem hohe Erregungsschwelle besitzen) werden auch
sensibilisiert und werden durch mechanische/thermische Reize erregbar.
• Neuropatische Schmerzen. Durch Entstehung ektoper Aktionpotenziale (verletzte, erkrankte
Nervenfasern).
12
•
•
•
Zentrale Sensibilisierung; z.B. bei Rückenmarksneuronen: Entzündung aktiviert
Rückenmarksneurone, die durch die wiederholte Stimulation sensibilisiert werden (z.B. durch
die oben erwähnten plastischen Effekte der NMDA-Aktivierung) und nun ähnlich auf
schwächere Inputs aus anderen Regionen reagieren (sekundäre Hyperalgesie).
Schmerz duch kortikale Reorganisation – Areale, die keinen sensorischen Eingang besitzen,
werden von anderem Eingang „mitbenutzt“ (z.B. Phantomschmerz nach Amputation).
Schmerz als Lernprozess => klassische oder operante Konditionierung.
Schmerztherapie:
Kausale Schmerztherapie = Beseitigung des schmerzauslösenden Krankheitsprozesses. Auch
symptomatische Schmerztherapie; besonders bei chronischen Schmerzen => z.B. medikamentös;
auch physikalische Methoden wie Akupunktur; oder neurochirurgische Maßnahmen.
Analgetika:
• Non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAID) wie Azetylsalizylsäure. Hemmen die Bildung
von Prostaglandinen.
• Opiate; wie Morphin. Siehe oben.
• Lokalanästhetika => Alle Nervenfasern werden lokal inaktiviert; z.B. Procain: Blockierung von
+
Na -Kanälen. Wofür?
• Antikonvulsiva, die generell die Erregbarkeit von Nervenzellen hemmen, oder Antidepressiva,
die die endogene Schmerzhemmung stärken.
Physikalische Methoden:
• Massage, Krankengymnastik, Bewegungstherapie => wahrscheinlich indirekte Mechanismen
(fördern Heilung, lockern Muskelspannung, etc).
• Kälte- und Wärmebehandlung. Durch verschiedene Mechanismen; z.B. Bekämpfung der
Entzündung durch Absenkung metabolischer Vorgänge (Kälte) oder Förderung von
Heilungsprozessen (Wärme). Kälte kann auch die Temperatur bis unterhalb der Temperatur,
die die (sensibilisierten) Nozizeptoren erregt, senken.
• Akupunktur => Plazeboeffekte? (siehe oben). Afferente Hemmung? (via Prinzip der
Gegenirritation: Schmerzhafte Empfindungen werden durch andere gleichzeitig wirkende
Sinnesreize unterdrückt).
13
7. Geschmackssinn
Chemosensibilität: Wichtig für die Steuerung des Ess- und Trinkverhaltens (unterstützt z.B. die
Aufnahme von Aminosäuren, Salzen, Kohlenhydraten); soziale Funktionen (Mutter-Kind-Bindung,
Partnerwahl); Abwehr gegen verdorbene Lebensmittel, Gifte (wie bittere Alkaloide), etc.
• Spezifische Chemosensibilität: Geschmackssinn + Geruchssinn. Chemische Substanzen
interagieren
mit
Membranmolekülen
=>
Rezeptorpotenziale
in
Sinneszellen
(Geschmackspapillen, Riechepithelium).
• Unspezifische Chemosensibilität: Afferenzen der Nervus trigeminus, Nervus vagus und
Nervus glossopharyngeus (in hinterer Zungenregion, Epiglottis, Ösophagus); reagieren auf
Reizstoffe (z.B. Capsaicine, Meerrettich). Ermöglichen Reflexe wie Niesen, Husten, Wügen,
Erbrechen, vermehrte Speichel- und Tränensekretion.
Geschmacksrezeptoren:
• Auf der Zunge (~2/3), Gaumen, Epiglottis, Pharynx. Bei Säugling/Kleinkind auch auf den
Schleimhäuten der Wangen (warum?)
• Vermitteln 5 Qualitäten: süß, sauer, salzig, bitter, Umami (durch Glutamat auslösbarer
Geschmack)
• Geschmackspapillen: 3 Typen:
¾ Pilzpapillen (Papillae fungiformes); über die Zungenoberfläche verstreut; es gibt 200400 Pilzpapillen. Enthalten ~3-4 Geschmacksknospen (pro Pappilla), die in den
Wänden und Gräben der Papillen liegen.
¾ Blätterpapillen (Papillae foliatae); als dicht hintereinander liegende Falten am hinteren
Seitenrand der Zunge; 15-20 Blätterpapillen. Enthalten ~ 50 Geschmacksknospen.
¾ Wallpapillen (Papillae vallatae), an der Grenze zum Zungengrund; 7-12. Enthalten
~100 Geschmacksknospen.
¾ [Fadenpapillen, Papillae filiformes, haben keine Geschmacksfunktion! Nur taktile
Funktion]
¾ Erwachsene haben 2000-4000 Geschmacksknospen (weniger mit zunehmendem
Alter).
• Geschmackssinneszellen = spezialisierte Epithelzellen = sekundäre Sinneszellen, ohne
Nervenfortsatz.
¾ Jede Geschmacksknospe enthält 10-50 Sinneszellen, die wie in einer Citrusfrucht
angeordnet sind. Apikal ein Porus.
¾ Basalzellen am Fuß der Geschmacksknospen generieren ständig Sinneszellen, die
nur 10-15 Tage überleben.
¾ Andere Zellen in den Geschmacksknospen: Stützzellen, die vielleicht zur Sensitivität
gegenüber Anionen beitragen; sie entfernen ATP (siehe unten) mithilfe von
Ectonucleotidasen (Enzymen). Nachbarzellen, die Serotonin freisetzen (siehe unten).
+
+
¾ Die Sinneszellen können spannungsgesteuerte Na - und K -Kanäle enthalten,
um APs zu generieren (aber nicht immer!)
¾ Die Sinneszellen sind polare Zellen: Mikrovilli (apikal), die die Oberfläche vergrößern.
Basolateraler Teil durch gap junctions mit den Nachbarzellen verbunden.
¾ Geschmacksrezeptoren in Mikrovilli => Rezeptorpotenzial entsteht apikal.
Transformation (in AP) => an der basolateralen Membran und den nachgeschalteten
afferenten Fasern.
¾ Basal finden sich Endigungen afferenter Fasern der Geschmacksnerven (VII, IX, X).
ATP depolarisiert die Endigungen => APs.
¾ Geschmackssinneszellen wirken auf mehrere Axone und Nachbarzellen. Auch die
afferenten Fasern kontaktieren mehrere Sinneszellen (oft aus verschiedenen
Geschmacksknospen), aber typischerweise nur Sinneszellen, die auf eine bestimmte
Geschmacksqualität reagieren. => Große rezeptive Felder.
¾ Aus der Aktivität einzelner Fasern => keine eindeutige Information. Ein Vergleich der
Erregungsmuster mehrerer Fasern = Information.
¾ Generelle Transduktionsmechanismen: Depolarisation in Sinneszellen => Erhöhung
des intrazellulären Calciumspiegels => ATP wird von Sinneszellen durch nichtsynaptische Mechanismen (z.B. durch porenbildende Proteine (Pannexine))
freigesetzt. ATP aktiviert ATP-gesteuerte Ionenkanäle der afferenten Nervenfasern
(P2X Rezeptoren = Purinozeptoren); auch auf den Nachbarzellen, die Serotonin
freisetzen (synaptisch!). Die afferenten Fasern generieren APs.
14
¾
Einzelne
Sinneszellen
reagieren
auf
Vertreter
einer
oder
mehrerer
Geschmacksqualitäten! Aber eine Zelle ist für eine Modalität am empfindlichsten (z.B.
süß).
Transduktion und Transformation von Geschmacksreizen:
• Sauer. Kationenkanäle der TRP-Familie (transient-receptor-potential) werden durch eine
Erhöhung der H+-Konzentration (=verminderter pH-Wert) geöffnet. Sie leiten überwiegend Na+
und Ca2+. Andere Kanäle spielen hier auch eine Rolle; wie z.B. Kaliumkanäle, die zum
Ruhemembranpotenzial beitragen und duch H+ blockiert werden => Depolarisation.
• Salzig. Natriumkanäle der EnaC-Familie (epitheliale Natriumkanäle) in der Membran => bei
Aufnahme salziger Speisen wird der Einström von Na+ erhöht => Depolarisation. Amilorid
blockiert diese Kanäle. Sowohl Kationen als auch Anionen tragen zur Geschmacksintensität
bei; einige Salze mehr als andere: NH4+ >K+>Ca2+>Na+>Li+>Mg2+. Für Anionen: SO42- >Cl->Br>I->HCO3->NO3-.
• Süß. Zuckermoleküle und D-Aminosäuren binden an T1-Rezeptoren (metabotrope, G-Proteingekoppelte Rezeptoren). Verschiedene Isoformen: T1R1, T1R2, T1R3. Die Rezeptoren
funktionieren als Dimere: Süß-Rezeptoren sind T1R2-T1R3 Dimere. G-Protein (Gustducin?)
Aktivierung => Phospoholipase C Aktivierung => Diacylglycerol + IP3 => Ca2+ Einstrom (z.B.
aus endoplasmatischem Retikulum) => Transmitterfreisetzung.
• Umami. Wie für „süß“, aber Nutzung von T1R1 + T1R3. T1R1 Rezeptoren haben eine
niedrige Affinität => Zucker und Aminosäure werden nur in hohen Konzentrationen
wahrgenommen (10-100 mM). Warum?
• Bitter. Wie für „süß“ oder „Umami“ => Dimere von T2 Rezeptoren. Gustducin-aktiviert, wie
oben. Bittersubstanzen haben im Gegensatz zu Zuckern oder Aminosäuren eine sehr niedrige
Schwelle – warum? Die Geschmacksempfindung wird durch die Schwellenkonzentration von
Substanzen bestimmt. Wahrnehmungsschwelle = Geschmack wird wahrgenommen, aber
nicht erkannt; liegt unter der Erkennungsschwelle. Zusätzlich kann die Konzentration die
Geschmacksqualität beeinflussen: Einige Salze können bei niedrigen Konzentrationen als süß
empfunden werden.
Wie andere Rezeptoren können auch die Geschmackssensoren adaptieren. Adaptation – schneller
bei z.B. salzig-schmeckenden Stoffen als bei Bitterstoffen – warum? Negative Nachbilder =
Rezeptoren z.B. auf süß adaptiert => destilliertes Wasser wird danach sauer schmecken.
Zentrale Verarbeitung:
• Afferente Fasern der Geschmacksnerven (Hirnnerven VII, IX, X).
• Vordere 2/3 der Zunge => über die Chorda timpani in Nervus facialis (VII); Papillen am
Gaumen => über Nervus petrosus major auch in Nervus facialis.
• Papillen im hinteren Zungengrund => Nervus glossopharyngeus (IX)
• Papillen tief im Gaumen und Pharynx => Nervus vagus (X)
• Efferenzen zum Nucleus tractus solitarii (im Hirnstamm). Axone vom Nucleus tractus solitarii
zum Thalamus (Nucleus ventralis posterior) und auch zum limbischen System.
• Kortex: Primäres Projektionsfeld = am Fuß des Gyrus postcentralis. Sekundäre Areale =
orbitofrontaler Kortex.
15
8. Geruchssinn
Geruch wird mithilfe von Riechsinneszellen in der Nase empfunden; diese sind primäre
Sinneszellen (Neurone).
Düfte werden subjektiv bewertet (Hedonik => Düfte werden als angenehm oder unangenehm
bewertet). Für manche Düfte genetisch determiniert (faules Fleisch = unangenehm), für die meisten
=> gelernt.
[Wichtig: Freie Nervenendigungen des N. trigeminus in der Nasenschleimhaut haben neben der
nozizeptiven auch olfaktorische Funktionen; reagieren auf stechende Gerüche wie Salzsäure,
Ammoniak, Chlor. Nervendigungen im Mund reagieren auf brennende Scharfstoffe - Capsaicin].
Organisation:
2
• In der Nasenhöhle => Riechepithel, ca. 2x5 cm groß. Besteht aus Riechsinneszellen,
Stützzellen und Basalzellen (= Stammzellen).
• Ca. 30 Millionen Riechsinneszellen. Diese überleben ~1 Monat. Basalzellen differenzieren
sich in Riechzellen (ungewönlicher Mechanismus!).
• Riechsinneszellen = bipolare Zellen; die apikalen Enden formen feine Sinneshaare (Zilien).
Die basalen Enden formen Axone, die direkt zum Gehirn projizieren. Die Axone laufen durch
die Siebbeinplatte und ziehen zusammen (als Nervus olfactorius) zum Bulbus olfactorius.
• Die Axone enden in den Glomeruli (100 – 200 µm groß), die von Riechsinneszellaxonen und
Dendriten von Mitralzellen (=> viele Synapsen) gebildet werden. Konvergenz => mehr als
1000 Axone projizieren auf die Dendriten einer Mitralzelle. Zahl von Glomeruli korreliert mit
der Zahl der funktionalen Riechrezeptoren.
• Interneurone (periglomeruläre Zellen) schicken auch Dendriten in die Glomeruli => Synapsen
mit Axonen von Riechsinneszellen. Auch andere Interneurone beteiligt (Körnerzellen).
• Horizontal werden die Glomeruli durch ein Netz von GABAergen, hemmenden Interneuronen
verbunden (periglomeruläre Neurone). Aktivierung von Interneuronen führt zur lateralen
Hemmung => wofür?
• Zwischen periglomerulären Zellen, Mitralzellen und Körnerzellen (weniger) bilden sich dendrodendritische Synapsen => ermöglichen rekurrente Hemmung => Kontrastverschärfung.
• Die Mitralzellenaxone formen den Tractus olfactorius. Ein Hauptast kreuzt in der vorderen
Komissur zum Bulbus der anderen Hirnseite; andere Fasern zu Projektionsfeldern im
Paleokortex. Signale werden weitergeleitet zum Neokortex (Cortex praepiriformis), limbischen
System (Mandelkern, Hippokampus), Hipothalamus, Formatio reticularis.
• Adaptation: Auf Rezeptorebene; aber auch durch zentrale Mechanismen.
Geruchsdiskriminierung:
• ~10.000 Düfte konnen diskriminiert werden
• Jeder Duftstoff aktiviert eine besondere Auswahl von Riechrezeptoren
• 7 typische Geruchsklassen: blumig, ätherisch, moschusartig, kampherartig, faulig, schweißig,
stechend
• Anosmie = kompletter Verlust des Geruchssinnes. Partielle Anosmien => z.B. fehlen
Rezeptormoleküle für bestimmte Düfte
Signaltransduktion:
• Rezeptormoleküle: Eine Genfamilie G-Protein-gekoppelter Rezeptoren mit ~350 Proteinen,
die in Clustern über alle Chromosomen verteilt ist (nicht Y und #20). Jede Riechzelle stellt nur
einen oder wenige Typen von Rezeptorproteinen her.
• Transduktion: G-Protein-vermittelte Aktivierung der Adenylatzyklase => cAMP steigt =>
+
Kationenkanäle öffnen sich (cAMP/cGMP-aktivierte Ionenkanäle = CNG-Kanäle) => Na - und
2+
2+
2+
Ca -Einstrom => Depolarisation. Durch Ca -Einstrom können auch Ca -aktivierte
Chloridkanäle geöffnet werden => Chloridausstrom => Verstärkung der Zellerregung.
• Adaptation => z.B. durch Ca2+/Calmodulin, das die CNG-Kanäle blockiert.
• Am Übergang zum Nervenfortsatz => APs.
• AP Frequenz hängt vom Duftstoff ab; bestimmte Duftstoffe können auch eine Hemmung der
Spontanrate triggern.
• Summenableitungen der Erregung von größeren Arealen der Riechsschleimhaut =>
Elektroolfaktogramm (EOLG; ähnlich am EEG).
16
Wie beim Geschmackssinn gibt es eine Wahrnehmungsschwelle und eine Erkennungsschwelle für
jeden Geruch. Diese Schwellen sind generell sehr niedrig. Die Unterschiedsschwelle (was ist das?)
ist relativ groß (~25%).
Jeder Mensch ist durch einen individuellen Körpergeruch identifizierbar, der wahrscheinlich durch
Zerfallsprodukte von Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC) Molekülen entsteht => wichtig für
Partnerwahl.
Viele Säugetiere haben ein weiteres Organ, das Vomerosanalorgan, das der Wahrnehmung von
Pheromonen dient. Es ist beim Menschen unterentwickelt und hat wahrscheinlich keine Funktion.
Spermien besitzen auch alle molekularen Komponenten der Duftsignalkaskade => um die Eizelle via
Chemotaxis zu finden.
17