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Bausteine des Auges
Die Hornhaut
Die Hornhaut (Cornea, C) unterscheidet sich
dramatisch von der sehr robusten, weißen Lederhaut
(Sklera, S), obwohl beide hauptsächlich aus
Bindegewebe bestehen. Die Hornhaut besteht aus
zwei Epithelschichten, die eine Bindegewebsschicht
(Stroma, unten links) zur vorderen Augenkammer und
zur Luft hin abgrenzen. Die äußere Epithelschicht wird
durch Tränenflüssigkeit feucht gehalten. Lichtstreuung
wird in der Hornhaut minimiert, indem Collagenfasern
gleichen Durchmessers parallel angeordnet sind .
Diese Collagenfasern werden von flach ausgebreiteten
Fibroblasten sezerniert (unten rechts). In der Sklera
liegen dagegen Collagenfasern ganz unterschiedlichen Durchmessers weitgehend ungeordnet vor. Die
Hornhaut ist nicht vaskularisiert, denn Blutgefäße
würden das einfallenden Licht streuen. Sie ist jedoch
mit Schmerzfasern des N. trigeminus durchwachsen
und daher sehr berührungsempfindlich.
Die Netzhaut
Die Netzhaut (Retina) ist ein geschichtetes Gewebe, bei dem Schichten von Zellkörpern
(nukleäre Schichten) von solchen, die nur aus Nervenfasern bestehen (plexiforme
Schichten) deutlich zu unterscheiden sind. Die Photorezeptoren sind zur hinteren
Augenwand hin orientiert und vom Pigmentepithel überdeckt. Die Photorezeptoren sind
Lichtsinneszellen: sie wandeln Lichtsignale in elektrische Signal um (photo- elektrische
Transduktion).
Das Signal der Photorezeptoren wird an die mittlere Schicht von Netzhautzellen
weitergegeben. Diese Schicht besteht aus unterschiedlichen Sorten von Bipolarzellen und
zudem Horizontal- und Amakrinzellen, die für laterale Verschaltungen der Netzhautzellen
sorgen. Das vorverarbeitete Signal gelangt aus den Bipolarzellen zu den Ganglienzellen.
Diese Zellen feuern als einzige in der Netzhaut Aktionspotentiale. Sie generieren das
Ausgangssignal, das über den Sehnerv (die Axone der Ganglienzellen) zur weiteren
Verarbeitung ins Gehirn geschickt wird.
Quelle: Hubel, D.H. (1989) Auge und Gehirn - Neurobiologie des Sehens. Spektrum Verlag, Heidelberg
Die Linse
Die Linse ist ein durchsichtiges, elastisches Gewebe, das an einem Kranz von Zonulafasern direkt
hinter der Iris aufgehängt ist. Der ringförmige Ziliarmuskel kann die Form der Linse - und damit ihre
Brennweite - verändern.
Bei einem auf Fernsicht eingestellten Auge ist der Ziliarmuskel entspannt (Fernak-komodation,
rechts oben). Die Zonulafasern ziehen die Linse auseinander und geben ihr eine relativ flache Form.
Wenn mit dieser Ferneinstellung ein Gegenstand in geringer Entfernung betrachtet wird, erscheint er
unscharf, denn die Lichtstrahlen, die von dem Gegenstand ausgehen, werden auf einen Brennpunkt
hinter der Netzhaut fokussiert. Zur Nahakkomodation (rechts unten) kontrahiert der Ziliarmuskel.
Dadurch werden die elastischen Kräfte, die über
die Zonulafasern auf die Linse wirken, zum Teil
kompensiert, und die Linse kann sich abrunden.
Die Brennweite wird reduziert, und das Bild
wird auf die Netzhaut fokussiert. Die Linse ist
ein Beispiel für die extreme Spezialisierung
mancher Zellarten: Die Linsenzellen sind auf
Durchsichtigkeit optimiert. Die Linse ist von
einer durchsichtigen Linselkapsel umgeben,
deren mechanische Spannung die Tendenz zur
Abrundung der Linse verursacht. Unter der
Linsenkapsel liegt ein einschichtiges Linsenepithel. Der Linsenkörper wird durch stark
verlängerte Zellen, die Linsenfasern, gebildet.
Das Bild unten rechts zeigt, wie sich in einem
schmalen etwas oberhalb des Linsenäquators
liegenden Band neue Zellen bilden, die dann
Richtung Äquator wandern und sich dabei
differenzieren. Dabei werden die Zellen sehr
lang: bis etwa 12 mm. Sie produzieren große
Mengen des Proteins Crystallin und verlieren
alle Organellen, die durch Lichtstreuung die
Linse trüben könnten. Im voll differenzierten Zustand haben Linsenfasern keine Kerne und kaum
Mitochondrien. Dennoch sind sie lebensfähig. Den Kern der Linse bilden Fasern, die während der
Embryogenese entstehen. Neue Fasern entstehen während des ganzen Lebens und vergrößern den
Umfang der Linse.
Fotorezeptor
Als Foto- bzw. Photorezeptoren (Lichtsinneszellen) bezeichnet man die spezialisierten,
lichtempfindlichen Sinneszellen eines Auges. Die Absorption von Licht führt in diesen Zellen
zur Entstehung eines elektrischen Spannungssignals. Dabei ist grundsätzlich zwischen den
Fotorezeptoren von wirbellosen Tieren (Invertebraten) und von Wirbeltieren (Vertebraten)
zu unterscheiden. Die Fotorezeptoren im Facettenauge von Invertebraten reagieren auf
Licht mit einer Spannungserniedrigung (Hyperpolarisation). Umgekehrt führt in den
Fotorezeptoren der Netzhaut von Vertebraten Lichtabsorption zu einer Spannungserhöhung
(Depolarisation).
Aufbau der Fotorezeptoren bei Wirbeltieren
In der Netzhaut des menschlichen Auges unterscheidet man zwei Typen von
Fotorezeptoren: Stäbchen und Zapfen. Die Stäbchen sind zahlreicher und lichtempfindlicher
als die Zapfen (die menschliche Netzhaut enthält ca. 120-130 Mio. Stäbchen); sie
ermöglichen das Hell-Dunkel-Sehen (skotopisches Sehen). Die ca. 6 Mio. Zapfen dienen
dem Sehen bei Tageslicht (photopisches Sehen) und der Farberkennung (rot, grün, blau).
Im sogenannten gelben Fleck (Macula lutea) befinden sich beim Menschen ausschließlich
Zapfen, und zwar etwa 70.000.
Im Aufbau sind Stäbchen und Zapfen ähnlich organisiert. In den Außensegmenten („Outer
segment“, OS) findet die Phototransduktion mittels des mit Retinal gekoppelten SiebenTransmembranproteins Rhodopsin („Sehpurpur“) statt. Dieses ist in vielen, membranösen
„Disks“ (Stäbchen) oder Membraneinfaltungen (Zapfen) eingelagert. Die Außensegmente
der Stäbchen sind lang, schmal und grenzen an das retinale Pigmentepithel (RPE), welches
abgeschnürte, alte Membranstapel phagocytiert. Die Außensegmente der Zapfen sind
ebenso wie die gesamte Zapfen-Fotorezeptorzelle breiter als die Stäbchen und verlaufen
konisch zu.
Ein Außensegment ist über ein modifiziertes Cilium in dezentraler Lage, das
Verbindungscilium („Connecting cilium“, CC), mit dem Innensegment verbunden. Neun
Mikrotubuli-Dupletts in nonagonaler Anordnung bilden die innere Struktur dieses
unbeweglichen Ciliums. An dieses schließt sich das stoffwechselaktive Innensegment
(„Inner segment“, IS) an, welches noch in das an Mitochondrien reiche Ellipsoid und in das
Myoid mit dem endoplasmatischen Retikulum (ER) unterteilt ist. Hier erfolgt unter anderem
die Proteinbiosynthese. Die folgende Schicht ist die äußere Körnerschicht („Outer nuclear
layer“, ONL), welche den Zellkern mit dem Zellkörper beinhalten. Von diesem geht ein Axon
aus, welches mit einer Synapse in der äußeren plexiformen Schicht („Outer plexiform layer“,
OPL) endet. Die Synapsen der Fotorezeptoren sind spezialisierte, so genannte „RibbonSynapsen“, in Bezug auf eine band- oder plattenartige Struktur direkt an der aktiven Zone
der Präsynapse. An die Ribbon-Struktur sind viele synaptische Vesikel gekoppelt und es
können im Vergleich zu „normalen“ Synapsen eine weit höhere Anzahl von Vesikel pro
Zeiteinheit ausgeschüttet werden. Zapfen besitzen wesentlich mehr Ribbons als Stäbchen.
Funktion der Fotorezeptoren bei Wirbeltieren
Die unterschiedlichen Fotorezeptortypen besitzen jeweils einen anderen Sehfarbstoff
(Rhodopsin). Diese unterscheiden sich in ihren Absorbtionsmaxima und somit in ihrer
Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Wellenlängen des Lichtes. Dies ist die Grundlage
des Farbensehens. Die Anzahl der Zapfen bestimmt hierbei das Spektrum der
wahrgenommenen Farben. Der Mensch besitzt z. B. als Trichromat drei Zapfenarten.
Im Dunkeln erfolgt an den Synapsen der Fotorezeptorzellen eine fortwährende
Ausschüttung des Neurotransmitters Glutamat. Dieser wirkt in der Regel inhibierend auf die
Postsynapsen von Horizontal- und Bipolarzellen. Trifft Licht auf die Fotorezeptorzelle,
werden Ionenkanäle in der Zellmembran geschlossen, ausgelöst durch die
Signaltransduktionskaskade. Die Fotorezeptorzelle hyperpolarisiert und schüttet den
Neurotransmitter nicht weiter aus. In der Folge werden die Ionenkanäle der
nachgeschalteten Nervenzellen (Bipolar- und Horizontalzellen) geöffnet und so der Impuls
an diese übertragen, die diese Erregung an andere Nervenzellen (Amakrinzellen,
Ganglienzellen) und schließlich zum Gehirn weiterleiten.