Fakultät für Informatik – Humanoids and Intelligence Systems Lab – Institut für Anthropomatik Mittwochs von 12:15-13:45 Uhr Sinnesorgane Anatomie und Physiologie des Riechen, Schmecken, Sehen, Hören & Fühlen Uwe Spetzger Neurochirurgische Klinik, Klinikum Karlsruhe Sensible Region (Gyrus postzentralis) Der Tastsinn und das Temperaturempfinden der Haut ist im Gyrus postzentralis lokalisiert. Die erfassten sensorischen Signale werden über das Zentralnervensystem an das Gehirn zum somatosensorischen Cortex zur Weiterverarbeitung geleitet. Aufgrund seiner Eigenschaften, kann der Tastsinn Größe, Gewicht, Form und Oberfläche eines ertasteten Gegenstandes bestimmen. Berührung und Druck werden von zwei Rezeptortypen verarbeitet. Die sogenannten Vater-Pacinischen Körperchen (Vibration) sind für Berührung im großflächigen Sinne zuständig, während die Merkelschen Scheiben auf örtlich exakt bestimmbare Berührung reagieren. Haarfolikelrezeptoren und Meissnersche Tastrezeptoren. Die Wärmerezeptoren der Haut, Ruffinische Endbüschel und die entsprechenden Kälterezeptoren, sogenannte Krausesche Endkolben ermitteln die Temperatur an der Hautoberfläche. Durch die gemeinsame Ergebnisanalyse können Dauer, Ort und Stärke der jeweiligen Berührung genau ermittelt werden. Wie beim motorischen Cortex gibt es beim sensorischen Cortex einen sensiblen Homunculus. Das Gesicht und die Hände sind großflächig auf dem sensorischen Cortex repräsentiert, sie haben einen sehr ausgeprägten Tasts- und Berührungsinn, während der übrige Körper weniger empfindlich ist. Haut – Berührungs-, Tast-, Schmerzempfinden Oberflächensensibilität bezeichnet man Empfindungen, die über Rezeptoren in der Haut wahrgenommen werden (Mechano-, Thermo- und Schmerzrezeptoren). Tastsinn wird als Oberbegriff für die taktile (das Tasten betreffend - passiv) und die haptische (auf dem Tastsinn beruhend - aktiv) Wahrnehmung verwendet. Tiefensensibilität bezeichnet die Wahrnehmung bestimmter Reize aus dem Körperinneren. Abhängig von der Lage der Rezeptoren unterscheidet man die Tiefenund die Oberflächensensibilität. Tiefensensibilität umfasst: Lagesinn (Informationen über die Position des Körpers im Raum und die Stellung der Gelenke und des Kopfes) Kraftsinn (Informationen über den Spannungszustand von Muskeln und Sehnen) Bewegungssinn (Bewegungsempfindung und das Erkennen der Bewegungsrichtung) Nase - Riechen Nase - Atmung und der Geruchswahr-nehmung. Durch die Nase wird die Atemluft ein- und ausgeatmet, wobei die kalte Luft erwärmt und anfeuchtet wird. Dabei filtern die Nasenhaare und die Flimmerhärchen Staub und Fremdpartikel aus der Atemluft. Geruchsinn Geruchsorgan und Geschmack sind eng vernetzt so, daß sich beide gegenseitig beeinflussen können. Alle 60 Tage erneuern sich die Geruchszellen an ihrem jeweiligen Ort stattfindet. Es handelt sich beim Riechvorgang um einen außerordentlich komplexen chemisch neuralen Vorgang. Aus der an der oberhalb der oben befindlichen Nasenmuschel sitzenden Riechschleimhaut vorbeistreichenden Luft scheiden sich Geruchsmoleküle an Rezeptormolekülen ab. Die auf die einzelnen Duftstoffe ansprechenden Rezeptoren (es gibt davon 347 verschiedene Rezeptortypen) bilden ihrerseits mittels sogenannter Riechköpfchen eine Matrixstruktur an der Oberfläche der Riechschleimhaut aus. Dabei werden bei der Vereinigung von Duftmolekül und Rezeptor Kaskaden in den Rezeptorzellen ausgelöst, die als neuronale Signale über die Axone des Riechnerven durch die Löcher des Siebbeins an den vorgestülpten Riechkolben des Großhirns weitergeleitet werden. Das olfaktorische System ist komplex mit vielen Hirnarealen verschaltet. Es bestehen Verbindung zum Hypothalamus der bekanntlich Nahrungsaufnahme und Sexualverhalten beeinflusst sowie zum limbischen System, welches Instinktverhalten und Gedächtnisleistungen beeinflußt. Zunge - Geschmackssinn Aktuell wird von mindestens fünf Grundqualitäten des Geschmacks ausgegangen: süß – Zucker, Zuckerderivate, Aminosäuren, Peptide, Alkohole salzig – Speisesalz, Mineralsalze sauer – saure Lösungen, organische Säuren bitter – verschiedene Bitterstoffe, Alkaloide, Glykoside (Chinin, Wermut) umami – (jap. fleischig, herzhaft) Glutaminsäure, Asparaginsäure Scharf ist aber genau genommen ein Schmerzsignal durch das Alkaloid Capsaicin Geschmackssinn Die Geschmacksinformationen werden über die drei Hirnnerven Nervus facialis (VII), Nervus glossopharyngeus (IX) und Nervus vagus (X) ins Gehirn geleitet. Die erste Verschaltung findet im rostralen Anteil des Nucleus tractus solitarii statt. Von dort gelangen die Geschmacksinformationen weiter in den Thalamus. Vom Thalamus findet die Weiterleitung zum Inselcortex (primäre gustatorische Cortex). Bereits hier findet die Integration mit anderen Sinneseindrücken, z.B. Tast- und Temperaturinformationen aus der Mundhöhle statt. Der sekundäre gustatorische Cortex, die nächste Station der Geschmacksverarbeitung, befindet sich im orbitofrontalen Cortex und überlappt teilweise mit dem sekundären olfaktorischen Cortex. Zudem finden Verschaltungen zum Hypothalamus und zum limbischen System statt. Der Gesichtsnerv Nervus trigeminus (V) vermittelt taktile Empfindungen der Gesichtsregion und ist an der Duftwahrnehmung beteiligt. Über den Nervus trigeminus werden Eigenschaften wie brennend, scharf, adstringierend, prickelnd, stechend, kühlend (irritative Eigenschaften) wahrgenommen. Dem Trigeminusnerv sind keine spezifischen Sinneszellen zuzuordnen sondern freie sensible Nervenendigungen. Diese freien Nervenendigungen, die auf chemische Stimuli reagieren, finden sich im Auge und in den Schleimhäuten der Nasen- und Mundhöhle (Schutzfunktion). Zwiebel, Ammoniak, Capsaicin bewirkten Tränensekretion & Speichelsekretion, reflektorische Unterbrechung des Atemrhythmus und ggf. Niesreflex. Auge - Sehen Hirnnerven - visuelles System Aufbau des Auges Der Augapfel ist kugelförmig und kann sich aufgrund seiner kardanischen Aufhängung um beliebig viele Achsen drehen. Das Auge hat beim Menschen einen Durchmesser von ca. 24 mm und seine Hülle besteht aus drei Schichten: Die äußere Augenhaut ist in zwei Abschnitte untergliedert. Dort wo das Licht ins Auge eintritt, befindet sich die durchsichtige Hornhaut (Cornea). Sie geht unmittelbar in die weiße Lederhaut (Sclera) über, die den größeren restlichen Teil der äußeren Augapfelhülle bildet. Hier setzen die äußeren Augenmuskeln an, die das Auge in der Augenhöhle bewegen. Im vorderen Augenabschnitt ist sie von Bindehaut bedeckt, sodass nur die Cornea von Tränenflüssigkeit direkt benetzt wird Die mittlere Augenhaut (Uvea). Sie besteht aus drei Abschnitten. Die Aderhaut ist reich an Blutgefäßen (Nährstoffversorgung). Nach vorn geht die Aderhaut in den Ziliarkörper (Corpus ciliare) über, mit Aufhängung der Augenlinse. Der vorderste Abschnitt der mittleren Augenhaut ist die Regenbogenhaut (Iris). Sie bildet die Pupille und reguliert den Lichteinfall. Ihre Pigmentierung verursacht die Augenfarbe Die innere Augenhaut (Netzhaut oder Retina). Sie enthält die Lichtsinneszellen (Photorezeptoren). Dort, wo der Sehnerv das Auge verlässt (Sehnervenpapille), befinden sich keine Lichtsinneszellen (Blinder Fleck). Die Stelle des schärfsten Sehens ist der gelbe Fleck (Fovea) Sensorzellen der Retina Stäbchen (rods) Lichtsensoren (Hell-Dunkel Diskriminierung) Die Stäbchen sind sehr emfindlich gegenüber geringen Lichtmengen, sie können nur zwischen Helligkeitsstufen unterscheiden. Sie sind nicht in der Lage Farbunterschiede wahrzunehmen. Auf der Retina sind diese 120 bis 150 Millionen Sensoren bevorzugt im pheripheren Bereich verteilt. Zäpfchen (cones) Farbsensoren (3 Gruppen: violett – grün – gelb) Im Bereich der Fovea befinden sich vorwiegend Zäpfchen. Sie sind weniger empfindlich und eignen sich daher für höhere Lichtstärken. Die 6 bis 7 Millionen Zäpfchen sind in drei Gruppen unterteilt, wovon jede für eine bestimmte Wellenlänge beziehungsweise eine der drei Farben, Violet, Grün und Gelb besonders empfindlich ist. Nur durch eine aufwendige Umrechnung in menschlichen Gehirn, ist der Mensch in der Lage, die Visuelle Wahrnehmung Schon in der Retina beginnt der menschliche Seh-Apparat mit einer Auswertung der Bildinformation. Die zur optischen Achse querverlaufenden horizontalen Zellen führen eine Differenzbildung zwischen den von den Sensorzellen kommenden Signalen durch. So erfolgt schon im Auge eine Kantenerkennung. Die Ganglionzellen leiten die Nervenimpulse weiter zum Sehnerv und somit zum Gehirn Hier soll man die Farbe des gelesenen Wortes ansagen, nicht das Wort selber! Die rechte Hirnhälfte erkennt die Farbe, aber das Sprachzentrum in der linken Hirnhälfte versucht das gelesene Wort zu sagen. Problem linke Hirnhälfte arbeitet gegen rechte Hirnhälfte. Ergebnis ist eine Hemmschwelle zum richtigen Ansagen der erkannten Wortfarbe Optische Täuschungen Das Bild zeigt sehr drastisch die Fehleinschätzung von Kantenlängen in zwei gegensätzlichen Raumanordnungen. Entgegen dem Eindruck sind alle dargestellten Kanten beim Nachmessen am Bildschirm gleich groß (Problem der Kantenerfassung in verschiedenen räumlichen Anordnungen) Die Anordnung dieser räumlichen Darstellung der Kantenführung eines Würfels widerspricht jeglicher Erfahrung und Interpretation von Kantenführungen im Raum (Problem, es gibt keine Akzeptanz als Bildrealität) Visuelles System Die Netzhaut auf der das eintreffende Bild projiziert wird, besteht aus einer Anordnung von lichtsensitiven Zapfen und Stäbchen ergänzt durch Rezeptoren, die an ein spezielles G-Protein gebunden sind. Die Proteinmoleküle bestehen ihrerseits aus den Bestandteilen von Vitamin A, gekoppelt mit dem Protein Opsin. Das eintreffende Lichtteilchen (Photon) löst beim Vitamin A eine Strukturveränderung aus, die das Protein Opsin mit dem Vitamin A agieren lässt. Dies verursacht eine Enzymausschüttung, die zu einer negativen Aufladung der Zellmembran führt. Das optische Signal wurde in eine elektrische Potentialänderung umgewandelt. Das elektrische Signal wird nun von speziellen in der Netzhaut angeordneten Auswertezellen verarbeitet. Sie bilden ein Membranpotenzial, das über bipolare Zellen sowohl vertikal an Ganglienzellen weitergeleitet wird, als auch horizontal durch Horizontal- und Amakrinzellen verarbeitet wird. Die Fortsätze der Ganglienzellen bilden den II. Hirnnerv (Nervus opticus), der die Aktionspotenziale weiterleitet. Visuelles System Die Sehbahn leitet die Aktionspotenziale zur Sehrinde: Nach Eintritt in die Schädelhöhle kreuzen die Nervi optici beider Augen in der Sehnervenkreuzung (Chiasma opticum). Ungekreuzt verlaufen die äußeren (temporalen) Fasern weiter, während die inneren (nasalen) zur Gegenseite kreuzen. Auf die Weise verlaufen die Fasern der linken Netzhauthälfte beider Augen in die linke Hirnhälfte und die der rechten Netzhauthälften in die rechte. In den beiden Tractus optici verlaufen diese Nervenfasern zu den Seitlichen Kniehöckern Corpus geniculatum laterale des Thalamus, von wo sie über die breit gefächerte Sehstrahlung zur Sehrinde (visueller Cortex) weitergeleitet werden. Operationen am visuellen System Augenoperationen (Kataraktoperationen, Netzhautchirurgie) Orbitale Chirurgie (Tumore) Intrakranielle Operationen Nervus opticus Chiasma opticum Tractus opticus Sehbahn und Sehstrahlung Visueller Cortex Ohr – Hören – Gleichgewicht N. statoaccusticus (VIII) Ohr Äußeres Ohr (Ohrmuschel, Ohrknorpel, äußerer Gehörgang) Es dient nicht nur dem Einfangen des Schalls, sondern auch, um eine bestimmte Einfallsrichtung des Schalls zu codieren. Mittelohr (Trommelfell, Gehörknöchelchen, Eustachische Röhre) Im Mittelohr findet eine mechanische Impedanzwandlung statt, die eine optimale Übertragung des Signals vom Außenohr zum Innenohr ermöglicht. Innenohr (Labyrinth: Gehörschnecke, Bogengänge, Hörnerv) Das im Felsenbein gelegene knöchernes Labyrinth besteht aus der Gehörschnecke (Cochlea), in der Schall in Nervenimpulse umgesetzt wird, und dem Gleichgewichtsorgan bestehend aus den drei Bogengängen und zwei Aussackungen dem Utriculus und Sacculus Ohr – Hören – Gleichgewicht Der Steigbügel ist das Übertragungselement zur mit Flüssigkeit (Endolymphe) gefüllten Gehörschnecke (Cochlea). Durch die fortgeleiteten Schwingungen werden die in der Cochlea liegenden Haarzellen, die mit dem Hörnerv verbunden sind, erregt und schütten daraufhin Neurotransmitter aus. Somit findet die Signaltransduktion statt (akustische Schwingungen werden in elektrische Signale gewandelt) und ans Gehirn weitergeleitet. Aufbau Cochlea & Einortstheorie Jede Frequenz erregt eine Sinneszelle An der Schallaufnahme im Innenohr beteiligen sich die Perilymphe der Scala vestibuli, das runde Fenster als Druckausgleichsmembran, die Scala media mit Basilarmembran und die Reissnersche Membran. Die Schwingungen in diesen Teilen des Innenohrs führen zur Ausbildung von Wanderwellen, die vom Steigbügel zum Helicotrema verlaufen. Die Amplituden dieser Wanderwellen nehmen zunächst zu und werden später wieder gedämpft, bis sie gänzlich verschwinden. Zwischen Ursprungsort am Steigbügel und dem Auslaufen der Welle auf dem Weg zum Helicotrema entsteht so irgendwo ein Schwingungsmaximum. Dieses Maximum bildet sich für jede Frequenz an einem anderen Ort aus: bei hohen Frequenzen mehr in der Region des Steigbügels, bei tiefen Frequenzen näher beim Helicotrema. Die Anregung der Sinneszellen erfolgt in erster Linie an der Stelle des Maximums: Jede Frequenz erregt daher eine andere Sinneszelle. Hier ergibt sich eine Erklärung für die Tatsache, daß das Ohr einen lang ausgehaltenen Ton als angenehmer empfindet, wenn er mit Vibrato, also mit einer Modulation um die Grundfrequenz versehen ist. Es wird nicht nur eine Sinneszelle belastet, sondern mehrere benachbarte Sinneszellen - der Ermüdungseffekt ist somit herabgesetzt. Hörbahn – auditives Wahrnehmen Die Hörbahn beginnt an den Sinneszellen des Innenohrs, die über glutamaterge Synapsen Nervenzellen erregen, deren Zellkörper liegen im Ganglion spirale. Von dort aus führen die Fasersysteme zum Nucleus cochlearis, welcher in der Medulla oblongata liegt. Ein Teil der Fasern zieht direkt weiter zum gleichseitigen Colliculus inferior. Die Masse der Fasern wird als Corpus trapezoideum, unter teilweiser Verschaltung im oberen Olivenkernkomplex, auf die gegenseitige Hemisphärenseite geführt und zieht dort als Lemniscus lateralis zum Colliculus inferior auf. Im Lemniscus lateralis werden in den Nuclei lemnisci lateralis weitere Nervenzellen umgeschaltet. Dort und im Colliculus inferior kreuzt ein Teil der Fasern wieder zurück auf die Gegenseite. Vom Colliculus inferior werden die Fasern zum Corpus geniculatum mediale geleitet, welche zum letzten Mal verschaltet und als Hörstrahlung, die kurz durch das Crus posterior der Capsula interna verläuft, dem auditiven Cortex im Temporallappen zugeführt werden. Die regelmäßigen Rückführungen der auditorischen Fasern führen dazu, dass auditorische Impulse beider Ohren in beiden auditiven Cortices ankommen, was das Richtungshören ermöglicht und bei Schäden zu Resthörempfinden führt. Vom oberen Olivenkomplex werden Fasern wieder zum Innenohr zurückgesendet (über den Nervus vestibulocochlearis), wo sie die Empfindlichkeit des Hörens modulieren. Gleichgewichtsinn Utriculus und Sacculus besitzen mikrofeine Sinneshaarzellen, die von einer Gallertmasse umhüllt sind. Auf ihr sind kleinste Calciumkarbonatkristalle abgelagert, umgeben von einer weniger dichten Flüssigkeit umgeben. Entsteht nun eine Translationsbewegung hinken die dichteren und somit schwereren Calciumkarbonatkristalle gegenüber der Bewegung nach, was sofort durch Beugung der Sinneshaarzellen eine Reizung der Sinneshaarzellen bewirkt. Hierdurch signalisieren die mit den Sinneshaarzellen verbundenen Neuronen dem Gehirn eine Positionsänderung. Somit wird das Gehirn über jede Schädelpositionsänderung im Raum informiert. Gleichgewichtsinn - Bogengänge Für die Messung rotatorischer Bewegungen sind die 3 Bogengangsorgane zuständig. Um die Bewegung in den 3 Raumachsen zu bestimmen, sind sie senkrecht in 3 Ebenen zueinander angeordnet. Bei einer im Raum auftretenden Drehung werden entsprechende Signale an das Hirn gegeben werden. Sie sind ebenfalls mit Endolymphe gefüllt und besitzen eine fahnenartige Cupula verbunden mit einer Art Kamm auf der die Sinneszellen angeordnet sind. Bei Drehbewegungen kann sich diese Cupula verbiegen, was zur Reizung der Haarsinneszellen führt, die daraufhin der Drehbewegung entsprechende Nervenimpulse aussenden. Alle vom Vestibularapparat abgegebenen Signale führen über den 8. Hirnnerv in den Bereich der Vestibulariskerne des Stammhirns. Da diese Informationen noch nicht ausreichend zur endgültigen Lagebestimmung des Körpers im Raum sind, werden zusätzlich Informationen über Augen und Kopf und Körperstellung benötigt. Hierzu sind spezielle Ausgänge des zentralen vestibulären Systems zu den Motoneuronen des Halsmarks, der Arm- und Beinmuskulatur sowie zu den Augenmuskeln, dem Hypothalamus und dem Thalamus geschaltet. Fakultät für Informatik – Humanoids and Intelligence Systems Lab – Institut für Anthropomatik Mittwochs von 12:15-13:45 Uhr Diskussion & Fragen Gehirn und Zentrales Nervensystem Struktur, Informationstransfer, Reizverarbeitung, Neurophysiologie und Therapie Uwe Spetzger Neurochirurgische Klinik, Klinikum Karlsruhe