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B978-3-437-41918-8.00003-8

10.1016/B978-3-437-41918-8.00003-8

978-3-437-41918-8

Sinnesphysiologie

Kasuistik

Während der Schwangerschaft fällt Sarahs Mutter ein überdurchschnittlich großer Bauchumfang auf. Dieser wurde durch große Mengen an Fruchtwasser (Polyhydramnion) aufgrund einer gesteigerten Urinproduktion (Polyurie) des Embryos verursacht. Schon früh treten Wehen aufgrund abnormer Kontraktionen des Uterus auf. Obwohl eine Reduktion der Fruchtwassermenge durch Punktion versucht wird, kommt Sarah nach nur 30 Schwangerschaftswochen bei einer spontanen Frühgeburt zur Welt.

PatientendatenD

  • Allgemeine Daten: Größe: 34 cm, Gewicht: 1,8 kg

  • Status bei Geburt: Dehydratationszeichen, Polyurie

  • Anamnese: beide Eltern sind gesund; während der Schwangerschaft sind schon früh Wehen aufgetreten

  • Serumwerte: Hyponatriämie (122 mmol/L), Hypochloridämie (93 mmol/L), Hypokaliämie (2,8 mmol/L), Hyperkalzämie um 2,9 mmol/L, metabolische Alkalose: pH-Werte bis 7,5 und BE bis + 10 mmol/L, Aldosteron-Spiegel: 5.999 pmol/L (normal 886 bis 3.540 pmol/L)

  • Urinanalyse: Ca2+-Ausscheidung: 0,28 mmol/kg/d (normal 0,1–0,2), Na+-Ausscheidung: 8,5 mmol/kg/d (normal < 3,8), K+-Ausscheidung: 2,8 mmol/kg/d (normal < 2,3), Osmolalität: 195–315 mosmol/L, erhöhte Prostaglandin-E2-Ausscheidung im 24-h-Urin

  • Akustisch evozierte Potenziale: Bei diesem Test werden evozierte Potenziale (Kap. 6) nach Hörreizen abgeleitet. Bei Sarah zeigt sich dabei eine sensorische Taubheit.

Die Polyurie bleibt auch nach der Geburt bestehen und senkt das Geburtsgewicht während des ersten Lebenstages um 25 %. Sarah scheidet große Mengen von Elektrolyten (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) aus (Salzverlust-Tubulopathie).
Eine genetische Untersuchung zeigt bei Sarah eine Mutation in dem Gen, das für Barttin kodiert. Barttin ist eine Untereinheit von Chloridkanälen, die im dicken aufsteigenden Teil der Henle-Schleife und in der Stria vascularis des Innenohrs vorkommen.
Aufgrund der Befunde wird bei Sarah ein Bartter-Syndrom Typ IV diagnostiziert.

Weiterer Verlauf

Sarah wird ihr ganzes Leben lang sehr krank sein.
Sie leidet oft unter Fieber, Erbrechen und Durchfall. Unter diesen Bedingungen treten immer wieder ausgeprägte Dehydrationen auf. Sarah benötigt deshalb immer wieder Salz- und Wasserinfusionen. Ihre körperliche Entwicklung bleibt weit hinter der normalen Wachstumskurve zurück. Auch in ihrer motorischen Entwicklung ist Sarah deutlich retardiert: Sie sitzt erst mit 14 Monaten und lernt erst mit knapp zwei Jahren laufen. Sie hat eine ganz spezifische Veränderung ihrer Gesichtsform und ist darüber hinaus in ihrer geistigen Entwicklung eingeschränkt.

Bartter-Syndrom

Als Bartter-Syndrom bezeichnet man eine Gruppe sehr seltener, autosomal-rezessiv vererbter Erkrankungen, die alle eine reduzierte Salzresorption im dicken aufsteigenden Teil der Henle-Schleife aufweisen. Verschiedene Typen des Bartter-Syndroms unterscheiden sich in ihrer klinischen Symptomatik und im verursachenden Gen. Das Bartter-Syndrom Typ IV kombiniert eine Salzverlust-Tubulopathie mit einer Innenohrtaubheit. Es wird durch Mutationen in dem BSND-Gen, das das Protein Barttin kodiert, verursacht.
Das Protein Barttin ist eine akzessorische Untereinheit der Chloridkanäle ClC-Ka und ClC-Kb. Barttin bindet an die porenbildende α-Untereinheit und bringt den Kanal an die oberflächliche Membran. Beim Bartter-Syndrom bleiben diese Kanäle entweder im endoplasmatischen Retikulum und kommen nicht bis zur Plasmamembran oder gelangen als inaktive Proteine in die oberflächliche Membran.
Mutationen im Barttin beeinträchtigen sowohl die Nieren- als auch die Hörfunktion. Die fehlende Chloridleitfähigkeit der basolateralen Membran im Innenohr führt zur Innenohrschwerhörigkeit, die Störung in der Henle-Schleife zur reduzierten NaCl-Resorption und damit zur Polyurie (Kap. 11).

Auswirkungen am Innenohr

Die Stria vascularis ist ein gut durchblutetes sekretorisches Epithel in der Wand der Scala media, dessen Aufgabe die Sekretion von K+-Ionen ist. Dieser epitheliale Transportprozess beruht auf dem Zusammenwirken verschiedener Transportmoleküle (Abb. 3.A). Zellen der Stria vascularis weisen auf ihrer basolateralen Membran die Na+-K+-ATPase sowie einen Na+-K+-2Cl-Cotransporter (NKCC1) und zwei Chloridkanäle (ClC-Ka und ClC-Kb) auf. Auf der apikalen Seite liegt ein spannungsabhängiger K+-Kanal (KCNQ1/KCNE1). Das Zusammenwirken dieser Transportmoleküle führt dazu, dass die Zellen der Stria vascularis K+-Ionen in die Endolymphe sezernieren. Die Zell-Zell-Kontakte des Epithels, das die Scala media auskleidet, sind sehr dicht (Tight Junctions, Kap. 1.8). Die Sekretion von K+-Ionen führt deshalb nicht nur zu einer hohen Kaliumkonzentration in der Scala media, sondern auch zu einer positiven elektrischen Ladung im Vergleich zur Scala tympani. Beim Bartter-Syndrom Typ IV kann dieses elektrische Potenzial nicht aufgebaut werden, daher ist die Bildung von Rezeptorpotenzialen beeinträchtigt. Die Folge ist Innenohrtaubheit.

Auswirkungen an der Niere

In einem Abschnitt des Nephrons, nämlich dem dicken aufsteigenden Teil der Henle-Schleife (Kap. 11), laufen ähnliche Transportprozesse ab (Abb. 3.A). Allerdings sind dort die Na+-K+-2Cl-Cotransporter (NKCC2) nicht in der basolateralen, sondern in der apikalen, dem Lumen des Nephrons zugewandten Membran lokalisiert. Sie liegen also nicht wie im Innenohr in derselben Membran wie die Barttin-abhängigen Chloridkanäle ClC-Ka und ClC-Kb, sondern auf der Gegenseite. Deshalb nimmt die Henle-Schleife NaCl transepithelial auf, während die Stria vascularis K+-Ionen sezerniert. Beim Bartter-Syndrom ist die NaCl-Rückresorption beeinträchtigt, und es kommt zu dramatischen Verlusten von Kochsalz und Wasser (Polyurie) über die Niere.

Therapie und Ausblick

Sarah wird zunächst mit Elektrolyten und Wasser versorgt. Darüber hinaus erhält sie einen Aldosteron-Antagonisten und einen nicht-selektiven Cyclooxygenase(COX)-Hemmer. Dies soll die exzessiv gesteigerte Synthese von Prostaglandin E2 hemmen. Die Prostaglandin-E2-Synthese spielt eine Schlüsselrolle bei vielen Symptomen wie den lebensbedrohlichen Elektrolyt- und Flüssigkeitsverlusten, der Dystrophie, Krämpfen, Fieber, Erbrechen und Diarrhö. Die Innenohrtaubheit wird mit einem Kochlea-Implantat versorgt. Sarah lernt damit sprechen. Sarahs Nierenfunktion verschlechtert sich zunehmend, sodass sie bereits mit fünf Jahren unter einer dialysepflichtigen Niereninsuffizienz leidet.
Es ist zurzeit unklar, warum viele der Patienten eine terminale Niereninsuffizienz entwickeln. Ebenso sind die großen Entwicklungsrückstände dieser Patienten ungenügend erklärt. Die Patienten sind trotz invasiver Therapien wie Einsatz von Kochlea-Implantaten und Nierentransplantation schwer behindert.

Physiologie im Fokus

  • Unsere Sinnesorgane können eine Vielzahl physikalischer Reize wahrnehmen und unterscheiden.

  • Sinneszellen müssen daher hochspezialisiert sein.

  • Viele Sinneszellen, beispielsweise in Ohr und Mund, sind Epithelzellen.

  • In diesen Zellen werden Sinnesreize durch epitheliale Transportprozesse in elektrisches Signale umgewandelt.

  • Die Fehlfunktion von Sinnesorganen führt zu dramatischen Einschränkungen der Lebensqualität.

Allgemeine Sinnesphysiologie (1)

Der Mensch nimmt mit spezialisierten Sinnesorganen seine Umwelt wahr. Bestimmte physikalische Reize (Sinnesreize) werden durch sensorische Systeme aufgenommen und in Aktionspotenzialfolgen umgewandelt. Diese werden über afferente Nerven in das zentrale Nervensystem (ZNS) weitergeleitet und verarbeitet. Das ZNS analysiert die Aktivitätsmuster einzelner afferenter Bahnen und kombiniert dabei Informationen aus mehreren Sinnesorganen. Auf diese Weise entsteht im ZNS eine Empfindung. Der Vergleich der Empfindung mit Erfahrungen führt zur bewussten Wahrnehmung (Abb. 3.1).
Die objektive Sinneswahrnehmung ist ein komplexer Prozess, der elektrische und chemische Vorgänge an Sinneszellen sowie die Weiterleitung in sensorische Systeme im ZNS umfasst. Dies lässt sich experimentell quantifizieren. Die Generierung eines subjektiven Sinneseindrucks erfordert dagegen ein Individuum mit seinen Erfahrungen, das eine ganz individuelle Sinnesempfindung und Wahrnehmung produziert. Diese beiden Aspekte der Sinneswahrnehmung werden durch die objektive und die subjektive Sinnesphysiologie beschrieben.
Jedes Sinnesorgan weist besondere Rezeptoren auf, die ihm erlauben, auf bestimmte physikalische oder chemische Reize selektiv zu reagieren. So werden Sehzellen durch elektromagnetische Strahlen, gustatorische Zellen durch chemische Signale und der Gleichgewichtssinn durch Linear- und Rotationsbeschleunigung erregt. Die Aussendung der generierten elektrischen Signale führt zu einer bestimmten Empfindung, im Falle von Sehzellen zum Eindruck von Licht und Farben (Kap. 3.7), bei den gustatorischen Zellen zu Geschmacksempfindungen wie süß, sauer, salzig und bitter (Kap. 3.24) und beim Gleichgewichtssinn zur Vorstellung von Bewegung bzw. Beschleunigung im Raum (Kap. 3.21).
Ein bestimmter physikalischer Vorgang wird zum Sinnesreiz, indem er durch ein besonderes Sinnesorgan wahrgenommen wird. Dies wird bei der Nozizeption (Schmerzwahrnehmung) besonders deutlich: Unterschiedliche Reize können zur Schmerzwahrnehmung führen; der Begriff Schmerz wird erst durch das Sinnesorgan und durch den Vorgang der Nozizeption definiert.
Die enge Verknüpfung von Sinnesreiz und Sinnesorgan wurde erstmals in dem Gesetz der spezifischen Sinnesenergien beschrieben. Ausgehend von der Wahrnehmung, dass ein Schlag auf das Auge nicht als mechanischer Reiz, sondern als ein Seheindruck (Sternchen) wahrgenommen wird, postulierte Johannes Müller im 19. Jahrhundert, dass die Qualität der Sinnesempfindung nicht durch den Reiz, sondern durch das aktivierte Sinnesorgan bestimmt wird.
Jedes Sinnesorgan weist einen adäquaten Reiz auf. Dies ist der physikalische Reiz, auf den ein Sinnesorgan optimal und bereits bei minimaler Reizintensität reagiert (Tab. 3.1). Jeder Reiz wird durch vier Parameter beschrieben:
    • Sinnesmodalität (Was wird gereizt?)

    • Lokalisation (Wo wird gereizt?)

    • Zeitraum (Wann und wie lange wird gereizt?)

    • Intensität (Wie stark wird gereizt?)

Innerhalb bestimmter Modalitäten können noch Qualitäten unterschieden werden, beispielsweise Farben innerhalb der Sinnesmodalität Sehen.

Objektive Sinnesphysiologie

Die objektive Sinnesphysiologie benutzt quantitative Methoden, wie elektrophysiologische Ableitung neuronaler Aktivitäten, die funktionelle Magnetresonanzspektroskopie oder die Beobachtung motorischer Reaktionen auf einen Sinnesreiz.

Transduktion und Transformation

Die Reizaufnahme führt in allen sensorischen Bereichen zu ähnlichen elektrischen Prozessen. Man unterscheidet dabei Transduktion und Transformation (Abb. 3.2). Die Transduktion beschreibt eine Potenzialänderung einer Sinneszelle, die durch einen adäquaten Reiz ausgelöst wird. Diese Potenzialänderung nennt man Rezeptor- oder Generatorpotenzial. Es bildet mit seiner Amplitude die Reizgröße ab. Je größer die Reizamplitude, desto höher ist das Rezeptorpotenzial, allerdings ist diese Beziehung oft nicht linear.
Da elektrische Signale nur durch die wiederholte Bildung von Aktionspotenzialen über größere Distanzen weitergegeben werden können, kann die Amplitude eines Sensorpotenzials nicht an das ZNS übermittelt werden. Die Transformation wandelt das Rezeptorpotenzial in eine Aktionspotenzialfolge um.
Transduktion führt zur lokalen Erregung mit kontinuierlich und stufenlos variierbaren Amplituden. Die Transformation produziert eine Serie von Aktionspotenzialen mit fester Amplitude, aber variabler Frequenz. Die Reizamplitude wird also als Frequenz einer Aktionspotenzialfolge abgebildet.

Typen von Sinneszellen

Man kann zwei Arten von Sinneszellen unterscheiden: Bei primären Sinneszellen erfolgen Transduktion und Transformation in der gleichen Zelle. Dagegen führt bei sekundären Sinneszellen die Erregung der eigentlichen Sinneszelle zur Erregung eines afferenten Neurons, in dem dann Serien von Aktionspotenzialen gebildet werden.

Allgemeine Sinnesphysiologie (2)

Reizproportionales Antwortverhalten

Sensorische Systeme können einen Reiz proportional abbilden (tonische, statische oder proportionale Antwort; P-Rezeptoren) oder dynamische Veränderungen des Reizes (dynamische, phasische oder differentiale Antwort; D-Rezeptoren) wiedergeben (Abb. 3.3). Dynamische Systeme bilden eine größere Aktionspotenzialfrequenz, wenn der Reiz sich schnell ändert. PD-Rezeptoren geben sowohl die Amplitude als auch die Geschwindigkeit der Amplitudenänderung wieder. So nehmen die Meißner-Körperchen in der Haut die Geschwindigkeit einer Hautdeformation wahr, während Vater-Pacini-Körperchen nur auf Änderungen dieser Geschwindigkeit reagieren (Beschleunigungssensoren, Kap. 3.3). Bei einer gleich bleibenden Reizamplitude nehmen Rezeptorpotenzial und Aktionspotenzialfrequenz der meisten Sensoren mit der Zeit ab (Adaptation, Abb. 3.4). Während die Adaptation auf der Ebene des Sinnesorgans abläuft, ist die Habituation (Kap. 6) ein Vorgang in übergeordneten Abschnitten des zentralen Nervensystems.

Kontrastverschärfung

Bei vielen Wahrnehmungsvorgängen ist weniger die absolute Größe der Reizamplitude wichtig als die Unterscheidung verschiedenartiger Reize. Für das Auge ist die absolute Helligkeit weniger wichtig als die Unterscheidung zwischen hell und dunkel. Die Kontrastverschärfung dient derartigen Unterscheidungen. Sie erfordert einen bestimmten Aufbau des rezeptiven Feldes. Ein rezeptives Feld besteht aus der Gesamtheit aller Sensoren, die von einem Neuron gebildet werden oder mit einem Neuron Synapsen bilden. Es werden nur Informationen von dem verschalteten Neuron registriert, die auf dieses primäre rezeptive Feld einwirken. Rezeptive Felder gibt es lediglich für somatosensorische und visuelle Reizwahrnehmungen. Viele Neurone werden beim Auftreten eines Reizes im Zentrum ihres rezeptiven Feldes erregt. Tritt der gleiche Reiz jedoch in der Umgebung des rezeptiven Feldes ein, werden sie gehemmt (laterale Hemmung, Kap. 3.10).

Subjektive Sinnesphysiologie

Die subjektive Sinnesphysiologie erfasst viele Aspekte der Sinneswahrnehmung, die außerhalb der klassischen Physiologie stehen, aber auch solche, die für das Verständnis der Funktion von Sinneszellen von zentraler Bedeutung sind.
Die Sensitivität jedes Sinnessystems kann man mit folgenden zwei Parametern beschreiben:
    • Die Reizschwelle ist die kleinste Reizintensität, die unter einer bestimmten Reizkonfiguration wahrgenommen wird.

    • Die Unterschiedsschwelle ist der Betrag, um den ein Reiz größer sein muss als ein anderer, um als verschieden wahrgenommen zu werden.

Die Sensitivität ergibt sich nicht nur aus der Fähigkeit des Sinnesorgans, Aktionspotenziale mit unterschiedlichen Frequenzen zu generieren, sondern auch aus der Übertragungssicherheit der jeweiligen Sinnesbahn. Je geringer der Informationsverlust bei der Übermittlung in das zentrale Nervensystem, desto besser ist das Diskriminationsvermögen. So zeichnet sich das Hinterstrangsystem (Kap. 3.6) durch hohe Übertragungssicherheit aus, während das Vorderseitenstrangsystem Informationen weniger zuverlässig weiterleitet (Abb. 3.13). Die Übertragungssicherheit wird durch zentrale neuronale Prozesse verändert. Fokussierung der Aufmerksamkeit vermindert den Informationsverlust und erhöht die Sensitivität des Reizes. Reizschwelle und Unterschiedsschwelle sind keine konstanten Größen, sondern variieren mit Wachheitsgrad und Konzentration.

Psychophysische Beziehungen

Psychophysische Beziehungen beschreiben den Zusammenhang zwischen Reizstärke und Intensität der Wahrnehmung (Abb. 3.5a). Das Weber-Gesetz besagt, dass die Unterschiedsschwelle, d. h. die Veränderung der Reizintensität Δϕ, die noch eben wahrgenommen werden kann, ein konstanter Bruchteil der Ausgangsreizintensität ϕ ist.
Das Weber-Fechner-Gesetz beruht auf der Annahme, dass die Zunahme der Reizintensität um eine Unterschiedsschwelle zu einem immer gleichen Zuwachs der Empfindungsstärke führt. Diese Annahme (die nicht immer zutrifft) führt zu einer Quantifizierung der Empfindungsstärke ψ (Abb. 3.5b). ϕ0 ist dabei die minimale Reizstärke, die in 50 % der Versuche wahrgenommen wird. Die Gesetze von Weber und Fechner gelten nur in einem eingeschränkten Reizstärkenbereich und insbesondere nicht für schwellennahe Reize.
Während das Weber-Fechner-Gesetz auf einer Skala der Unterscheidbarkeit beruht, versucht die Stevens'sche psychophysische Beziehung eine direkte Abschätzung der Empfindungsstärke mit einer Potenzfunktion (Abb. 3.5c). Dabei bezeichnet n die Steilheit der Beziehung zwischen Reiz- und Empfindungsstärke. Am steilsten ist sie bei Schmerz (n = 2,13), weniger ausgeprägt bei Druckempfindungen (n = 0,67) und noch schwächer bei der Wahrnehmung von weißem Licht (n = 0,21).

Somatoviszerale Sensibilität

Das somatoviszerale System umfasst Sinneszellen der Haut, der inneren Organe und des Bewegungssystems. Das somatoviszerale System weist fünf verschiedene Submodalitäten/Qualitäten auf:
    • Druck/Berührung (Mechanorezeption)

    • Wärme/Kälte (Thermorezeption)

    • Schmerz (Nozizeption)

    • Eingeweidegefühl (Viszerozeption)

    • Lagesinn und Tiefensensibilität (Propriozeption).

Mechanorezeption

Die Mechanorezeption (Tastsinn) wird durch Mechanosensoren der Haut vermittelt. Diese Sinneszellen (Tab. 3.2) werden durch Deformation der Haut spezifisch erregt. Die verschiedenen Sinneszellen des Tastsinns unterscheiden sich morphologisch und in ihren Adaptationseigenschaften (Abb. 3.6). Man unterscheidet SA (slowly adapting)-, RA (rapidly adapting)- und PC-Rezeptoren:
    • SA-Rezeptoren (Merkel-Tastzellen): adaptieren praktisch kaum und geben damit allein die Amplitude der Deformation wieder.

    • RA-Rezeptoren (Meißner-Körperchen): adaptieren recht schnell und senden nur dann Aktionspotenziale aus, während sich der Deformationszustand verändert. Ihre Entladungsrate ist damit der Geschwindigkeit der Hautdeformation proportional.

    • PC-Rezeptoren (Vater-Pacini-Körperchen) adaptieren so schnell, dass sie nur dann eine Aktivität zeigen, wenn sich die Geschwindigkeit der Deformation verändert. Sie beschreiben damit die Beschleunigung der Hautdeformation (Vibration).

Physiologische Aufgaben

Merkel-Tastzellen haben die höchste räumliche Dichte aller Mechanorezeptoren. Sie sind besonders geeignet, die Oberfläche eines Objekts wahrzunehmen. Merkel-Tastzellen reagieren besser auf einen sich bewegenden mechanischen Reiz. Daher kann man die Form eines Objektes am besten erfassen, wenn man die Finger langsam über das Tastobjekt bewegt.
Die Aufgabe von Meißner-Körperchen besteht darin, die relative Bewegung eines Gegenstands auf der Haut zu registrieren. Diese Sinneswahrnehmung ist vor allem dann von Bedeutung, wenn ein Objekt unserem Griff zu entgleiten droht. Meißner-Körperchen spielen damit eine Rolle in der Regulation der Griffkraft.
Vater-Pacini-Körperchen sind notwendig zur Vibrationsempfindung. Sie spielen auch eine Rolle in der Regulation der Kraft, allerdings nicht bei Haltearbeiten, sondern beispielsweise bei der Bearbeitung von Gegenständen. Die mechanische Beschleunigungsmessung erlaubt beispielsweise beim Schnitzen oder Kneten die Wahrnehmung von Eigenschaften des bearbeiteten Objekts.
SA- und RA-Rezeptoren sind für die Wahrnehmung räumlicher Strukturen verantwortlich. Räumliche Strukturen kann man als zeitliche Erregungsmuster von Gruppen von Mechanosensoren darstellen. Die Bedeutung der verschiedenen Sensortypen erkennt man, wenn man ihre Reaktion bei Wahrnehmung eines räumlichen Musters, beispielsweise der Braille-Blindenschrift, betrachtet (Abb. 3.7). Die SA-Rezeptoren geben das Muster räumlich scharf wieder. RA-Rezeptoren erfassen nur den groben räumlichen Aufbau, während PC-Rezeptoren das Muster nicht erfassen.
Das räumliche Auflösungsvermögen des Tastsinns hängt von der Innervationsdichte von Mechanosensoren ab. Das rezeptive Feld, also das Hautareal, dessen Deformation den Mechanosensor erregt, entspricht der anatomischen Ausdehnung der Endigungen der ableitenden Nervenfaser. Die Größe des rezeptiven Feldes bestimmt daher das räumliche Auflösungsvermögen des Tastsinns. Dieses Auflösungsvermögen ist in den einzelnen Abschnitten des Körpers sehr verschieden: In den Fingerspitzen und auf der Zunge können zwei Spitzen eines Tastzirkels (Zweipunktschwelle), die nur 1 mm auseinanderliegen, bereits unterschieden werden. Auf dem Oberschenkel dagegen müssen die beiden Spitzen mindestens 5–7 cm voneinander entfernt sein, um getrennt wahrgenommen zu werden.

Transduktion und Transformation

Die Transduktion in Mechanorezeptoren kommt durch mechanosensitive Ionenkanäle zustande. Derartige Kanäle sind normalerweise geschlossen und öffnen sich direkt durch Verformung des Membranabschnitts, in dem sie sich befinden. Sie erlauben den Eintritt von Kationen und führen so zur Depolarisation der Sinneszelle.
Mechanosensoren sind primäre Sinneszellen, daher findet die Transformation in der gleichen Zelle statt. Abhängig von der Amplitude der Deformation wird eine bestimmte Frequenz von Aktionspotenzialen gebildet.

Thermozeption

Die menschliche Haut besitzt spezifische sensorische Systeme, die Temperaturen zwischen 15 und 45 °C wahrnehmen können. Sehr hohe Temperaturen von > 45 °C werden als schmerzhaft wahrgenommen (Hitzeschmerz), Temperaturen zwischen 36 und 45 °C als warm. Die sog. Indifferenztemperatur wird weder als warm noch als kalt empfunden. Sie beträgt zwischen 27 und 31 °C in normaler Kleidung und zwischen 31 und 36 °C für unbekleidete Personen. Kälteempfindung beginnt bei Temperaturen unterhalb der Indifferenztemperatur, und Schmerzempfindung (Kälteschmerz) tritt bei Temperaturen unter 15 °C auf. Temperaturen < 8 °C werden nicht mehr wahrgenommen, da die Signaltransduktion, -transformation und Impulsweiterleitung bei diesen Temperaturen nicht mehr stattfinden kann. Obwohl es Thermorezeptoren auch in der Mundhöhle, im Ösophagus und im Magen gibt, wird unsere bewusste Temperaturempfindung fast ausschließlich über kutane Thermorezeptoren bestimmt.

Klinik

Die Durchblutung der Körperoberfläche führt dazu, dass die Entladung der Temperaturfasern nicht allein von der Außentemperatur, sondern auch von der Körperkerntemperatur (Kap. 15.3) abhängt. Veränderungen der Hautdurchblutung führen daher zu einer veränderten Temperaturwahrnehmung.

Ein Beispiel dafür ist das Raynaud-Syndrom, bei dem es zu einer ausgeprägten arteriellen Vasokonstriktion in den Extremitäten kommt. Dadurch sinkt die Hauttemperatur, und die Patienten haben das Gefühl einer kalten Umgebungstemperatur.

Die alkoholbedingte Vasodilatation führt zu der entgegengesetzten Fehleinschätzung der Umgebungstemperatur, einem Wärmegefühl.

Thermosensitive Ionenkanäle

Wärme und Kälte werden durch zwei Klassen von Rezeptoren wahrgenommen, Kälte- und Wärmerezeptoren. Beide sind freie Nervenendigungen mit gleicher Morphologie.
Die Transduktion des spezifischen Reizes erfolgt bei Thermorezeptoren über temperaturabhängige Ionenkanäle. Wärme- und kältesensitive Ionenkanäle gehören zur Klasse der TRP-Kanäle (Abb. 3.8). TRP steht dabei für „transientes Rezeptorpotenzial“. Diese Kanäle wurden zunächst in einer Mutante der Fruchtfliege Drosophila identifiziert. Dieser Drosophila-Stamm wies eine Sehstörung auf, die dadurch verursacht wurde, dass Photorezeptoren ein reizinduziertes vorübergehendes (= transientes) Rezeptorpotenzial nicht ausbilden konnten. Es gibt im Menschen viele verwandte Ionenkanäle, die an einer Vielzahl von physiologischen Prozessen beteiligt sind. Diese TRP-Kanäle sind in Aufbau und Funktion den spannungsabhängigen Ionenkanälen (Kap. 2.2) eng verwandt. Der Reiz zur Öffnung dieser Kanäle ist allerdings nicht eine Änderung des Membranpotenzials, sondern ist recht variabel. Vier TRP-Kanäle reagieren auf Wärme (TRPV1–TRPV4). TRPM8 wird dagegen durch Kälte aktiviert.
Thermosensitive Kanäle sind unselektive Kationenkanäle und erlauben den Durchtritt von Na+-, K+- und Ca2+-Ionen. Die Öffnung dieser Kanäle durch Wärme (TRPV1–4) oder durch Kälte (TRPM8) führt zum Eintritt von Natrium in die Nervenendigungen und damit zu einem depolarisierenden Rezeptorpotenzial.
Es ist zurzeit noch nicht klar, wie die Temperatur den Offenzustand dieser Ionenkanäle verändern kann. Ein möglicher Mechanismus ist, dass die Temperatur die Spannungsabhängigkeit der TRP-Kanäle modifiziert. Dadurch wären in einer Wärme- oder Kältefaser bei einer bestimmten Temperatur alle Kanäle geschlossen, würden sich jedoch bei Änderung der Temperatur öffnen. Alternativ kann man sich vorstellen, dass ein Teil des Kanals als Temperatursensor fungiert. Er verändert mit der Temperatur seine Konformation und führt so zur Öffnung bzw. Schließung des Kanals.

Transduktion und Transformation

Temperatursensoren sind als freie Nervenendigungen primäre Sinneszellen. Die Transformation des Signals findet im gleichen Neuron statt, dessen Soma im Spinalganglion liegt.
Die Impulsrate von Kältefasern ist am höchsten zwischen 23 und 28 °C, die der Wärmefasern zwischen 38 und 43 °C (Abb. 3.9). Erstaunlicherweise werden Kältefasern auch durch Temperaturen über 43 °C aktiviert (Kälteparadox). Dies beruht auf der Expression von wärmesensitiven Ionenkanälen in Kälterezeptoren. Die physiologische Bedeutung dieses Phänomens ist unklar.
Die Temperaturempfindung ist dynamisch, sie hängt von der Ausgangstemperatur und der Geschwindigkeit der Temperaturänderung ab. Kälterezeptoren reagieren auf Abkühlung und Wärmerezeptoren auf Erwärmung um einen bestimmten Wert zunächst mit einer stärkeren Zunahme, die dann auf einen konstanten Wert abfällt.

Nozizeption

Schmerz wird über Aktivierung von Nozizeptoren vermittelt. Es gibt verschiedene Schmerzqualitäten (Abb. 3.10): Beim somatischen Schmerz unterscheidet man den Oberflächen- vom Tiefenschmerz. Der viszerale Schmerz wird durch Schmerzrezeptoren in den Eingeweiden vermittelt und als dumpf empfunden. Beim Oberflächenschmerz differenziert man den ersten Schmerz (hell, spitz) und den zweiten Schmerz (dumpf). Akuter Schmerz ist die Wahrnehmung eines konkreten Schmerzreizes. Chronische Schmerzen kommen durch die dauerhafte Erregung eines Nozizeptors zustande, z. B. bei bestimmten Formen chronischer Entzündungen. Daneben existieren neuropathische Schmerzen, die durch die Läsionen zentraler oder peripherer Neuronen verursacht werden.
Nozizeptoren haben besondere Eigenschaften unter den Sinneszellen: Sie haben eine hohe Erregungsschwelle und adaptieren nur sehr langsam oder gar nicht (es gibt allerdings eine Minderung des Schmerzempfindens durch Habituation).
Nozizeptoren haben keine besondere Morphologie; sie sind spezialisierte freie Nervenendigungen von Neuronen, deren Soma sich in den Spinalganglien befindet. Man kann zwei Klassen von Nozizeptoren unterscheiden: Typ-III-(Aδ)- und Typ-IV-(C-)Fasern (Tab. 3.3). Ihre unterschiedlichen Leitungsgeschwindigkeiten erklären die Existenz von ersten und zweiten Schmerzen.

Transduktion und Transformation in Nozizeptoren

Die Transduktionsprozesse in Nozizeptoren beruhen auf Ionenkanälen, die durch besondere Stimuli aktiviert werden. Nozizeptoren werden durch mechanische, thermische und chemische Reize aktiviert. Diese spezifischen Reize haben gemeinsam, dass sie die Wahrnehmung von Gewebeverletzungen oder von Entzündungsprozessen erlauben. Man unterscheidet den nozizeptiven Schmerz, der durch starke mechanische Reize oder extreme Temperaturen schon vor einer Gewebeschädigung ausgelöst wird, von dem Entzündungsschmerz, bei dem Nozizeptoren durch Mediatoren erregt werden, die von verletzten oder entzündeten Zellen freigesetzt werden. Diese zweite Gruppe von Nozizeptoren nennt man polymodal, da sie durch verschiedenartige Reize aktiviert werden (Abb. 3.11).
In Nozizeptoren gibt es verschiedene ionotrope und metabotrope Rezeptoren für chemische Schmerzsubstanzen. Der TRPV1-Kanal (Kap. 3.4) war der erste molekular identifizierte Schmerzrezeptor. Er wurde als Rezeptor für Capsaicin, der wirksamen Substanz in scharfen Paprikaschoten, identifiziert. Es handelt sich dabei um einen TRP-Kationenkanal, der nicht nur durch Capsaicin, sondern auch durch Hitze (Wärmerezeptor, Kap. 3.4) und Protonen aktiviert wird. Öffnet er sich, strömen Na+- und Ca2+-Ionen ein und führen zur Depolarisation (Abb. 3.12). Protonen aktivieren außerdem noch H+-abhängige Natriumkanäle. Daneben weisen Nozizeptoren noch ATP-abhängige Ionenkanäle (P2X-Rezeptoren) und ionotrope Serotonin-Rezeptoren auf. Die Zerstörung von Zellen führt zur ATP-Freisetzung und koppelt damit die Gewebeschädigung an die Nozizeption. Serotonin wird in Entzündungsprozessen und durch aktivierte Thrombozyten freigesetzt. Serotonin-Rezeptoren spielen damit eine besondere Rolle beim Entzündungsschmerz. ATP- und Serotonin-Rezeptoren sind Kationen-selektiv; ihre Öffnung führt zu depolarisierenden Rezeptorpotenzialen.
Bradykinin und Prostaglandine sind Signalsubstanzen in entzündeten Geweben. Beide aktivieren Signalkaskaden, die die Erregungsschwelle des TRPV1-Ionenkanals senken (Abb. 3.12). Bradykinin bindet an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor (Kap. 1.9), der mittels Phospholipase C (PLC) zur Aktivierung von Proteinkinase C (PKC) und zur Phosphorylierung des TRPV1-Kanals führt. Dies reduziert die Erregungsschwelle dieses Kanals. Prostaglandine (PGE2) aktivieren G-Protein-vermittelt die Adenylatcyclase (AC) und erhöhen so die intrazelluläre cAMP-Konzentration. cAMP aktiviert die Proteinkinase A (PKA). Diese phosphoryliert und aktiviert nicht nur TRPV1, sondern auch spannungsabhängige Na+-Kanäle. Sie moduliert damit Transduktion und Transformation.
In mechanischen Nozizeptoren gibt es Kationenkanäle, die durch Dehnung aktiviert werden. Sie konnten bislang noch nicht molekular identifiziert werden. Nozizeptoren sind wie Thermosensoren als freie Nervenendigung primäre Sinneszellen.

Klinik

Ein charakteristisches Symptom von Herzinfarkten sind starke Schmerzen im Brustbereich, die in Schultern, Arme, Unterkiefer und Oberbauch ausstrahlen können. Die Schmerzsymptomatik ist so ausgeprägt, dass Patienten meist den Ernst der Lage erfassen und medizinische Behandlung suchen. Die Herzischämie führt zu Veränderung der Protonenkonzentration im Gewebe und zur Freisetzung von ATP aus geschädigtem Herzmuskel. Spezialisierte Ionenkanäle, die einen Komplex aus H+-abhängigen Natriumkanälen und ATP-abhängigen Ionenkanälen (P2X-Rezeptoren) darstellen, reagieren, wenn sowohl der pH als auch die ATP-Konzentration sich ändern, und funktionieren als Koinzidenzdetektoren für beide chemische Signale. Sie reagieren nicht auf pH-Änderungen oder die Freisetzung von ATP alleine und erlauben so die selektive und sensitive Schmerzwahrnehmung während der Herzischämie.

Afferente Leitung und Verschaltung

Hinterstrangsystem

Die Somata der Sinneszellen von Tastsinn und Propriozeption liegen in der Hinterwurzel des Rückenmarks. Die Axone ziehen auf der gleichen Seite, in der sie in das Rückenmark eingetreten sind (ipsilateral), im Hinterstrang nach oben (Abb. 3.13). Im Nucleus cuneatus bzw. Nucleus gracilis wird der Hinterstrang auf das zweite Neuron umgeschaltet. Dessen Axone wechseln auf die kontralaterale Seite und ziehen im Lemniscus medialis Richtung Thalamus. Im Ventrobasalkern des Thalamus schalten sie auf das 3. Neuron um, das dann im Kortex synaptische Verbindungen mit kortikalen Neuronen bildet. Die Informationsübertragung im Hinterstrangsystem ist unimodal bis zum Kortex. Das bedeutet, dass nur Afferenzen derselben Rezeptorart auf ein Neuron konvergieren. Das System hat eine hohe Übertragungssicherheit und kleine rezeptive Felder. Das ganze System ist somatotopisch organisiert, das heißt, dass benachbarte Hautareale von benachbarten Neuronen im Hinterstrang repräsentiert werden.

Vorderseitenstrangsystem

Die Verschaltung für Schmerz- und Temperatursinneszellen findet bereits kurz nach dem Eintritt in das Rückenmark durch Umschaltung auf das zweite Neuron (Projektionsneuron) statt (Abb. 3.13). Es kreuzt sofort auf die andere Seite und zieht mit dem kontralateralen Vorderseitenstrang nach oben. Die Informationen werden im Ventrobasalkern des Thalamus auf das 3. Neuron umgeschaltet.
Die Informationsübertragung des Vorderseitenstrangs ist nicht unimodal; es gibt multirezeptive und multimodale Projektionsneurone. Dabei konvergieren Afferenzen aus Haut und inneren Organen auf dieselben Projektionsneurone. Dies führt zu dem Phänomen des übertragenen Schmerzes. Projektionsneurone enden in diversen Hirnarealen wie dem Thalamus, dem Hirnstamm und dem Hypothalamus.

Klinik

Wird das Rückenmark nur auf einer Seite durchtrennt, verliert der Patient unterhalb der Läsion auf der gleichen Seite den Tastsinn und die Propriozeption, auf der anderen Seite die Schmerz- und Temperaturwahrnehmung (Brown-Séquard-Syndrom).

Thalamus

Der Thalamus ist die zentrale Umschaltstelle bei der Übertragung bewusst werdender Informationen zum Kortex. Es gibt ungefähr 50 verschiedene Thalamuskerne mit unterschiedlichen Eigenschaften. Man unterscheidet sensorische, motorische, assoziative und unspezifische Kerne. Von diesen Kernen ist der Ventrobasalkern für die somatische Sensibilität verantwortlich. Er ist somatotop gegliedert und empfängt Signale von einer Vielzahl von Sinneszellen. Afferente Informationen werden moduliert und Signale selektiert.

Kortikale Verarbeitung

Die somatosensorischen Informationen werden anschließend im somatosensorischen Kortex verarbeitet. Die Kortexoberfläche wurde von Brodmann in 52 Areale mit verschiedenen zytoarchitektonischen Merkmalen eingeteilt, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Man unterscheidet primäre Kortexareale, die nur Reize einer Sinnesmodalität erhalten, von sekundären Kortizes, in denen verschiedene Afferenzen verrechnet werden.
Der primäre somatosensorische Kortex liegt im Gyrus postcentralis (Brodmann-Areale 1, 3 und Teile von 2) und repräsentiert Tastsinn und Propriozeption (Abb. 3.14, Abb. 5.2). Die einzelnen Körperareale sind somatotopisch geordnet: In medialen Bereichen werden Beine und Rumpf repräsentiert, in den lateralen das Gesicht und die Trigeminus-Innervations-Gebiete. Die flächenmäßige Repräsentation entspricht der peripheren Innervationsdichte und dem Auflösungsvermögen (somatosensorischer Homunculus). Vom primären somatosensorischen Kortex ziehen Efferenzen zum primären somatosensorischen Kortex der Gegenseite, zum sekundären somatosensorischen Kortex, zum motorischen Kortex, zu parietalen Assoziationsarealen und zum Rückenmark (→ Kontrolle afferenter Signale).
Der sekundäre somatosensorische Kortex liegt im Sulcus lateralis zwischen den Parietal- und den Temporallappen (Teile von Brodmann-Areal 2). Er erhält Afferenzen aus allen primären somatosensorischen Arealen. Diese Verschaltung erlaubt die Integration afferenter Zuflüsse von unterschiedlichen Rezeptoren. Die Teilinformationen werden im Kortex verschaltet und wieder zu einem ganzen Bild zusammengefügt. Die Neuronen einer Verrechnungseinheit sind dabei in Kolumnen angeordnet. Es gibt hier einfache Neurone, die spezifisch für einzelne Rezeptortypen sind, sowie komplexe Neurone, die z. B. auf bewegte Systeme spezialisiert sind und Informationen aus verschiedenen Sinnessystemen integrieren. Auch im sekundären somatosensorischen Kortex ist das Prinzip der Somatotopie eingehalten.

Visuelles System (1)

Das Auge ist das Sinnesorgan zur Wahrnehmung optischer Informationen (Abb. 3.15). Dazu sind zwei Abschnitte von besonderer Bedeutung:
    • der dioptrische Apparat aus Hornhaut (Kornea), Kammerwasser, Linse und Glaskörper

    • die Netzhaut mit sensorischen Sinneszellen.

Die Kornea besteht aus mehreren Bindegewebsschichten. Ihre Kollagenfasern sind sehr dünn und in Lagen angeordnet. In den einzelnen Lagen verlaufen die Fasern parallel; die Lagen liegen kreuzweise übereinander. Die Linse ist ein durchsichtiges, elastisches Gewebe, das an einem Kranz von Zonulafasern hinter der Iris aufgehängt ist. Der ringförmige Ziliarmuskel kann die Form der Linse verändern (Abb. 3.15).

Geometrische Optik

Eine Welle ist eine sich ausbreitende Schwingung. Das Licht ist eine elektromagnetische Welle, in der ein elektrisches (rot) und ein magnetisches Feld (blau) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung zueinander zeitabhängig oszillieren (Abb. 3.16). Bestimmt man die Zeitabhängigkeit des elektrischen Feldes an einem bestimmten Ort, findet man eine wellenförmige Abhängigkeit, die sich mit der Schwingungsdauer T periodisch wiederholt. Man kann die Zeitabhängigkeit auch als Frequenz ν oder als Winkelgeschwindigkeit angeben. Die Ortsabhängigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt wird durch die Wellenlänge λ angegeben. Da sich mit jeder Schwingung die Welle um eine Wellenlänge ausbreitet, entspricht das Produkt aus Frequenz und Wellenlänge der Lichtgeschwindigkeit c und ist konstant.
Die Photorezeptoren des menschlichen Auges können Licht mit Wellenlängen zwischen 400 und 750 nm absorbieren und als Rezeptorpotenzial abbilden. Kornea, Kammerwasser und Linse absorbieren die schädigende ultraviolette Strahlung mit einer Wellenlänge < 400 nm. Infrarotstrahlung (Wellenlänge > 800 nm) wird durch das retinale Pigmentepithel absorbiert und entfaltet so keine schädigende Wirkung.

Lichtbrechung am dioptrischen Apparat

Am Übergang zwischen zwei Medien, in denen sich die Wellen unterschiedlich schnell ausbreiten können, ändert sich die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls. Man nennt diesem Vorgang Brechung. Das Snellius-Brechungsgesetz beschreibt den Brechungsvorgang quantitativ (Abb. 3.17a), wobei θ1 der Winkel ist, mit dem der Lichtstrahl auf das zweite Medium auftrifft, und θ2 der Winkel, mit dem es sich im zweiten Medium fortbewegt.
Die Luft weist einen Brechungsindex von 1 auf. Die Brechungsindizes der verschiedenen Abschnitte des dioptrischen Apparats sind größer (Abb. 3.17b).

Abbildung durch den dioptrischen Apparat

Der Lichtstrahl wechselt mehrfach das optische Medium (Luft – Kornea – Augenkammer – Linse – Glaskörper – Netzhaut). Man kann jedoch das brechende System des Auges stark vereinfachen, ohne seine grundlegenden Eigenschaften zu verändern (exaktes schematisches Auge nach Gullstrand, Abb. 3.17c). Im Gullstrand-Auge wird die Kornea als Linse mit konvex-konkaver Grenzfläche behandelt. Die vordere Korneafläche wirkt als Sammellinse, die hintere als Zerstreuungslinse. Die Linse des Auges ist bikonvex und wirkt als Sammellinse. Aufgrund ihres inhomogenen Aufbaus wird sie vereinfacht als Linsenkern mit schalenförmig umgebender Linsenrinde dargestellt. Das Gullstrand-Auge kann man mit sechs Kardinalpunkten beschreiben (Abb. 3.17c): vorderer und hinterer Knotenpunkt (K, K'), die beiden Schnittpunktstellen der Hauptebene mit der optischen Achse (die Hauptpunkte H, H') und vorderer und hinterer Brennpunkt (F, F').
Den Abstand der Brennpunkte von den Hauptebenen bezeichnet man als Brennweite. Die Brechkraft D einer Linse ist das Verhältnis von Brechzahl und Brennpunkt und wird in Dioptrien (1 dpt = 1/m) angegeben. Im Vakuum und näherungsweise in der Luft entspricht die Brechkraft näherungsweise dem Kehrwert der Brennweite. Unter diesen Bedingungen hat eine Linse mit einer Brennweite von 0,2 m eine Brechkraft von 5 dpt. Ändert sich die Linsenform, ändert sich auch die Brechkraft.
Die Gesamtbrechkraft des dioptrischen Apparats lässt sich mit der Gullstrand-Gleichung als Summe der Einzelbrechkräfte von Hornhaut und Linse bestimmen:
Die Brechkraft der Hornhaut beträgt konstant 43,0 dpt, während die Brechkraft der Linse durch die Akkommodation angepasst wird. Es ergeben sich damit:
DLinse [dpt]Abstand zwischen dem bildseitigen Hauptpunkt der Kornea und dem gegenstandseitigen Hauptpunkt der LinseDAuge [dpt]
maximale Fern-Akkommodation195,7 mm58,6
Nah-Akkommodation305,1 mm68,1

Visuelles System (2)

Akkommodation

Um Gegenstände in unterschiedlichen Entfernungen gleichermaßen scharf auf der Netzhaut abzubilden, muss sich die Brechkraft des optischen Systems anpassen. Diese aktive Änderung der Brechkraft des Auges nennt man Akkommodation. Als Akkommodationsbreite wird die maximal erreichbare Änderung der Brechkraft bezeichnet (Abb. 3.18).
Die Brechkraft der Linse nimmt zu, wenn die Linse sich stärker krümmt. Das geschieht, wenn die am Linsenäquator ansetzenden Zonulafasern sich durch Kontraktion des ringförmigen Ziliarmuskels entspannen. Die Linse folgt dann ihrer Eigenelastizität (Abb. 3.18a).
Der Ziliarmuskel wird durch beide Abschnitte des vegetativen Nervensystems erregt. Der Parasympathikus ist für die Naheinstellung verantwortlich, an der Regulation der Ferneinstellung ist der Sympathikus beteiligt (Kap. 7.5). Wenn kein Akkommodationspunkt vorhanden ist, auf den sich der Blick fokussiert, nimmt der Ziliarmuskel einen Ruhetonus ein. Diese tonische Akkommodation erlaubt es, Gegenstände im Abstand von einem halben bis zwei Meter scharf zu sehen.
Die Linse besteht aus Zellen ohne Organellen und ohne Zellkern. Während des gesamten Lebens regeneriert sich die Linse vom Linsenepithel ausgehend. Zellen wandern von einem schmalen, etwas oberhalb des Linsenäquators liegenden Band in Richtung Äquator. Dabei verlängern sie sich, produzieren große Mengen eines Proteins (Kristallin) und verlieren alle Organellen, die die Linse trüben könnten. Mit der Zeit wird der Linsenkern größer und verdichtet sich. Die Elastizität der Linse nimmt mit zunehmendem Lebensalter ab. Diese beiden Effekte zusammen führen dazu, dass die Akkommodationsbreite mit dem Alter abnimmt (Presbyopie, Alterssichtigkeit, Abb. 3.18b). Dies führt auch dazu, dass der Nahpunkt (die minimale Entfernung, aus der ein Punkt vor dem Auge noch scharf gesehen werden kann) immer weiter vom Auge entfernt liegt. Das Auge kann die zusätzlich notwendige Brechkraft nicht mehr aufbringen. Zur Korrektur ist eine Sammellinse (Brille oder Kontaktlinse) nötig.

Klinik

Störungen in der Abbildungsqualitität sind häufig. Sie kommen durch geometrische Veränderungen des Bulbus oder Fehlfunktionen des dioptrischen Apparats zustande (Abb. 3.19).

  • Myopie (Kurzsichtigkeit): Wenn das Auge im Verhältnis zu seiner Brennweite zu lang ist, verschiebt sich der Sehbereich, in dem akkommodiert werden kann, in die Nähe. Kurzsichtigkeit wird durch eine Streulinse mit negativer Brechkraft korrigiert.

  • Hyperopie (Weitsichtigkeit): Bei der Hyperopie ist der Bulbus des Auges zu kurz. Die Akkommodationsreaktion erlaubt zwar das Sehen weit entfernter Gegenstände, die Akkommodationsbreite reicht jedoch nicht aus, um in der Nähe scharf zu sehen. Um die relativ zur Bulbuslänge zu geringe Brechkraft von Hornhaut und Linse zu erhöhen, nutzt man eine Sammellinse.

  • Astigmatismus: Der Brechapparat des Auges ist nicht rotationssymmetrisch. Ein Punkt wird daher nicht als Punkt, sondern als Strich auf der Netzhaut abgebildet. Beim Gesunden ist diese Abweichung sehr gering und führt nicht zur Störung des Sehvermögens. Größere Abweichungen bezeichnet man als Astigmatismus. Beim regulären Astigmatismus liegt nur eine einfache Abweichung von der Rotationssymmetrie vor, die mit einer zylinderförmigen Linse korrigiert werden kann. Dagegen liegen beim irregulären Astigmatismus Abweichungen vor, die sich in kurzen Abständen ändern und die nur durch individuell angepasste Kontaktlinsen zu korrigieren sind.

Augenbewegungen

Die Bewegung der Augäpfel erlaubt die Wahrnehmung bewegter Objekte. Es gibt drei Muskelpaare, deren Zusammenspiel für die Beweglichkeit in horizontaler sowie in vertikaler Richtung verantwortlich ist (Abb. 3.20). Sie werden durch koordinierte Kontraktion und Relaxation einzelner Muskeln zentral gesteuert.
Man kann verschiedene Formen der Augenbewegung unterscheiden (Tab. 3.4). Konjugierte Bewegung beider Augen stellen sicher, dass jeweils der gleiche Gegenstand auf der Fovea centralis beider Augen abgebildet wird. Konvergenzbewegungen (Blickrichtungsänderung von der Ferne auf die Nähe) und Divergenzbewegungen (Blickrichtungsänderung von der Nähe auf die Ferne) laufen in beiden Augen spiegelbildlich ab. Vergenzbewegungen sind oft von Torsionsbewegungen begleitet.

Visuelles System (3)

Signalverarbeitung in der Netzhaut

Die Signaltransduktion und -transformation der Lichtwahrnehmung finden in der Netzhaut statt. Die Netzhaut ist schichtförmg organisiert (Abb. 3.21). Die Sehsinneszellen, Stäbchen und Zapfen, liegen von allen Schichten am weitesten vom Glaskörper und vom Lichteintritt entfernt. Sie stehen in engem Kontakt mit den Pigmentepithelzellen. Photorezeptoren bilden Synapsen mit Bipolarzellen, und diese geben elektrische Signale weiter an Ganglienzellen, in denen Aktionspotenziale gebildet werden (Signaltransformation). Die Axone der Ganglienzellen bilden den optischen Nerv.
Es gibt hier zwei Formen von Interneuronen:
    • Horizontalzellen vernetzen Photorezeptoren miteinander.

    • Amakrinzellen bilden Synapsen mit Bipolarzellen und mit Ganglienzellen.

Sehsinneszellen sind sekundäre Sinneszellen.

Stäbchen und Zapfen

Das menschliche Auge enthält etwa 120 Mio. Stäbchen, aber nur 7 Mio. Zapfen. Beide Sehsinneszellen besitzen ein Außensegment, in dem die Lichtabsorption stattfindet, und ein Innensegment, in dem Energie bereitgestellt wird und die Proteinbiosynthese abläuft.
Stäbchen (Abb. 3.21) sind für das Dämmerungssehen optimiert (skotopisches Sehen). Sie können schon auf einzelne Photonen reagieren; bereits bei 500 Photonen/s ist das elektrische Signal gesättigt. Bei hellem Tageslicht tragen die Stäbchen daher kaum zur Bildwahrnehmung bei.
Zapfen reagieren auf bis zu 1 Mio. Photonen/s; sie sind daher bei hellem Tageslicht noch in ihrem dynamischen Bereich (photopisches Sehen). Die Zapfendichte ist am höchsten in der Fovea centralis. In allen anderen Abschnitten der Retina überwiegen die Stäbchen, die in der Fovea kaum vorkommen. Farbsehen ist daher mit der Netzhautperipherie kaum möglich.

Transduktion in Photorezeptoren

Der Lichtrezeptor in den Photorezeptorzellen ist das Rhodopsin (Abb. 3.22a). Er befindet sich in den Außensegmenten der Photorezeptoren, in den Scheiben der Stäbchen und in den Taschen der Zapfen. Rhodopsin besteht aus einem Proteinabschnitt, dem Opsin, und einem Farbstoffmolekül, dem Retinal (oxidierte Form von Retinol bzw. Vitamin A1), das das Photon absorbiert.
In Abwesenheit von Licht liegt Retinal in 11-cis-Konformatin vor (Abb. 3.22b); in diesem Zustand ist Rhodopsin inaktiv. Die Absorption von Photonen führt zur Umwandlung in all-trans-Retinal und zur Aktivierung des Rhodopsins. Das aktivierte Rhodopsin bildet einen Komplex mit Transducin, einem GTP-bindenden Protein, der eine Phosphodiesterase aktiviert (Abb. 3.22c). Die enzymatische Wirkung der Phosphodiesterase reduziert die zelluläre cGMP-Konzentration. Ein einziges aktiviertes Rhodopsin-Molekül ist in der Lage, viele Phosphodiesterase-Moleküle zu aktivieren und damit viele hundert cGMP-Moleküle abzubauen. Die Signalkaskade führt zu einer gewaltigen Verstärkung des Signals (Abb. 3.22c).
Die Umwandlung des chemischen Signals cGMP in ein elektrisches Signal erfolgt durch einen cGMP-abhängigen Ionenkanal (Abb. 3.22c und Abb. 3.23). In Dunkelheit ist der cGMP-Spiegel in Photorezeptoren hoch, und die Mehrzahl der Kanäle ist geöffnet. Licht reduziert dagegen die Anzahl offener Ionenkanäle. cGMP-abhängige Kanäle sind unselektive Kationenkanäle, die Na+-, K+- und Ca2+-Ionen gleichermaßen passieren lassen. Bei Dunkelheit kommt es zum Einstrom von Na+- und Ca2+-Ionen in die Zelle. Na+ wird durch Na+-K+-ATPasen im Innensegment der Photorezeptoren wieder nach außen transportiert. Dies führt zu einem beständigen Stromfluss, dem sog. Dunkelstrom. Das Membranpotenzial ist deutlich positiver als in anderen Sensorzellen (≈ –30 mV). Wenn nach Lichtabsorption die cGMP-Konzentration reduziert wird, schließen die cGMP-abhängigen Kanäle und die Zelle wird hyperpolarisiert. Die Photorezeptorzellen sind damit die einzigen menschlichen Sinneszellen, die ein hyperpolarisierendes Rezeptorpotenzial ausbildet.
cGMP-Kanäle erlauben nicht nur den Eintritt von Na+-, sondern auch von Ca2+-Ionen. Die eingetretenen Ca2+-Ionen werden durch einen Na+-K+-Ca2+- Transporter im Außensegment wieder aus der Zelle heraustransportiert. Dieser Transporter tauscht Na+ gegen K+ und Ca2+ aus und koppelt so den Ca2+-Ausstrom an die elektrochemischen Gradienten von Na+ und K+. Die Guanylatcyclase wird durch die intrazelluläre Ca2+-Konzentration reguliert. Niedrige Ca2+-Konzentrationen bei Belichtung aktivieren dieses Enzym, sodass es nach Beendigung der Belichtung zu einer schnelle Erhöhung der cGMP-Konzentration und einer Depolarisation der Photorezeptoren kommt.
Das durch den Lichteintritt produzierte all-trans-Retinal wird durch die all-trans-Retinol-Dehydrogenase in all-trans-Retinol umgewandelt und in die Pigmentepithelzellen transportiert. Dort wird es in 11-cis-Retinal zurückverwandelt. Nach dem erneuten Transport in die Photorezeptorzelle bindet das regenerierte 11-cis-Retinal wieder an Opsin.

Visuelles System (4)

Bipolarzellen und ihre Verschaltungen

Stäbchen und Zapfen setzen den Neurotransmitter Glutamat frei. In Dunkelheit sind die Sehsinneszellen depolarisiert. Daher kommt es zu einer kontinuierlichen Glutamatfreisetzung, die bei Belichtung unterdrückt wird (Abb. 3.23). Somit hyperpolarisieren die Sinneszellen bei Licht.
Zapfen bilden mit zwei verschiedenen Bipolarzelltypen Synapsen:
    • On-Bipolarzellen besitzen metabotrope Glutamatrezeptoren. Nach Glutamatbindung kommt es über einen G-Protein-gekoppelten Mechanismus zum Abbau von cGMP. Da Bipolarzellen cGMP-abhängige Kanäle besitzen, sind sie bei Dunkelheit hyperpolarisiert. Belichtung der Photorezeptorzelle erhöht die cGMP-Konzentration und führt zur Depolarisation der On-Bipolarzelle.

    • Off-Bipolarzellen besitzen einen ionotropen Glutamatrezeptor. Sie sind bei Dunkelheit depolarisiert, da der Photorezeptor Glutamat freisetzt und damit die exzitatorische Synapse aktiviert. Lichteinfall hyperpolarisiert Photorezeptoren, reduziert die freigesetzte Glutamatmenge und negativiert das Membranpotenzial der Off-Bipolarzellen.

On-Bipolarzellen sind immer mit On-Zentrum-Ganglienzellen verbunden, Off-Bipolarzellen immer mit Off-Zentrum-Ganglienzellen. Bipolarzellen setzen ebenfalls Glutamat als Neurotransmitter frei. Dieser bindet an ionotrope Glutamatrezeptoren in Ganglienzellen. Erregung der Bipolarzelle führt daher stets zur Erregung der Ganglienzelle. Ganglienzellen bilden, abhängig vom Membranpotenzial der Bipolarzellen, Aktionspotenziale mit einer erhöhten oder reduzierten Frequenz und leiten diese weiter.
Stäbchen kommunizieren nur mit einem Typ von Bipolarzellen, die alle das Stäbchensignal invertieren und wie On-Bipolarzellen funktionieren. Diese Stäbchen-Bipolarzellen sind mit On-Zentrum- und Off-Zentrum-Ganglienzellen verschaltet. Die Unterschiede bei der Transformation werden durch Amakrinzellen verursacht, von denen es mehr als 20 Typen mit unterschiedlichen Transmittern und Synapsenstrukturen gibt.
Horizontalzellen sind Interneurone, die für die laterale Hemmung verantwortlich sind (Abb. 3.21). Sie bilden Synapsen zwischen zwei Photorezeptorzellen; Aktivierung durch die eine Photorezeptorzelle führt zur Hemmung der benachbarten. Dies ist wichtig für die Kontrastbildung.

Sehfarbstoffe

Stäbchen und Zapfen unterscheiden sich in ihren Sehfarbstoffen: Das Rhodopsin der Stäbchen hat ein Absorptionsmaximum bei 500 nm. Es gibt drei Zapfentypen mit unterschiedlichen Sehfarbstoffen (Zapfenopsine), mit spektralen Absorptionsmaxima für Blau (420 nm), Grün (535 nm) und Rot (565 nm, Abb. 3.28). Die Sehfarbstoffe unterscheiden sich nur in einigen Aminosäuren des Opsins, nicht im Retinalstoffwechsel.

Farb- und Helligkeitswahrnehmung

Rezeptive Felder in der Netzhaut sind konzentrisch angeordnet (Abb. 3.24). In der Netzhautmitte sind sie sehr viel kleiner als in der Netzhautperipherie. Zentrum und Randzone der rezeptiven Felder unterscheiden sich in ihren elektrischen Antworten auf optische Signale. Die verschiedenen Antworteigenschaften werden in den Ganglienzellen räumlich integriert. Es gibt dabei sowohl On- als auch Off-Zentrum-Ganglienzellen. Bei den Off-Zentrum-Neuronen hemmt die Beleuchtung des Zentrums, während die Beleuchtung der Peripherie erregt. On-Zentrum-Neuronen reagieren umgekehrt (Abb. 3.24). Die antagonistische Verschaltung dient der verstärkten Kontrastwahrnehmung.
    • Farbkodierende Neurone sind meist sehr klein und haben dünne Axone (parvozelluläres System). Sie befinden sich überwiegend in der Netzhautmitte.

    • Helligkeitskodierende Neurone sind groß und haben dicke und schnell leitende Axone (magnozelluläres System). Sie sind hauptsächlich in der Netzhautperipherie lokalisiert.

Ein farbkodierendes rezeptives Feld ist farbantagonistisch aufgebaut. Eine Ganglienzelle wird durch eine bestimmte Farbe im Zentrum des rezeptiven Feldes erregt, durch eine andere Farbe in der Peripherie jedoch gehemmt. In der Netzhaut werden Grün-, Rot- und Blaurezeptoren in verschiedener Art und Weise mit Ganglienzellen zusammengeschaltet. Die häufigste Kombination ist Rot und Grün, es tauchen jedoch auch andere Kombinationen auf. Eine Sonderrolle spielt die Farbe Blau: Rezeptive Felder mit blau-sensitiven Photorezeptoren sind sehr groß und besitzen nur On-Zentrum-Neurone.
Für die helligkeitskodierenden Neurone spielen die spektralen Eigenschaften des Lichts keine Rolle. Diese Zellen nehmen unterschiedliche Helligkeit wahr und verstärken Helligkeitskontraste.
In beiden Systemen wechselt die Ganglienzelle bei der Bewegung des Objekts aus dem Zentrum des rezeptiven Feldes zur Peripherie von Erregung auf Hemmung. Es kommt damit bei Bewegung des Objektes oder des Auges zu einem stärkeren neuronalen Signal als bei feststehendem Objekt und Auge.

Visuelles System (5)

Retinales Pigmentepithel

Das retinale Pigmentepithel ist eine einschichtige, dichte Epithelschicht (Abb. 3.25), die zur Blutseite hin von der Bruch-Membran begrenzt wird. Sie verhindert, dass Substrate parazellulär durch Zellzwischenräume durchdringen. Zwischen Netzhaut und Bruch-Membran sind daher nur regulierte transzelluläre Transportvorgänge (Kap. 1.8) möglich.
Die Aufgabe der Pigmentepithelzellen besteht darin, die abgeschnürten Endstücke der Photorezeptor-Außensegmente zu phagozytieren und abzubauen. Außerdem regenerieren sie das bei der Lichtabsorption entstandene all-trans-Retinol zu 11-cis-Retinal und stellen es den Photorezeptoren erneut zur Verfügung (Kap. 3.9). Um die Lichtstreuung innerhalb des Auges zu minimieren, sind Melaningranula in die retinalen Pigmentepithelzellen eingelagert. Lösen sich die Photorezeptoren vom Pigmentepithel ab, führt das zu ihrem Untergang und zur Erblindung.

Klinik

Diabetes mellitus führt in verschiedenen Organsystemen zu Durchblutungsstörungen. Im Auge äußern sie sich als diabetische Retinopathie mit Ischämien, Mikroaneurysmen und fleckförmigen Blutungen in der Netzhaut. Durch einen bislang nicht verstandenen Mechanismus kommt es dann zu einer deutlich stimulierten Gefäßneubildung. Die neu gebildeten Gefäße weisen jedoch eine erhöhte Blutungsneigung auf. Blutungen und nachfolgende Vernarbungen führen zur Ablösung der Netzhaut. Die Sinneszellen sterben ab, da sie nicht mehr von den Pigmentzellen mit Nährstoffen versorgt werden; der Patient erblindet. Zurzeit sind etwa 30 % aller Erblindungen in Europa durch eine diabetische Retinopathie verursacht.

Sehbahn

Die Axone der Ganglienzelle eines Auges bilden den Sehnerv (N. opticus, Abb. 3.26). Die Sehnerven beider Augen laufen im Chiasma opticum zusammen. Hier kreuzen die Fasern der nasalen Netzhauthälfte auf die Gegenseite, während die Fasern aus der temporalen Hälfte der Netzhaut ungekreuzt weiterziehen. Die rechte Gesichtsfeldhälfte beider Augen wird dadurch in der linken Gehirnhälfte und die linke Gesichtshälfte in der rechten Hemisphäre abgebildet. Hinter dem Chiasma bilden gekreuzte und nicht gekreuzte Fasern zusammen den Tractus opticus. Im Thalamus werden die Neurone auf Schaltzellen des Corpus geniculatum laterale umgeschaltet, die als Sehstrahlung (Radiatio optica) direkt auf die Großhirnrinde projizieren. Man unterscheidet primären, sekundären, tertiären und quartären visuellen Kortex (V1–V4). In der primären Sehrinde (Area striata) in der Area V1 der okzipitalen Großhirnrinde (Brodmann-Areal 17) werden visuelle Signale aufgenommen. In der Area V2 (Brodmann-Areal 18) finden die visuelle Gestalterkennung statt, während Neurone der Area V3 (Teile von Brodmann-Areal 19) besonders durch bewegte Objekte erregt werden. Die Area V4 (Teile von Brodmann-Areal 19) erhält synaptische Eingänge von farbspezifischen Neuronen der Areae V1 und V2. Hier finden die Wahrnehmung der Oberflächenfarbe und die Objekterkennung durch Farbinformationen statt. Vor dem Thalamus zweigen Fasern zum Colliculus superior zur Steuerung der Augenmuskulatur ab (Abb. 3.26).
Benachbarte Orte der Netzhaut werden im Corpus geniculatum laterale und in der Sehrinde benachbart abgebildet (retinotope Abbildung). Die Fovea centralis hat eine überproportional große Projektionsfläche, während die Peripherie der Netzhaut eher unterrepräsentiert ist.

Gesichtsfeld

Als monokulares Gesichtsfeld bezeichnet man den Ausschnitt unseres Umfeldes, den wir mit einem unbewegten Auge bei fixiertem Kopf und Körper wahrnehmen können. Seine Grenzen und Empfindlichkeitsverteilung können durch die Perimetrie bestimmt werden. Beim Gesunden dehnt sich das Gesichtsfeld nasal bis etwa 60° und temporal bis zu 100° aus. Das binokulare Gesichtsfeld umfasst damit einen Bereich von etwa 200°.

Klinik

Läsionen der Sehbahn führen zu Gesichtsfeldausfällen (Abb. 3.27). Bei einer Schädigung vor der Sehnervenkreuzung kommt es zum Ausfall von einem Auge (4). Ein Hypophysentumor, der im medialen Bereich auf die kreuzenden Fasern im Chiasma drückt, führt zu einer Schädigung der temporalen Gesichtsfelder beider Augen (2). Störungen, die hinter dem Chiasma auftreten, beispielsweise Störungen der Sehstrahlung und der primären Sehrinde, führen zu Ausfällen homonymer Halbfelder (3, 5). Davon sind die mediale Seite des Auges aus der Seite der Läsion und die temporale Seite des anderen Auges betroffen.

Visuelles System (6)

Farbsehen

Licht besteht aus einem Gemisch von Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge. Farbe ist keine physikalische Größe, sondern wird durch die Existenz von Rezeptorsystemen, die unterschiedliche Wellenlängen wahrnehmen können, definiert. Weißes Licht wird an einem farbigen Körper teilweise absorbiert, teilweise transmittiert und teilweise reflektiert. Das reflektierte und das transmittierte, gestreute Licht wird durch das optische System auf der Netzhaut abgebildet und von den Photorezeptoren aufgenommen. Da Zapfen drei verschiedene Zapfen-Opsine mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften exprimieren können (Abb. 3.28), kann die Retina die relative Anzahl von Lichtquanten mit unterschiedlicher Wellenlänge bestimmen.
Der Sinneseindruck „Farbe“ kommt durch zwei verschiedene Prozesse zustande:
    • durch das Mischungsverhältnis der Lichtquanten, die von den drei Zapfentypen mit unterschiedlichen Resorptionsmaxima resorbiert werden

    • durch die Reizzustände der einzelnen Photorezeptoren, die durch die farbantagonistisch organisierten Ganglienzellen farbkodierender Neurone wahrgenommen werden.

Der physiologischen Farbwahrnehmung liegt eine additive Farbmischung zugrunde. Wenn auf einen bestimmten Netzhautabschnitt Licht mit verschiedenen Wellenlängen fällt, entsteht der Eindruck einer Mischfarbe. Rotes und grünes Licht zusammen werden als gelb wahrgenommen. Dies entspricht nicht der physikalischen Farbenmischung, bei der man aus Gelb und Blau Grün mischen kann. Die reinen Farben absorbieren Anteile des Spektrums, sodass das verbleibende Licht den entsprechenden Farbeindruck verursacht (subtraktive Farbmischung).
Wird ein Gegenstand nacheinander mit Licht unterschiedlicher spektraler Eigenschaften beleuchtet, erscheint die Farbe trotzdem konstant. Es gibt zwar eine kurze beleuchtungsbedingte Veränderung des Farbeindrucks zu Beginn, der jedoch recht schnell verschwindet. Dieses Phänomen wird Farbkonstanz genannt. Sie beruht darauf, dass spektral unterschiedlich empfindliche Zapfen selektiv adaptieren. Bei rötlicher Beleuchtung wird das Farbpigment der Rotzapfen schneller ausgeblichen, sodass sie weniger stark auf die rote Farbe eines Gegenstands reagieren können.

Klinik

Farbenschwäche oder Farbenblindheit sind genetische Erkrankungen, deren Ursache in Mutationen in den für Opsine verschiedener Zapfen kodierenden Genen liegen. Die Gene für die Opsine von Rot- und Grünzapfen liegen auf dem X-Chromosom. Deshalb ist Rot- und Grünschwäche bei Männern sehr viel häufiger als bei Frauen. Dabei unterscheidet man: Protanomalie (Rotschwäche), Protanopie (Rot-„Blindheit“), Deutanomalie (Grün-Schwäche), Deuteranopie (Grün-„Blindheit“), Tritanomalie (Blau-Schwäche) und Tritanopie (Blau-„Blindheit“).

Diese Patienten sind nicht völlig farbenblind. Sie haben eine Farbempfindung, verwechseln jedoch Farben in einer ganz bestimmten Art und Weise. Es gibt auch Patienten mit totaler Farbenblindheit. Sie beruht darauf, dass die Zapfen bei diesen Patienten nicht funktionell sind und das Sehen ausschließlich durch Stäbchen vermittelt wird.

Die Erfassung von Farbenschwäche ist sehr wichtig, da es in bestimmten Berufen auf gute Farberkennung ankommt. Ein einfaches diagnostisches Verfahren sind „pseudo-isochromatische“ Tafeln. Auf diesen Tafeln sind Zahlen durch farbige Punkte wiedergegeben, deren Helligkeit den umgebenden Farbpunkten entspricht. Die Zahlen können also nur anhand ihrer Farbe, nicht aber ihrer Helligkeit identifiziert werden (Abb. 3.29).

Sehschärfe, Kontrast

Als räumliche Auflösung bezeichnet man die Fähigkeit des visuellen Systems, zwei Punkte als getrennt voneinander wahrzunehmen. Das Auflösungsvermögen wird durch die Qualität des optischen Apparats sowie die Dichte der Photorezeptoren und ihre Verschaltungen in der Netzhaut und in höheren Zentren des ZNS bestimmt. Das räumliche Auflösungsvermögen hängt auch vom Adaptations- und Akkommodationszustand, von der Beleuchtung, von der Konzentrationsfähigkeit usw. ab. Ein begrenzender Faktor für das räumliche Auflösungsvermögen ist die Dichte der Photorezeptoren. Diese ist an der Fovea centralis der Netzhaut am höchsten.
Die Sehschärfe ist der Kehrwert des Winkels α (gemessen in Winkelminuten), der gerade noch als Öffnung im Landolt-Ring wahrgenommen werden kann, definiert. Man kann sie außer durch Landolt-Ringe auch mit Sehprobentafeln bestimmen (Abb. 3.30). Alternativ kann man auch Buchstaben oder gebrochene Linien (Nonius-Reize) benutzen.

Visuelles System (7)

Hell- und Dunkeladaptation

Die Empfindlichkeit des Sehsystems passt sich seiner Umgebungshelligkeit an. Die Dunkeladaptation erfolgt in zwei Phasen (Abb. 3.31): Zunächst nimmt die Empfindlichkeit der Zapfen durch vermehrte Bildung von Sehfarbstoff rasch zu und erreicht nach 6–8 Minuten ein Plateau. Danach kommt es zu einer erneuten Empfindlichkeitssteigerung, die als Knick in der Kurve des Schwellensignals sichtbar ist (Kohlrausch-Knick). Zu diesem Zeitpunkt geht das photopische ins skotopische Sehen über; die Lichtwahrnehmung erfolgt dann durch Stäbchen statt durch Zapfen. Die Pupille wird weit gestellt (Mydriasis).
Bei der Helladaptation verläuft der Vorgang umgekehrt. Darüber hinaus verengt sich die Pupille (Miosis), der Sehfarbstoff bleicht aus und die Aktivierbarkeit der Guanylatcyclase wird reduziert. Die Transmitterfreisetzung sinkt durch Hyperpolarisation des Innensegments (Kap. 3.9).

Räumliches Sehen

Aufgrund des Abstands zwischen den beiden Augäpfeln sind die auf den Netzhäuten abgebildeten Bilder eines bestimmten Objekts nicht identisch (Querdisparation, Abb. 3.32). Der Vergleich zwischen den beiden Bildern ermöglicht, den Abstand des Objekts zum Beobachter zu bestimmen. Die Querdisparation ist die Grundlage des binokularen Tiefensehens. Fixiert man einen bestimmten Punkt, gibt es eine gekrümmte Fläche, die alle Punkte wiedergibt, die auf korrespondierenden Stellen der Netzhaut abgebildet werden. Diese Fläche wird Horopterkreis genannt. Punkte, die innerhalb oder außerhalb des Horopterkreises liegen, führen zur Querdisparation. Überschreitet sie einen bestimmten Wert, nimmt man Doppelbilder wahr (Diplopie). Das fiktive Mittelauge erlaubt die Abschätzung der Maße des entstehenden Doppelbildes.
Es gibt binokulare Neurone in den Arealen V1 und V2, die genau entsprechende rezeptive Felder auf den Netzhäuten von rechtem und linkem Auge haben. Sie werden durch Objekte auf dem Horopterkreis maximal aktiviert. Es gibt aber auch Neurone mit nicht-korrespondierenden rezeptiven Feldern. Diese werden dann maximal erregt, wenn das wahrgenommene Objekt innerhalb oder außerhalb des Horopterkreises liegt. Das Zusammenwirken dieser Gruppen von Neuronen ist die Grundlage des räumlichen Sehens. Die Fähigkeit zur binokularen Tiefenwahrnehmung hängt vom Augenabstand und vom Abstand des Gegenstands ab.
Abstände können auch mit nur einem Auge wahrgenommen werden. Die einäugige Tiefenwahrnehmung stützt sich auf Parameter des Objekts und vergleicht sie mit gespeicherten Erfahrungen. Der Vergleich zwischen der bekannten Gegenstandsgröße und der wahrgenommenen erlaubt es, den Abstand abzuschätzen. Andere Parameter sind die perspektivische Verkürzung der Schattenbildung und die scheinbare Verschiebung des wahrgenommenen Objekts, wenn sich der Betrachter bewegt (parallaktische Verschiebung).

Augeninnendruck

Etwa 2 μl Kammerwasser werden pro Minute durch Filtration aus den Kapillaren des Ziliarkörpers gebildet. Es tritt zwischen Linse und Iris durch die Pupille, gelangt in das Trabekelwerk im Kammerwinkel, wo es durch den Schlemm-Kanal resorbiert wird. Das Kammerwasser versorgt die nicht-vaskularisierten Strukturen des Auges: Linse, Hornhaut und Glaskörper. Als Ultrafiltrat ist es frei von Proteinen, unterscheidet sich in seiner Zusammensetzung sonst aber kaum von Blutplasma (Kap. 8.4).
Das Gleichgewicht zwischen Kammerwasserproduktion und -resorption ist notwendig, um die Form des Bulbus aufrechtzuerhalten und damit die Abstände zwischen den Komponenten des dioptrischen Apparats konstant zu halten. Gesteigerte Sekretion oder reduzierte Resorption lässt den Augeninnendruck ansteigen (Glaukom). Dies führt auf Dauer zur Schädigung des Sehnervs und zur Einschränkung des Gesichtsfeldes.

Klinik

Die Retinitis pigmentosa ist eine genetische Netzhautdegeneration. Bislang wurden mehr als 30 Gene identifiziert, die zur Retinitis pigmentosa führen können, indem sie Mutationen in der Transduktionskaskade, in Proteinen der Pigmentepithelzelle, im Vitamin-A-Zyklus oder in cGMP-aktivierten Kanälen verursachen. Es kommt zur Degeneration der Photorezeptoren, die in der Peripherie beginnt und zuerst das skotopische Sehen betrifft. Die Patienten entwickeln daher als Erstes eine Nachtblindheit, dann schränkt sich ihr Gesichtsfeld immer weiter ein bis hin zum Tunnelblick. Schließlich können sie sich kaum noch im Raum orientieren oder alleine gehen.

Die Erkrankung tritt meist im Jugendalter oder mittleren Lebensalter auf und führt zu einer langsam nachlassenden Sehkraft. Der Krankheitsverlauf erstreckt sich bei den meisten Betroffenen über Jahrzehnte hinweg. Weltweit sind etwa 3 Mio. Menschen betroffen.

Gehör (1)

Unsere Welt ist voll von akustischen Signalen. Sie helfen uns nicht nur dabei, Gefahren wahrzunehmen, sondern erleichtern auch die Orientierung im Raum. Die besondere Empfindlichkeit des Ohrs ist die Grundlage verbaler Kommunikation. Schon geringfügige Veränderungen des Stimmklangs können Emotionen ausdrücken.

Physiologische Akustik

Das Ohr nimmt Schallwellen als Luftdruckschwankungen wahr. Sie erreichen über das äußere Ohr und das Mittelohr das Innenohr. Schallwellen werden an einer Schallquelle durch abwechselndes Verdichten (Druckerhöhung, Kompression) und Verdünnen (Druckerniedrigung, Dekompression) der Luft generiert (Abb. 3.33). Ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt von der Dichte und den elastischen Eigenschaften des Ausbreitungsmediums ab. Sie ist in Luft beispielsweise geringer als im Wasser.
Schallwellen sind Longitudinalwellen; die Druckoszillationen erfolgen in Richtung der Schallausbreitung. In Abb. 3.33a soll der blaue Strich eine Geigensaite symbolisieren; die schwarzen Linien die durch den Druck bewegten Luftteilchen. Die Druckänderung wird auf die Nachbarschaft übertragen. Der Druck ändert sich an einem bestimmten Ort periodisch mit der Zeit (Abb. 3.33a) und zu einem bestimmten Zeitpunkt periodisch mit Abstand (Abb. 3.33b).
Ein reiner Ton entsteht durch eine sinusförmige Druckschwankung mit nur einer Frequenz. Die Frequenz des Tons bestimmt die Tonhöhe: je höher die Frequenz, desto höher der Ton. Die Lautstärke ist von der Amplitude des Schalldrucks abhängig. Der Schalldruck wird in Pascal (1 Pa = 1 N/m2) gemessen, die Frequenz in Hz (1 Hz = 1 Schwingung/s). Neben Tönen gibt es auch Klänge und Geräusche (Abb. 3.34). Klänge entstehen durch Überlagerung eines Tons mit seinen Obertönen, d. h. Tönen mit dem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz des Grundtons. Die häufigsten Schallereignisse sind Geräusche, bei denen sich der Schalldruck nicht periodisch ändert. Man kann jedoch jedes Geräusch als Überlagerung reiner Töne darstellen.
Das Ohr ist von einer einzigartigen Sensitivität und kann Schalldrücke zwischen 2 · 10–5 Pa und 63 Pa wahrnehmen (Abb. 3.35). In der Hörphysiologie gibt man den Schalldruck mit einer logarithmischen Einheit, dem Schalldruckpegel (SPL), an, der in Dezibel (dB) gemessen wird.
Eine Veränderung des Schalldruckpegels um 20 dB entspricht einer Verzehnfachung des Schalldrucks. Dieser Trick erlaubt, den ernormen Schalldruckumfang, den das menschliche Ohr wahrnehmen kann, in einer Skala von 0 bis 140 dB darzustellen (Abb. 3.35).
Die Übertragung von akustischen Reizen sowie ihre Umwandlung in elektrische Reize hängen von der Frequenz ab. Aus diesem Grunde werden Töne mit unterschiedlichen Frequenzen als unterschiedlich laut wahrgenommen, auch wenn sie den gleichen Schalldruckpegel aufweisen. Man benutzt daher die Größe Lautstärke, um die subjektive Wahrnehmung zu beschreiben. Die Lautstärke eines Tons entspricht dem Schalldruck eines als gleich laut empfundenen Tons mit einer Frequenz von 1.000 Hertz. Auch hier kann ein Pegelmaß definiert werden: Der Lautstärkepegel entspricht dem Schalldruckpegel eines gleich lauten Tons mit einer Frequenz von 1.000 Hz. Die Einheit des Lautstärkepegels ist phon (Querbanden in Abb. 3.35). Unser Gehör ist im Hauptsprachbereich am empfindlichsten (Abb. 3.35). Bei Frequenzen zwischen 250 und 4.000 Hz wird ein Ton mit einem bestimmten Schalldruck als lauter wahrgenommen als ein Ton des gleichen Schalldrucks mit sehr viel geringerer oder sehr viel höherer Frequenz.

Außen-, Mittel- und Innenohr

Das Ohr lässt sich anatomisch und funktionell in drei Abschnitte einteilen: Außen-, Mittel- und Innenohr (Abb. 3.36). Das Außenohr besteht aus Ohrmuschel und äußerem Gehörgang und endet am Trommelfell. Das Mittelohr umfasst die Gehörknöchelchen, Hammer (Malleus), Amboss (Incus) und Steigbügel (Stapes), die die Schwingungen des Trommelfells über eine knöcherne Verbindung auf das ovale Fenster übertragen. Das Innenohr besteht aus dem Gleichgewichtsorgan (Vestibularorgan) und einem schneckenförmigen Gang, der Kochlea.
Das Außenohr nimmt die Schallwellen wie ein Trichter auf. Seine besondere Form ist für das räumliche Hören (Kap. 3.18) wichtig, da Schallwellen aus verschiedenen Richtungen von beiden Außenohren unterschiedlich reflektiert und aufgenommen werden.
Die Aufgabe des Mittelohrs ist die verlustarme Übertragung des Schalls von der Luft (niedrige Dichte, geringer Wellenwiderstand) auf die Perilymphe im Innenohr (hohe Dichte, großer Wellenwiderstand). Die Kochlea des Innenohrs ist das eigentliche Hörsinnesorgan (Abb. 3.36). Im Innenohr findet die Transduktion des adäquaten Reizes in elektrische Signale statt. Außerdem werden akustische Signale, die aus Tönen unterschiedlicher Frequenz bestehen, so aufgetrennt, dass unterschiedliche Sinneszellen durch jeweils eine spezifische Frequenz angeregt werden.

Gehör (2)

Funktion und Aufbau des Mittelohrs

Am Übergang zwischen zwei Medien mit unterschiedlicher Dichte werden Schallwellen reflektiert. Dies würde zu einem Verlust von etwa 90 % der Schalldruckamplitude beim Übergang zwischen Luft und dem flüssigkeitsgefüllten Innenohr führen. Das Mittelohr korrigiert diesen Effekt durch Verstärkung des Schalldrucks um den Faktor 22. Diese Verstärkung (Impedanzanpassung) erfolgt mittels zweier Mechanismen:
    • Die Fläche des Trommelfells ist ca. 17-mal größer als die des ovalen Fensters. Die Kraftübertragung erfolgt über eine knöcherne Verbindung, sodass Kräfte, die auf das Trommelfell wirken, ohne Abschwächung auf das ovale Fenster übertragen werden. Da Druck = Kraft/Fläche (P = F/A), führt die reduzierte Fläche des ovalen Fensters zu einer Verstärkung um einen Faktor, der dem Quotienten der beiden Flächen entspricht.

    • Gehörknöchelchen übertragen die Kraft nicht völlig unverändert. Ihre gelenkige Verbindung erzeugt eine Hebelwirkung, die zu einer weiteren Verstärkung um den Faktor 1,3 führt.

Aufbau und Funktion der Kochlea

Die Kochlea ist ein etwa 35 mm langer Gang, der in Form eines Schneckenhauses mit 2,5 Bogenwindungen aufgerollt ist (Abb. 3.37a). Der Gang ist durch zwei Membranen, die Reissner-Membran und die Basilarmembran, in drei Abschnitte eingeteilt: Scala vestibuli, Scala media und Scala tympani (Abb. 3.37a). Die drei Abschnitte sind mit Medien unterschiedlicher Zusammensetzung gefüllt. Die Flüssigkeit der Scala media wird Endolymphe genannt, sie ist sehr kaliumreich. Die Perilymphe aus Scala tympani und Scala vestibuli entspricht in ihrer Zusammensetzung etwa der normalen Extrazellularflüssigkeit.
In der Scala media befinden sich zwei für den Schalltransduktionsprozess essenzielle Elemente, das Corti-Organ und die Stria vascularis (Abb. 3.37b). Das Corti-Organ liegt der Basilarmembran auf und besteht aus etwa 10.000 bis 12.000 äußeren Haarzellen, die in drei Reihen angeordnet sind, und etwa 3.500 inneren Haarzellen, die eine Reihe bilden.
Haarzellen sind epitheliale, polar aufgebaute Zellen, die in eine Matrix aus Stützzellen eingebettet sind (Abb. 3.38). Der Name „Haarzelle“ stammt von den etwa 100 haarähnlichen, submikroskopischen Fortsätzen, die jede dieser Zellen auf der apikalen Membranseite aufweist. Die Zilien der äußeren, aber nicht der inneren Haarzellen stehen im direkten Kontakt mit einer gelatinösen Masse, der Tektorialmembran (Abb. 3.37b).
Die inneren Haarzellen sind die eigentlichen Hörsinneszellen, die den Schall in ein Rezeptorpotenzial umwandeln. Sie bilden afferente Synapsen mit Nervenfasern des Hörnervs, deren Soma im Ganglion spirale liegt (Abb. 3.37). Die inneren Haarzellen sind daher sekundäre Sinneszellen.
Die äußeren Haarzellen wirken als kochleäre Verstärker und erhöhen die Amplitude der Druckschwankungen durch einen aktiven Verkürzungs- und Verlängerungsprozess (Abb. 3.43). Sie werden von Nervenfasern innerviert, deren Aktivierung den kochleären Verstärker hemmt. Dies stellt einen Schutz der Kochlea vor akustischer Überstimulation dar und erlaubt eine verbesserte Schallwahrnehmung in einer lauten Umgebung.
Die Zusammensetzung der Endolymphe wird durch aktive Transportprozesse der Stria vascularis (Kap. 3.16) verändert. Die Stria vascularis ist ein sekretorisches Epithel, das Ionen in die Scala media hineintransportiert und so diesen Raum elektrisch auflädt.

Aufbau und Funktion der inneren Haarzellen

Haarzellen besitzen apikale Haarbündel, die aus 50 bis 150 Stereozilien – oder anatomisch korrekter Stereovilli – bestehen (Abb. 3.38a). Im Gegensatz zu vestibulären Haarzellen (Kap. 3.21) besitzen differenzierte Haarzellen des Innenohrs kein Kinozilium. Dieses wird zwar in der Embryonalentwicklung angelegt, degeneriert aber während der weiteren Differenzierung.
Die Stereovilli haben einen Durchmesser von 0,2 bis 0,8 μm und sind zwischen 4 und 10 μm hoch. Sie sind miteinander verschlungen und bilden eine kegelförmige Struktur. Innerhalb eines Bündels sind die Stereozilien durch sog. Tip Links miteinander verbunden.
Der adäquate Reiz zur Erregung von Haarzellen ist die Bewegung der Stereozilienbündel in Richtung des Ortes, an dem das Kinozilium sich während der Embryonalentwicklung befand. Eine derartige Abscherung öffnet mechanosensitive Kationenkanäle und führt zur Depolarisation (Abb. 3.38b). Eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung verschließt diese Kanäle (Abb. 3.38c). In beiden Fällen sind nur winzige Bewegungen notwendig. Eine Verschiebung um nur 0,5 nm erzeugt schon eine Potenzialänderung, und eine Verschiebung um 0,5 μm führt zu maximalen Potenzialänderungen. Senkrechte Abscherungen verändern das Membranpotenzial von Haarzellen nicht.

Gehör (3)

Transduktion in inneren Haarzellen

Die schallinduzierten Auslenkungen der Scala media führen zu einer Relativbewegung der Tektorialmembran hin zum Corti-Organ. Dadurch kommt es zum Abscheren der Zilien der äußeren Haarzellen, die mit der Tektorialmembran in Kontakt stehen. Die Zilien der inneren Haarzellen sind nicht mit der Tektorialmembran verbunden, sondern werden durch die Bewegung des endolymphatischen Flüssigkeitsfilms zwischen Tektorialmembran und Haarzellen verformt (hydrodynamische Kopplung).
Das Öffnen und Schließen der mechanosensitiven Kanäle in den Stereozilien (Abb. 3.38) verändert das Membranpotenzial der Haarzellen. Die Öffnung dieser Kanäle führt zum Eintritt von K+-Ionen und depolarisiert die Zellen (Abb. 3.39). Haarzellen sind polarisierte Zellen: Ihre apikale, der Endolymphe zugewandte Plasmamembran unterscheidet sich anatomisch und funktionell von der basolateralen Membran (Abb. 3.38). Der Einstrom von Kationen depolarisiert die Membran und öffnet spannungsabhängige Ca2+-Kanäle in der basolateralen Membran. Der Einstrom von Ca2+ erhöht die intrazelluläre Ca2+-Konzentration, was die Exozytose von Glutamat auslöst (Abb. 3.39, Abb. 3.38b).
Die Veränderung des Membranpotenzials ist der Transduktionsprozess des Hörvorgangs. Die Transduktionskanäle öffnen durch direkte mechanische Kopplung an die Haarbündel. Deshalb erfolgt die Depolarisation der Haarzelle praktisch zeitgleich mit dem mechanischen Reiz. Da die Basilarmembran und die Tektorialmembran mit der Frequenz des Tons schwingen, ändert sich auch das Rezeptorpotenzial der inneren Haarzellen mit dieser Frequenz (Abb. 3.39). Der Eintritt von Ca2+ führt zur Aktivierung Ca2+-abhängiger Kaliumkanäle. Die große Dichte dieser Kanäle erlaubt eine effektive Repolarisation der Haarzellen, was hochfrequente Oszillationen des Rezeptorpotenzials ermöglicht (Abb. 3.39).

Transformation des Hörreizes

Die Glutamatfreisetzung durch die innere Haarzelle führt zur Erregung der postsynaptischen Zelle, des ersten Neurons der Hörbahn. Die postsynaptisch gebildeten Aktionspotenziale stehen im festen Zusammenhang mit der Phase des Rezeptorpotenzials (Phasenkopplung, Kap. 3.17). Dieser feste Zusammenhang kommt dadurch zustande, dass die Haarzellsynapse so schnell und zuverlässig arbeitet, dass die postsynaptische Depolarisation mit einer sehr kurzen und genau definierten Verzögerung auf die depolarisierende Phase des Haarzellrezeptorpotenzials folgt.

Endokochleäres Potenzial

Zwischen der Scala media und der Scala vestibuli bzw. der Scala tympani liegt eine elektrische Spannung an, das endokochleäre Potenzial (Abb. 3.40). Diese transepitheliale Spannung beträgt beim Menschen etwa 80 mV, wobei die Scala media ein positives Potenzial aufweist. Dadurch entsteht zwischen dem Extrazellularraum der Scala media und dem Zytoplasma von inneren und äußeren Haarzellen die enorme Spannung von etwa + 150 mV. Diese hohe Spannung erhöht die Triebkraft für den Einstrom von K+-Ionen und damit die Sensitivität des Ohrs. Die Ursache für diese Spannung sind Ionentransportprozesse in der Stria vascularis (Abb. 3.A, Praxisfall). Die Stria vascularis besitzt in ihrer apikalen Membran einen Kaliumkanal und auf der basolateralen Seite drei verschiedene Ionentransportsysteme: die Na+-K+-ATPase, einen Na+-2Cl-K+-Cotransporter und zwei spannungsabhängige Cl-Kanäle. Die Anordnung dieser Ionenkanäle und Ionentransporter führt dazu, dass das basolateral vom Na+-2Cl-K+-Cotransporter aufgenommene K+ durch den apikalen Kaliumkanal in die Endolymphe sezerniert wird. Das zusammen mit K+ von dem gleichen Transporter transportierte Cl rezirkuliert über die basolateralen Chloridkanäle ebenso wie Na+, das über die basolaterale Na+-K+-ATPase zurück ins Interstitium transportiert wird. Netto kommt es also zu einer isolierten Sekretion von K+-Ionen in die Endolymphe. Dieser transepitheliale Transportprozess ist elektrogen, weil er Ladungen transportiert und einen elektrischen Strom erzeugt, der die Scala media elektrisch auflädt. Ursache des endokochleären Potenzials ist also ein permanenter ATP-verbrauchender Stromfluss, der dazu führt, dass Kalium in der Endolymphe mit ≈ 145 mmol/L weit höher konzentriert ist als in normalen extrazellulären Medien.
Damit dieser elektrische Strom eine Spannung erzeugt, müssen die parazellulären Leitfähigkeiten (Kap. 1.8) in den Epithelien der Stria vascularis und der Haarzellen sehr gering sein. Beide Epithelien sind sehr dicht; Tight Junctions verhindern einen parazellulären Stromfluss zwischen den Zellen (Abb. 3.39).
Das hohe endokochleäre Potenzial beruht also auf der Addition zweier verschiedener Potenzialarten: ein Diffusionspotenzial, das zu dem negativen Ruhemembranpotenzial der inneren und äußeren Haarzellen führt, und ein transepitheliales Potenzial, das durch einen transepithelialen Stromfluss in der Stria vascularis aufrechterhalten wird.

Gehör (4)

Kodierung der Lautstärke

Hörnervenfasern zeigen in Ruhe eine spontane Entladungsrate, die durch den Schallstimulus erhöht wird. Je größer die Schallamplitude, desto höher ist die erzeugte Aktionspotenzialfrequenz (Abb. 3.41). Allerdings kann sie aufgrund der Refraktärzeit nur auf maximal einige hundert Hz ansteigen. Daher lässt sich durch diesen Mechanismus allein nur eine Schalldruckpegel-Amplitude bis etwa 50 dB wiedergeben. Dennoch erreicht das Innenohr einen dynamischen Bereich von 120 dB, da jede Haarzelle Synapsen mit mehreren Neuronen unterschiedlicher Erregungsschwelle bildet (Abb. 3.41). Bei steigendem Schalldruckpegel werden zunehmend Neurone mit höherer Erregungsschwelle rekrutiert.

Kodierung der Frequenz

Die Frequenz wird durch zwei verschiedene Mechanismen kodiert:
    • Tonotopie bzw. Ortskodierung

    • Periodizitätsanalyse bzw. Phasenkopplung.

Die Schallwelle wird durch das Mittelohr vom äußeren Medium Luft in Schwingungen der Endo- und Perilymphe innerhalb der Kochlea umgewandelt. Am ovalen Fenster bewegen die eintreffenden Schallwellen die Flüssigkeitssäule in der Scala vestibuli periodisch hin und her. Die longitudinale Schallwelle wird so in eine transversale Wanderwelle umgewandelt, die in der Basilarmembran zeit- und ortsabhängig schwingt. Abb. 3.42a zeigt eine solche Wanderwelle (der Anschaulichkeit halber in einer aufgerollten Kochlea). Die Ausbreitung der Welle wird durch die Basilarmembran bestimmt, die sehr straff ist und den Bogengang in zwei Kompartimente teilt, die gegeneinander schwingen.
Die Wanderwelle erhielt ihren Namen, da sie sich mit sich ändernder Amplitude und Ausbreitungsgeschwindigkeit entlang der Basilarmembran bewegt. Die Ursache dafür ist, dass die Rückstellkraft (Steifigkeit) der Basilarmembran vom ovalen Fenster bis hin zum Helikotrema kontinuierlich abnimmt. Dadurch sinkt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit dem Produkt aus Schwingungsfrequenz und Wellenlänge entspricht und die Frequenz durch die Frequenz des Tons vorgegeben ist, nimmt die Wellenlänge entlang der Basilarmembran ab (Abb. 3.42a).
Abhängig von ihrer Frequenz hat die Wanderwelle an einem bestimmten Ort der Basilarmembran ihren maximalen Ausschlag (Tonotopie oder Ortskodierung). Schon kurz hinter dem Maximum fällt die Amplitude der Wanderwelle auf 0 ab. Die Welle wandert daher frequenzabhängig unterschiedlich weit in die Kochlea hinein. Dieser Mechanismus führt dazu, dass Tongemische wie Klänge und Geräusche entlang der Basilarmembran in verschiedene Wanderwellen aufgetrennt werden und so mehrere innere Haarzellen erregen.

Äußere Haarzellen als kochleäre Verstärker

Die äußeren Haarzellen verstärken die Wanderwellenamplitude, indem sie sich periodisch verlängern und verkürzen (Abb. 3.43). Äußere Haarzellen weisen wie die inneren Haarzellen Zilienbündel auf, deren Abscherung bei Eintreffen der Schallwelle zu einer periodischen Veränderung des Membranpotenzials führt. Dabei kommt es gleichzeitig zur Längenänderung der Haarzelle. Verantwortlich für diese elektrisch vermittelte Längenänderung ist das erst kürzlich identifizierte Protein Prestin (Abb. 3.43). Dieser als kochleärer Verstärker bezeichnete Mechanismus erhöht die Schwingungsamplitude der Basilarmembran bei niedrigem Schalldruckpegel. Die Längenänderungen der äußeren Haarzellen hängen vom Membranpotenzial ab. Sie sind daher an dem Ort, an dem die Wanderwelle ihre maximale Amplitude hat, am ausgeprägtesten. Die Wanderwelle erfährt daher an ihrem Maximum die größte Verstärkung, wodurch der Amplitudenverlauf der kochleären Wanderwelle sehr viel schärfer wird (Abb. 3.44). Der kochleäre Verstärker führt dazu, dass die Schwingungsmaxima benachbarter Frequenzen nur noch minimal überlappen und jede Haarzelle dadurch selektiv lediglich durch ihre charakteristische Frequenz stimuliert wird. Bei sehr lauten Tönen führt die Wanderwelle auch ohne den kochleären Verstärker zu überschwelligen Erregungen der inneren Haarzelle.

Periodizitätsanalyse

Der Mechanismus der Ortskodierung führt dazu, dass jede innere Haarzelle samt den nachgeschalteten Abschnitten der Hörbahn verantwortlich für eine charakteristische Frequenz ist. Bei höheren Intensitäten werden jedoch auch Hörnervenfasern mit abweichenden (höheren oder tieferen) Frequenzen erregt. Bei diesen höheren Schallintensitäten kommt ein zweiter Mechanismus der Frequenzanalyse ins Spiel, die Periodizitätsanalyse. Sie beruht darauf, dass die im ersten Neuron der Hörfaser gebildeten Aktionspotenziale im festen Zusammenhang mit der Phase des Rezeptorpotenzials stehen (Abb. 3.41). Diese Phasenkopplung erlaubt dem Gehirn, die Schwingungsfrequenz durch Auswertung des Aktionspotenzialmusters benachbarter Neurone genau zu bestimmen.

Gehör (5)

Funktion der Hörbahn

Die Hörbahn verbindet das Innenohr mit verschiedenen Abschnitten des zentralen Nervensystems (Abb. 3.45). In den Zentren der aufsteigenden Hörbahn werden Schallmuster in der Frequenz und Intensität extrahiert und analysiert. Neuronale Signale erreichen über vier bis sechs Verschaltungen den auditorischen Kortex. Dabei bleibt das Prinzip der Tonotopie erhalten. Viele Neurone in den Projektionsgebieten auditorischer Bahnen haben charakteristische Frequenzen. In jedem Kerngebiet sind die Neurone so angeordnet, dass die charakteristische Frequenz kontinuierlich von tiefen zu hohen Frequenzen variiert. Die Signale der primären auditorischen Neurone werden divergent auf verschiedene Kerne des Hirnstamms verschaltet. Die Neurone aller Hirnstammkerne projizieren oft in die gegenseitige Gehirnhälfte. Diese Verschaltung ermöglicht die Verrechnung der Signale beider Ohren.
Im ventralen Nucleus cochlearis haben die Zellen ein ähnliches Aktionspotenzialmuster wie die Hörnervenfasern. Die Zellen im dorsalen Nucleus cochlearis zeigen dagegen bereits ein komplexeres Antwortverhalten. Anhaltende synaptische Erregung führt dort nur zu einer kurzen initialen Erregung.
Der obere Olivenkernkomplex ist das erste auditorische Kerngebiet, das Eingänge aus beiden Ohren erhält. Es ist für die Schalllokalisierung wichtig. Dabei detektiert die mediale superiore Olive Zeitunterschiede und die laterale superiore Olive Intensitätsunterschiede.
Fasern aus dem dorsalen Nucleus cochlearis der Gegenseite bilden zusammen mit Fasern aus der unteren Olive den Lemniscus lateralis. Ein Teil der Axone endet im Nucleus lemnisci lateralis, die meisten ziehen jedoch direkt in den Colliculus inferior. Praktisch alle parallelen aufsteigenden Bahnen der verschiedenen auditorischen Hirnstammkerne konvergieren hier. Neurone des Colliculus inferior sind wichtig für die Analyse von zeitlichen und räumlichen Mustern. Von dem Colliculus inferior zieht die Hörbahn über das Corpus geniculatum mediale, der als thalamische Schaltstation fungiert, in den primären auditorischen Kortex, der in den Heschl-Querwindungen (Brodmann-Areal 41) lokalisiert ist. Hier und in dem daneben liegenden sekundären auditorischen Kortex (Brodmann-Areal 42) werden komplexe Schallmuster analysiert.

Klinik

Otoakustische Emissionen (OAEs) geben die Bewegung der äußeren Haarzellen wieder. Längenoszillationen äußerer Haarzellen produzieren eine Schallwelle, die über das Mittelohr und Gehörgang nach außen abgestrahlt wird und mittels eines hochempfindlichen Mikrophons gemessen werden kann. Bei dieser Untersuchung werden akustische Emissionen durch einen kurzen Klick stimuliert. Dieser akustische Reiz umfasst den gesamten Frequenzbereich, den das Ohr wahrnehmen kann, und führt damit zur Stimulation der Mehrzahl der äußeren Haarzellen im Corti-Organ. Das Vorliegen von otoakustischen Emissionen zeigt, dass funktionelle äußere Haarzellen vorliegen, ihr Fehlen einen Schaden im kochleären Verstärker. OAEs erlauben, die Hörfähigkeit unabhängig von der Kooperationsfähigkeit des Patienten zu prüfen. Sie kann deshalb auch bei Bewusstlosen oder Kleinkindern angewendet werden. Auch Sedierung, Analgesie oder Relaxation beeinflussen sie nicht maßgeblich. Sie ist von besonderer Bedeutung zur frühen Diagnose kindlicher Hörstörungen. Das ist besonders wichtig, da Hörstörungen die Sprachentwicklung verzögern können. Werden sie nicht rechtzeitig diagnostiziert, können sie die frühkindliche Entwicklung dramatisch beeinträchtigen.

Binaurales Hören zur Schallrichtungsbestimmung

Die Schallrichtung wird durch das Zusammenwirken beider Ohren erkannt (Abb. 3.46). Schräg eintreffende Schallwellen erreichen das eine Ohr später als das andere. Außerdem wird der Schall im abgewandten Ohr leiser gehört. Die beiden Effekte addieren sich und werden in zentralen Abschnitten der Hörbahn verrechnet. Die besondere Form des äußeren Ohrs hilft darüber hinaus bei der Unterscheidung, ob der Schall von vorn oder von hinten bzw. von oben oder von unten kommt.

Pathologie des Hörens

Schwerhörigkeit kann prinzipiell durch zwei verschiedene Mechanismen zustande kommen:
    • Schallleitungsstörung (Mittelohr)

    • Schallwahrnehmungsstörung (Innenohr).

Folgende diagnostische Verfahren erlauben die Unterscheidung zwischen diesen beiden Formen.

Rinne-Versuch

Das Mittelohr ist notwendig, um die Reflexion der Schallwelle am Übergang von der Luft zur Endolymphe zu kompensieren. Setzt man eine Schallquelle direkt auf den Schädel einer Versuchsperson, wird der Schall unter Umgehung des Mittelohrs über den Knochen in das Innenohr übertragen (Knochenleitung). Beim Rinne-Versuch nutzt man die Tatsache aus, dass die Luftleitung effektiver ist als die Knochenleitung. Bei intaktem Mittelohr werden daher noch Töne wahrgenommen, die für die Knochenleitung zu leise sind. Man setzt eine angeschlagene Stimmgabel auf das Mastoid des Patienten. Sobald er den Ton nicht mehr hört, hält man die Stimmgabel vor die Ohrmuschel. Ist das Mittelohr funktionsfähig, wird der Ton wieder gehört („Rinne positiv“), sonst nicht („Rinne negativ“).

Weber-Versuch

Beim Weber-Versuch wird eine Stimmgabel angeschlagen und auf die Mitte des Schädels gesetzt. Der Ton breitet sich über die Knochenleitung unter Umgehung des Mittelohrs zum Innenohr aus. Liegt eine Mittelohrschwerhörigkeit vor, hört der Patient den Ton auf der betroffenen Seite lauter, man sagt, er lateralisiert auf das betroffene Ohr. Die Ursache dafür ist, dass aufgrund der Schallübertragungsstörung weniger Schall über das Mittelohr abgestrahlt wird. Bei einer Innenohrschwerhörigkeit wird dagegen auf das gesunde Ohr lateralisiert.

Audiometrie

Die Audiometrie erlaubt die Quantifizierung von Hörstörungen. In der Regel wird dabei der Schalldruckpegel bestimmt, der noch gerade eben wahrgenommen werden kann (Tonschwellenaudiometrie, Abb. 3.47). Dabei bestimmt man in einem Frequenzbereich zwischen 40 und 12.000 Hz den Schalldruckpegel, der notwendig ist, um wahrgenommen zu werden. Bei Mittelohrschwerhörigkeit (Schallleitungsstörung) ist die Tonschwelle für die Knochenleitung erhalten, für die Luftleitung aber reduziert. Bei der Innenohrschwerhörigkeit (Schallempfindungsstörung) ist sie für beide Leitungen gleich. Dabei gibt man nicht die absoluten Schalldruckpegel an, sondern vergleicht sie mit dem Durchschnitt gesunder Jugendlicher, deren Wert als 0 dB definiert ist.

Klinik

Eines von 1.000 Neugeborenen leidet unter einer angeborenen Schwerhörigkeit. Es sind über 100 Schwerhörigkeits-Gene bekannt, die z. T. auch zu anderen klinischen Defekten führen. Sechs dieser Gene sind physiologisch besonders interessant (Abb. 3.48):

  • Connexin 26 (Cx26) bildet Gap Junctions (Kap. 1.8) zwischen den Stützzellen im Corti-Organ und zwischen Zellen der Stria vascularis. Mutationen in Cx26 verursachen Störungen der Rezirkulationswege für K+-Ionen. Dadurch sinkt das endokochleäre Potenzial; die Folge sind Störungen im Transduktionsprozess.

  • Myosin 7A kommt in den Stereozilien der Haarzellen vor. Mutationen führen zum Usher-Syndrom. Patienten leiden von Geburt an unter Innenohrschwerhörigkeit. In den Haarzellen kommt es zur Dysorganisation und Degeneration von Haarbündeln. Diese morphologische Veränderung beeinträchtigt die mechano-elektrische Transduktion.

  • Prestin ist das Motorprotein in den äußeren Haarzellen (Kap. 3.17). Es erhöht die Sensitivität des Innenohrs und ist nötig zur Frequenzunterscheidung. Mutationen im Prestin führen zu einem Hörverlust von etwa 40 dB und zu einer gestörten Frequenzunterscheidung.

  • Claudin ist ein Tight-Junction-Protein (Kap. 11, Praxisfall). Mutationen verändern die parazelluläre Leitfähigkeit der Epithelien in der Scala media und reduzieren damit das endokochleäre Potenzial.

  • Die Proteine KCNQ1/KCNE1 bilden zusammen den apikalen K+-Kanal in der Stria vascularis. Mutationen in einem der beiden Proteine führen zu einer reduzierten Kaliumsekretion in den Endolymphraum und damit zur Störung der Transduktion in den Haarzellen. Der gleiche Kanal wird auch im Herzen exprimiert und spielt dort eine wichtige Rolle in der Repolarisation von Kardiomyozyten. Deshalb gibt es Patienten, die sowohl unter Arrhythmien als auch unter angeborener Schwerhörigkeit leiden (Jervell-Lange-Nielsen-Syndrom).

  • Barttin ist eine akzessorische Untereinheit eines Chloridkanals. Mutationen in dem verantwortlichen Gen führen nicht nur zu sensorineuraler Taubheit, sondern beeinträchtigen auch die NaCl-Rückresorption in der Niere (Bartter-Syndrom, Praxisfall).

Sprachbildung

An der Sprachbildung sind zwei verschiedene Prozesse beteiligt:
    • Phonation (Stimmbildung) im Kehlkopf

    • Artikulation (Modulation der erzeugten Luftschwingung) im Mund-Rachen-Raum.

Beide Prozesse werden durch das motorische Sprachzentrum im Gehirn gesteuert. Um sprechen zu lernen, muss man hören können (Hör-Sprach-Kreis). Aus diesem Grund führen Hörstörungen bei Kindern zum Ausbleiben der Sprachentwicklung. Deshalb ist eine frühzeitige Therapie und Förderung gehörloser Kinder obligat.

Aufbau des Kehlkopfs

Der Kehlkopf besteht aus einem äußeren Knorpelgerüst, das sich aus dem Ringknorpel, dem Schildknorpel und dem Kehldeckelknorpel zusammensetzt (Abb. 3.49). Die Stimmlippen bestehen aus einem Muskelstrang (M. vocalis) zwischen Stellknorpel und Schildknorpel. Der Muskulatur liegt eine Schleimhaut verschieblich auf. Der Raum zwischen den Stimmlippen wird als Stimmritze (Glottis) bezeichnet.
Die Kehlkopfmuskulatur verändert die Stellung der Kehlkopfknorpel zueinander und modifiziert so die Spannung der Stimmritze. Dafür sind v. a. die intrinsischen Kehlkopfmuskeln verantwortlich. Extrinsische Muskeln verändern die Spannung der Stimmlippen zwar auch, allerdings tun sie dies, indem sie die Stellung des Schildknorpels verändern (Abb. 3.50a).
Beim normalen Atmen werden die Stimmlippen durch den M. cricoarytenoideus posterior (Postikus) auseinandergezogen (Abb. 3.50b). Die anderen intrinsischen Muskeln spannen die Stimmlippen und modulieren so die Frequenz der gebildeten Töne.
Bei der Kehlkopfmuskulatur handelt es sich um quergestreifte Muskulatur, die durch den N. vagus motorisch innerviert wird. Der M. cricothyroideus wird durch den R. externus versorgt, der N. laryngeus recurrens innerviert die gesamte innere Kehlkopfmuskulatur.

Phonation

Die Phonation (Stimmbildung) beginnt mit der Exspiration. Während bei der normalen Exspiration die Stimmritze geöffnet bleibt (Abb. 3.50b), wird zur Phonation die Glottis durch die Mm. arytenoidei, die Mm. cricoarytenoidei laterales und die Mm. thyreoarytenoidei laterales bis zum fast vollständigen Verschluss verengt (Abb. 3.50c). Durch Exspiration wird ein subglottischer Druck auf die geschlossene Stimmritze erzeugt, der auf zwischen 500 und 1.500 Pa ansteigt, bis sich die Stimmritze öffnet und Luft hindurchströmen lässt. Da die Stimmritze die engste Stelle darstellt, ist hier die Strömungsgeschwindigkeit am höchsten. Dies erzeugt einen Unterdruck, der die Stimmritzen wieder zusammendrückt. Dadurch steigt der Exspirationsdruck wieder an und führt zur erneuten Öffnung der Stimmritzen. Die Folge ist ein repetitives Öffnen und Schließen der Stimmritzen, das eine periodische Schwingung erzeugt und so eine Schallwelle generiert. Die Frequenz der Schallwelle lässt sich durch Änderung der Spannung der Stimmlippen modifizieren.

Artikulation

Die durch die Phonation erzeugten Klänge werden im Mund-, Rachen- und Nasenraum moduliert. Im Hohlraum von Mund, Nase und Rachen (sog. Ansatzrohr) bilden sich stehende Wellen aus. Eine stehende Welle hat nicht nur die Grundfrequenz, sondern eine Reihe von Obertönen (Frequenzen, die ein Vielfaches der Grundfrequenz sind). Im Ansatzrohr entsteht dadurch ein Resonanzprozess, der bestimmte Obertöne verstärkt und andere abschwächt. Dadurch verändert sich die Klangfarbe. Durch Bewegung von Zunge, Wangen und Rachenwand werden die Form und damit die Resonanzeigenschaften des Ansatzrohrs verändert.

Vokale und Konsonanten

Sprache besteht aus Vokalen und Konsonanten mit ganz verschiedenen Klangcharakteristika.
Vokale sind Klänge. Jeder Vokal besitzt Obertöne in charakteristischen Frequenzbereichen (a: 900 bis 1.100 Hz, u: 300–500 Hz). Die Frequenzen der Obertöne sind unabhängig von der Frequenz des Grundtons, sodass Vokale gleich erkennbar sind, egal ob sie von einer hohen oder tiefen Stimme stammen.
Konsonanten sind dagegen Geräusche. Veränderungen des Luftstroms im Ansatzrohr erzeugen turbulente Luftströmungen, die ein nicht-periodisches Frequenzspektrum generieren. Dazu ist keine Phonation notwendig. Man unterscheidet Zischlaute (f, s, sch, z, w), Plosivlaute (d, t, b, p, g, k) und Nasallaute (n, m).

Zentralnervöse Kontrolle

Die Kehlkopfmuskulatur wird durch das motorische Sprachzentrum (Broca-Region) im Gyrus praefrontalis kontrolliert. Läsionen in der Broca-Region führen zu einer gestörten Sprachproduktion, die sowohl die gesprochene als auch die geschriebene Sprache betrifft. Die Fähigkeit, eine Melodie zu singen oder einzelne Wörter zu sprechen, bleibt erhalten.

Gleichgewichtssinn (1)

Aufbau des Vestibularorgans

Das Innenohr besteht aus der Kochlea und dem Vestibularorgan, das aufgrund seines verschlungenen Aufbaus auch als Labyrinth bezeichnet wird. Eine äußere Knochenschicht, das knöcherne Labyrinth, umgibt ein mit Endolymphe gefülltes Schlauchsystem, das häutige Labyrinth. Es gibt zwei Makula- oder Otolithenorgane (Utriculus und Sacculus) und drei Bogengangsorgane (Abb. 3.51a). Die drei Bogengänge bilden ringförmige Schläuche, die sich an einer Stelle zur Ampulle verbreitern. In der Ampulle liegt das Sinnesepithel (Crista ampullaris), das zwischen Stützzellen eingebettete Haarzellen trägt (Abb. 3.51c). An der Mündung der drei Bogengänge befinden sich Utriculus und Sacculus mit je einem mit Haarzellen besetzten Makulaorgan (Abb. 3.51b).

Funktion des Vestibularorgans

In den Sinnesepithelien von Utriculus und Sacculus liegt den Haarzellen eine Otolithenmembran auf, in die Calciumcarbonatkristalle von etwa 0,5–10 μm Durchmesser (Otolithen) eingelagert sind (Abb. 3.51b). Otolithen haben eine höhere Dichte als Endolymphe, sodass sich die Otolithenmembran bei linearen Beschleunigungen relativ zum Sinnesepithel bewegt, die Zilien der Sinneszellen abscheren und sich das Membranpotenzial der Haarzellen verändert. Eine derartige Erregung der Sinneszellen in Utriculus und Sacculus erfolgt durch die Erdbeschleunigung bei Neigung des Kopfs oder bei einer linearen Beschleunigung des Kopfs, bei der sich die Otolithenmasse aufgrund ihrer größeren Masse relativ zum Sinnesepithel verschiebt. Die Sinnesepithelien von Utriculus und Sacculus sind so angeordnet, dass bei jeder möglichen Kopfneigung und bei jeder möglichen Beschleunigungsrichtung ein Teil der Sinneszellen erregt wird.
In den Ampullae der Bogengangsorgane liegt eine gallertartige Cupula, in die die Haarbündel der Haarzellen hineinragen. Bei einer Drehbeschleunigung des Kopfs um eine Achse senkrecht zur Bogengangsebene wird die Cupula ausgelenkt. Dies führt zur Abscherung der Sinneshaare und damit zur Erregung der Haarzellen (Abb. 3.51c).
Im Gegensatz zur Otolithenmembran hat die Cupula die gleiche Dichte wie die umgebende Endolymphe. Das physikalische Prinzip, das der Funktion des Bogengangsorgans zugrunde liegt, ist die Trägheit der Endolymphe. Wird der Bogengang durch eine Winkelbeschleunigung in seiner Bewegung geändert, bleibt die Endolymphe aufgrund ihrer Trägheit zurück und verformt die Cupula.

Signaltransduktion und -kodierung

Vestibuläre Haarzellen sind ähnlich aufgebaut wie kochleäre (Kap. 3.15). An ihrer basalen Seite bilden sie glutamaterge Synapsen mit afferenten Nervenfasern. Die Zellkörper der vestibulären Neurone liegen im Ganglion vestibulare; ihre Axone bilden den vestibulären Anteil des N. vestibulocochlearis.
Der adäquate Reiz für vestibuläre Haarzellen ist die Abscherung des Haarbündels (Abb. 3.52). Vestibuläre Haarzellen besitzen im Unterschied zu den kochleären Haarzellen ein Kinozilium. Die Abscherung des Haarbündels in Richtung des Kinoziliums öffnet die Transduktionskanäle und depolarisiert die Zelle. Es entsteht ein Rezeptorpotenzial, das zur Ausschüttung von Glutamat führt. Als Folge steigt die Frequenz der Aktionspotenziale in der afferenten Nervenfaser an (Abb. 3.52). Bereits in Ruhestellung sind Transduktionskanäle in vestibulären Haarzellen geöffnet, sodass auch ohne spezifischen Reiz die afferenten Nervenfasern permanent spontan aktiv sind. Werden die Haarzellen durch Auslenkung der Stereozilien von ihrem Kinozilium weg bewegt, reduziert sich die Aktionspotenzialfrequenz (Abb. 3.52).
Die Endolymphe ist wie in der Kochlea kaliumreich und natriumarm. Es gibt auch im Gleichgewichtsorgan ein spezialisiertes sekretorisches Epithel, das K+-Ionen sezerniert. Allerdings ist das transepitheliale Potenzial mit nur wenigen mV weit weniger ausgeprägt als das endokochleäre Potenzial der Scala media der Kochlea.
Man kann zwei Extremfälle der Sinneswahrnehmung durch die Bogengangorgane unterscheiden: Bei kurz anhaltenden Winkelbeschleunigungen wird die Cupula ausgelenkt und kehrt nach Ende der Beschleunigung wieder in ihre Ausgangsposition zurück. Bei einer längeren Rotationsbewegung geht die Cupula nach Erreichen einer konstanten Winkelgeschwindigkeit wieder in ihre Ausgangsstellung zurück (Abb. 3.53). Beim Abbremsen wird die Cupula aufgrund desselben Prinzips wieder abgelenkt. Die Impulsfrequenz der Bogengangafferenz erhöht sich zunächst durch die Drehbeschleunigung. Während der konstanten Rotation geht sie dann auf einen Minimalwert zurück. Das Abbremsen führt zu einer vorübergehenden Inhibition der Nervenerregung. Diese Inhibition ist ein ähnliches Signal wie bei einer Beschleunigung in Gegenrichtung und wird vom Gehirn als eine solche Rotation interpretiert.

Gleichgewichtssinn (2)

Zentrale vestibuläre Verschaltung

Die Axone des Vestibularnervs projizieren in die ipsilateralen Vestibulariskerne (Abb. 3.54). Jede Nervenfaser der Makula- und der Bogengangafferenzen wird auf verschiedene Vestibulariskerne verschaltet. Die Vestibulariskerne erhalten daneben auch sensorische Eingänge aus visuellen und somatosensorischen Zentren sowie aus dem Kleinhirn (Abb. 3.54, Kap. 5.7). Sie fungieren damit als Integrationskerne für verschiedene Sinneseindrücke. Die Neurone der Vestibulariskerne projizieren zu den Kernen des N. oculomotorius, des N. cochlearis und des N. abducens. Absteigende Bahnen ziehen durch den Tractus vestibulospinalis und reticulospinalis zur Medulla und zum Rückenmark.
Alle Vestibulariskerne projizieren über Moosfasern in das Vestibulozerebellum, das aus Nodulus, Flocculus, Paraflocculus und Uvula besteht (Kap. 5.7). Außerdem gibt es aufsteigende Bahnen über den Thalamus in den Kortex. Jeder Vestibulariskern projiziert dabei auf andere ipsilaterale sowie auf kontralaterale Vestibulariskerne.

Reflexe

Statische und statokinetische Reflexe
Das zentrale vestibuläre System ist Schaltstelle für verschiedene Reflexe, die das Gleichgewicht des Körpers erhalten. Man unterscheidet dabei:
    • Stehreflexe, die die Muskulatur so steuern, dass eine Körperhaltung zuverlässig eingehalten werden kann

    • Stellreflexe zur Wiederherstellung der normalen Körperstellung nach Abweichungen

    • statokinetische Reflexe, die durch Bewegung ausgelöst werden und den Erhalt des Gleichgewichts bei Bewegung gewährleisten.

Die Rezeptorgebiete für statische und statokinetische Reflexe liegen im Gleichgewichtsorgan, in den Muskelspindeln (Kap. 5.4) der Nackenmuskulatur und dem optischen System. Das zentrale Integrationsgebiet liegt in der Formatio reticularis.
Vestibulookuläre Reflexe
Als vestibulookulären Reflex bezeichnet man die kompensatorische Bewegung der Augäpfel bei Bewegung des Kopfs, die dazu beiträgt, das Gesichtsfeld konstant zu halten. Dabei wird die Drehung des Kopfs über die Bogengänge detektiert. Dies initiiert eine unbewusste entgegengesetzte Rotation des Auges. Man unterscheidet:
    • rotationsvestibulookuläre Reflexe: kompensieren Rotationsbewegungen des Kopfs

    • translatorische vestibulookuläre Reflexe: werden durch lineare Bewegungen ausgelöst

    • vertikale vestibulookuläre Reflexe: halten die Augenstellung bei Nickbewegungen konstant.

Nystagmus

Der maximale Drehwinkel einer Rotation des Auges beträgt etwa 20°. Bei jeder darüber hinausgehenden Augenbewegung muss eine schnelle Augenrückholbewegung in die Mittelposition erfolgen. Daraus ergibt sich ein Zickzackmuster aus langsamen Augenbewegungen in Richtung gegen die Kopfdrehung und schnellen Rückholphasen in Richtung der Kopfdrehung, der sog. Nystagmus. Die Richtung der schnellen Phase, die der Drehrichtung des Kopfes entspricht, gibt auch die Richtung des Nystagmus an.
Eine Kopfdrehung in eine Richtung erhöht die Impulsfrequenz des vestibulären Nervs der gleichen Seite, während die Gegenseite inhibiert wird. Reflektorisch kontrahieren die Mm. recti laterales der der Drehung entgegengesetzten Seite. Das verursacht eine Drehung des Augapfels in die Gegenrichtung. Eine spiegelbildliche Verschaltung der horizontalen Bogengangafferenzen der anderen Seite verringert die Muskelaktivität auf der Seite der Drehrichtung.

Klinik

Morbus Menière ist durch anfallsweise einsetzenden Drehschwindel, einseitigen Tinnitus (Ohr- und Kopfgeräusche) und Hörminderung charakterisiert. Die Ursache für diese Symptomatik ist eine gestörte Endolymphresorption. Es kommt zu einem chronischen Endolymphprolaps. Im Anfall führt dieser Prolaps zu einer vorübergehenden Öffnung der Zell-Zell-Kontakte des den Endolymphraum auskleidenden Epithels, sodass sich Endo- und Perilymphe vermischen. Die Folge ist ein Anstieg der Kaliumkonzentration in den Perilymphräumen. Die Haarzellen depolarisieren, und afferente Neurone im N. vestibulocochlearis werden reizunabhängig aktiviert.

Geruchssinn

Der Geruchssinn nimmt Duftstoffe wahr – leicht flüchtige Substanzen, die meist fettlöslich und daher membrangängig sind. Die Geruchsschwellen für einzelne Duftstoffe können sehr unterschiedlich sein: Schwefelwasserstoff, der den Geruch nach faulen Eiern verursacht, wird schon bei der Konzentration von 107 Molekülen pro mL Luft wahrgenommen, dies entspricht einigen wenigen Duftmolekülen pro Sinneszelle. Im Gegensatz dazu wird Geraniol, der Duftstoff von Rosenöl, erst bei einer Konzentration von 1014 Molekülen pro mL Luft wahrgenommen. Der Geruchssinn trägt auch zur Geschmackswahrnehmung bei.

Aufbau des Geruchsorgans

Die Nase ist für die Geruchswahrnehmung verantwortlich (Abb. 3.55a). Die Nasenhöhle wird durch die Nasenscheidewand in zwei Hohlräume unterteilt und steht mit dem oberen Rachenraum in Verbindung. Auf jeder Seite der Nasenscheidewand gibt es drei Nasenmuscheln (Conchae), die die Nasenhöhle in drei Nasengänge teilen.
Die Nasenhöhle ist mit Schleimhaut ausgekleidet. Die Regio respiratoria weist ein Flimmerepithel auf, das der Erwärmung, Anfeuchtung und Reinigung der Atemluft dient. Die eigentliche Riechschleimhaut, die Regio olfactoria, befindet sich in den oberen Nasenmuscheln, der Nasenkuppel und Teilen des Septums. Sie macht nur einen kleinen Anteil der Nasenschleimhaut aus, daher erreichen normalerweise < 10 % der eingeatmeten Duftstoffe die Riechschleimhaut. Schnelle Atembewegungen (Schnüffeln) erhöhen diesen Anteil.

Aufbau der Riechschleimhaut

Die Riechschleimhaut ist ein mehrschichtiges Epithel mit olfaktorischen sensorischen Neuronen (Geruchszellen), Stützzellen und Basalzellen (Abb. 3.55b). Geruchszellen sind primäre Sinneszellen. Sie generieren Aktionspotenziale, die über ein ableitendes Axon weitergeleitet werden. Jede Geruchssinneszelle besitzt am apikalen Pol einen einzelnen Dendriten, der zur Oberfläche des Epithels zieht und dort ein verdicktes Riechknöpfchen bildet. Aus diesem ragen 5–10 Zilien heraus, die auf der Epitheloberfläche miteinander verwoben sind. Die Oberfläche ist von Schleim bedeckt, der Proteine enthält, die Duftstoffe binden und damit die Sensitivität der Riechwahrnehmung erhöhen. Die ableitenden Axone bündeln sich zum Nervus olfactorius (I. Hirnnerv).

Transduktion und Transformation

Der Transduktionsprozess beginnt mit der Bindung des Duftstoffs an einen Rezeptor (Abb. 3.56). Es gibt sehr viele (≈ 350) verschiedene Geruchsrezeptoren. Nach Bindung des Duftstoffs kommt es zur G-Protein-getriggerten Aktivierung der Adenylatcyclase und zur Steigerung der cAMP-Konzentration. cAMP bindet an einen speziellen Ionenkanal, was zur Öffnung dieses Kanals führt. Diese unselektiven Kationenkanäle werden nicht nur durch cAMP, sondern auch durch cGMP aktiviert (ähnlich den cGMP-Kanälen im visuellen System, Kap. 3.9). Das Öffnen dieser Kanäle führt zum Natriumeinstrom und zur Depolarisation der Zelle. Dadurch entsteht ein Rezeptorpotenzial, das in etwa der Duftstoffkonzentration entspricht. Depolarisiert die Zelle über ein bestimmtes Schwellenpotenzial hinaus, werden Aktionspotenziale gebildet, die über die Axone zum Bulbus olfactorius weitergeleitet werden (Abb. 3.56)
Es gibt verschiedene Verstärkungsprozesse in der Geruchswahrnehmung. Da die aktivierte Adenylatcyclase viele cAMP-Moleküle produzieren kann, führt die Aktivierung eines einzelnen Geruchsrezeptors zur Aktivierung vieler cAMP-Kanäle. In den sensorischen Zilien ist die intrazelluläre Chloridkonzentration sehr hoch. cAMP-Kanäle erlauben den Durchtritt von Ca2+, dieses Ca2+ führt zum Ausstrom von Cl über den Ca2+-aktivierte Cl-Kanäle und verstärkt so die Depolarisation der Zelle (Abb. 3.56).

Aufbau der Riechbahn

Die Axone der Geruchssinneszellen verlaufen als Fila olfactoria durch die Siebplatte (Lamina cribrosa), vereinigen sich zum N. olfactorius und enden im Bulbus olfactorius (Abb. 3.55b). Hier finden sich sog. Glomeruli, in denen die Axone des Riechepithels Synapsen mit zwei verschiedenen Typen von Neuronen, den Mitralzellen und den Büschelzellen (oder Pinselzellen), bilden. Mehr als 1.000 Geruchszellen, die alle den gleichen Duftstoffrezeptor aufweisen, sind konvergent auf eine Mitralzelle verschaltet (chemotope Signalprojektion).
Die Axone von Mitral- und Büschelzellen verlassen den Bulbus als Tractus olfactorius und projizieren in fünf Gehirnabschnitte (Abb. 3.57):
    • Nucleus olfactorius anterior, der über die vordere Kommissur zum kontralateralen Bulbus läuft

    • entorhinaler Kortex, von wo Informationen zum Hippocampus weitergeleitet werden

    • piriformer Kortex, wo die Duftdiskrimination stattfindet

    • Kortexgebiete über die Amygdala und von dort zum Hypothalamus und zum Tegmentum, wo emotionale Komponenten verarbeitet werden

    • Tuberculum olfactorium und von dort zu Thalamus und zum orbitofrontalen Kortex.

Geschmackssinn (1)

Der Geschmacksinn prüft die Bekömmlichkeit der Nahrung und steuert reflektorische Vorgänge im oberen Gastrointestinaltrakt (Speichelsekretion, Magensaftsekretion, Würgereflex, Kap. 14).

Geschmacksqualitäten

Fünf Geschmacksqualitäten können unterschieden werden: süß, sauer, salzig, bitter und umami (Fleischgeschmack). Während die Geschmackswahrnehmungen süß und umami mit einer positiven Empfindung verbunden sind, wirken bitter, salzig und sauer als Warnsignale. Die Empfindlichkeit für Geschmacksstoffe lässt sich durch zwei Schwellenwerte beschreiben:
    • die Entdeckungsschwelle, bei der ein Stoff zwar geschmeckt, aber noch nicht identifiziert werden kann

    • die Erkennungsschwelle, ab der der Geschmack identifiziert wird (Tab. 3.5).

Die beiden Schwellen sind für Bitterstoffe am niedrigsten. Dies ist physiologisch sinnvoll, da Giftstoffe oft mit einem Bittergeschmack assoziiert sind. Alle Geschmacksempfindungen adaptieren im Sekunden- bis Minutenbereich.

Aufbau der Geschmacksorgane

Geschmackszellen sind umgewandelte Epithelzellen. Sie besitzen kein ableitendes Axon (sekundäre Sinneszellen), sondern bilden Synapsen mit afferenten Nervenfasern vom III(Aδ)- oder IV(C)-Typ.
Die Geschmacksknospe besteht aus Geschmackszellen, Stützzellen und teilungsfähigen Basalzellen an der Basis der Geschmacksknospe (Abb. 3.58). Die Basalzellen erlauben eine andauernde Regeneration der Geschmackszellen, die nur eine kurze Lebensdauer von 7–10 Tagen haben. Am apikalen Pol der Geschmacksknospe bildet sich eine Vertiefung aus, die Geschmackspore. Hier treten die im Speichel gelösten Geschmacksstoffe in Kontakt mit den spezifischen Sinneszellen. An ihrer apikalen Seite weist jede Geschmackszelle bis zu 50 1–2 μm lange Mikrovilli auf, in denen sich die Rezeptormoleküle für die Geschmacksstoffe befinden.
Mehrere Geschmacksknospen bilden eine Geschmackspapille. Es gibt drei verschiedene Formen von Geschmackspapillen: Papillae vallatae (Wallpapillen), Papillae foliatae (Blätterpapille) und Papillae fungiformes (Pilzpapillen, Abb. 3.58). Geschmackspapillen unterscheiden sich in ihrer Zahl, in der Anzahl ihrer Geschmacksknospen und in ihrem anatomischen Aufbau.
Jede Geschmacksqualität kann prinzipiell an jedem Ort der Zunge wahrgenommen werden, doch ist die Sensitivität in unterschiedlichen Bereichen der Zunge verschieden ausgeprägt (Abb. 3.59). Vier Hirnnerven versorgen die Geschmackszellen mit afferenten Nervenfasern (V, VII, IX und X, s. u.).

Transduktion und Transformation

Die Signaltransduktion findet in der Geschmackszelle statt, die Transformation in einem nachgeschalteten Neuron. Die Transduktion läuft in den Geschmackszellen ab wie in allen anderen Sinneszellen: Ein bestimmtes Signal wird durch Rezeptorzellen wahrgenommen und dann in ein elektrisches Signal (Rezeptorpotenzial) umgewandelt. Die Signaltransduktion ist für die unterschiedlichen Geschmacksqualitäten verschieden (Kap. 3.25).

Zentrale Verschaltung

Die Transformation des Geschmacksreizes erfolgt in den Neuronen der Hirnnerven V (N. trigeminus), VII (N. facialis), IX (N. glossopharyngeus) und X (N. vagus, Abb. 3.59). Diese Geschmacksnerven enden im Nucleus tractus solitarii im Hirnstamm. Sie werden dort auf das 2. Neuron der afferenten Bahnen umgeschaltet, deren Axone im Lemniscus medialis weiterlaufen und sich dann aufteilen. Ein Teil der Fasern projiziert gemeinsam mit Fasern des olfaktorischen Systems (Kap. 3.23) zum Hypothalamus und zu den Amygdala im limbischen System. Man nimmt an, dass diese Projektion die Grundlage für die emotionale Komponente der Geschmacks- und Geruchswahrnehmung ist.
Die Fasern für die bewusste Geschmackswahrnehmung ziehen zum Nucleus ventrobasalis des Thalamus, wo sie auf das 3. Neuron umgeschaltet werden, das zur Großhirnrinde projiziert. Sie enden in den primären Geschmacksfeldern im unteren Gyrus postcentralis, ganz in der Nähe der somatosensorischen Felder der Mundhöhle, im Operculum und in der Insel. Es gibt auch sekundäre Geschmacksfelder im orbitofrontalen Kortex.
Einige Fasern ziehen außerdem zum vegetativen Vaguskern, wo sie einen Teil der Verdauungsreflexbahn bilden.

Geschmackssinn (2)

Transduktion von Geschmacksreizen

Für die Wahrnehmung salzig ist ein epithelialer Natriumkanal (ENaC) verantwortlich, der auch für die Natriumresorption im Gastrointestinaltrakt und im Nephron zuständig ist. Dieser Kanal vermittelt einen passiven Natriumeinstrom in die Sinneszelle. Steigt die Natriumkonzentration im Speichel, strömt auch vermehrt Natrium durch diesen Kanal und die Sinneszelle depolarisiert (Abb. 3.60, Abb. 3.61). Der epitheliale Natriumkanal ist nicht absolut selektiv, er lässt neben Na+ auch andere Ionen passieren. Das ist die Ursache dafür, dass verschiedene Ionen als salzig wahrgenommen werden können. So wird beispielsweise Ammoniumchlorid (NH4Cl) bei gleicher Konzentration als salziger wahrgenommen als Kochsalz.
Eine hohe Protonenkonzentration erzeugt die Wahrnehmung sauer (Abb. 3.60, Abb. 3.61). Zwei Mechanismen sind dabei wichtig:
    • Bestimmte K+-Kanäle werden durch H+ blockiert, dadurch sinkt die relative Kaliumpermeabilität der Zelle und sie depolarisiert.

    • Ein unselektiver Kationenkanal wird durch Protonen aktiviert. Deshalb führt ein H+-Anstieg zum Na+-Einstrom und zur Depolarisation der Zelle. Dieser Kanal wird auch durch das Membranpotenzial und cAMP/cGMP reguliert und ist für die Erregungsbildung im Herzen verantwortlich (Schrittmacherkanal).

Bei der Wahrnehmung der anderen Geschmacksqualitäten spielen definierte Bindungen von chemischen Substanzen an bestimmte Rezeptoren eine Rolle (Abb. 3.61). Es gibt zwei Genfamilien von Geschmacksrezeptoren. Die Familie der T1-Rezeptoren umfasst nur drei Gene (T1R1 bis T1R3), dagegen sind in der T2-Rezeptorfamilie mehr als 20 Gene bekannt. Zwei Untereinheiten bilden einen Rezeptor. Ein Rezeptor, der aus einem T1R2- und einem T1R3-Rezeptor besteht (T1R2-T1R3-Dimer) wird von Süßstoffen und von süß schmeckenden Zuckern aktiviert, während das T1R1-T1R3-Dimer durch die Bindung einer Vielzahl von Aminosäuren aktiviert wird. Der Rezeptor ist am sensitivsten für Glutaminsäuren und damit für den Umami-Geschmack verantwortlich. Bitterstoffe werden durch T2-Rezeptoren wahrgenommen. Die große Anzahl von Genen innerhalb der T2-Rezeptoren-Familie zeigt die evolutionäre Wichtigkeit des Bittergeschmacks. Die Vielfalt von Bitterrezeptoren erlaubt es, eine große Anzahl der chemisch sehr unterschiedlich aufgebauten Bitterstoffe wahrzunehmen. Man nimmt an, dass eine Geschmackszelle mehrere oder sogar alle T2-Rezeptorgene exprimieren kann.
Nach Bindung von Zuckern oder künstlichen Süßstoffen kommt es zu einer Aktivierung der Adenylatcyclase, die Erhöhung der intrazellulären cAMP-Konzentration aktiviert die Proteinkinase, die K+-Kanäle phosphoryliert. Phosphorylierte K+-Kanäle schließen, was zur Depolarisation der Zelle führt. Die T1-T2-Rezeptoren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptormoleküle. Nach Bindung des Geschmacksstoffs an einen spezifischen Rezeptor läuft eine G-Protein-gekoppelte Kaskade ab, die über Phospholipase C (PLC) die IP3-Konzentration erhöht. Die Folge ist die Feisetzung von Ca2+-Ionen aus intrazellulären Speichern. Die initiale Ca2+-Freisetzung aktiviert einen Ca2+-Kanal (TRPM5) in der oberflächlichen Zellmembran, der zur Familie der TRP-Kanäle gehört (Kap. 3.4) und die Zelle depolarisiert (Abb. 3.61).
Geschmackszellen reagieren meist auf mehrere Geschmacksqualitäten (Abb. 3.61). Jede Geschmackszelle hat eine spezifische Rangfolge der Sensitivität für die wahrgenommenen Geschmacksqualitäten. So gibt es beispielsweise Zellen, die stark auf sauer und weniger stark auf salzig oder süß reagieren. Das Gehirn kann durch den Vergleich von Erregungsprofilen verschiedener ableitender Fasern die Konzentration von Geschmacksstoffen aus generalisierten Geschmackszellantworten extrahieren.

Klinik

Man unterscheidet bei den Geschmacksstörungen Hypogeusien mit verminderter Geschmackswahrnehmung, Ageusien, bei denen die Wahrnehmung aller Geschmacksqualitäten verloren ist, und Dysgeusien mit unangenehmen Geschmacksempfindungen ohne adäquaten Reiz.

Die häufigsten Ursachen für Ageusien sind Erkrankungen im Hals-, Nasen- und Ohrenbereich durch Unfälle, Operationen oder Tumoren. Geschmacksstörungen treten auch bei Tumoren im inneren Gehörgang oder im Kleinhirnbrückenwinkel auf. Manche Pharmaka oder Drogen wie Kokain, Penicillin und L-Dopa können ebenfalls die Geschmacksempfindung beeinträchtigen.

Adaptation und Habituation

Das andauernde Vorhandensein bestimmter Geschmacksstoffe reduziert die Geschmacksintensität und erhöht die Schwellenkonzentrationen. Dies kommt durch Adaptation der Geschmackswahrnehmung auf der Ebene der Sinneszelle zustande. Außerdem kann das ZNS langfristig die Geschmackswahrnehmung anpassen (Habituation). Der Zeitverlauf der Adaptation und der Habituation hängt von der Geschmacksqualität und von der Konzentration des Geschmacksstoffs ab. Nach Adaptation kann es bei Bitterstoffen bis zu Stunden dauern, bis die ursprüngliche Empfindlichkeit wiederhergestellt ist.

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