E15 Sensorisches System

Thema

Sinnesorgane wandeln die physikalische Energie der Umwelt – Licht, Schall, Druck, Wärme oder chemische Moleküle – in elektrische Signale um, die vom Nervensystem weitergeleitet werden können. Die Transduktion beginnt in der Membran des Sinnesrezeptors. Dort verändert der Reiz die Öffnung von Ionenkanälen und erzeugt eine elektrische Veränderung, das sogenannte Rezeptorpotenzial. Überschreitet diese Veränderung einen bestimmten Schwellenwert, löst sie Aktionspotenziale im primären sensorischen Neuron aus, und die Information wird an das Nervensystem weitergeleitet.

Der Zusammenhang zwischen physikalischer Intensität und sensorischer Reaktion ist nicht linear. Die Sinne konzentrieren ihre höchste Empfindlichkeit auf die häufigsten Intensitätsbereiche und reagieren relativ schwächer auf dieselbe absolute Zunahme, wenn der Ausgangsreiz bereits intensiv ist. Daher steigt die minimal wahrnehmbare Veränderung annähernd mit der Ausgangsintensität: Um eine Variation bei einem intensiven Reiz zu unterscheiden, ist eine größere Veränderung erforderlich als bei einem schwachen. Dies ermöglicht es, ein breites Spektrum physikalischer Intensitäten in einem handhabbaren Wahrnehmungsbereich zu erfassen. Bei Sinnen wie Sehen und Hören nimmt die Empfindung langsamer zu als die physische Intensität, während beim Schmerz das Gegenteil der Fall sein kann: Die Wahrnehmung steigt bei hohen Intensitäten besonders schnell an.

Die Phototransduktion ist ein Beispiel für eine starke sensorische Verstärkung. In den Stäbchen und Zapfen der Netzhaut aktiviert die Absorption von Licht ein lichtempfindliches Pigment, das eine biochemische Kaskade auslöst. Jede Stufe verstärkt die vorherige: Das Pigment aktiviert zahlreiche Botenstoffe, diese aktivieren Enzyme, und schließlich sinkt die Konzentration eines Moleküls, das für das Offenhalten bestimmter Ionenkanäle notwendig ist. Schließen sich diese Kanäle, ändert sich das Membranpotenzial des Photorezeptors und modifiziert so das Signal, das an nachfolgende Neuronen gesendet wird. Diese Verstärkung ermöglicht es einem Stäbchen, selbst bei der Absorption eines einzigen Photons eine wahrnehmbare Reaktion hervorzurufen. Das Gehör nutzt einen anderen Mechanismus, um mechanische Energie in Nervensignale umzuwandeln. In der Cochlea reagieren verschiedene Punkte der Basilarmembran bevorzugt auf unterschiedliche Frequenzen. Hohe Frequenzen erzeugen ihre maximale Schwingung nahe einem Ende, niedrige Frequenzen nahe dem anderen, wodurch eine geordnete räumliche Frequenzkarte entsteht. Die äußeren Haarzellen verstärken diese Schwingungen aktiv und erhöhen die Selektivität jedes Bereichs, wodurch die Wahrnehmung extrem leiser Töne und die Unterscheidung eng beieinander liegender Frequenzen ermöglicht wird.

Die Rezeptoren passen ihre Empfindlichkeit zudem kontinuierlich durch sensorische Adaptation an. Steigt der durchschnittliche Reizpegel, sinkt ihre Empfindlichkeit, um eine Sättigung zu vermeiden; sinkt er, steigt sie wieder an, um die Fähigkeit zur Wahrnehmung kleiner Variationen aufrechtzuerhalten. Dank dieses Mechanismus funktionieren sensorische Systeme über sehr weite Intensitätsbereiche.

Adaptation erfolgt auf unterschiedlichen Zeitskalen. Beim Sehen findet eine Anpassung teilweise schnell durch Veränderungen der Pupillengröße statt, während andere Mechanismen Minuten benötigen und Veränderungen der Photorezeptorpigmente umfassen. Beim Hören gibt es schnelle Reaktionen auf laute Töne und langsamere Adaptationsprozesse innerhalb der sensorischen Bahnen selbst. Die Kombination schneller und langsamer Mechanismen ermöglicht die Anpassung der Empfindlichkeit sowohl an plötzliche Veränderungen als auch an anhaltende Umweltbedingungen.

In der klinischen Praxis hilft die Untersuchung der Reaktion auf Reize unterschiedlicher Intensität, Veränderungen innerhalb der sensorischen Bahnen zu lokalisieren. Beim Hören bestimmt die Reinton-Audiometrie die untere Hörschwelle für verschiedene Frequenzen. Diese Ergebnisse ermöglichen es uns, zwischen Problemen bei der mechanischen Schallübertragung zur Cochlea und Veränderungen der cochleären Transduktion selbst zu unterscheiden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sensorische Systeme mithilfe spezialisierter Rezeptoren verschiedene Energieformen in elektrische Aktivität umwandeln, extrem schwache Signale verstärken, große Intensitätsbereiche komprimieren und ihre Empfindlichkeit dynamisch anpassen. Dieselben Prinzipien ermöglichen es, mithilfe von sensorischen Tests festzustellen, wo der Transduktionsweg gestört ist, wenn die Wahrnehmung nicht mehr normal funktioniert.

ID:2260