530 R.F. Schmidt: M6glichkeiten und Grenzen der Hautsinne Klin. Wschr.

MSglichkeiten und Grenzen der Hautsimm *

ROBERT F. SCHMIDT

Cutaneous Sense Organs: Tasks and Per/ormance. Summary. This review, presented for a general audience,

summarises the following current topics of sensory physiology and sensory psychology:

(1) It was shown that cutaneous receptors have a selective sensitivity and a specific histology. Examples were given from the author's laboratory dealing with the mechanoreceptors of the cat's foot.

(2) A catalogue of the various cutaneous sensory modalities and qualities in man based on neurophysiological as well as on psychophysical evidence is proposed.

(3) The neural events which may be responsible for the power functions governing subjective magnitude estimates were outlined.

(4) The capacity to transmit information on the intensity of tactile stimuli was evaluated for single receptors and for receptor populations. This capacity is much larger for mye- linated than for unmyelinated afferent units. - - A short comparison is made of the information capacity of cutaneous sensory modalities relative to other sensory modalities.

Zusammen]asxang. In dieser Ubersicht wurden die folgen- den aktuellen Probleme dcr Sinnesphysiologie und -psycho- logie behandelt:

1. An Hand yon Beispielen aus unserem Laboratorium wurde gezeigt, dab die Hautreceptoren eine selektive (spe- zifische) Empfindlichkeit besitzen und dab den verschieden funktionell definierbaren Receptoren definierte histologische Strukturen entsprechen.

2. Eine auf neurophysiologischen und psychophysischen Ergebnissen basierende erweiterte Einteilung der drei ,,klassi- schen" Hautsinne, Tast-, Temperatur- und Schmerzsinn, wird vorgeschlagen.

3. Es wird diskutiert, welche zentralnerv6sen Prozesse fiir den psyehophysiseh gefundenen Zusammenhang zwisehen Reiz- intensit~t und subjektiver Empfindung verantwortlich sind.

4. Abschgtzungen der Kanalkapazit~t fiir die t~bertragung der Intensit~tsinformationen bei meehanischen Hautreizen wurden ffir einzelne Receptoren und ffir Receptorpopulationen durchgeffihrt. Diese Kapazitgt ist bei Receptoren mit myelini- sierten Afferenzen wesentlich gr6Ber als bei solchen mit un- myelinisierten Afferenzen. Die InformationskapazitEt der Hautsinnc wird schliei]lich kurz mit den anderen Sinnes- organen verglichen.

1. Einleitung und Fragestellung Bis beinahe zum Beginn dieses Jahrhunderts galt

das Getast als einer der ffinf Sinne, die uns zur Er- kennung unserer Umwelt zur Verfiigung stehen. Empfindungen der K~lte, W~rme, des Druekes usw. wurden als Submodalit~ten dieses Sinnes , ,Getast" angesehen. Aber etwa ab 1890 wurde klar, dab die Hau l nicht fiberall gleichm/~Big empfindlich ffir atle Reizqualit/£ten ist. Von Frey, Goldscheider und an- dere entdeekten bei Reizung der Hau t mit feinen Objekten, dab sich yon gewissen Punkten der Hau t nur W/irmeempfindungen ausl6sen lieBen, aber keine K~lteempfindungen; andere waren nur auf K/iltereiz empfindlieh oder auf Berfihrung, wieder andere er- gaben nur Schmerz. Von der iibrigen Hautoberflache ]iel]en sieh keine Empfindungen ausl6sen: Die Haut- empfindungen sind also punktfSrmig fiber die H a u t verteilt. Es war dies eine der wichtigsten Erkenntnisse am Beginn der modernen Sinnesphysiologie. Auf der Basis dieser Experimente konnte das Getast leicht in eine Reihe eigenstKndiger Modalit/iten, n/imlich Druek/ Beriihrung, WSrme, Kiilte und Schmerz gegliedert werden.

Wie ein Bliek in die Inhaltsverzeiehnisse contempo- r~rer deutseher Lehrbficher der Physiologie zeigt, ~v~d immer noeh davon ausgegangen, dab der Menseh fiinf ,,Sinne" hat. Die Hautsinne werden dabei als Tell der somato-visceralen Sensibilit~it attfgefaBt, der auBerdem noch die Tiefensensibilitiit und, von manchen Autoren, die Gemeingefiihle Hunger und Durst zugeordnet werden. Allgemein werden K/~lte- und W/irmesinn als Temperatursinn zusammengefaBt und neben die Me- chanorezeption und die Nocieeption gestellt.

Die Histologen beeilen sieh, mit der physiologisehen Entwicklung Sehritt zn halten. Die corpusculiirenEn. digungen yon Paeh~i, Ruffini, Meissner und Krause und die MerkeIzellen wurden etwa gleichzeitig be- schrieben und zum Tell mit viel Enthusiasmus, aber

* Vortrag auf der 106. Versammlung deutscher Natur- forscher und Arzte, Diisseldorf 1970.

Klin. ~Vschr. 49, 530--540 (1971)

wesentlieh weniger experimenteller Evidenz, bestimm- ten Modalit4ten zugesehrieben. Merkel nannte selbst, seine Zellen Tastzellen, auch die Meissnersehen K6r- perehen warden dem Tastsinn zugeordnet, die Ruffini- schen der W/~rme und die Krauseschen der K/~lte. Die zahlreichen freien Nervenendigungen wurden ffir die Sehmerzempfindung verantwortlieh gemacht.

Johannes Mfiller hatte schon um 1840 postuliert, dab jedes Sinnesorgan nicht nur ffir eine bestimm~e Reizqualit/~t eine besonders niedere Sehwelle hat, den ad/iquaten Reiz, sondern aueh, dab ein anderer Reiz hoher Intensitgt immer nut die Empfindung des ad- ~quaten Reizes ausl6st: sein sogenanntes ,,Gesetz der spezifisehen Sinnesenergien". Nach den oben geschil- der~en Erkenntnissen schien dieses Gesetz nicht nur ffir Auge und Ohr, Gerueh und Geschmack, sondern aueh fiir die Modali~/iten der Hau t zuzutreffen. Es sieht also zu Beginn dieses Jahrhunderts so aus, als ob jede Hautmodal i t~t spezielle Endigungen mit eigener afferenter Versorgnng und getrennter zentraler Pro- jektion besitzt.

Die moderne Physiologic der Hautsinne hat sich insbesondere drei Fragestellungen zugewand~: (a) mit objektiven, mikrophysiologischen Methoden das Kon- zept spezifiseher Sinneskanale zu best~tigen oder zu widerlegen; (b) die Umwandlung peripherer Reize in subjektive Empfindungen quanti tat iv zu messen (Pro- blem der psyehophysischen Korrelation) und (e)die (~bertragungskapazit/~t der Hautsinne mit kyberne- tischen Methoden festzulegen. Wir werden uns, in dieser Reihenfolge, diesen drei Aspekten der Haut- sinnesphysiologie zuwenden und dabei, soweit yore neurophysiologisehen Bliekwinkel aus m6glieh, die MSglichkeiten nnd Grenzen der Hautsinne ausloten.

2. Das Konzept spezi/ischer Hautsinne Spezi/it~itstheorie und Mustertheorie. Die Abb. 1

zeigt schematisch das Konzept der Spezifit~tstheorie: Ffir j ede Sinnesmodalit~t steht ein eigener Receptortyp zur Verffigung, der bei ad~quater Reizung fiber die

49. Jg., Heft 9, 1971 R.F. Schmidt: M6glichkeiten und Grenzen der ttautsinne 531

ihm zugehSrige a.fferente Nervenfa.ser eine entspre- ehende Salve yon Impulsen nach zentral sender und dort, unter a.nderem, eine entsprechende Empfindung ausl6st. Die Frequenz der in den a.fferenten Nerven- fasern nach zentral laufenden Impulse (Aktionspoten- time) signalisiert da.bei die Intensit/~t des Reizes. Wie oben gezeigt, st/itzten die zu Beginn dieses Jahrhun- derts vorliegenden physiologisehen, histologisehen und psychologisehen Befunde diese Vorstellung yon der Arbeitsweise der Hautslnne. Abet etwa ab Mitre der 20er Ja.hre fanden sieh zahlreiehe Diskrepanzen zwi- sehen der nunmehr klassisehen Theorie und neueren Befunden. Ich erw~hne als Beispiel die Cornea. Sic ist sicher beriihrungs- und schmcrzempfindlieh, aber Wed- dell fa.nd in ihr nur freie Nervenendigungen und konnte obendrein wahrscheinlich machen, dab die Krause- sehen Endkolben in der Conjunctiva Nervenendforma- tionen sind, die sieh nut bei $.tteren Personen hgufiger finden und yon regenerierenden Nervenfasern a.b- stammen.

Es folgte, dab die geordnete Spezifit/it der gecep- toren und ihrer affcrenten Kan/ile ernstlieh in Zweifel gezogen und yon versehiedener Seite dureh die tIypo- these ersetzt wurde, dab einerseits kein Zusammenhang zwischen der morphologischcn Form eines Receptors und seiner Funktion bestehe und andererseits, und dies wa.r der noch sehwerwiegendere Wandel, dab ftir die einzelncn Heutmoda.lit/~ten keineswegs streng spe- zifische Sinneskan&le best/~nden, sondern die gleichen Receptoren in Abhgngigkeit yon den guBeren Reizen mit bestimmten Impulsmustern a.ntworten und da.B des Zentralnervensystem aus diesen Impulsmustern die Reizqualit/~t deeodiere. Insbesondere fiir die Sehmerzempfindung ist bis in die Gegenwart immer wieder geltend gemacht worden, dab sie nieht durch die isolierte Erregung spezifiseher Schmerzsinnes- kanfile, sondern dureh die intensive Reizung versehie- denster Afferenzen zustande komme, aus deren gleich- zeitiger und starker Aktivicrung die Information ,,Sehmerz" abgeleitet werde. Abb. 2 faBt in schema- fischer Form die Arbeitsweise eines Hautreceptors naeh der Mustertheorie zusa.mmen: Die untersehied- lichen Hautreize (Druek, K/~lte, Schmerz) fiihren zu unterschiedlichen Mustern (Gruppierungen) der affe- renten Impulssa.lven, die vom zentra.len Detektor ent- sprechend decodiert werden k6rmen.

Es gibt eine Reihe theoretischer Einw/~nde gcgen die Mustertheorie, aber die entscheidendcn Einw/~nde kommen aus den experimentellen Befunden, n/tmlich aus dem fast vSlligen FeMen unterstiitzender Befunde fiir die Mus~rtheorie und der wa.ehsendcn Zahl yon Ergebnissen, die ffir die Spezifit/itstheorie sprechen. Wie wit im folgenden an Hand der Mechanoperzeption etwas eingehender sehen werden, liegt hier also die Wahrheit nieht in der Mitre, sondern welt in Richtung der Ansichten und Hypothesen der alten Physiologen und I~stologen, und zwar in zweierlei Hinsicht: ein- real scheint jede Hautsinnesmoda.lit/it, physiologisch gesehen, spezifische Receptoren mit eigener zentraler Projektion zu besitzen und zum zweiten gibt es an- seheinend eindeutige Beziehungen zwischen der histo- logischen Struktur eines Receptors und seiner Funktion.

S,pezi/it~it und Au]gaben cutaner Mechanoreceptoren. In Heidelberg ha.ben wir uns in den letzten Jahren insbesondere mit den Gesetzm&Bigkeiten befaBt, die der Umwandlung meeha.niseher Reize in afferente

Spezifit6tstheorie (schematisch)

Druckreiz ~ . IIit111111t

\Afferenzen

K@ereiz x

Schmerzr,,z / lllllllllll Abb. 1. Schematische Darstellung der Umwandlung yon Haut- reizen in afferente Impulssalven durch spezifische (selektiv empfindliehe) Hautreceptoren. Weitere Besprechung im Text

Mustertheorie (schem@sch)

Dru__ckreiz

K@ereiz.

Schmerzreiz.

11 tl II tl II

I I I I I I I I I

1111 IIII IIII IIII

c-~

:::::3"

N CO

Abb. 2. Sehematische Darstellung der Umwandlung yon tIaut- reizen in afferente Impulssalven durch unspezifische Haut- receptoren. In AbNingigkeit yon der Natur des peripheren geizes sender der Receptor untersehiedliche Impulsmuster aus,

in denen die Natur der geize verschliisselt ist

[ 2 o o . v

5 msec

mech. stim. (~

receptor Abb. 3. Versuchsanordnung zur Bestimmung der Eigenschaften einzelner Mechanoreeeptoren der Fugsohle der Katze. Die OriginMregistriernng zeigt ein extraeellul~.r yon der MeB- elektrode b abgeleitetes AktionspotentiM in einem dfinnen Nervcrffaserfilament nach Schwellenreizung eines Hautrecep- tors mit dem meehanischen Reizgergt a, einem piezoelektrischen

KristM1. (Modifiziert yon Schmidt et el., 1967)

Impulse zugrunde liegcn. Aus einer Reihe yon theore- tischen und praktischen Gr/inden wurden die meisten Experimente an den Zehenballen, insbesonderc dem zentralen Gehballen der Katze, durchgeffihrt. Ein Schema des yon uns benutzten Versuchsaufbaus zur elektrophysiologisehen Registrierung der Impulsakti- vit/~t einzelner eutaner Reeeptoren zeigt Abb. 3.

532 P,. F. Schmidt: MSglict~eiten und Grenzen der Hautsinne Klin. Wschr.

displacement- detector

A /mp/s

J j 1].. '°° I

JIIIlIIIlIIlHI . . . . . . . ,o

BIIIII ~

, ~ II Jl @111

!

o 995g 525g 155g

o o

imp/s

100,

B C

25s

5s 10s

30s

Is o 20 s 20 /o ' .... I00 g 10'00

tim e S - So Abb. 4. Antwortverhalten eines SA-Receptors auf Reize konstanter Kraft. Die Originalregistrierungen in A zeigen die vom Receptor erzeugten Impulssalven bei einer Reizung (yon oben nach unten) mit 10, 30 und 60 g. Die unterste Kurve gibt den Zeitverlauf der I-Iautreizung wieder. B Zeitverlauf der Receptorentladungen (Ordinate in Impulse/Sekunde, logari~hmischer Mal~stab) w~thrend dreier Reize yon 40 sec Dauer (Abszisse) mit den dutch die Symbole im Bild angegebenen Reizinten- si~ten. C :Die Beziehung zwischen Reizst~rke (Abszisse) und Receptorentladung (Ordinate) zu verschiedenen Zeiten na.ch Reizbeginn. Beide Mal]st/~be sind Iogarithmisch. Die Schwetlem~ize zu jedem I~eizzeitpunkt wurden yon den applizierten Rcizen abgezogen (S--So). Jeder Punkt in B und C ist der Durchschnittswert aus 10 Einzelmessungen (B, C aus J~nig et al.,

1968)

I I ~I~ i l l l l ! l If!

J / / ]

velocffy-detedor ~ , 0.5sec ~

no. of impulses 12

[ (p/msec)

o ' i ' ~ ' ~ ' ~ displocement vetocity

no. of impulses ZO

lo C .~ " 7

0

(p/msec) o'.z o:5 i i ~ t'o

displacement veiocity

Abb. 5. Antwortverhalten eines RA-Receptors auf mechanische Hautreize untersehiedlicher Anstiegsgeschwindigkeit (rampen- fSrmige Reizc). A zeigt Originalregistrierungen bei drei unterschiedlich steilen Rampenreizen gleieher Dauer. B, C Die Beziehung zwischen Eindruckgesehwindigkeit (Abszisse in ~/msec) und Antwortverhal~en des Receptors (Ordinate, Zahl der Impulse pro Reiz) dargestellt mit linearen (B) und logarittnnischen l~IaBstaben (C). Der Sehwellenreiz yon 1,6 F/reset ist yon

den in C gezeigten Werten abgezogen. (Zimmermann, unverSffentlicht)

Eine Reihe von P a r a m e t e r n eines mechanischen Haut re izes , wie Intensit/~t, Geschwindigkei t , Beschleu- nigung, Dauer , R ich tung und Ort des Reizes s ind ffir

den Organismus wichtig. Es h a t sich herausgestel l t , da6 die Gehbal ten der K a t z e drei T y p e n yon Mecha.no- receptoren en tha l ten , die yon schnel le i tenden affe-

49. Jg., Heft 9, 1971 t%. F. Schmidt: MSglichkeiten und Grenzen der Ilautsinne 533

acceleration-detector

A

_c

'~o~i B

55Hz

D

threshold E ~1: 0 0

20

10

5 4 3

2

t

0.~

?

frequency

_ 25 5'o 2bo 4bo . . Abb. 6. Antwortverhalten yon PC-Reeeptoren. A--D Antworten eines PC-Receptors auf meehanisehe reehteekige Reize unterschiedlieher St~rke (A, B) und auf mechanisehe Sinusreize yon 55 und 110 Hz (C, D). Die Sinusreize sind in ihrer Amplitude gerade iibersehwellig fiir 1 : 1-Antworten des Receptors. Die Eiehungen gelten ffir alle Registrierungen (Zimmermann, unverSffentlicht). E Schwellen (Ordinate) dreier PC-Receptoren in Abhgngigkeit yon der Frequenz (Abszisse) mechaniseher

Sinusreize. Die Reize wurden am 0rt maximaler Empfindlichkeit jedes Receptors appliziert. Beide N[al~st~be sind logarithmiseh. (Aus Ji~nig et al., 1968)

renten Fasern (Gruppe II-Fasern) versorgt werden und spezifisch die ersten drei der erw/~hnten t~eizparameter iibertragen. Die langsam adaptierenden geceptoren (slowly adapting receptors = SA-Receptoren) sind besonders auf die Intensit/~t eines mechanisehen Reizes empfindlieh. Wie in den Originalregistrierungen (A) und der graphischen Auswertung (B) dsr Abb. 4 zu sehen, entladen diese Reeeptoren mit siner Impulsffequenz, die w/~hrend der gesamten geizdauer proportional der I%eizintensitgt ist, wobei die Receptoren allerdings langsam auf den Reiz adaptieren. Analysiert man die Beziehung zwischen Reizintensitat und Impulsfre- quenz, so zeigt sich (Abb. 4C), dab in einem doppelt logarithmisehen Koordinatensystem die Beziehung zwisehen Reizintensitat (Abszisse) und Impnlsffequenz (Ordinate) zu allen Zeitsn nach Beginn des Reizes linear ist: Dies weist darauf bin, dab diese Beziehung einer Potenzfunktion der Form Impuls/requenz gleich Reizintensit~it n folgt, wobei in unssren Experimenten n immer kleiner als 1 war. Funktionell gesehen dienen diese l%eeeptoren wahrscheinlieh als Intensitiitsdetek- toren (displacement detectors), d.h. sic messen die St~rke crier Eindruektiefs eines msehanischen Haut- reizes. Gleiehzeitig, da sis aueh nash langer Zeit nieht vollkommen adaptieren, geben sie aush die Dauer eines Druckreizes an.

Die zweite Gruppe yon Meehanoreeeptoren in den GehbMlen der Katze zeigt nie Spontanaktivitgt und adaptiert innerhalb yon 50--500 msee vollkommen auf einen reehteckigen mechanischen Reiz. Wir haben sic daher als raseh adaptisrends (rapidly adapting = ) RA- Reeeptoren bezeichnet. Untersueht man abet die Antworten dieser Reeeptoren auf mechanische I~eize konstanter Gesehwindigkeit (rampenf6rmige Reize), so stellt sieh heraus (Abb. 5), dab die Zahl dsr Impulse zunimmt, wsnn die Steilheit der Rampe zunimmt, wghrend die Reeeptoren w/~hrend der Plateauphase des I~eizes fiberhaupt nieht enfladen. Wie die doppel- logarithmisehe Auswertung in C am deutliehsten zeigt, ist dieser Receptor besonders geeignet, die Gesehwin-

digkeit der Hautindentation (also die erste Ableitung naeh der Zeit) zu fibertragen, wobei wiederum die Beziehung zwisehen Impulslrequenz und Gesehwhldig- keit des Reizes dureh eine Potenzfunktion besehrieben werden kann. Diese Reeeptoren kSnnen als Ge- schwindigkeitsdetel~toren (velocity-detectors) bezeiehnet werden.

Die dritte Gruppe yon Mechanoreeeptoren, die yon den Gehballen aus erregt werden k5nnen, sind die Paeini-KSrperchen des subeutanen Fettgewebes (PC- Reeeptoren). Von diesen Reeeptoren ist bekannt, dab sic Vibrationsreizen aueh hoher Frequenz leicht folgen k6nnen. Die Eigenschaften der PC-Reeeptoren kSnnen mit sinusfSrmiger Reizung untersueht werden. Abb. 6 C und D zsigt, dab die Reesptoren einer solehen geizung 1:1 folgen, d.h. fiir jede Sinusperiode wird ein Impuls nach zentral gesandt. In 6E ist die Abh/ingigkeit der Sinusamplitude (Ordinate) yon der Reizfrequenz lAb- szisse) ffir einen 1 :l-Reizeffolg bsi drei versehiedensn PC-Reeeptoren aufgetragen. Ansteigen der Reiz- frequenz von 30 t tz aul 200 Hz lggt die Schwellen steil abfallen, und zwar betr/~gt in der doppellogarith- misehen Auftragung in 6E die Steilhei~ der Kurvsn etwa --2 ffir die Beziehung zwisehen Sehwelle und Reizffequenz. Wir kSnnen daher diese Beziehung zwisehen Sehwellenamplitude N T und Frequenz / als S T = cons t . . / -2 sehreiben, was anzeigt, dab der ad- /iquate geiz der PC-Receptorsn die 2. Ableitung der tIautindentation naeh der Zeit, Mso die Beschleunigung des Reizes ist. Wit kSnnen die PC-Receptoren also als Beschleunigungsdetel~toren (acceleration detectors) bezeichnen. Bei Sinusfrequenzen fiber 200 IIz steigt die Schwelle der PC-Receptoren wieder an. Eine Reihe yon Faktoren sind wahrscheinlich ffir diesen Anstieg ver- antwortlich, auf die hier jetzt nicht eingegangen wird.

Die Schwellen der SA-Receptoren fiir kurze rechteekige mechanische Hautreize lagen zwischen 5 ~ und mehr als 30 (Abb. 7, offene Quadrate). Etwa die tt~lfte der Receptoren hatten Schwellen unter 20 ~ und 85% hatte Schwellen unter 30 ~. Die rezeptiven Felder waren klein: Ein Reiz doppelter Schwellenstgrke konnte nur yon ehlem etwa 3 mm z groBen

534 R.F. Sehmidt: MSglichkeiten und Orenzen der ttautsinne Klin. Wschr.

o PC(5~ • RA (26) I cumutotive

probability D SA (46) I

100 ~ . . . .

%

50

t d 0~ 5 1'0 15 Z0 2.5 p

Abb. 7. Sohwellenverteilung yon Meehanoreeep~oren der I~tzenfuBsohle. Abszisse: Sehwelle yon PC-(O), RA- (111) und SA- ([3) Reeeptoren auf rechteekige meehanisehe Hautreize mit einer Anstiegszeit yon 1 msec und einer Dauer yon 2 msec. Ordinate: kumutative H~ufigkeitsverteilung (in Prozent der in der Abbildung reehts oben angegebenen Populationen) der am Ort grSt3ter Empfindiichkeit gefundenen Schwe]len (unver- 5ffentlieht unter Einsehlul3 der yon Jgnig etaI., (1968),

angegebenen Werte)

Die Schwelle der RA-Receptoren fiir kurze, rechteckige mechanisehe Hautreize ist im Durehsehnitt etwas niedriger als die der SA-Reeeptoren: Sie reichen yon 3 ~ bis etwa 20 F, wobei die meisten Receptoren Sehwellen zwischen 3 und 12 haben (dunkle Quadrate in Abb. 7). Ihre rezeptiven Felder waren auch etwas grSBer, besonders die Areale gr56ter Emp- findliehkeit. Die Leitungsgesehwindigkeiten der afferenten F~sern iiberlappen sich weitgehend mit denen der SA-Recep- t~ren, wenn sie auch im Sehnitt etwas hSher liegen (offene Kreise in Abb. 8B)

Die meehanischen Reizschwellen der PC-Receptoren shad extrem niedrig (Abb. 6A), und sie enfladen nur einen einzigen Impuls auch bei tiberschwelliger rechteekiger Reizung (Abb. 6B), Wie die Kreise in Abb. 7 zeigen, tiegen die Sehwellen der PC-Reeeptoren meist unter 4 ~, die H~lfte der Receptoren unserer Population hatten sogar Sehwellen unter 0,8 [z. Die rezeptiven Felder sind groB, ein Reiz doppelter Schwellenst~rke konnte im Durchsehnitt yon einem 15 mm ~ gro6en Areal eine Erregung auslSsen (w~hrend es bei SA-Receptoren nur 3 mm 2 waren). Die Leitungsgeschwindigkeiten der afferenten Fasern der PC-Reeeptoren (Dreieeke in Abb. 8) fiberlappen sich mit denen der SA- und RA-Reeeptoren, sind aber im Durehsehnitt noch etwas hSher ~ls die der RA-Receptoren.

Vergleiehende physiologische und hist~logisehe Unter- suchungen der afferenten Innervation des Gehballens (Abb. 8) zeigten, dal3 wahrseheinlich a.lle zur Haut des zentralen Geh- batlens ziehenden myelinisierten Fasern der Gruppe I I (Durch-

number

150

100

513

A _ _ fibre diometer

] _ _ conduction velocity

number

cumulative probobility B 100

%

5C

@

@

lb

- - o on:O-~r- --0-0 • []

• o o •~'~o o

o • o OA o

• oO2 ̀ @ o

121 • 130 ~000 &&

i0 o p%° % ," • 30 40 5b 6b m/s io conduction velocity

Abb. 8. Verteilung der Durchmesser und der Leitungsgesehwindigkeiten der Gruppe II- und Gruppe III-afferenten Fasern des zentrMen Gehballens der Katze. A Histogramm der Durehmesser der afferenten Fasern, die die Haut des Gehballens innervieren (dieke Umril~linie, linke Ordinate). Durchsehnittswerte aus drei Untersuehungen mit insgesamt 747 Fasern. Das sehraffierte Histogramm mit diinner UmriBlinie (rechte Ordinate) zeigt die erreehnete Durehmesserverteilung der afferenten Fasern yon 86 Meehanoreeeptoren (modifiziert aus JKnig, 1971 a). ]3 Die Beziehung zwisehen Leitungsgesehwindig- keit (Abszisse) und t~eceptortyp bei Mechanoreeeptoren der KatzenfuBsohle (kumulative Hgufigkeitsverteilung). Der Schliissel fiir die einzelnen Symbole und der Umfang der ]eweils benutzten Population ist in der Abbildung angegebem

I-IT sind hoehsehwetlige Meehanoreeeptoren mit Gruppe III-afferenten Fasern. (J~nig und Weller, unverSffent, lieht)

Feld eine Erregang ausl6sen. Et, wa. die HKlfte der SA-Reeep- toren zeigte eine niedrige Spontanaktivit~t (0,1--2,5 Hz). Die Leitungsgesehwindigkeit der afferenten Fasern der SA-Reeep- toren liegt zwisehen 30 und 65 m/see mit einem Mittelwer~ yon etwa 45 m/see (Abb. 8B, Quadrate).

messer 6--12 ~z, Leitungsgesehwindigkeit 30--70 m/see) ent- weder RA- oder SA-Reeeptoren sind, w0bei der Gehbatlen etwa 150 SA- und 100 RA-Receptoren enth~lt. Die Zahl der PC-Reeeptoren im subeutanen Fettgewebe ist sehwer abzu- seh~tzen, als Anhalt kann dienen, dab ein 5 ~-Reiz der Geh-

49. Jg., Heft 9, 1971 R.F. Schmidt: Mfglichkeiten und Grenzen der Itautsinne 535

ballenmitte etwa. 20 PC-Receptoren, ein 10 iz-Reiz etwa 40 PC- Receptoren und ein 30 ~-~eiz zwischen 50 und 1O0 PC-Recep- toren erregt.. Die Haut des Gehballens wird auSerdem yon eiuer groSen Zahl yon dfinnen myelinisierten Fasern (Dureh- messer 1--6 ~) innerviert, deren Funktion noch weitgehend unbekannt ist. Ein Tell davon innerviert wahrscheinlich hoch- schwellige Meehanoreceptoren (HT-Receptoren in Abb. 8), andere mSgen Thermoreeeptoren oder Nozireeeptoren inner- vieren. (Fiir Einzelheiten und Literatur s. Boyd u. Davey, 1969; J~nig et al., 1968; Schmidt, 1969.)

Histologische Struktur und Receptor/unktion. Es wurde eben schon erw~hnt, dab die PC-Receptoren Pacini-K6rperchen sind. Dieser Schlul~ stfitzt sich auf den Befund, dait sich histologisch zahlreiche Paeini- K6rperchen im subcutanen Fettgewebe des Zehen- ballens finden und auf einen Vergleich der Receptor- charakteristika unserer PC-Receptoren mit denen iso- lierter Pacini-K6rperchen sowohl in vivo als in vitro. Diese Charakteristika sind absotut identisch. Da MIe die Haut des Gehballens innervierenden Gruppe II- Fasern entweder in SA- oder RA-Receptoren enden, haben wir kombinierte physiologische und lichtmikro- skopische Untersuchungen durchgeffihrt, um fest- zustellen, ob den unterschiedlichen physiologischen Charakteristika der Receptoren unterschiedliche histo- logisehe Substrate entsprechen. Es stellte sich heraus, dab die Gruppe II-afferenten Fasern zwei Typen yon Endformationen innervieren. Die Mikrofotografie in Abb. 9A und die Rekonstruktionen in Abb. 9B zeigen, daft sieh in den Papillen des Ceriums sehlingen- und keulenffrmige Endstrukturen linden, die, wie die Mikrofotografie zeigt, yon einer einzelnen Zellsehieht hiillenartig umgeben sind. In ffinf yon neun verglei- ehenden Experimenten land sich nur dieser Typ yon Endstruktur unter den Tusehemarkierungen yon RA- Reeeptoren. ~¥ir nehmen daher an, dab diese Receptor- strukturen das histologisehe Substrat der RA-Recep- toren sind. Sic entspreehen mindestens zum Tell den Endformationen, die yon Krause (1860), l%uffini (1905), Winkelmann (1957, 1958) und Malinovsky (1966) be- sehrieben wurden.

Der zweite Typ von Gruppe II-innervierten ner- vSsen Ends¢rukturen sind die Merkelzellen in den Epithelzapfen (Pfefle in Abb. 9C). Ihre erste Besehrei- bung in den FuBsohlen der Katzen verdanken wir Ruffini (1905). Die Merkelzellen liegen in den tiefsten Zellsehiehten der Epidermis. Sie sind deutlieh grfBer als die Epithelzellen selbst. Die afferenten Fasern zweigen sich am Rande der Epidermis in zahlreiehe feine Kollateralen auf, die in die Merkelzellen eintreten und dort mit scheiben- and knollenartigen Ver- diekungen im Plasma enden. Eine Gruppe II-Nerven- fasern innerviert bis zu 30 und mehr Muskelzellen (Abb. 9D). In seehs yon neun vergleiehenden Ver- suchen zeigten die histologischen Schnitte physio- logisch identifizierter SA-Receptoren nur Merkelzellen unter den Tuschemarkierungen. Vc'ir nehmen daher an, dab die Merkelzellen das histologisehe Substrat der SA-Reeeptoren sind (Einzelheiten und ausfiihrliche Literatur bei J~nig, ]971a, b).

Diese kurze und stark vereinfaehte Beschreibung sell lediglieh zeigen, dal] selbst innerhalb einer Haut- sinnesmodalit~t, hier dem Tastsinn, den physiologisch unterscheidbaren Reeeptoren unterschiedliche histo- logische Strukturen zugrunde liegen. Aber aueh dort, we bisher liehtmikroskopisehe Untersuehungen keine histologisehen Differenzierungen aufzeigten, bedeutet

dies keinesweg s das Fehlen einer funktionellen Spe- zi~it./~t. Die Spezifit/£t ist in diesen Fallen wab~schein- lich an Differenzierungen molekularer Strukturen gebunden, die der lieht- und eventuell auch der elek- tronenmikroskopisehen Beobaehtung nieht zuganglich sind.

3. Die Hautsinne des Menschen Untersuchungen wie ich sic beispielsweise fiir die

Mechanoperzeption an der FuBsohle der Xatze ge- schildert habe, werden derzeit in ~hnlicher Form auch ffir andere Hautsinnesmodalitaten und an anderen Species, auch am Mensehen, durchgeffihrt. Soweit bis- her Ergebnisse bekannt wurden, stiitzen diese die Hypothese getrennter Sinneskan/~le ffir jede Modalit~t (Spezifit/itstheorie). Wie Abb. 10 zeigt, lassen sieh die drei ,klassischen" Hautsinnesmodalit/iten Tastsinn, Temperatursinn und Sehmerzsinn in eine Reihe eigen- standiger Submodalit/~ten oder Qualit/£ten gliedern, yon denen wir annehmen miissen, dab sie fiber funk- tionell und histologisch differenzierbare Receptor- systeme und getrennte zentripetale Projektion verfiigen.

Wie wir gesehen haben, lassen sich beim Tastsinn Reeeptoren fiir die Ubermittlung yon Druek-, Be- riihrungs- und Vibrationsreizen naehweisen. Unklar ist die Situation beim Kitzel, der durch ]eiehte Be- rfihrungsreize hervorgerufen wird. Vielleieht sind Me- chanoreceptoren mit afferenten C-Fasern ffir die Uber- mittlung der Kitzelreize verantwortlich. Solche Recep- toren haben zum Tell sehr niedrige Sehwe]len ffir meehanische Reize und antworten mit Impulssalven, die den Reiz oft fiberdauern. Es ist auffallend, dab die Kitzelempfind]iohkeit beimMenschen sehr untersehied- lieh ausgepr~gt ist und dab es vielen Menschen nicht mfglich ist, sieh selbst zu kitzeln.

Beim Temperatursinn sind Kalt- und Warmpunkte in unterschiedlicher und wechselnder Dichte auf der Haut verteflt. Alle modernen Nach- und Folgeunter- suehungen dieses alten Befundes besti~tigen, dab es spezifisehe Kalt- und Warmreceptoren gibt, wobei die Warmreceptbren anseheinend tiefer unter der t taut- oberf]/~che liegen als die Kaltreeeptoren. Beim Men- schen seheinen die Kaltreeeptoren dieht unter der Epidermis zu tiegen, wi~hrend die Warmreceptoren sich mehr in den oberen und mittleren Schichten des Ceriums finden. Die neurophysiologischen Grundlagen der Hitzeempfindung sind noch unklar. Psycho- physische Versuche legen nahe, dab die IIitzeempfin- dung bei gleiehzeitiger Erregung yon Warm- und Schmerzreceptoren oder von Warm- und Kaltreeep- toren, oder yon Warm-, Kalt- und Schmerzreeeptoren zustande kommt. Die Kaltreceptoren, die oberhalb 38--40°C stumm sind, entladen wieder bei Tempera- turen >45°C. Diese Entladungen ffihren zu den paradoxen Kaltempfindungen und tragen unter spe- zielIen Umst/inden aueh zur IIitzeempfindung bei. Neurophysiologiseh konnten daneben allerdings spe- zielle ,,Hitzereeeptoren" naehgewiesen werden (siehe n/~ehster Absatz), die erst bei Temperaturen oberhalb der Sehmerzsehwelle (ca. 45 ° C) zu entladen beginnen. (Fiir weitere Einzelheiten und Literatur s. Hensel, 1966; Sehmidt, 1971a.)

Besonders beim Schmerzsinn hat die Vielfalt schmerzhafter l~eize zu der Annahme geffihrt, da$ es entspreehend dem Fehlen eines spezifischen Sehmerz- reizes aueh keine spezifisehen Sehmerzreeeptoren gibt

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Abb. 9. Histologische Struktur der RA- und SA-Receptoren. A Mikrofotografie eines Bodian-gef~irbten 20 ~-Schnittes senkreeht zur Hautoberflgehe unter dem rezeptiven Feld eines l~A-Reeeptors. B Graphische Rekonstruktion der Hautinnervation unter dem rezeptiven •eld eines RA-geeeptors. Es wurden dafiir 13 aufeinanderfolgende 12 ~-Sehnitte benutzt. Der untere l~and der Epidermis ist gepunktet eingezeiehneL Es sind nur die Nervenfasern wiedergegeben. C Mikrofotografie eines Bodian- gefiirbten Sehnittes dureh einen Epithelzapfen, leich~ schrgg zur Oberflgehe gesehnitten. Links unten ira Bild zeigt der Doppelpfeil auf die dieke afferente Nervenfaser. Ftinf NIerkelzellen an der Basis des Epithelzapfens sind dureh Pfeile markiert. D Graphisehe gekonstruktion aus 8 aufeina, nderfolgenden Schnitten der Hautirmervation unter Ctem rezeptiven Feld eines

SA-Reeeptors. Nur Nervenzellen und N[erkelzellen sind wiedergegeben. Die Untergrenze der Epidermis ist gepunktet eingezeiehnet. (A, C Jgnig 1971a; B, D J~nig, unverSffentlieht)

und keine peripheren Leitungsbahnen, die aussehlieB- lich Sehmerz ~bert, ragen. Vielmehr soll dutch ent- spreehende Versehaltung im Riiekenmark gew/~hrleistet sein, da6 bei noeieeptiver E~Tegung der Reeeptoren fiir meehanisehe, thermisehe oder ehemisehe Reize die fiir die Sehmerzempfindung verantwortliehen zentral- nerv6sen Strukturen ak~iviert werden. Naeh dieser Annahme und ihren bisher vorgesehlagenen Modifika-

tionen wiirden also der Schmerzperzeption v611ig andere neurophysiologische NIechanismen zugrunde licgen als jeder andcren Sinnesempfiudung. Uber- zeugende experimentel]e Befunde fiir die Richtigkeit dieser Hypothesen gibt es nicht. Dagegen sind in neuerer Zeit in verschiedenen Untersuehungen Recep- toren gefunden worden, die nur dutch bestimmte noci- ceptive Reize (meehanische Reize, sehr hohe oder sehr

49. Jg., Heft 9, 1971 tl. F. Schmidt: MSgliehkeiten und Grenzen der Hau~sinne 537

tieie Temperatttren) erregt werden k6nnen. Diese Reeeptoren werden entweder yon diinnen mark- haltigen oder yon marklosen Fasern versorgt. Diese Befunde maehen aueh fiir die Sehmerzperzeption spezifische Reeeptoren und getrennte periphere Lei- tungsbahnen immer wahrscheinlieher. Allerdings seheint es keinen universellen Sehmerzreeeptor zu geben, sondern eine Anzahl yon Reeeptortypen, die fiir den einen oder anderen Sehmerzreiz besonders empfindlieh sind, wie das v611ig analog aueh in anderen Modalit/~ten zu linden ist. (Fiir weitere Einzelheiten und ansfiihrliehe Literaturangaben s. Sehmidt, 1971b, e.)

JucIcen karm, ahnlieh dem Sehmerz, dureh meeha- nisehe, elektrisehe oder ehemisehe Reize induziert werden. Nach alter Ansieht ist es eine besondere Form der Sehmerzempfindung, die bei bestimmten Reiz- zust/~nden als Vorstufe oder Sonderform des Sehmerzes auftritt . Eine geihe neuerer Befunde lassen es aber m6glieh erseheinen, dat3 das Jueken eine yore Sehmerz unabhgngige Empfindungsqualit/~t ist, die eventuell eigene I~eeeptoren besitzt. So ist dis Juekempfindung nut yon den augersten Sehiehten der Epidermis aus- 15sbar, w/~hrend Sehmerz aueh in den tieferen Haut- sehiehten ausgel6st werden kann. Aueh ist es mit ent- spreehender Technik m6glieh, alle Grade yon Juek- reiz ohne Schmerz und umgekehrt zu erzeugen. Ffir das Auftreten der Juekempfindung seheint die Frei- setzung einer ehemisehen Substanz, vielleieht des Histamins, notwendig zu sein. Eine intradermMe Itistamininjektion 15st starkes Jueken aus, und bei Hautsehgden, die zum Jueken ffihren, wird in der Haut Itistamin freigesetzt.

Die Leistungs/~ihigl~eit der versehiedenen spezi- fisehen tIautsinneskangle des Mensehen h/ingt yon einer t~eihe yon Faktoren ab, wie z.B. vonde r Diehte der Reeeptoren und deren L~bertragungsbereieh tiir adgquate Reize, yon der mehr oder weniger ~ber- lappenden afferenten Versorgung und yon der zen- tralen VersehMtung, deren Bedeutung far die Lei- stungsf~higkeit eines Sinnesorgans oft unterseh/~tzt wird. Soweit die Sinnesorgane als Ffihler far unbewugt ablanfende Vorf~lle dienen, von einfaehen Reflexen bis zu komplizierten Steuer- und Regelvorggngen, wie z.B. der Temperaturregulation, laBt sieh die Leistungs- f£higkeit beim Mensehen nut indirekt abseh/~tzen. Dagegen gibt uns die quantitative Messung des Zu- sammenhangs zwisehen R,eiz und bewuBter Sinnes- empfindung die MSgliehkeit, mindestens gewisse Aspekte der Leistungsfghigkeit des Sinnesorgans Haut direkt zu erfassen.

4. Psychophysik der Hautsinne Feehner hatte in der zweiten H/ilfte des vorigen

Jahrhunderts postuliert, dal~ die subjektive Empfin- dung mit dem Logarithmus der I~eizintensit~.t w/ichst. In der ersten H/~lfte dieses Jahrhunderts zeigte sieh aber, besonders in Untersuchungen der H6rempfin- dung, dag Feehners ,,Gesetz" eine wesentlich st/irkere Kompression der Lautst/irkeempfindung voraussagte, als tatsKehlieh gemessen werden konnte. Intensive psychophysisehe Versuche, vor allem yon Stevens und seinen Mitarb. (far einen neueren Uberbliek s. Stevens, 1970), braehten stat t dessen zutage, dab bei praktiseh allen Sinnesmodalit/~ten, auch bei den ttautsinnen, die subjektive Empfindungsgq-613e E abh/~ng~ yon der

Hautsinne des Menschen

Tastsinn Temperatursinn SchmerLsinn (~{echanperc.) (Thermopere.) (Nocieeption)

Druek K~lte meehanisch Beriihrung Wgrme chemiseh Vibration Hitze < > thermisch (Kitzel) (Jueken)

Abb. 10. Schema der Hautsirme des Menschen unter Beriiek- siehtigung neurophysiologischer und psychophysiseher Befunde.

N~here Erl~uterung im Text

I~eizgrSge S in der Form E = const. . S n. Dieser Zu- sammenhang besagt, dag bei einem Exponenten von n = 1 die Empfindung parallel mit der Reizintensit/~t w/~chst, w~hrend bei einem Exponenten < 1 die Emp- findung langsamer wKehst Ms der Reiz (Kompression). Bei einem Exponenten >1 w~ehst die Empfindung dagegen sehneller als der Reiz (Expansion).

Aueh bei den SinnesmodMit~ten der I taut hat sieh unterdessen, soweit untersueht, ein Zusammenhang in Form einer Potenzfunktion zwisehen Reizintensit/~t und subjektiver Empfindung ergeben. Der Exponent war dabei meist kleiner oder ungefghr = 1. Als Bei- spiele seien angegeben : Vibration am Finger 0,6--0,95, Druckempfindungen auf der Innenhand des Mensehen um 1,0. Der Vorteil eines Exponenten in der N/~he von 1,0 liegt darin, dab die subjektive Empfindung etwa linear mit der Reizintensit/~t w~ehst, wodureh sieh ein hohes ,,AuflSsungsverm6gen" ffir Intensitgtsunter- sehiede ergibt. Der Naehteil liegt vor allem in dem begrenzten Empfindungsbereieh, der unter diesen Umst/inden fibertragen werden kann. Diese Begren- zung ist in der Eigenschaft der Neurone begriindet, nieht mehr Ms ungefghr 500 Aktionspotentiale pro Sekunde weiterMten zu k6nnen. Da die Intensitgt in der Frequenz der Aktionspotentiale eodier~ ist, l~13t sich, wie im Zusammenhang mit Abb. I1A gezeigt wird, bei einem Exponenten yon 1 nur ein Intensit/~ts- bereieh yon etwa 3 Zehnerpotenzen tibertragen. Zum VergMeh sei erw/ihnt, dag Auge und Ohr Intensit/~ts- bereiehe yon 1 : 101° und mehr iibertragen kSnnen, well dort die Hoehzahlen in der Gr6Benordnung yon n -----0,3--0,6 liegen, wodureh sieh ein starker Kom- pressionseffekt ergibt; d.h., eine starke Zunahme der Reizintensitfi.t be~drkt nur eine geringe Zunahme der Empfindung. Umgekehrt hat die Sehmerzempfin- dung, experimentell ausgelSst dureh elektrisehe Rei- zung am Finger, einen Exponenten yon n = 3,5, was eine starke Expansion der Sehmerzempfindung relativ zur Zunahme des Sehmerzreizes anzeigt.

Fiir die Neurophysiologie stellt sieh naeh diesen Ergebnissen die Frage, welehe zentralnervSsen Pro- zesse far den psyehophysiseh gefundenen Zusammen- hang zMsehen geizintensita~ und subjektiver Empfin- dung verantwortlich sind. Der ~'ISgliehkeiten gibt es viele, vom Transdueer-Prozeg im Receptor fiber die versehiedenen Relaisstationen der sensorisehen Bahnen bis zu den zentralnervSsen Vorg~ngen in der Groghirn- rinde, die unseren subjektiven Empfindungen zugrunde liegen. Eine definitive Antwort l/~Bt sieh noeh nieht geben, aber immerhin gibt es Hinweise, die anzeigen, w o e s zun~ehst welter zu suchen gilt. Einige dieser Hinweise sind in den Ergebnissen der in Abb. 4--6 gezeigten Versuche enthalten: Bei adfi, quater Reizung

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Abb. 11. Reizantwortbeziehungen und Kanalkapazit~t langsam adaptierender Meehanoreceptoren. A Jeder Punkt gibt die Anzahl der Aktionspotentiale (Ordinate) w~hrend tier ersten 3 sec nach Beginn meehaniseher Hautreize konstanter Kraft. (Druekreize, Abszisse) wieder. Die Reize ~arden in zuf~lliger Reihenfolge appliziert. 30 see-Pause zwischen jeder Reiz- applikation. Der Rcizstempel hatte eine Oberflgche yon 1 em 2. B Originalregistrierungen von der afferenten C-Yaser (Gruppe IV-Faser) eines Meehanoreeeptors der FuBsohle (IIaarhaut) auf mechanische Hautreize. Beaehten Sic das untersehiedliehe Antwortverhal~en auf identisehe Hautreize. Die Eindrucktiefe des 1 mm 2 grollen Stempels wurde elektroniseh geregelt nnd konstant gehalten. 2 rain Pause zwisehen jeder Reizapplikation. C Die Entladungsfrequenz dieses Receptors wghrend der ers~en 3 see (Ordinate) eines meehanisehen Hautreizes ist gegen die Eindrucktiefe (Abszisse) aufgetragen. Die gestrichelten Hilfsltnien in A und C und die Treppenkurven dienen der Abseh~tzung der Kanalkapazit~t der Receptoren und ihrer

afferenten Yasern. Einzelheiten im Text. (Zimmermann, unver6ffentlieht)

bestimmter Typen yon Mechanoreeeptoren der Haut h/£ngt die Frequenz der yon diesen Reeeptoren aus- gesandten Aktionspotentiale yon der Reizintensitgt in einer Form ab, wie sic aueh hn psyehophysisehen Ex- periment ffir den Zusammenhang zwisehen Reiz- intensit/~t und subjektiver Empfindung gefunden werden konnte. Diese l~bereinstimmung zwisehen Reeeptorverhalten in tier Peripherie und subjektivem Empfinden deutet darauf hin, dab die entseheidende Transformation der Reizintensit£t in den peripheren Receptoren erfolgt. Dies wfirde weiterhin bedeuten, dab die zwisehen peripherem Receptor und subjektivem Empfinden liegenden zentralnervSsen Schaltstellen, zumindest in bezug auf die Reizst/~rke, linear operieren. Ist dies tats~ehlich der Fall, so werden sieh viele Probleme der Hirnphysiologie vere~nfaehen lassen.

5. Die Ubertragungskapazitgt der Hautsinne Aus den psychophysischen Versuehen und ihrem

Vergleieh mit den physiologischen Ergebnissen an individuellen Receptoren und anReceptorpopu]ationen haben wir erste Eindrficke fiber die Ubertragungs- kapazit/~t tier Hautsinne gewinnen kSnnen. Am Bei- spiel der Meehanoperzeption und unter Zuhflfenahme informationstheoretiseher Begriffe wollen wir diese l~bertragungskapazitgt jetzt noeh etwas genauer fest- tegen. Wir miissen uns dabei zun/£ehst klarmachen, dab in neurophysiologischen Versuchen die quanti- tative Beziehung zwisehen Reizintensit/~t und Impuls- frequenz aus zah]reiehen Einzelmessungen gemittelt wird, wodureh Streuungen ausgeschaltet werden (siehe Abb. 4--6). Da das Zentralnervensystem nieht in die.

ser Form arbeitet, mug jede Betrachtnng der Informa- tionskapazit~t eines Receptors und seiner afferenten Faser die Variabilitgt der Receptorantwort auf gleich- bleibende aufeinanderfolgende Reize berficksiehtigen.

Ein Frequenzmodulator mit einem Frequenz- bereich zwischen Fma x und Fmi n kann innerhalb einer Beobachtungszeit t zwischen (Fm~ x - F m i n ) ' t + l Zu- st~,nden unterseheiden. Eine ideale Receptorzelle ohne Spontanaktivit/~t ist daher in der Lage, Fmax ' t+ l Intensitgtsstufen zu unterscheiden, und ihre Kanal- kapazit/~t betr/~gt daher C==ld'(Fm~x't+l ) in bit per Reiz. Zum Beispiel wfirde ein Produkt yon Fma x • t -- 200 eine Kanalkapazitgt yon C = 7,7 bit ergeben. Recep- toren sind aber alles andere als ideale Transducer (%¥andler). Bei wiederhotter Reizung mit derselben Reizintensitgt sehwanken die Reizantworten meist um einen Mittelwert. Dieser Effekt ist in Abb. l lA zu sehen, die Einzelmessungen an einem SA-Receptor zeigt. Jeder Punkt gibt die Zahl der Aktionspotentiale in den ersten 3 see naeh Reizbeginn an. Das Sehwan- ken der Zahl der Aktionspotentiale ffir einen gegebenen Reiz reduziert natfirlieh die Kanalkapazitgt. Durch eine statistisehe Behandlung der Sehwankungen tier Reiz-Antwort-Beziehung tgBt sieh die Kanalkapazit/~t des Receptors aus den experimentellen Ergebnissen erreehnen, wobei sich zeigt, dab das AuflSsungs- vermSgen reziprok yon der Standardabweiehung der Streuungen abh/~ngt (s.a. Werner u. Mountcastle, 1963).

Eine einfaehere Abseh/~tzung der Kanalkapazitgt, die ffir die meisten Zweeke a.usreieht, kann dureh eine graphische Darstetlung gewonnen werden, die in

49. Jg., Heft 9, 1971 1%. F. Schmidt: MSglichkeiten und Grenzen der Hautsinne 539

Abb. 11 A eingezeiehnet ist: zwei IIilfslinien (gestriehett) begrenzen die Punktwolke der experimentel]en Meg- werte. Zwischen den begrenzenden Hilfslinien wird eine Treppe eingezeichnet. Jede Stufe zeigt einen In- tensit~tsschritt an, der klar yore n~chsten unter- schieden werden kann, insgesamt 8 in Abb. 11 A. Die Kanalkapaziti~t betr~gt also etwa 3 bit pro Reiz, Gin Wert, der gut mit Messungen an anderen Receptoren fibereinstimmt (Mountcastle et al., 1966; Werner u. Mountcastle, 1965; Darian-Smith et al., 1968). Da wir annehmen, dab die Fugsohle der Katze etwa I00 SA- Receptoren enth/ilt (s. oben), ergibt sigh daraus eine Informationskapaziti i t aller SA-Receptoren der Fug- some von etwa 300 bit. Diese Irfformationskapaziti~t ist grSger als f/Jr die Ubertragnng der Intensit/its- information notwendig. Wir nehmen an, dab dies vor atlem aus zwei Griinden so ist: erstens um durch Parallelfibertragung die Sicherheit der Ubertragung zu gew~hrleisten und zweitens um die Konturen und Oberfl£eheneigenschaften natfirlicher Hautreize zu tibertragen.

Die Informationskapazit/~t einzetner Meehano- reeeptoren, die yon marklosen NGrvenfasern (C-Fasern, Gruppe IV-Fasern) innerviert werden, ist noch ge- ringer als die der SA-Fasern. Ein Beispiel zeigt Abb. l l B und C. Identisehe Hautreize geben sehr unterschiedtiehe Antworten. Die Streuung ist wesent- Iieh ausgGpr/igter als in Receptoren mit markhaltiger Innervation, wie ein Vergleieh zwischen l l A und C deutlieh zeigt. Die Zahl der unterscheidbaren Intensi- t&tsstulen ist < 3 und war etwa 2 in anderen Experi- mGnten dieser Art. Die durchsehnittliche Informations- kapazit/~t einer C-Faser (Gruppe IV-Fasern) ist daher in bezug auf die Reizintensit~t etwa 1 bit per Reiz. Dieser Wert i/~Bt es wahrsGheinlieh ersGheinen, dab diese Reeeptoren Schwellendetektoren sind, also Fiihler, die lediglich die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Reizes an einem best immten Ort der t t a u t signMisieren.

6. Schlu/3bemerkungen An Hand der Mechanoperzeption wurde drei Kern-

probleme derzeitiger sinnesphysiologischer und -psy- ehologischer Arbeit beleuchtet. Die Weite des Themas verhinderte eine pr~zise Befassung mi t dem Detail, liGB aber den Umfang der Problematik sichtbar werden. Sehlagwortartig lassen sieh die wichtigsten neuen Er- gebnisse so zusammenfassen:

1. Die Receptoren der H a u t sind spezifisch, oder besser, sic besitzen eine selektivG Empfindlichkeit ffir bestimmte Reize. Dies grit night nur ~fir die verschie- densten Typen yon Mechanoreeeptoren, sondern auch ffir die Kalt- und Warmreeeptoren und die Schmerz- receptoren, yon denen es mSglicherweise zahlreiehe Typen gibt, mindestens solche, die selektiv empfind- lich fiir mechanische, thermische und chemische Schmerzreize sind.

2. Den verschiedenen funktionell definierbaren l~Geeptoren entspreehen definierte histologische Struk- turen. BGi den sogenannten freien Nervenendigungen, die lieht- und elektronenmikroskopisc h gleich oder /~hnIieh aussehen, bedGutet das Fehlen der morpho- Iogisehen Differenzierung night das Fehlen einer funk. tionellen Differenzierung, die wahrsehGinlich im Mole- kularbereieh zu suchen ist. Ich bin fiberzeugt, dab auch diese Reeeptoren selektiv empfindlich sind.

3. Es gibt praktiseh keine experimentellen An- haltspunkte fiir die tIypothese, dab der gleiGhe Re- ceptor auf verschiGdene Reize, z.B. Druek und Schmerz, mit unterschiedlichen Impulsmustern ant- wortet; die ,,Mustertheorie" scheint ffir die Hautsinne keine brauchbare Arbeitshypothese mehr.

4. Die zentrale Verschaltung funktionell gleichen Aufgaben dienender Receptoren ist so, dab die ein- zelnen Modalit/iten getrennt voneinander fibertragen werdGn k6nnen und auch fibertragen werden. Darauf wurde hier night n~her eingegangen.

5. Die ReizintGnsit~t wird im psychophysischen Experiment nach der Potenzfunktion E = const. • S ~ fibertragen. Bei den I tauts innen liGgt der Exponent n meist bei oder etwas unter 1. Es findet sich eine be- merkenswerte Parallelitgt zwischen diGser Beziehung und der Beziehung zwisGhen Reizintensit/~t und Im- pulsfrequenz vonMechanoreceptoren. Diese Parallelitiit l&gt es m6glieh erscheinen, dab die TransducGreigen- sehaften weitgehend fiir die Beziehung zwischen sub- jektiver Empfindung und objektiver Reizst/irke ver- antwortlich sind.

6. Ubertragbarer Intensit~tsbereiGh, Informations- kapazit/~t, r~umliches und zeitliches Auf15sungsver- mSgen und andere sinnesphysiologische Parameter umfassen bei den Hautsinnen einG geringere Spanne als bei anderen Sinnesmodalit~ten, besonders dGm Gesicht und GehSr. Die MeGhanoperzeption ist dabei in dieser Itinsicht den anderen Hautsinnesmodaliti~ten fiberlegen. Aber auch sic kann, selbst bei Zuhilfenahme elektroniseher Wandler, daher nut begrenzt als ,E r - satzorgan" bei Verlust yon Gesicht und Geh5r ein- gesetzt werden.

Die in Kapitel 5 vorgetragene Darstellung der ~bertra- gungskapazit~t der Hautsinne verdanke ich Herrn Univ.-Doz. Dr. M. Zimmermann. Ihm und Herrn Dr. W. J~nig danke ich ebenfalls ffir die ~berlassung unpublizierter Versuchsergeb- nisse and Abbildungen.

Die in diesem Vor~rag erw~hnten Untersuchungen des Heidelberger Laboratoriums wurden mit Unterstiitzung der Deutschen Forschungsgemeinschaft durchgeffihrt.

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Prof. Dr. Dr. R. F. Schmidt Physiologisches Institut der Universit~t Bl~D-2300 Kiel Olshausenstr. 40/60 Deutschland

Originalien

Significance of Serum N-Acetyl- -D-Glueosaminidase in Tissue Rejection Ji~l~OgN AHRENS and 0~vaa Sw~Nso~

The Surgical Research Department, The Ctfildren's Memorial Hospital, Chicago, and Northwest~nl University, Medical School, Department of Biochemistry, Chicago, Illinois, U.S.A.

Introduction

N-acetyl - ~-D-gincosaminidase (p-2-acetylamino-2- deoxy - D-glncoside ace tamidodeoxyglueohydro lase , EC.3.2.1.30) is a lysosomal enzyme which cont r ibu tes to the hydro ly t i c degrada t ion of glyeoproteins , muco- polysacehar ides and glycolipids. Oligosaccharides which conta in N-ace ty lg lucosamine or N-ace ty lga lac tos- amine are formed from hyaluronic ac id or f rom chon- dr io t in und chondr io t in sulfate b y the ac t ion of hya luron idase and then fur ther deg rada t ed b y ~-glu- curouidase and N-aee ty l -~-g lucosaminidase [1].

Since the first r epor t describing the occurrence of N-aee ty l -~-g lueosaminidase in m a m m a l i a n t issues [2] the proper t ies of the enzyme and of pa r t i a l l y pur i f ied p repa ra t ions f rom var ious sources have been s tud ied b y m a n y inves t iga tors [3- -6] . W i t h the in t roduc t ion of p -n i t ropheny l N-ace ty l -~@ueosamin id ide or 4- me thy lumbe l l i f e ry l N-ace ty l -~-g lucosaminid ide and n a p h t h y l N-ace ty l -~-g lncosaminid ide as subs t ra tes for the enzyme react ion, convenient color imetr ic or fluoro- metr ic assay methods were developed [ 7 - - 9 ] . Using the corresponding p -n i t ropheny l N-ace ty l -~-galae tos- amin id ide i t could be shown t h a t the act iv i t ies of N-ace ty l -~-g lucosaminidase and N-acety l -~-galae tos- amin idase are associa ted with the same enzyme pro- te in [10].

N-Acety l -~-g lucosaminidase f rom h u m a n spleen has been sepa ra t ed b y gel e lectrophoresis in to two components , an acidic and a basic form I l l ] . I n pa- t ien ts wi th the he red i t a ry Tay-Saehs disease the acidic, more soluble i soenzyme is absent , a defect which is responsible for the massive accumula t ion of a specific gangtioside [12]. W e now present the evi- dence for s ignif icant e leva t ion of p l a sma N-aee ty l - ~-glueosaminidase a c t i v i t y as an ear ly ind ica to r of t issue re jec t ion and describe the proper t ies of the enzyme in serum.

Klin. Wschr. 49, 540--544 (1971)

Materials and Methods Venous blood was obtained from dogs subjected to renal

isehemia or to kidney transplantation. Skin grafts measuring about 1 em in diameter were taken

from the lateral aspect of the left chest and were exchanged between pairs of rats from the Wistar strain weighing 100 to 150 gr.

In another group of skin gra.fted rats Imuran (Burroughs Wellcome and Co.) (2 mg/kg body weight/day) was injected intraperitoneally in an aqueous suspension for ten days follow- ing the skin grafting. In a control group, the skin was taken from the left chest and replaced in the same bed. Blood samples from the rat were obtained from the tail vein.

N-Aectyl-~-glueosaminidase from rat kidneys was partially purified by fractionated ammonium sulfate precipitation [5]. After dialysis the enzyme preparation was stabilized with 0.1% Bovine plasma albumin.

Blood from guinea pigs was obtained by cardiac puncture. Enzyme Determinations. N-Aeetyl-~-glucosaminidase activity was estimated colorimetrically. To 0.9 mt of substrata p-nitro- phenyl N-acetyl-~-glucosaminidide (4.0 raM) dissolved in 0.05)I citrate buffer (pH 4.5), 0.1 ml serum or enzyme solution was added. After thirty minutes incubation at 37 ° the enzyme reaction was stopped by adding 2 ml of 0.2 M borate buffer (pH 9.8) and the anionic from of the liberated p-nitrophenol measured at 400 m~ against a control which contained 0.1 ml water instead of enzyme solution.

The activities of glutamate-pyruvate transaminase, glut- am ate-oxalacctate transamin~se, malate dehydrogenase, glut- araate dehydrogenase and alkaline phosphatase were deter- mined spectrophotomctrically or colorimetrically [13]. The blood urea nitrogen (BUN) was estimated according to the modified procedure of Fearon [14].

Results

Canine Renal Ischemia and Transplantation. I n order to dis t inguish be tween cell damage due to the in i t ia l i sehemia and to la te r re ject ion in k idney t rans- plants , we have measured the release of var ious cyto- plasmic, mi tochondr ia l and lysosomal enzymes into t he serum af te r d i f ferent i schemia per iods and af te r k i d n e y t r a n s p l a n t a t i o n wi th un i la te ra l nephrec tomy. W i t h isehemia alone, accompl ished b y s imul taneous