Sinnesorgane

Uwe Spetzger

Neurochirurgische Klinik, Klinikum Karlsruhe

Anatomie und Physiologie des Riechen, Schmecken, Sehen, Hören & Fühlen

Fakultät für Informatik – Humanoids and Intelligence Systems Lab – Institut für Anthropomatik

Mittwochs von 12:15-13:45 Uhr

Sensible Region (Gyrus postzentralis)

Der Tastsinn und das Temperaturempfinden der Haut ist im Gyrus postzentralis

lokalisiert. Die erfassten sensorischen Signale werden über das Zentralnervensystem

an das Gehirn zum somatosensorischen Cortex zur Weiterverarbeitung geleitet.

Aufgrund seiner Eigenschaften, kann der Tastsinn Größe, Gewicht, Form und

Oberfläche eines ertasteten Gegenstandes bestimmen.

Berührung und Druck werden von zwei Rezeptortypen verarbeitet. Die sogenannten

Vater-Pacinischen Körperchen (Vibration) sind für Berührung im großflächigen Sinne

zuständig, während die Merkelschen Scheiben auf örtlich exakt bestimmbare

Berührung reagieren. Haarfolikelrezeptoren und Meissnersche Tastrezeptoren.

Die Wärmerezeptoren der Haut, Ruffinische Endbüschel und die entsprechenden

Kälterezeptoren, sogenannte Krausesche Endkolben ermitteln die Temperatur an der

Hautoberfläche.

Durch die gemeinsame Ergebnisanalyse können Dauer, Ort und Stärke der jeweiligen

Berührung genau ermittelt werden. Wie beim motorischen Cortex gibt es beim

sensorischen Cortex einen sensiblen Homunculus.

Das Gesicht und die Hände sind großflächig auf dem sensorischen Cortex

repräsentiert, sie haben einen sehr ausgeprägten Tasts- und Berührungsinn, während

der übrige Körper weniger empfindlich ist.

Haut – Berührungs-, Tast-, Schmerzempfinden

Oberflächensensibilität bezeichnet man Empfindungen, die über Rezeptoren in der

Haut wahrgenommen werden (Mechano-, Thermo- und Schmerzrezeptoren).

Tastsinn wird als Oberbegriff für die taktile (das Tasten betreffend - passiv) und die

haptische (auf dem Tastsinn beruhend - aktiv) Wahrnehmung verwendet.

Tiefensensibilität bezeichnet die Wahrnehmung bestimmter Reize aus dem

Körperinneren. Abhängig von der Lage der Rezeptoren unterscheidet man die Tiefen-

und die Oberflächensensibilität.

Tiefensensibilität umfasst:

Lagesinn (Informationen über die Position des Körpers im Raum und die Stellung der

Gelenke und des Kopfes)

Kraftsinn (Informationen über den Spannungszustand von Muskeln und Sehnen)

Bewegungssinn (Bewegungsempfindung und das Erkennen der Bewegungsrichtung)

Nase - Riechen

Nase - Atmung und der Geruchswahr-nehmung.

Durch die Nase wird die Atemluft ein- und ausgeatmet, wobei die kalte Luft erwärmt

und anfeuchtet wird. Dabei filtern die Nasenhaare und die Flimmerhärchen Staub und

Fremdpartikel aus der Atemluft.

Geruchsinn

Geruchsorgan und Geschmack sind eng vernetzt so, daß sich beide gegenseitig

beeinflussen können. Alle 60 Tage erneuern sich die Geruchszellen an ihrem

jeweiligen Ort stattfindet. Es handelt sich beim Riechvorgang um einen

außerordentlich komplexen chemisch neuralen Vorgang.

Aus der an der oberhalb der oben befindlichen Nasenmuschel sitzenden Riech-

schleimhaut vorbeistreichenden Luft scheiden sich Geruchsmoleküle an

Rezeptormolekülen ab. Die auf die einzelnen Duftstoffe ansprechenden Rezeptoren

(es gibt davon 347 verschiedene Rezeptortypen) bilden ihrerseits mittels sogenannter

Riechköpfchen eine Matrixstruktur an der Oberfläche der Riechschleimhaut aus.

Dabei werden bei der Vereinigung von Duftmolekül und Rezeptor Kaskaden in den

Rezeptorzellen ausgelöst, die als neuronale Signale über die Axone des Riechnerven

durch die Löcher des Siebbeins an den vorgestülpten Riechkolben des Großhirns

weitergeleitet werden.

Das olfaktorische System ist komplex mit vielen Hirnarealen verschaltet. Es bestehen

Verbindung zum Hypothalamus der bekanntlich Nahrungsaufnahme und

Sexualverhalten beeinflusst sowie zum limbischen System, welches Instinktverhalten

und Gedächtnisleistungen beeinflußt.

Zunge - Geschmackssinn

Aktuell wird von mindestens

fünf Grundqualitäten des

Geschmacks ausgegangen:

süß – Zucker, Zuckerderivate,

Aminosäuren, Peptide,

Alkohole

salzig – Speisesalz, Mineralsalze

sauer – saure Lösungen,

organische Säuren

bitter – verschiedene Bitterstoffe,

Alkaloide, Glykoside (Chinin,

Wermut)

umami – (jap. fleischig, herzhaft)

Glutaminsäure,

Asparaginsäure

Scharf ist aber genau genommen

ein Schmerzsignal durch das

Alkaloid Capsaicin

Geschmackssinn

Die Geschmacksinformationen werden über die drei Hirnnerven Nervus facialis (VII),

Nervus glossopharyngeus (IX) und Nervus vagus (X) ins Gehirn geleitet.

Die erste Verschaltung findet im rostralen Anteil des Nucleus tractus solitarii statt. Von

dort gelangen die Geschmacksinformationen weiter in den Thalamus. Vom Thalamus

findet die Weiterleitung zum Inselcortex (primäre gustatorische Cortex).

Bereits hier findet die Integration mit anderen Sinneseindrücken, z.B. Tast- und

Temperaturinformationen aus der Mundhöhle statt. Der sekundäre gustatorische

Cortex, die nächste Station der Geschmacksverarbeitung, befindet sich im orbito-

frontalen Cortex und überlappt teilweise mit dem sekundären olfaktorischen Cortex.

Zudem finden Verschaltungen zum Hypothalamus und zum limbischen System statt.

Der Gesichtsnerv Nervus trigeminus (V) vermittelt taktile Empfindungen der Gesichts-

region und ist an der Duftwahrnehmung beteiligt. Über den Nervus trigeminus werden

Eigenschaften wie brennend, scharf, adstringierend, prickelnd, stechend, kühlend

(irritative Eigenschaften) wahrgenommen. Dem Trigeminusnerv sind keine spezifischen

Sinneszellen zuzuordnen sondern freie sensible Nervenendigungen. Diese freien

Nervenendigungen, die auf chemische Stimuli reagieren, finden sich im Auge und in

den Schleimhäuten der Nasen- und Mundhöhle (Schutzfunktion).

Zwiebel, Ammoniak, Capsaicin bewirkten Tränensekretion & Speichelsekretion,

reflektorische Unterbrechung des Atemrhythmus und ggf. Niesreflex.

Auge - Sehen

Hirnnerven - visuelles System

Aufbau des Auges

Der Augapfel ist kugelförmig und kann sich aufgrund seiner kardanischen

Aufhängung um beliebig viele Achsen drehen. Das Auge hat beim Menschen einen

Durchmesser von ca. 24 mm und seine Hülle besteht aus drei Schichten:

Die äußere Augenhaut ist in zwei Abschnitte untergliedert. Dort wo das Licht ins Auge

eintritt, befindet sich die durchsichtige Hornhaut (Cornea). Sie geht unmittelbar in die

weiße Lederhaut (Sclera) über, die den größeren restlichen Teil der äußeren

Augapfelhülle bildet. Hier setzen die äußeren Augenmuskeln an, die das Auge in der

Augenhöhle bewegen. Im vorderen Augenabschnitt ist sie von Bindehaut bedeckt,

sodass nur die Cornea von Tränenflüssigkeit direkt benetzt wird

Die mittlere Augenhaut (Uvea). Sie besteht aus drei Abschnitten. Die Aderhaut ist

reich an Blutgefäßen (Nährstoffversorgung). Nach vorn geht die Aderhaut in den

Ziliarkörper (Corpus ciliare) über, mit Aufhängung der Augenlinse. Der vorderste

Abschnitt der mittleren Augenhaut ist die Regenbogenhaut (Iris). Sie bildet die Pupille

und reguliert den Lichteinfall. Ihre Pigmentierung verursacht die Augenfarbe

Die innere Augenhaut (Netzhaut oder Retina). Sie enthält die Lichtsinneszellen

(Photorezeptoren). Dort, wo der Sehnerv das Auge verlässt (Sehnervenpapille),

befinden sich keine Lichtsinneszellen (Blinder Fleck). Die Stelle des schärfsten

Sehens ist der gelbe Fleck (Fovea)

Sensorzellen der Retina

Stäbchen (rods)

Lichtsensoren (Hell-Dunkel Diskriminierung)

Die Stäbchen sind sehr emfindlich gegenüber geringen Lichtmengen, sie können nur

zwischen Helligkeitsstufen unterscheiden. Sie sind nicht in der Lage Farbunterschiede

wahrzunehmen. Auf der Retina sind diese 120 bis 150 Millionen Sensoren bevorzugt im

pheripheren Bereich verteilt.

Zäpfchen (cones)

Farbsensoren (3 Gruppen: violett – grün – gelb)

Im Bereich der Fovea befinden sich vorwiegend Zäpfchen. Sie sind weniger empfindlich

und eignen sich daher für höhere Lichtstärken. Die 6 bis 7 Millionen Zäpfchen sind in

drei Gruppen unterteilt, wovon jede für eine bestimmte Wellenlänge beziehungsweise

eine der drei Farben, Violet, Grün und Gelb besonders empfindlich ist. Nur durch eine

aufwendige Umrechnung in menschlichen Gehirn, ist der Mensch in der Lage, die

Farben Rot, Grün und Blau wahrzunehmen.

Visuelle Wahrnehmung

Hier soll man die Farbe des gelesenen Wortes ansagen, nicht das Wort selber!

Die rechte Hirnhälfte erkennt die Farbe, aber das Sprachzentrum in der linken Hirnhälfte versucht

das gelesene Wort zu sagen. Problem linke Hirnhälfte arbeitet gegen rechte Hirnhälfte. Ergebnis

ist eine Hemmschwelle zum richtigen Ansagen der erkannten Wortfarbe

Schon in der Retina beginnt der menschliche Seh-Apparat mit einer Auswertung der

Bildinformation. Die zur optischen Achse querverlaufenden horizontalen Zellen führen

eine Differenzbildung zwischen den von den Sensorzellen kommenden Signalen

durch. So erfolgt schon im Auge eine Kantenerkennung. Die Ganglionzellen leiten die

Nervenimpulse weiter zum Sehnerv und somit zum Gehirn

Optische Täuschungen

Das Bild zeigt sehr drastisch die Fehleinschätzung von Kantenlängen in zwei

gegensätzlichen Raumanordnungen. Entgegen dem Eindruck sind alle dargestellten

Kanten beim Nachmessen am Bildschirm gleich groß (Problem der Kantenerfassung in

verschiedenen räumlichen Anordnungen)

Die Anordnung dieser räumlichen Darstellung der Kantenführung eines Würfels

widerspricht jeglicher Erfahrung und Interpretation von Kantenführungen im Raum

(Problem, es gibt keine Akzeptanz als Bildrealität)

Visuelles System

Die Netzhaut auf der das eintreffende Bild projiziert wird, besteht aus einer Anordnung

von lichtsensitiven Zapfen und Stäbchen ergänzt durch Rezeptoren, die an ein

spezielles G-Protein gebunden sind. Die Proteinmoleküle bestehen ihrerseits aus den

Bestandteilen von Vitamin A, gekoppelt mit dem Protein Opsin.

Das eintreffende Lichtteilchen (Photon) löst beim Vitamin A eine Strukturveränderung

aus, die das Protein Opsin mit dem Vitamin A agieren lässt.

Dies verursacht eine Enzymausschüttung, die zu einer negativen Aufladung der

Zellmembran führt. Das optische Signal wurde in eine elektrische Potentialänderung

umgewandelt. Das elektrische Signal wird nun von speziellen in der Netzhaut

angeordneten Auswertezellen verarbeitet. Sie bilden ein Membranpotenzial, das über

bipolare Zellen sowohl vertikal an Ganglienzellen weitergeleitet wird, als auch

horizontal durch Horizontal- und Amakrinzellen verarbeitet wird. Die Fortsätze der

Ganglienzellen bilden den II. Hirnnerv (Nervus opticus), der die Aktionspotenziale

weiterleitet.

Visuelles System

Die Sehbahn leitet die Aktionspotenziale zur Sehrinde: Nach Eintritt in die

Schädelhöhle kreuzen die Nervi optici beider Augen in der Sehnervenkreuzung

(Chiasma opticum). Ungekreuzt verlaufen die äußeren (temporalen) Fasern weiter,

während die inneren (nasalen) zur Gegenseite kreuzen. Auf die Weise verlaufen die

Fasern der linken Netzhauthälfte beider Augen in die linke Hirnhälfte und die der

rechten Netzhauthälften in die rechte. In den beiden Tractus optici verlaufen diese

Nervenfasern zu den Seitlichen Kniehöckern Corpus geniculatum laterale des

Thalamus, von wo sie über die breit gefächerte Sehstrahlung zur Sehrinde (visueller

Cortex) weitergeleitet werden.

Operationen am visuellen System

Augenoperationen (Kataraktoperationen, Netzhautchirurgie)

Orbitale Chirurgie (Tumore)

Intrakranielle Operationen Nervus opticus

Chiasma opticum

Tractus opticus

Sehbahn und Sehstrahlung

Visueller Cortex

Ohr – Hören – Gleichgewicht

N. statoaccusticus (VIII)

Ohr

Äußeres Ohr (Ohrmuschel, Ohrknorpel, äußerer Gehörgang)

Mittelohr (Trommelfell, Gehörknöchelchen, Eustachische Röhre)

Innenohr (Labyrinth: Gehörschnecke, Bogengänge, Hörnerv)

Es dient nicht nur dem Einfangen des Schalls, sondern auch, um eine bestimmte

Einfallsrichtung des Schalls zu codieren.

Das im Felsenbein gelegene knöchernes Labyrinth besteht aus der Gehörschnecke

(Cochlea), in der Schall in Nervenimpulse umgesetzt wird, und dem Gleich-

gewichtsorgan bestehend aus den drei Bogengängen und zwei Aussackungen dem

Utriculus und Sacculus

Im Mittelohr findet eine mechanische Impedanzwandlung statt, die eine optimale

Übertragung des Signals vom Außenohr zum Innenohr ermöglicht.

Ohr – Hören – Gleichgewicht

Der Steigbügel ist das Über-

tragungselement zur mit

Flüssigkeit (Endolymphe)

gefüllten Gehörschnecke

(Cochlea).

Durch die fortgeleiteten

Schwingungen werden die in

der Cochlea liegenden Haar-

zellen, die mit dem Hörnerv

verbunden sind, erregt und

schütten daraufhin Neurotrans-

mitter aus. Somit findet die

Signaltransduktion statt

(akustische Schwingungen

werden in elektrische Signale

gewandelt) und ans Gehirn

weitergeleitet.

Aufbau Cochlea & EinortstheorieJede Frequenz erregt eine Sinneszelle

An der Schallaufnahme im Innenohr beteiligen sich die Perilymphe der Scala vestibuli,

das runde Fenster als Druckausgleichsmembran, die Scala media mit Basilarmembran

und die Reissnersche Membran.

Die Schwingungen in diesen Teilen des Innenohrs führen zur Ausbildung von

Wanderwellen, die vom Steigbügel zum Helicotrema verlaufen. Die Amplituden dieser

Wanderwellen nehmen zunächst zu und werden später wieder gedämpft, bis sie

gänzlich verschwinden.

Zwischen Ursprungsort am Steigbügel und dem Auslaufen der Welle auf dem Weg

zum Helicotrema entsteht so irgendwo ein Schwingungsmaximum. Dieses Maximum

bildet sich für jede Frequenz an einem anderen Ort aus: bei hohen Frequenzen mehr

in der Region des Steigbügels, bei tiefen Frequenzen näher beim Helicotrema.

Die Anregung der Sinneszellen erfolgt in erster Linie an der Stelle des Maximums:

Jede Frequenz erregt daher eine andere Sinneszelle. Hier ergibt sich eine Erklärung

für die Tatsache, daß das Ohr einen lang ausgehaltenen Ton als angenehmer

empfindet, wenn er mit Vibrato, also mit einer Modulation um die Grundfrequenz

versehen ist. Es wird nicht nur eine Sinneszelle belastet, sondern mehrere

benachbarte Sinneszellen - der Ermüdungseffekt ist somit herabgesetzt.

Hörbahn – auditives Wahrnehmen

Die Hörbahn beginnt an den Sinneszellen des Innenohrs, die über glutamaterge

Synapsen Nervenzellen erregen, deren Zellkörper liegen im Ganglion spirale.

Von dort aus führen die Fasersysteme zum Nucleus cochlearis, welcher in der Medulla

oblongata liegt. Ein Teil der Fasern zieht direkt weiter zum gleichseitigen Colliculus

inferior. Die Masse der Fasern wird als Corpus trapezoideum, unter teilweiser

Verschaltung im oberen Olivenkernkomplex, auf die gegenseitige Hemisphärenseite

geführt und zieht dort als Lemniscus lateralis zum Colliculus inferior auf.

Im Lemniscus lateralis werden in den Nuclei lemnisci lateralis weitere Nervenzellen

umgeschaltet. Dort und im Colliculus inferior kreuzt ein Teil der Fasern wieder zurück auf

die Gegenseite. Vom Colliculus inferior werden die Fasern zum Corpus geniculatum

mediale geleitet, welche zum letzten Mal verschaltet und als Hörstrahlung, die kurz

durch das Crus posterior der Capsula interna verläuft, dem auditiven Cortex im

Temporallappen zugeführt werden.

Die regelmäßigen Rückführungen der auditorischen Fasern führen dazu, dass

auditorische Impulse beider Ohren in beiden auditiven Cortices ankommen, was das

Richtungshören ermöglicht und bei Schäden zu Resthörempfinden führt. Vom oberen

Olivenkomplex werden Fasern wieder zum Innenohr zurückgesendet (über den Nervus

vestibulocochlearis), wo sie die Empfindlichkeit des Hörens modulieren.

Gleichgewichtsinn

Utriculus und Sacculus besitzen mikrofeine Sinneshaarzellen, die von einer

Gallertmasse umhüllt sind. Auf ihr sind kleinste Calciumkarbonatkristalle abgelagert,

umgeben von einer weniger dichten Flüssigkeit umgeben.

Entsteht nun eine Translationsbewegung hinken die dichteren und somit schwereren

Calciumkarbonatkristalle gegenüber der Bewegung nach, was sofort durch Beugung

der Sinneshaarzellen eine Reizung der Sinneshaarzellen bewirkt. Hierdurch

signalisieren die mit den Sinneshaarzellen verbundenen Neuronen dem Gehirn eine

Positionsänderung. Somit wird das Gehirn über jede Schädelpositionsänderung im

Raum informiert.

Gleichgewichtsinn - Bogengänge

Für die Messung rotatorischer Bewegungen sind die 3 Bogengangsorgane zuständig.

Um die Bewegung in den 3 Raumachsen zu bestimmen, sind sie senkrecht in 3

Ebenen zueinander angeordnet. Bei einer im Raum auftretenden Drehung werden

entsprechende Signale an das Hirn gegeben werden. Sie sind ebenfalls mit

Endolymphe gefüllt und besitzen eine fahnenartige Cupula verbunden mit einer Art

Kamm auf der die Sinneszellen angeordnet sind. Bei Drehbewegungen kann sich

diese Cupula verbiegen, was zur Reizung der Haarsinneszellen führt, die daraufhin

der Drehbewegung entsprechende Nervenimpulse aussenden.

Alle vom Vestibularapparat abgegebenen Signale führen über den 8. Hirnnerv in den

Bereich der Vestibulariskerne des Stammhirns. Da diese Informationen noch nicht

ausreichend zur endgültigen Lagebestimmung des Körpers im Raum sind, werden

zusätzlich Informationen über Augen und Kopf und Körperstellung benötigt. Hierzu

sind spezielle Ausgänge des zentralen vestibulären Systems zu den Motoneuronen

des Halsmarks, der Arm- und Beinmuskulatur sowie zu den Augenmuskeln, dem

Hypothalamus und dem Thalamus geschaltet.

Gehirn und Zentrales Nervensystem

Uwe Spetzger

Neurochirurgische Klinik, Klinikum Karlsruhe

Struktur, Informationstransfer, Reizverarbeitung, Neurophysiologie und Therapie

Fakultät für Informatik – Humanoids and Intelligence Systems Lab – Institut für Anthropomatik

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