Grundlagen der Sensorik

Einleitung

In der Sinnesphysiologie erfolgt die Wahrnehmung von Reizen durch periphere Sensoren, die diese dann in das zentrale Nervensystem übermitteln. Es gibt verschiedene Sinnesmodalitäten, abhängig vom jeweiligen Sensor. Die wesentlichen Sinnesmodalitäten umfassen das Sehen, Hören, Riechen, Schmecken und Fühlen. Der Prozess der Reizaufnahme und -weiterleitung für jede Sinnesmodalität lässt sich in zwei Hauptstufen unterteilen: Transduktion und Transformation. Bei der Transduktion wird ein physikalischer Reiz in ein elektrisches Rezeptorpotenzial umgewandelt. In der anschließenden Transformationsstufe wird dieses elektrische Signal dann in das zentrale Nervensystem weitergeleitet.

Einwirkung des Reizes auf den Rezeptor der Sinneszelle
Transduktion: Erzeugung eines Rezeptorpotenzials durch die Sinneszelle
Transformation: Aktionspotenzialfrequenz erzeugt durch:
1. Primäre Sinneszelle (Sinneszelle mit eigenem Axon)
2. Neuron (folgt auf sekundäre Sinneszelle)

Modalität	System	Signal	Klasse	Ort
	Visuell	Elektromagnetische Strahlung	Fotorezeptor (Zapfen, Stäbchen)	Netzhaut
	Auditiv	Schallwellen	Mechanorezeptor (Haarzellen)	Cochlea (Innenohr)
	Olfaktorisch	Duftstoffe	Chemorezeptor	Olfaktorische sensorische Neurone
	Gustatorisch	Geschmacksstoffe	Chemorezeptor	Geschmacksknospen, Chemorezeptoren, intraorale Thermorezeptoren
	Taktil	Mechanische Stimuli	Mechanorezeptor, Thermo-, Chemorezeptor	Haut, Muskelspindeln usw.

Transduktion

Transduktion beschreibt die Umwandlung eines Sinnesreizes in eine Veränderung des Rezeptorpotenzials einer Sinneszelle. Dieser Prozess erfolgt mithilfe spezialisierter Membranproteine, die auf mechanische, chemische, elektromagnetische oder thermische Reize reagieren.

Die spezialisierten Membranproteine, die an der Transduktion beteiligt sind, können Ionenkanäle sein, die direkt durch den Reiz aktiviert werden, oder Rezeptoren, die eine Kaskade von intrazellulären Ereignissen auslösen, welche dann zur Öffnung von Ionenkanälen führen.

Während des Transduktionsprozesses ist das Rezeptorpotenzial oft proportional zur Stärke des Reizes, was bedeutet, dass größere Reize stärkere Rezeptorpotenziale erzeugen. Diese Potenziale sind lokal und breiten sich, anders als Aktionspotenziale, graduell und mit einer Abnahme der Intensität über die Distanz aus.

Beispiel:

Sinnesmodalität: Sehen
Sensoren: Fotorezeptoren
Transduktion: Elektromagnetische Wellen (Licht) werden in ein Rezeptorpotenzial umgewandelt

Transformation

Transformation beschreibt die „Übersetzung“ des Rezeptorpotenzials in Aktionspotenziale. Übersteigt die Depolarisation das Schwellenpotential des afferenten Neurons, so kommt es zur Ausbildung von Aktionspotenzialen, die an das ZNS weitergeleitet werden. Die Aktionspotenziale werden über spezifische Nervenbahnen zum Gehirn geleitet, wo die Information weiter verarbeitet und interpretiert werden.

Ablauf:

Elektrotonische Ausbreitung des Rezeptorpotenzials
Wird der Schwellenwert der benachbarten spannungsabhängigen Na⁺- und K⁺-Kanäle überschritten, wird ein Aktionspotenzial ausgelöst (entsprechend der Alles-oder-Nichts-Reaktion)
Weiterleitung des Aktionspotenzials an das ZNS über den afferenten Nerv

Merke
Die Aktionspotenzialfrequenz steigt mit zunehmender Änderung des Rezeptorpotenzials.

Sinneszellen

Bei Sinneszellen unterscheidet man grundsätzlich zwischen 2 Arten:

Primäre Sinneszelle
- Besitzt eigenes Axon
- Können sowohl Rezeptorpotenziale (Transduktion) und Aktionspotenziale (Transformation) bilden
- Beispiel: Geruchssinneszellen
Sekundäre Sinneszelle
- Besitzt kein eigenes Axon
- Kann lediglich Rezeptorpotenziale (Transduktion) bilden
- Beispiel: Geschmackssinneszellen

Rezeptive Felder

Rezeptive Felder sind definiert als der Bereich, in dem die Präsenz eines Stimulus die Feuerrate eines sensorischen Neurons verändern kann. Die Größe des rezeptiven Feldes und die Dichte der Sensorzellen in einem Gebiet sind entscheidend für die Fähigkeit, zwei nahe beieinander liegende Stimuli als getrennt zu erkennen, was als räumliche Auflösung bezeichnet wird. Beispielsweise haben wir im Bereich der Fingerspitzen eine hohe Dichte von Tastrezeptoren mit kleinen rezeptiven Feldern, was zu einer hohen taktilen Auflösung führt.

Laterale Hemmung

Laterale Hemmung ist ein Prinzip, bei dem benachbarte Neuronen oder Rezeptoren einander in ihrer Aktivität unterdrücken. Dieses Phänomen findet vor allem in sensorischen Systemen statt, wie zum Beispiel in der Netzhaut des Auges oder in der Haut und ist entscheidend für die Verarbeitung von sensorischen Informationen. Hierbei spielen Horizontalzellen in der Netzhaut eine Schlüsselrolle.

Im Wesentlichen bewirkt die laterale Hemmung, dass bei einer starken Erregung in einem kleinen Bereich die umliegenden Neurone weniger aktiv sind. Dies führt zu einem Kontrasteffekt, wodurch die Wahrnehmung präziser und differenzierter wird. Zum Beispiel werden dadurch Kanten und Konturen in unserer visuellen Wahrnehmung schärfer.

Das Zustandekommen der lateralen Hemmung erfolgt durch spezielle inhibitorische Neuronen, die die Aktivität ihrer Nachbarn dämpfen. Dadurch entsteht um die am stärksten erregte Stelle eine Art "Hemmungshof", der verhindert, dass benachbarte Bereiche ebenfalls stark aktiv werden.

Die Prozesse der Konvergenz und Divergenz sind ebenfalls wichtig.
Konvergenz bezieht sich darauf, dass Signale von vielen Sensoren zu einzelnen Nervenzellen geleitet werden, während Divergenz bedeutet, dass ein Sensor seine Informationen an mehrere Nervenzellen weitergeben kann. Diese Mechanismen unterstützen die Effizienz und Flexibilität der Informationsverarbeitung im Zentralnervensystem.

Merke
Konvergenz: Informationen aus mehreren anderen Zellen laufen in einer Zelle zusammen.
Divergenz: Von einer Zelle werden Informationen an mehrere andere Zellen gesendet.

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Transduktion

Transformation

Sinneszellen

Rezeptive Felder

Laterale Hemmung

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