Grundlagen der Sensorik

In der Sinnesphysiologie werden Reize durch periphere Sensoren wahrgenommen und dann weiter in das zentrale Nervensystem geleitet. Je nach Sensor unterscheidet man unterschiedliche Sinnesmodalitäten. Zu den wichtigsten Sinnesmodalitäten gehören Sehen, Hören, Riechen, Schmecken und Fühlen. Die Reizaufnahme und Weiterleitung lässt sich für jede Sinnesmodalität in einen zweistufigen Prozess gliedern, der sich aus der sog. Transduktion und Transformation zusammensetzt. Im Rahmen der Transduktion wird der physikalische Reiz zuerst in ein elektrisches Rezeptorpotenzial umgewandelt und anschließend bei der Transformation in Form eines elektrischen Signals in das zentrale Nervensystem geleitet.

Als Sinnesmodalität bezeichnet man die von einem Sinnesorgan wahrgenommenen Empfindungen. Man unterscheidet fünf Modalitäten: Hören, Sehen, Riechen, Schmecken und Fühlen (beinhaltet den Tast-, Schmerz- und Temperatursinn). Innerhalb einer Sinnesmodalität unterscheidet man wiederum unterschiedliche Qualitäten.

Die Reizaufnahme und -weitergabe erfolgt in einem zweistufigen Prozess. Zunächst werden die physikalischen Reize über die Sensoren wahrgenommen und in ein sog. elektrisches Rezeptorpotenzial umgewandelt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Transduktion. Überschreitet das Rezeptorpotenzial einen Schwellenwert, werden im Rahmen der sog. Transformation Aktionspotenziale ausgelöst, die anschließend ins zentrale Nervensystem weitergeleitet werden. Die bewusste Wahrnehmung dieser Signale erfolgt dann erst nach der Verarbeitung durch das ZNS.

Überblick der Reizaufnahme

1. Reiz wirkt auf den Rezeptor der Sinneszelle
2. Transduktion: Sinneszelle erzeugt das sog. Rezeptorpotenzial
3. Transformation: Aktionspotenzialfolge wird erzeugt durch:
   1. Sog. primäre Sinneszelle oder
   2. Neuron (das auf eine sog. sekundäre Sinneszelle folgt)

Transduktion (Sensorik)

Der wahrgenommene Reiz kann mechanisch, elektromagnetisch, chemisch oder thermisch sein. Je nach wahrgenommener Modalität besitzen die Sensoren unterschiedliche Mechanismen, um den wahrgenommenen Reiz in ein sog. Rezeptorpotenzial umzuwandeln.

• Ablauf der Transduktion
  1. Reizaufnahme über den Sensor
  2. Reiz wird in ein Rezeptorpotenzial umgewandelt
• Merkmale des Rezeptorpotenzials
  • Ist dem Reiz in Dauer und Amplitude analog
  • Breitet sich passiv vom Entstehungsort in der Rezeptorzelle aus (= passiv elektrotonische Weiterleitung)
• Beispiele
  • Sinnesmodalität: Hören
    • Sensoren: Haarzellen
    • Transduktionsvorgang in den Haarzellen: Mechanische Abscherbewegung der Sinneshärchen wird in ein Rezeptorpotenzial umgewandelt
  • Sinnesmodalität: Sehen
    • Sensoren: Photorezeptoren
    • Transduktionsvorgang: Licht, also elektromagnetische Wellen, wird in ein Rezeptorpotenzial umgewandelt

Transformation (Sensorik)

Im Rahmen der Transformation wird das Rezeptorpotenzial in Aktionspotenziale umgewandelt. Die hierbei verantwortlichen Mechanismen werden bei der Entstehung von Aktionspotenzialen erklärt. Die entstandenen Aktionspotenziale werden im Anschluss über afferente Nervenfasern (meist mittels saltatorischer Erregungsleitung) ins zentrale Nervensystem geleitet.

• Ablauf der Transformation
  1. Rezeptorpotenzial breitet sich elektrotonisch aus
  2. Bei Überschreiten des Schwellenwertes benachbarter spannungsabhängiger Na⁺- und K⁺-Kanäle wird ein Aktionspotenzial (nach der Alles-oder-nichts-Reaktion) ausgelöst
  3. Weiterleitung des Aktionspotenzials über den afferenten Nerven zum ZNS
• Merkmale der Umwandlung
  • Amplitude des Rezeptorpotenzials wird durch die Frequenz der Aktionspotenziale kodiert
  • Aktionspotenziale erfolgen dann nach der Alles-oder-nichts-Reaktion

Umkodierung der Reizinformationen: Je stärker der Reiz, desto größer das Rezeptorpotenzial und desto höher die Frequenz der Aktionspotenziale!

Das Rezeptorpotenzial breitet sich elektrotonisch aus, das heißt, dass die Weiterleitung passiv erfolgt und mit zunehmender Entfernung vom Entstehungsort abgeschwächt wird. Aktionspotenziale hingegen folgen der sog. „Alles-oder-nichts-Reaktion“!

Sinneszellen

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Sensoren. Man unterscheidet, ob Sinneszellen eigenständig Aktionspotenziale bilden können oder nicht. Primäre Sinneszellen können sowohl Rezeptorpotenzial als auch Aktionspotenziale bilden. Sekundäre Sinneszellen sind lediglich in der Lage, das Rezeptorpotenzial zu generieren.

• Primäre Sinneszelle: Sinneszelle mit eigenem Axon
  • Führt sowohl die Transduktion als auch die Transformation durch
  • Beispiel: Geruchssinneszellen
• Sekundäre Sinneszelle: Sinneszelle ohne eigenes Axon
  • Führt nur die Transduktion durch
  • Beispiel: Geschmackssinneszellen

Sensortypen

Sowohl primäre als auch sekundäre Sinneszellen werden anhand ihres jeweiligen Messverhaltens eingeteilt. Grundsätzlich unterscheidet man Proportionalsensoren von Differenzialsensoren. Erstere registrieren die Stärke eines Reizes; letztere messen in erster Linie, wie stark sich ein Reiz verändert. Die Sinneszellen jeder Sinnesmodalität lassen sich so einem Sensortypen zuordnen.

Rezeptive Felder

Das Areal, das nur eine einzige Sensorzelle aktiviert, wird als rezeptives Feld bezeichnet. Die afferenten Nervenfasern, die die Informationen dieses Areals ins ZNS leiten, können dabei sowohl mit einer als auch mit mehreren Sensorzellen verbunden sein. Erhält ein zentrales Neuron auf diese Weise Informationen von vielen afferenten Nervenfasern, handelt es sich um ein großes rezeptives Feld; den genauen Reizort kann das Neuron hier schlecht lokalisieren. Die Größe der rezeptiven Felder entscheidet also über das räumliche Auflösungsvermögen einer Sinneszelle.

• Große rezeptive Felder
  • Auflösungsvermögen: Gering
  • Prinzip: Viele afferente Fasern erreichen ein zentrales Neuron → Neuron kann nicht unterscheiden, wo im rezeptiven Feld der Reiz aufgetreten ist → Schlechtes Auflösungsvermögen
• Kleine rezeptive Felder
  • Auflösungsvermögen: Hoch
  • Prinzip: Nur wenige periphere Neurone erreichen ein zentrales Neuron → Gute Unterscheidungsmöglichkeit für das zentrale Neuron → Gutes Auflösungsvermögen

Organisation von Sinneskanälen

Welche Sensortypen gibt es und durch welches Messverhalten zeichnen sie sich jeweils aus?

Welches Adaptationsverhalten zeigen die verschiedenen Sensortypen?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.