Die Wahrnehmung der Welt um uns herum erfolgt durch die Integration verschiedener Sinnesorgane. Wie diese Wahrnehmungen im Gehirn zu einem kohärenten Gesamteindruck verschmelzen, ist ein komplexer Prozess, der noch nicht vollständig verstanden ist. Lange Zeit ging man davon aus, dass die Zusammenführung von Sinneseindrücken erst in einem späten Stadium der Informationsverarbeitung stattfindet. Jüngste Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass die Verarbeitung von Sinneseindrücken bereits in den primären Arealen der Hirnrinde beginnt.
Die Bedeutung des Tastsinns
Der Tastsinn ist für Menschen und Tiere von grundlegender Bedeutung, um mechanische Reize aus der Umwelt wahrzunehmen. Er ermöglicht es uns, die Beschaffenheit von Oberflächen zu erkennen, Druck, Vibrationen und Temperatur zu spüren. Die übertragene Bedeutung von "Begreifen" verdeutlicht, dass der Tastsinn für unsere Weltsicht unabdingbar ist. Tastrezeptoren befinden sich neben Sinneszellen für Temperatur, Druck, Vibration und Schmerz in der Haut. Die Signale der Tastorgane werden zum Gehirn geleitet, wo große Bereiche für Hautwahrnehmungen reserviert sind.
Multisensorische Integration im Gehirn
Um uns in unserer Umwelt zu orientieren oder eine Situation zu beurteilen, nutzen wir alle unsere Sinne gleichzeitig: Wir sehen, fühlen und riechen einen vollreifen Apfel, der beim Reinbeißen knackt und säuerlich-süß schmeckt. Die Integration von Informationen aus verschiedenen Sinnesorganen ermöglicht es dem Gehirn, ein umfassendes Bild der Umgebung zu erstellen.
Frühe Integration von Seh- und Tastsinn
Ein Forschungsteam aus Jena, London und München untersuchte die Kopplung von Seh- und Tastsinn bei Mäusen, wobei letzterer über die Tasthaare an der Schnauze vermittelt wird. Beide Sinne dienen vor allem der räumlichen Orientierung. Im Gegensatz zum Menschen spielt bei den Nagern das Sehen nur eine untergeordnete Rolle, Mäuse können nicht sehr gut sehen. In ihrem Lebensraum, engen dunklen Gängen, decken ihr Gesichtsfeld und die empfindlichen Tasthaare etwa denselben Bereich ab. Die Forscher entdeckten eine Region im sensorischen Kortex, die sowohl von visuellen als auch von Tastreizen aktiviert wird.
"Die Tast- und Bildinformationen vom selben Ausschnitt der Umgebung führen auch im Gehirn in einem scharf abgegrenzten Areal zu Aktivität. Dabei entdeckten wir, dass ein Bereich der primären Sehrinde auch bei Tastreizen aktiviert wird. Bereits die primäre Verarbeitung findet also nicht isoliert statt", erklärt Johann Wutke.
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Überraschend daran: Die primäre Sehrinde ist gängiger Annahme nach nur für die Verarbeitung optischer Reize zuständig. Bislang ging man deshalb davon aus, dass die Zusammenführung der taktilen und visuellen Sinneseindrücke erst in einem späten Stadium der neuronalen Informationsverarbeitung stattfindet. Doch augenscheinlich kombinieren sich Sinnesinformationen verschiedener Reizkanäle schon früher.
Hemmeffekt zwischen Tastsinn und anderen Sinnen
Das Kitzeln der Schnurrhaare veränderte auch die Intensität der visuellen Aktivität in der Sehrinde. Je stärker die mechanische Stimulation war, desto stärker hemmte sie die Amplitude der Signale, die durch die optischen Reize ausgelöst wurden. Dieser Zusammenhang gilt allerdings nur für den scharfen Umweltausschnitt, in dem sich beide Reize überlappen. Umgekehrt hingegen hatten die optischen Reize keinen Einfluss auf die Verarbeitung der taktilen Reize.
Nach Angaben von Weiler und seinen Kollegen tritt ein ähnlicher Hemmeffekt auf, wenn die Mäuse Tastreize und Höreindrücke gleichzeitig verarbeiten - die Tastreize schwächen die Aktivität der Hörrinde. „Dieser Hemmeffekt könnte dazu dienen, die taktilen Reize von nahen Objekten, die unmittelbare Aufmerksamkeit verlangen, zu priorisieren“, erklärt das Team. Für die Maus ist es in diesem Moment wahrscheinlich wichtiger, die Berührung zu verarbeiten als den Hör- oder Sehreiz.
Auswirkungen auf das Verständnis von Sinneswahrnehmungen
„Zusammengenommen liefert unsere Studie direkte anatomische und physiologische Belege dafür, dass die multisensorische Integration schon auf der Ebene der primären Areale der Hirnrinde stattfindet“, konstatieren die Forscher. Ihre Ergebnisse könnten nun auch Aufschlüsse über den menschlichen Tast- und Sehsinn und die Verknüpfung unserer Sinneswahrnehmungen geben.
„Wir wissen, dass Hör- und Tastsinn bei erblindeten Menschen oft deutlich sensibler werden. Mit unserer Grundlagenforschung zur multisensorischen Verarbeitung wollen wir zum Verständnis der zugrundeliegenden Umstrukturierungsprozesse im Gehirn beitragen, die ähnlich wahrscheinlich auch nach Lähmungen oder Schlaganfällen auftreten“, sagt Seniorautor Manuel Teichert von der Universität Jena.
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Künftige Experimente könnten vorerst weitere Details untersuchen: Welchen Einfluss haben Tastwahrnehmungen etwa auf die Sehschärfe, Kontrastempfindlichkeit oder das Orientierungsvermögen? Wie ändert sich die Aktivität in den Hirnarealen, während und nachdem eine Maus vorübergehend nichts sehen kann?
Die Anatomie der Haut und ihre Tastorgane
Über den Tastsinn wissen wir von allen fünf Sinnen am wenigsten, dabei ist das Organ, mit dem wir diesen Sinn wahrnehmen, das größte, das der Mensch besitzt: die Haut. Bei einem Erwachsenen ist sie ungefähr zwei Quadratmeter groß und wiegt bis zu zehn Kilogramm. Sie lässt sich in drei Bereiche aufteilen: die Oberhaut, auch Epidermis genannt, die Lederhaut (Dermis) und die Unterhaut (Subcutis). Sie umgibt unseren ganzen Körper und fungiert so auch als Schutz vor Umwelteinflüssen wie Hitze, Kälte, Keimen und Schmutz. Außerdem hilft sie, unsere Körpertemperatur konstant zu halten, denn in ihr befinden sich die Schweißdrüsen, die - sobald der Körper zu überhitzen droht - anspringen und kühlenden Schweiß produzieren. Sie sind in der Lederhaut angesiedelt, ebenso wie die Talgdrüsen, die Haarwurzeln, die Nervenenden und einige Blutgefäße. In der untersten Schicht, der Subcutis, liegen weiter Blutgefäße, die Nerven und die Fettzellen. Dem Tastsinn werden drei Sinnesqualitäten zugeordnet: Druck, Berührung und Vibration. In der Haut des Menschen befinden sich etwa 640.000 Tastpunkte. All diese speziellen Rezeptoren nehmen die Reize aus der Umwelt auf und leiten sie als elektrische Impulse an das Gehirn weiter, das aus diesen Informationen seine Schlüsse über die Umgebung zieht. Schon im Mutterleib beginnt ein Baby Berührungen wahrzunehmen. Daher ist der Tastsinn relativ gut entwickelt, wenn der kleine Mensch das Licht der Welt erblickt, verfeinert sich aber im Laufe der Zeit. Und auch die Interpretation der Reize im Gehirn muss sich noch weiterentwickeln. Liebevolles Berühren kann sogar die Überlebenschance von Frühgeborenen erhöhen.
Die Rolle der Meissner-Körperchen
In der Haut von Fingerspitzen und Lippen entdeckte Georg Meissner im Jahr 1852 eine einzigartige Struktur: Das Meissner-Körperchen ist eine ovale Kapsel voller Zellen, die mit einem Nervenende verschlungen sind, das ein Berührungssignal ans Gehirn sendet. „Eineinhalb Jahrhunderte lang haben Forschende sich beim Anblick des Meissner-Körperchens gedacht: Das ist eine schöne Struktur. Aber wir können nicht genau sagen, wozu sie dient“, sagt Professor Gary Lewin, Leiter der Arbeitsgruppe „Molekulare Physiologie der somatosensorischen Wahrnehmung“ am MDC.
Das USH2A-Protein und seine Bedeutung für den Tastsinn
Lewins Arbeitsgruppe hatte das Protein USH2A im Verdacht, an der Berührungswahrnehmung beteiligt zu sein. Das legten frühere Forschungen zum Zusammenspiel von Hör- und Tastsinnesorganen nahe. Mutationen im Gen, das für das USH2A-Protein kodiert, treten häufig beim Usher-Syndrom auf. Die Forschenden untersuchten nun 13 spanische Patientinnen mit Usher-Syndrom und spezifischen Mutationen, die zu einem veränderten USH2A-Protein führten. Das Team wollte herausfinden, welche kleinste Vibration die Patientinnen am kleinen Finger gerade noch spüren konnten.
Temperaturschwankungen und leichte Schmerzen konnten die Patientinnen mit Usher-Syndrom genauso gut wahrnehmen wie gesunde Kontrollpersonen - das waren meist Freiwillige am MDC. Für sehr geringe Vibrationen waren die Patientinnen jedoch deutlich weniger empfindlich. Um sie zu spüren, mussten Vibrationen im Schnitt viermal stärker sein. „Wir sind hochgradig berührungsempfindlich“, sagt Lewin. „Wer einen sehr guten Tastsinn hat, kann mit dem Finger den Unterschied zwischen einer sehr feinen und einer noch feineren Seide erkennen.
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Die Verarbeitung von Tastsinn-Informationen im Gehirn
Die Signale der Tastorgane werden zum Gehirn geleitet, wo sie in verschiedenen Arealen verarbeitet werden.
- Sensorischer Kortex: In diesem Bereich wird der Tastsinn verarbeitet, Vibrationen, Berührungen und Druck werden wahrgenommen. Außerdem kommen hier Sinneseindrücke zur Stellung des Körpers im Raum sowie teilweise auch Schmerz- und Temperaturinformationen an.
- Somatosensorischer Cortex: Im somatosensorischen Cortex werden die von den Rezeptoren kommenden Signale verarbeitet und in Wahrnehmungen umgewandelt.
Je größer die Dichte an Rezeptoren in einem bestimmten Körperteil, desto größer ist auch der Bereich des somatosensorischen Cortex, der sich mit ihren Informationen beschäftigt. Die Fingerspitzen nehmen daher den größten Teil dieses landkartenähnlich organisierten Systems in der Hirnrinde ein, gefolgt von Lippen, Gesicht und Mund.
Der Weg des Kusses: Ein Beispiel für die Verarbeitung von Tastsinn-Informationen
Die ständige Weiterleitung von Signalen über das Rückenmark zum Gehirn, insbesondere zum somatosensorischen Cortex, ermöglicht die Umwandlung von Reizen in Wahrnehmungen. Diese Wahrnehmungen sind nicht nur für Informationen über die Umwelt und den eigenen Körper unerlässlich, sondern bereichern auch das gesamte (Er-)Leben enorm.
Die Bedeutung von Berührung für soziale Interaktion und Wohlbefinden
Auch wenn es uns nicht bewusst ist: Wir brauchen den Tastsinn eigentlich immerzu. Es fängt schon morgens an, wenn wir die weichsten Socken aus dem Schrank fischen. Dann kramen wir nach dem Schlüssel in der Hostentasche oder nach dem Taschentuch im Jackett. Wir streichen den Kindern über den Kopf und genießen es, wenn eine Freundin uns umarmt. Wir streichen mit der Hand über den Buchdeckel und zig-Mal am Tag über den Touch-Screen des Handys. Immer verlassen wir uns darauf, dass er funktioniert, dass uns die Tasse nicht aus der Hand rutscht und wir das Streichholz rechtzeitig fallen lassen, bevor es uns die Finger versengt.
Berührung gehört aber nicht nur zum Leben dazu, sie hat auch eine ganze Reihe weiterer segensreicher Wirkungen: Bei Stress wirkt sie entspannend und sie stärkt das Immunsystem, wie eine Studie der Carnegie Mellon University in Pittsburgh zeigte. Dafür wurden Testpersonen mit Erkältungsviren infiziert. Ärzte machten die Entdeckung: Genauso wichtig wie der Brutkasten ist für Frühgeborene regelmäßiger Hautkontakt mit den Eltern. Mehrere Stunden liegen die Kleinen auf dem Körper von Mutter oder Vater und tanken menschliche Wärme - "Känguruhen" heißt diese Methode. Studien haben gezeigt, dass die Känguru-Methode die Sterblichkeit bei Frühgeborenen tatsächlich senken kann. Ein Fund, der auch Mediziner überraschte. Schon nach der Geburt soll möglichst früh Hautkontakt hergestellt werden.
Für Kinder ist Körperkontakt von sehr großer Bedeutung, allerdings nicht für alle gleichermaßen. Manche Kinder brauchen es, sehr häufig in den Arm genommen zu werden. Sie gehen gern an der Hand, sitzen oft auf dem Schoß und schlafen am liebsten im Bett der Eltern. Ob Viel-Knuddler und Wenig-Knuddler, daraus ließen sich weder Rückschlüsse auf den Charakter, noch auf den Entwicklungsstand ziehen, sagt Professor Florian Heinen, Chefarzt für Neuropädiatrie und kindliche Entwicklung am Haunerschen Kinderspital der Uni München. Aber klar ist: Ein gewisses Maß an Streicheleinheiten brauchen Kinder, um zu gesunden und zufriedenen Menschen heranzuwachsen. Denn Berührung regt das Wachstum von Nervenfasern an. Kinder erfahren, dass es ihnen gut geht, wenn ein anderer da ist und sie berührt.
C-taktile Nervenzellen und das Belohnungszentrum
Außerdem haben Menschen - ebenso wie Affen- noch etwas Besonderes: sogenannte C-taktile Nervenzellen. Sie befinden sich ausschließlich an behaarten Hautstellen und reagieren besonders gut auf langsame Berührung. Kein Mensch kann die C-taktilen Nervenzellen selbst aktivieren, das kann nur ein Gegenüber. Werden die C-taktilen Nervenzellen aktiviert, dann landen die Reize direkt im Belohnungszentrum des Gehirns. Botenstoffe wie das "Glückshormon" Dopamin oder das als Bindungs- und Kuschelhormon bekannte Oxytocin werden ausgeschüttet - ein Hinweis darauf, dass der Mensch von Anbeginn der Evolution ein soziales Wesen war.
Das somatosensorische System: Mehr als nur Tastsinn
Vom kribbelnden Kuss bis zum schmerzlichen Anfassen der Herdplatte - das somatosensorische System beschert höchst angenehme und ziemlich unangenehme Sinnesempfindungen. Prof. Dr. Das somatosensorische System umfasst alle Sinnesempfindungen abseits von Sehen, Hören, Riechen und Schmecken. Tastsinn, Temperatursinn, Schmerzsinn liefern unter Umständen überlebenswichtige Informationen über den Kontakt des Körpers mit der Außenwelt, sind aber nicht nur für unsere Unversehrtheit, sondern auch für höchst angenehme Sinneserfahrungen verantwortlich, wie das Küssen. Zum somatosensorischen System gehören rund 20 verschiedene Rezeptortypen, die über den gesamten Körper verteilt sind. Die meisten befinden sich in unserem größten Sinnesorgan - der Haut.
Der Tastsinn ist aber nur ein - wenn auch essentieller Teil - des somatosensorischen Systems. Darüber hinaus besteht es aus mindestens drei weiteren Sinnen: dem Temperatursinn, dem Schmerzsinn und der Tiefensensibilität oder Propriozeption. Während Letztere der Eigenwahrnehmung des Körpers dient, also Informationen von innen liefert, ist die wichtigste Außenstelle des somatosensorischen Systems unser mit Abstand größtes Sinnesorgan - die Haut (siehe: Außenstelle des Gehirns). Von dort gelangen permanent Signale über das Rückenmark ins Gehirn.
Mechanorezeptoren und Propriorezeptoren
Das somatosensorische System hat unterschiedliche Wahrnehmungsqualitäten mit entsprechenden Rezeptortypen, die auf die jeweiligen Reize reagieren. Sie alle haben eine Gemeinsamkeit: Es handelt sich um Mechanorezeptoren. Das heißt, sie registrieren Verformungen von Haut- und Haarzellen und wandeln diese in elektrische Signale um. In welcher Frequenz sie diese über verschiedene Schaltstationen Richtung Gehirn schicken, hängt davon ab, wie stark der Reiz ist, wie geübt wir in seiner Wahrnehmung sind, wie müde oder gestresst wir uns gerade fühlen und wie lange der Reiz bereits von außen auf uns einwirkt.
Sind Mechanorezeptoren für unsere Umwelt zuständig, so sind Propriorezeptoren Rezeptoren für das Selbst. Sie melden aus den Muskeln und Gelenken, wo sich unsere Körperteile gerade im Raum befinden, was sie tun und wie unsere Haltung ist. So ermöglichen sie komplexe Bewegungen und Handlungen. Ohne ihre Signale wären wir gezwungen, ständig unsere Gliedmaßen im Auge zu behalten: Ist der rechte Arm angehoben? Hält die linke Hand etwas fest? Ist das wirklich mein Bein, das ich da sehe?
Schmerz und Juckreiz: Warnsignale des Körpers
Dass Sinneseindrücke nicht eins zu eins wiedergeben, wie die Welt „wirklich“ ist, verdeutlichen zwei andere somatosensorische Empfindungen: „normaler“ Schmerz und Juckreiz. Für beides gibt es in der Umwelt keine Entsprechung - nichts, was per se weh tut oder kribbelt. Und trotzdem fühlen sich diese mentalen Konstrukte unseres Gehirns sehr real an.
Wird die Haut oder das Gewebe darunter verletzt, schlagen freie Nervenendigungen - so genannte Nozizeptoren - Alarm und wir fühlen einen stechenden Schmerz. Diese Signale der Nozizeptoren - vom lateinischen ‘nocere’ für ‘schaden’ abgeleitet - gehen noch einen direkteren Weg. Sie aktivieren Reflexbahnen im Rückenmark, sodass wir uns schnellstmöglich in Sicherheit bringen können. Entzündungen verursachen dagegen dumpfe Schmerzen (siehe: Schmerzlich aber unabdingbar).
Auch der Juckreiz warnt vor Gefahren: ganz akut, wenn ein Parasit in unsere Haut eindringt oder auch über Wochen, wenn Nerven oder Haut krank sind. Das unerträgliche Kribbeln ist aber nicht einfach der kleine Bruder des Schmerzes. Werden die Nozizeptoren nur leicht gereizt, so juckt es, lautete lange eine These. Ein Team um Zhou-Feng Chen vom Schmerzzentrum der Washington University School of Medicine im amerikanischen St. Louis hat das im Jahr 2009 widerlegt. Es wies nach, dass man bei Mäusen den Juckreiz ausschalten kann, ohne dabei das Schmerzempfinden zu beeinflussen. Also müssen eigene Signalwege von diesen Nervenenden bis zum Gehirn für beide Empfindungen vorhanden sein. Zuvor hatte Martin Schmelz, vormals Physiologe an der Universität Erlangen jetzt in der Translationalen Schmerzforschung an der Universität Heidelberg, bereits zeigen können, dass es freie Nervenenden in der Haut gibt, die nur für das Jucken zuständig sind.
Temperaturwahrnehmung
Eine weitere Familie der Schmerzrezeptoren mit Sitz in den oberen Hautschichten dient als Messstation für kalt oder warm. Die Kaltpunkte liegen in den oberen Hautschichten, sie reagieren auf Temperaturen zwischen 5 und 36 Grad Celsius, die Warmpunkte übermitteln Werte von 25 bis 45 Grad. Kommen wir von einem klimatisierten Gebäude in die pralle Sommersonne, so feuern vor allem die Warmrezeptoren; die für Kälte bleiben stumm. Beim Baden im Meer ist es umgekehrt. Allerdings stellen sich diese freien Nervenendigungen schnell auf die neue Temperatur ein. Die Messung ist also keineswegs objektiv, sondern hängt unter anderem von der Ausgangstemperatur der Haut ab, der Geschwindigkeit der Temperaturänderung und der Größe der Hautfläche, die der Temperatur ausgesetzt ist.
Aufmerksamkeit und Erwartung: Faktoren, die die Wahrnehmung beeinflussen
Das meiste, was uns das somatosensorische System meldet, dringt allerdings gar nicht erst in unser Bewusstsein. Und das ist auch gut so. Würden wir jeden einzelnen Berührungsreiz wahrnehmen, wäre zum Beispiel Kleidung unerträglich. Es sind die Änderungen, die wir registrieren. “Achtung! Hier passiert etwas”, melden dann die Nervenzellen. Schürft sich ein Kind das Knie auf, so wird die Verletzung sofort zu Tränen führen. Rempelt uns jemand an, werden wir uns nach dem Übeltäter umschauen. Doch auch Aufmerksamkeit und Erwartungen steuern, was wir wahrnehmen. Sind wir durch den Anrempler abgelenkt, hat auf der anderen Körperseite ein Taschendieb leichtes Spiel. Und das Kind, dessen Knie blutet, wird den Schmerz wohl intensiver wahrnehmen als ein Soldat, der im Feld schwer verletzt um sein Leben kämpfen muss.
Die Rolle von Assoziationsgebieten im Gehirn
Die Merkmale, die allein die Tastrezeptoren liefern, reichen jedoch noch nicht aus, um in einer Handtasche einen Gegenstand als Hausschlüssel oder Handy zu ertasten. Dazu ist ein weiterer Schritt nötig: Die Assoziationsgebiete im Gehirn vergleichen die eingehenden Informationen mit unseren bisherigen Erfahrungen und fügen sie wie ein Puzzle zu einem schlüssigen Gesamtbild zusammen. So ist die Braille-Schrift für die meisten Sehenden unverständlich, mit viel Übung jedoch kann sie ein Blinder aber lesen. Ein Masseur kann Verspannungen erkennen, von denen ein Laie nichts ahnt. Und so konnte auch Julia den Trick ihrer Mutter entlarven - obwohl der neue Stoffclown genauso aussah wie der alte.