Die Verarbeitung von Informationen über unsere Umwelt ist ein komplexer Prozess, der im Nervensystem beginnt und im Gehirn seine Vollendung findet. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte dieses Prozesses, von den spezialisierten Nervenzellen in der Haut und der Netzhaut bis hin zu den komplexen neuronalen Schaltkreisen im Gehirn, die visuelle und taktile Reize verarbeiten.
Die Rolle der Hautnervenzellen bei der taktilen Wahrnehmung
Unsere Haut ist mit einer Vielzahl von Nervenzellen ausgestattet, die es uns ermöglichen, Berührungen, Temperatur, Schmerz und Vibrationen wahrzunehmen. Entgegen der bisherigen Annahme, dass spezialisierte Zelltypen für jeden dieser Reize verantwortlich sind, zeigen aktuelle Forschungen, dass die einzelnen Nervenzellen auf mehrere verschiedene Umweltreize reagieren können. Dies deutet darauf hin, dass unser Hautsinnessystem viel komplizierter und weniger arbeitsteilig funktioniert als bisher angenommen.
Vielfalt der Nervenzellen in der Haut
Neurobiologen haben in der menschlichen Haut mindestens 16 verschiedene Zelltypen identifiziert, die an unserem Sinnessystem beteiligt sind. Diese Vielfalt deutet auf eine komplexere Verarbeitung von sensorischen Informationen hin, als bisher angenommen.
Multifunktionale Sensoren
Die Analyse der Funktion der einzelnen Nervenzellen ergab, dass diese nicht nur auf einzelne Umweltreize reagieren, sondern auf mehrere Trigger. So reagierte beispielsweise ein Zelltyp, der auf sanfte Berührungen reagiert, auch auf Hitze, Kälte und Capsaicin, die Chemikalie, die für den Schmerz von scharfem Essen verantwortlich ist. Dies deutet darauf hin, dass die Nervenzellen in der Haut nicht so spezifisch sind, wie bisher angenommen.
Vergleich mit Tieren
Ein Vergleich des Hautsinnessystems von Menschen, Mäusen und Makaken ergab, dass dieses zwar ähnlich aufgebaut ist, sich aber auch unterscheidet. Menschen haben beispielsweise deutlich mehr Zellen von dem Typ, der besonders schnell Schmerz erkennt und dieses Signal an das Gehirn weiterleitet.
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Die Bedeutung der taktilen Wahrnehmung
Die taktile Wahrnehmung dient dem Erfassen und Erkunden der Umwelt. Über die taktilen Rezeptoren der Haut sammeln wir Informationen über Gegenstände, die wir mit der Hand oder dem Fuß erkunden. Die Sinneszellen der Haut können uns auch vor Schaden bewahren, indem wir auf Schmerz- oder Hitzereize entsprechend reagieren.
Störungen der taktilen Wahrnehmung
Schädigungen der Nerven, die mit den Rezeptoren der Haut in Verbindung stehen, können die taktile Wahrnehmung beeinträchtigen. Dies kann zu einer gesteigerten (Hyperästhesie) oder verminderten (Hypästhesie) Wahrnehmung von Reizen führen. Auch psychische Störungen können die taktile Wahrnehmung beeinflussen, da Haut und Psyche eng miteinander verbunden sind.
Visuelle Verarbeitung: Von der Netzhaut zum Gehirn
Die Verarbeitung visueller Informationen beginnt in der Netzhaut des Auges, wo sensorische Nervenzellen, die retinalen Ganglienzellen, auf optische Reize reagieren und die Informationen zum Gehirn senden. Diese Informationen werden dann in verschiedenen Hirnstrukturen verarbeitet, darunter die Sehrinde im Großhirn und die Colliculi superiores im Mittelhirn.
Neuronale Verbindungen zwischen Netzhaut und Mittelhirn
Neurowissenschaftler:innen der Charité - Universitätsmedizin Berlin und des Max-Planck-Instituts für biologische Intelligenz haben erstmals gezeigt, wie sensorische Nervenzellen in der Netzhaut präzise mit Nervenzellen der Colliculi superiores verbunden sind. Sie konnten einzelzellgenau aufzeigen, dass die Anordnung der Eingänge von Signalen der retinalen Ganglienzellen im Mittelhirn exakt die Anordnung in der Retina widerspiegelt.
Die Rolle der Colliculi superiores
Die Colliculi superiores spielen eine wichtige Rolle bei der visuellen Verarbeitung von eingehenden Signalen aus der Retina. Sie sind vor allem für reflexartiges visuelles Verhalten zuständig, während die Sehrinde für die generelle visuelle Wahrnehmung zuständig ist.
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Blindsehen
Die Erkenntnisse über die Verbindungen zwischen Netzhaut und Mittelhirn tragen auch zu einem besseren Verständnis des sogenannten Blindsehens bei. Hierbei handelt es sich um ein Phänomen, das beim Ausfall der primären Sehrinde beobachtet wird. In diesem Fall ist eine bewusste visuelle Wahrnehmung nicht mehr möglich, aber es verbleibt eine Restfunktion der visuellen Informationsverarbeitung, die offenbar auf das Mittelhirn zurückgeht.
Die Bedeutung des Oberen Hügelchens (Superior Colliculus)
Neurowissenschaftler um Professor Ziad M. Hafed am Hertie-Institut für klinische Hirnforschung und der Universität Tübingen haben herausgefunden, dass das Obere Hügelchen im Hirnstamm eine Hauptrolle bei der Kontrolle präziser Augenbewegungen spielt, die von einer hohen Sehschärfe abhängig sind. Dies stellt einen Wendepunkt für die Sehforschung dar, da man bislang davon ausgegangen war, dass das Obere Hügelchen nur dazu notwendig ist, die Augen aus dem Bereich des schärfsten Sehens wegzubewegen.
Visuelle Informationsverarbeitung im Gehirn
Die visuelle Informationsverarbeitung im Gehirn ist ein komplexer Prozess, der in der Retina beginnt und über verschiedene kortikale Areale bis hin zum Temporallappen verläuft. In den frühen Stufen der Bildanalyse werden elementare Merkmale wie Kontrast, Farbe und Bewegung extrahiert. In höheren Arealen werden diese Merkmale zu komplexeren Objektdarstellungen zusammengefügt.
Die primäre Sehrinde (V1)
Die primäre Sehrinde ist das erste kortikale Areal, das visuelle Informationen aus der Netzhaut erhält. Hier werden elementare Merkmale wie Orientierung, räumliche Frequenz und Farbe verarbeitet. Die Neuronen in V1 sind in Säulen organisiert, die jeweils auf eine bestimmte Orientierung oder Augendominanz spezialisiert sind.
Höhere visuelle Areale
Von V1 aus werden die visuellen Informationen an höhere visuelle Areale weitergeleitet, wo sie weiterverarbeitet werden. Diese Areale sind für die Verarbeitung komplexerer Merkmale wie Form, Bewegung und Farbe zuständig. Einige Areale sind auch auf die Verarbeitung bestimmter Objektkategorien spezialisiert, wie z. B. Gesichter oder Orte.
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Die Rolle des Gehirns bei der Steuerung von Aufmerksamkeit und Gedächtnis
Das Gehirn spielt eine entscheidende Rolle bei der Steuerung von Aufmerksamkeit und Gedächtnis. Aufmerksamkeit ermöglicht es uns, uns auf relevante Informationen zu konzentrieren und irrelevante Informationen auszublenden. Gedächtnis ermöglicht es uns, Informationen zu speichern und später wieder abzurufen.
Visuelles Kurzzeitgedächtnis
Das visuelle Kurzzeitgedächtnis ist ein System, das visuelle Informationen für kurze Zeit speichern kann. Es ermöglicht uns, Informationen über die Umwelt zu behalten, während wir uns bewegen und interagieren.
Aufmerksamkeit
Aufmerksamkeit ist eine begrenzte Ressource, die es uns ermöglicht, uns auf relevante Informationen zu konzentrieren. Sie kann sowohl von bottom-up- als auch von top-down-Prozessen gesteuert werden. Bottom-up-Prozesse werden durch die Eigenschaften der Reize selbst gesteuert, während top-down-Prozesse durch unsere Ziele und Erwartungen gesteuert werden.
Visuelle Vorstellungskraft
Visuelle Vorstellungskraft ermöglicht es uns, uns Objekte und Szenen in unserem Geist vorzustellen. Sie basiert auf denselben neuronalen Mechanismen wie die normale visuelle Wahrnehmung.