Die Haut ist mehr als nur eine äußere Hülle; sie ist ein komplexes Organ, das unseren Körper schützt und uns mit der Umwelt interagieren lässt. Mit einer Gesamtfläche von etwa zwei Quadratmetern ist sie das größte Organ des Menschen. Ihre über vier Millionen Rezeptoren, die Außenfühler der Nerven, lassen uns Kälte und Hitze spüren, Schmerz fühlen und Lust empfinden. Auf den ersten Blick unscheinbar, ist die Haut tatsächlich ein wahres Wunderwerk. Sie wiegt im Durchschnitt etwa 14 Kilogramm und macht damit ca. 20 Prozent des Gesamtkörpergewichts aus. Täglich wächst sie um 0,002 Millimeter. Sie enthält ein Viertel des im Körper gespeicherten Wassers, und das ist eine ganze Menge Feuchtigkeit, denn der Mensch besteht zu 70 Prozent aus Wasser. In einem Quadratzentimeter Haut befinden sich etwa 600.000 Zellen, 5.000 Sinneszellen, 4 Meter Nervenbahnen, 100 Schweißdrüsen, 1 Meter Blutgefäße, 15 Talgdrüsen, 5 Haare und 150.000 Pigmentzellen. Die Haut ist also Sensor- und Schaltzentrale für viele unserer Sinneswahrnehmungen, wichtiges Element bei der Regulation der Körpertemperatur und Schutzhülle für den Körper in einem.
Der Aufbau der Haut
Die Haut besteht aus drei Hauptschichten, die fest miteinander verbunden sind und unterschiedliche Funktionen erfüllen:
- Oberhaut (Epidermis): Die äußerste Schicht, die den Körper vor der Umwelt schützt.
- Lederhaut (Dermis oder Cutis): Die mittlere Schicht, die für die Versorgung der Oberhaut zuständig ist und wichtige Strukturmerkmale aufweist.
- Unterhaut (Subcutis): Die innerste Schicht, die als Energiereserve, Wärmepolster und Nahrungsspeicher dient.
Die Oberhaut (Epidermis)
Die Oberhaut ist die äußerste Schicht der Haut und bildet die direkte Verbindung des Menschen zu seiner Umwelt. Sie besteht aus mehreren ineinandergreifenden Schichten:
- Hornschicht (Stratum corneum): Die oberflächliche Schicht, die aus 15 bis 20 Lagen sich ständig erneuernder Hornzellen besteht.
- Helle Schicht (Stratum lucidum): Eine dünne, durchscheinende Schicht, die nur in bestimmten Bereichen des Körpers vorkommt.
- Körnerschicht (Stratum granulosum): Eine Schicht, in der die Zellen beginnen, Keratin zu produzieren.
- Stachelzellschicht (Stratum spinosum): Eine Schicht, die reich an Desmosomen ist, welche die Zellen miteinander verbinden.
- Keimschicht (Stratum basale): Die unterste Schicht, in der neue Hautzellen gebildet werden.
Die Dicke der Oberhaut variiert je nach Körperregion zwischen 30 Mikrometern und 4 Millimetern. Am dicksten ist sie an der Fußsohle und am Handteller. Diese oberste Hautschicht besteht aus schuppenförmigen, übereinandergelagerten und verhornten Hautzellen ohne Zellkern, den abgestorbenen Keratinozyten. Sie werden in der Keimschicht gebildet und wandern unter ständiger Veränderung ihrer Form und ihres Zellinhalts an die Oberfläche bis sie die Hornschicht erreichen.
Neben den Keratinozyten enthält die Keimschicht drei weitere Zellarten:
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- Melanozyten: Produzieren Melanin, das für die Braunfärbung der Haut sorgt und sie vor UV-Strahlung schützt.
- Langerhans-Zellen: Spielen eine wichtige Rolle im Immunsystem, indem sie Antigene präsentieren.
- Merkel-Zellen: Fungieren als epidermale, hauteigene Nervenzellen.
Die Oberhaut ist für das Aussehen eines Menschen besonders wichtig. So hängt es z.B. von der Dicke oder Zartheit der Hornschicht ab, ob die Blutgefäße durchschimmern können und der Teint dadurch rosig oder blass erscheint. Die Oberhaut lässt sich in ihrer Beschaffenheit durch kosmetische Präparate positiv beeinflussen.
Die Lederhaut (Dermis)
Die Lederhaut ist die stärkste Hautschicht und eng mit der Oberhaut verzahnt. Sie ist gut durchblutet und von Lymphbahnen und Nerven durchzogen, was die Versorgung der Epidermis mit Nährstoffen und Sauerstoff gewährleistet.
Ein auffälliges Strukturmerkmal der Lederhaut ist das faserige Netzwerk aus Proteinen, das zum Großteil aus Kollagenfasern besteht. Daneben finden sich in geringeren Mengen Retikulin- und Elastinfasern (feine bzw. elastische Bindegewebsfasern). Dieses Fasergeflecht sorgt für Halt und Elastizität der Haut. Die sehr zarten Retikulinfasern (Typ-III-Kollagen) umgeben vor allem die Hautanhangsgebilde und die Basalmembran, die elastischen Fasern sind in der gesamten Lederhaut verteilt und besonders zahlreich im Gesicht und im Nacken.
Die speziellen Nervenkörper und freien Nervenendungen der Lederhaut sprechen auf Wärme, Kälte und Berührungsreize an. Weiterhin sitzen hier die Talgdrüsen. Haarwurzeln und Schweißdrüsen befinden sich im unteren Teil der Lederhaut sowie in der Übergangsschicht zur Unterhaut.
Die Unterhaut (Subcutis)
Die Unterhaut ist eine stark dehnbare Bindegewebsschicht, die von der Lederhaut nicht scharf abgegrenzt ist. Die zum Teil umfangreichen Fetteinlagerungen, das Unterhautfettgewebe, übernehmen die Aufpolsterung der Haut. In der Unterhaut liegen zahlreiche Blut- und Lymphgefäße, Schweißdrüsen sowie Haarwurzeln.
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Die Subcutis führt ein dichtes Nervennetz, dessen Endungen alle Hautschichten durchziehen und Sinnesempfindungen, wie Druck, Wärme, Kälte und Tastgefühl, vermitteln. Diese Schicht dient als Energiereserve, Wärmepolster und Nahrungsspeicher. Sie schützt Knochen, Muskulatur und Organe gegen Druck, Stoß und Wärmeverlust.
Das Gehirn: Zentrale Steuerung und Schutz
Das Gehirn, auch Cerebrum oder Encephalon genannt, ist der im Schädel befindliche Teil des Zentralnervensystems. Es koordiniert und steuert die Körperfunktionen, vermittelt die Wahrnehmung, integriert sensomotorische Prozesse und organisiert Verhalten, Denken und Gefühle. Seine Aktivität repräsentiert den inneren Zustand des Gesamtorganismus.
Die Entwicklung des Gehirns
In der Evolution des Gehirns lassen sich verschiedene Stadien erkennen:
- Nesseltiere (Cnidaria): Besitzen ein diffuses Nervennetz, das noch nicht zentralisiert ist.
- Plattwürmer (Plathelminthes): Haben ein einfaches Gehirn, das meist als Cerebralganglion bezeichnet wird.
- Ringelwürmer (Annelida): Zeigen eine Abhängigkeit des Gehirns von Lebensweise, Bau der Sinnesorgane und Kopfbildung.
- Insekten (Insecta): Besitzen eine ähnliche Grundorganisation des Gehirns wie Ringelwürmer, jedoch mit stärker ausgeprägten Assoziationszentren und Verbindungsbahnen.
- Weichtiere (Mollusca): Zeigen eine zunehmende Zentralisierung der Nervenzellen in Ganglien, insbesondere bei Kopffüßern (Cephalopoda).
- Wirbeltiere: Entwickeln eine Zentralisierung des Nervensystems sowie die Ausbildung von Assoziationszentren und hierarchisch übergeordneten Gehirnregionen auf der Grundlage eines Neuralrohrs.
Der Aufbau des Gehirns der Säugetiere
Das Gehirn der Säugetiere, einschließlich des Menschen, ist nach einem einheitlichen Bauplan gebildet. Es besteht aus verschiedenen Abschnitten, die sich zu unterschiedlicher Zeit entwickeln:
- Hirnstamm: Steuert lebenserhaltende Funktionen wie Herzschlag und Atmung.
- Kleinhirn (Cerebellum): Koordiniert unter anderem Bewegungen.
- Vorderhirn: Dient anspruchsvollen Aufgaben wie Planen, Bewerten von Informationen und Entscheiden.
Das Großhirn (Telencephalon) ist der größte und am höchsten entwickelte Teil des Gehirns. Es unterteilt sich in zwei weitgehend symmetrische Hälften (Hemisphären), die durch den sogenannten Balken (Corpus callosum) und weitere Nervenfasern miteinander in Verbindung stehen.
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Die Großhirnrinde (Cortex cerebri) ist die äußere Schicht des Großhirns und für höhere kognitive Funktionen wie Denken, Sprache und Gedächtnis verantwortlich. Sie ist in verschiedene Felder (Brodman-Areale) unterteilt, die mit verschiedenen Funktionen korreliert sein können.
Schutz des Gehirns
Das Gehirn muss in besonderem Maße vor Verletzungen geschützt werden. Es wird von den Schädelknochen und innerhalb des Schädels von drei Hirnhäuten (Meningen) umgeben:
- Harte Hirnhaut (Dura mater)
- Spinngewebshaut (Arachnoidea): Hier verlaufen zahlreiche Blutgefäße.
- Weiche Hirnhaut (Pia mater): Liegt dem Gehirn unmittelbar auf und dringt in alle Furchen ein.
Zwischen den beiden inneren Hirnhäuten befindet sich ein flüssigkeitserfüllter Hohlraum, der in Verbindung mit den Hohlräumen des Rückenmarks und den vier Hirnkammern (Hirnventrikel, Ventrikel) steht, in denen die Cerebrospinalflüssigkeit (Liquor cerebrospinalis) produziert wird.
Künstliche Haut und ihre Verbindung zum Gehirn
Forschende arbeiten an der Entwicklung künstlicher Haut, die verschiedene Reize wahrnehmen kann und diese Informationen an das Gehirn weiterleitet. Eine künstliche Haut, die verschiedene Reize wahrnehmen kann, haben Forschende aus Stanford entwickelt. Nun arbeiten sie daran, ihren Prototyp mit dem Gehirn und der Peripherie des Körpers zu verbinden. Die Haut nachzubauen ist schwierig, da sie nicht nur der Schutzmantel des Organismus ist, sondern gleichzeitig auch ein einzigartiges multisensorisches Organ. Sie erspürt Druck, Temperatur und Feuchtigkeit der Umgebung und leitet diese Informationen an das zentrale Nervensystem (ZNS) weiter. Dort werden die Informationen interpretiert und daraufhin Signale an die Peripherie für eine adäquate Reaktion ausgesendet. Das Ziel zahlreicher interdisziplinärer Forscherteams ist es, die mechanischen und sensorischen Eigenschaften biologischer Haut möglichst vollständig zu imitieren und in einem System zusammenzubringen. Dabei soll nicht nur der Tastsinn nachempfunden werden. Grundsätzlich besteht elektronische Haut aus einem weichen, flexiblen und dehnbaren Trägermaterial wie beispielsweise Polyurethan, Polyimid oder Polydimethylsiloxan (PDMS). Um innerhalb des Trägers ein leitendes Netzwerk zu bilden, werden Füllmaterialien wie Metall-Nanopartikel integriert oder aufgebracht. Auch Graphen, eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler, bienenwabenförmiger Struktur, oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen, sind hierfür geeignet. Zudem gibt es per se leitende Polymere. Das am besten untersuchte ist Poly(3,4-Ethylendioxythiophen):Polystyrensulfonat, kurz PEDOT:PSS. Die Anforderungen an das Material und an das Design von elektronischer Haut hängen vom Einsatzgebiet und von der Tragedauer ab. Bei Prothesen und Robotern sollte es möglichst robust und selbstheilend sein. Im medizinischen Bereich steht eher die Hautverträglichkeit im Vordergrund und im Sport zudem die kabellose Datenübertragung und die Unabhängigkeit von Energiequellen. Die Sensoren, etwa für Druck oder Temperatur, basieren in den meisten Fällen auf dem piezoelektrischen oder piezoresistiven Effekt. Hierbei induziert ein äußerer Druck, der das Material deformiert, einen elektrischen Strom oder verändert den elektrischen Widerstand, der gemessen werden kann. Piezoelektrisches ZnO ist Bestandteil eines extrem feinfühligen und hochauflösenden Hybridmaterials, das Professor Dr. Anna Maria Coclite und ihr Team vom Institut für Festkörperphysik an der TU Graz entwickelt haben. Die Forschenden versahen ein Trägermaterial aus Polyurethanacrylat mit winzigen Vertiefungen und stellten so eine Art Schablone für die Sensoren her. In die Vertiefungen brachten sie eine Lage ZnO auf und füllten diese mit einem Hydrogel auf. Extrem dünn und hochauflösend ist das der Epidermis nachempfundene Material, das Anna Maria Coclite und ihr Team an der TU Graz entwickelt haben. Das Hydrogel dehnt sich bei Feuchtigkeits- und Temperaturänderungen aus. Dabei übt es einen Druck auf das piezoelektrische ZnO aus und es entsteht ein elektrisches Signal. Ein Datenerfassungssystem leitet dieses ab und macht es am Bildschirm sichtbar. »Die ersten Materialsamples sind 6 µm dünn. Es ginge aber noch dünner«, erklärt Coclite in einer Meldung der TU Graz. Zum Vergleich: Die menschliche Epidermis hat je nach Körperregion eine Dicke von 0,03 bis 2 mm und kann Objekte ab etwa 1 mm2 wahrnehmen. Das in Graz entwickelte Material hat eine sehr hohe Auflösung von 2000 einzelnen Sensoren pro mm2 und ist damit weitaus feinfühliger als menschliche Fingerspitzen. Das ultimative Ziel der E-Skin-Forschung ist, die künstliche Haut an das menschliche Nervensystem anzubinden. Dadurch sollen Menschen mit amputierten Gliedmaßen über ihre Prothese Reize aus der Umwelt empfangen können. Doch dafür muss das vom Sensor generierte analoge elektrische Signal in einer Form ans ZNS weitergeleitet werden, die es verstehen kann. Im biologischen Vorbild werden Sinnesreize in Form von Aktionspotenzialen übermittelt, in deren Frequenz die Informationen über verschiedene Aspekte des Reizes (etwa seine Qualität und Stärke) kodiert sind. Einen entsprechenden Prototyp hat ein Team um Weichen Wang an der Stanford University in Kalifornien entwickelt und im Fachjournal »Science« vorgestellt. Das System kann je nach Konfiguration Druck, Dehnung, Temperatur oder Chemikalien wahrnehmen und ist nur circa 25 bis 30 µm dick, was der Epidermis nahekommt. Um zu testen, ob das Gehirn die Signale der E-Skin verarbeiten kann, verbanden die Forschenden sie über eine Elektrode mit dem sensorischen Cortex einer Ratte. Es funktionierte: Das Bein der Ratte zuckte bei Stimulation der elektronischen Haut, und zwar umso stärker, je intensiver der Reiz war. Diese Forschung liefere wichtige Erkenntnisse auf dem Weg zu einer vollständig integrierten E-Skin, die Prothesenträgern oder Verbrennungsopfern ihren Tastsinn zurückgeben könnte, heißt es in einer Mitteilung der Universität. Ein weiterer möglicher Anwendungsbereich von E-Skin ist die Messung von Stoffwechselprodukten wie Laktat und Glucose sowie Elektrolyten wie Kalium und Natrium im Schweiß. Das wäre etwa für Sportler attraktiv, aber ebenso beispielsweise in der Altenpflege, um eine Dehydratation zu erkennen. Des Weiteren wird an elektronischer Haut geforscht, die mit transdermalen Drug-Delivery-Systemen gekoppelt ist. Die Iontophorese hat sich dabei als vielversprechende Technik erwiesen, da sie in der Lage ist, makromolekulare Arzneistoffe mithilfe von elektrischem Strom durch die Epidermis der Haut zu transportieren. Wie viel zu elektronischer Haut geforscht wird, zeigt sich allein daran, dass sich die Anzahl der Publikationen zu diesem Thema in den vergangenen 20 Jahren exponenziell erhöhte, mit mehr als 1000 allein im Jahr 2019. Zahlreiche Teilaspekte müssen aber noch adressiert werden, um die Systeme alltagstauglich und sicher für den Anwender zu machen. Eine leichte und langfristige Stromversorgung ist einer davon, hautverträgliche Klebstoffe und atmungsaktives Material sind weitere. Zudem werden noch Lösungen für die integrierte Datenverarbeitung benötigt. Schließlich haben Forschende das Thema Nachhaltigkeit im Blick. Beispielsweise berichtete im Juni 2023 ein Team um Dimitrios G. Papageorgiou an der Queen Mary University London im Journal »Advanced Functional Materials« über Drucksensoren, die es mithilfe eines aus der Lebensmittelindustrie bekannten Verfahrens aus Graphen und Alginaten zusammengesetzt hatte.
Neokortex: Die Rechenzentrale des Verhaltens
Der Neokortex, eine nur wenige Millimeter dicke Außenschicht des Gehirns, ist die komplexeste Struktur, die in der Biologie bekannt ist. Er ist vollgepackt mit Nervenzellen, welche sich zu komplexen Netzwerken verbinden. Jeder Kubikmillimeter enthält hunderttausende Nervenzellen, die bis zu einer Milliarde synaptischer Verbindungen miteinander eingehen.
Der Neokortex kombiniert sensorische Informationen und erstellt daraus ein umfassendes Sinnesbild unserer Umwelt. Die Weiterleitung dieser Ergebnisse kortikaler Berechnungen in tiefere Hirnregionen ist somit ein wesentlicher Baustein unseres Verhaltens.