Nervenzellen Funktion im Auge einfach erklärt

Das Auge ist eines der wichtigsten Sinnesorgane des Menschen und ermöglicht es uns, die Welt visuell in Farben und Formen wahrzunehmen. Das Sehen basiert auf einem Zusammenspiel anatomischer Strukturen und physiologischer Prozesse.

Aufbau des Auges

Der Augapfel ist die kugelförmige Struktur, die das eigentliche Auge bildet. Er ist von drei Schichten umgeben: der äußeren, mittleren und inneren Augenhaut.

Äußere Augenhaut

Die äußere Schicht besteht aus der Lederhaut (Sklera) und der Hornhaut (Cornea). Die Lederhaut gibt dem Augapfel seine weiße Farbe, die Hornhaut ist die gewölbte, transparente vordere Oberfläche des Auges. Sie nimmt das einfallende Licht auf und leitet es in das Augeninnere weiter. Gemeinsam mit der Bindehaut (Konjunktiva), einer dünnen Schleimhaut, die die Innenseite der Augenlider überzieht und den vorderen Teil des Auges bedeckt, schützen sie den Augapfel vor Fremdkörpern und Bakterien. Die Hornhaut dient als Schutzschild des Auges und ist zusammen mit der Linse für das Brechen des einfallenden Lichts zuständig.

Mittlere Augenhaut

Die mittlere Augenhaut besteht aus der sauerstoff- und nährstoffreichen Aderhaut, dem Ziliarkörper, der für die Aufhängung der Iris zuständig ist, und der Iris selbst. Die Iris verleiht den Augen ihre Farbe und steuert mithilfe der Pupille, die runde Öffnung in der Mitte der Iris, den Lichteinfall. Bei starkem Licht verengt sich die Pupille, um den Lichteinfall zu reduzieren und das Auge zu schützen. Bei schwachem Licht erweitert sie sich, um mehr Licht einzulassen und besser sehen zu können.

Innere Augenhaut (Netzhaut)

Die Netzhaut (Retina) bildet die innere Schicht. Sie ist im Wesentlichen für das Sehen verantwortlich und besteht aus lichtempfindlichen Sinnes- und Nervenzellen, den Fotorezeptoren. Diese Sinneszellen, die in Stäbchen und Zapfen unterteilt werden, sorgen für das Sehen bei Tag und Nacht und wandeln das einfallende Licht in elektrische Signale um, die anschließend über den Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet werden. Erst dort entsteht das eigentliche Bild.

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Die Zapfen sind dabei für das Sehen bei Tageslicht und die Wahrnehmung von Farben verantwortlich. Die meisten sitzen in der Mitte des Augenhintergrunds, dem sogenannten „gelben Fleck“ (Makula). Die Stäbchen sind hingegen für das Erkennen von Schwarz- und Weißtönen zuständig und ermöglichen das Sehen bei schwachem Licht, in der Dämmerung oder der Nacht. Die Netzhaut liegt im hinteren Teil des Auges und dient als fotosensible Struktur der eigentlichen Fototransduktion.

Der Prozess des Sehens

Der Sehprozess beginnt, wenn Lichtstrahlen durch die Hornhaut und die Pupille in das Auge gelangen. Schauen wir uns beispielsweise einen Apfel an: Er reflektiert das Licht und die Lichtstrahlen fallen in unsere Augen. Um das Licht zu fokussieren und auf die Netzhaut zu projizieren, passt sich die Linse an die Entfernung des betrachteten Gegenstands an: liegt der Apfel in der Ferne, wird die Linse dünn; liegt er in der Nähe, wird sie dicker.

Wenn das Licht dann auf die Fotorezeptoren trifft, wandeln die Stäbchen und Zapfen es in elektrische Signale um. Diese elektrischen Signale werden entlang der Nervenzellen der Netzhaut weitergeleitet und durch verschiedene Schichten von Zellen verarbeitet. Der Sehnerv nimmt die Signale auf und schickt sie an das Gehirn. Hier werden die visuellen Signale interpretiert und zu einem zusammenhängenden Bild zusammengesetzt.

Nervenzellen in der Netzhaut

In der Netzhaut des Auges befinden sich verschiedene Typen von Nervenzellen. Der Sehvorgang beginnt, wenn Lichtstrahlen im Auge auf die Netzhaut (Retina) treffen. Die optischen Sinneseindrücke aktivieren in der Netzhaut verschiedene Zelltypen, die die ersten drei Neuronen der Sehbahn umfassen.

1. Neuron: Das ins Auge einfallende Licht wird von lichtempfindlichen Sinneszellen, den Photorezeptoren, aufgenommen und in elektrische Signale umgewandelt.
2. Neuron: Über die Synapsen der zapfen- und stäbchenförmigen Zellen werden die visuellen Informationen an die nachgeschalteten Nervenzellen weitergeleitet. Zu diesen Nervenzellen gehören unterschiedliche Typen von Bipolarzellen.
3. Neuron: Ganglienzellen.

Die Photorezeptoren (Zapfen und Stäbchen) sind durch die Bipolarzellen mit den Ganglienzellen verbunden, die die elektrischen Signale zur endgültigen Verarbeitung ins Gehirn weiterleiten. Dabei sind stets viele lichtempfindliche Sinneszellen mit einer bipolaren Zelle in der äußeren plexiformen Schicht verknüpft. Die Photorezeptoren, Bipolar- und Ganglienzellen sind zudem lateral (seitlich) verschaltet. Auf der Ebene der Synapsen sind die Photorezeptoren durch die Horizontalzellen querverbunden. Die Amakrinzellen verschalten die Ganglienzellen in der inneren plexiformen Schicht untereinander.

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Die Netzhaut des Auges enthält über 120 Millionen Photorezeptoren und 36 Millionen Bipolarzellen, aber nur etwa eine Million Ganglienzellen, die die elektrischen Signale, die in den Zapfen und Stäbchen erzeugt werden, an das Gehirn weiterleiten. Um die nötige Signalkonvergenz herzustellen, müssen mehrere Photorezeptoren auf eine Ganglienzelle verschaltet sein. Die Bipolarzellen leiten nicht nur die Signale der Photorezeptoren an die Ganglienzellen weiter. Sie sammeln und gewichten die visuellen Informationen auch. Darüber hinaus beeinflussen die Horizontal- und Amakrinzellen den über die Bipolarzellen laufenden Signalfluss zu den Ganglienzellen.

Die seitliche Verknüpfung der Zapfen und Stäbchen per Horizontalzellen ermöglicht die laterale Hemmung, die zu einer Verbesserung der Informationsübertragung beiträgt. Wird nämlich ein Photorezeptor erregt, löst dies zur gleichen Zeit eine Hemmung seiner benachbarten Rezeptoren aus, wodurch die Erregung räumlich begrenzt wird. Das führt wiederum zu einer Erhöhung des Bildkontrastes.

Aufbau der Retina im Detail

Die menschliche Retina besteht aus 4 Zellschichten und 5 verschiedenen Neuronentypen, die die visuellen Informationen empfangen und verarbeiten, bevor die Informationen an das Gehirn weitergeleitet werden kann. In der folgenden Aufzählung werden die einzelnen Schichten vom Gehirn nach außen in Richtung Cornea vorgestellt:

1. Pigmentepithel: Eine Zellreihe aus Pigmentepithelzellen schließt die Retina zum Rest des Bulbus ab und sorgt für eine bessere Verarbeitung des Lichtes - Lichtstreuung.

2. Fotorezeptive Schicht - Fotorezeptorschicht: Man findet 2 in das Pigmentepithel eingebettete Typen von Fotorezeptoren: die Stäbchen und die Zapfen = modifizierte Nervenzellen.

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   Beide Zelltypen besitzen ein Soma mit allen Zellorganellen (= Innenglied) und eine Zellverlängerung (= Außenglied) in Form eines Stabes (Stäbchen) oder eines Zapfens (Zapfen). Die Außenglieder sind die eigentlichen Rezeptoren. Es gibt fast 100 Millionen Stäbchen, aber nur 5 Millionen Zapfen. Das Außenglied der Stäbchen enthält spezielle Zellorganellen, die Disks, die durch Einfaltungen und Abschnürungen der äußeren Zellmembran entstanden sind. Diese Disks beinhalten wesentliche molekulare Strukturen zur Fototransduktion. Die Stäbchen besitzen Membraneinfaltungen, in denen ebenfalls Fototransduktion stattfindet. Als Abschluss folgt die synaptische Endregion zu den nachgeschalteten Nervenzellen.

   • Stäbchen: Diese Sinneszellen sind für die Hell-Dunkel-Wahrnehmung wichtig und sind überall auf der Netzhaut zu finden. Diese Form der Wahrnehmung wird auch als skotopisch-monochromatisches Sehen (Nachtsehen, Dämmerungssehen) bezeichnet.
   • Zapfen: Diese Sinneszellen sind für die Farbwahrnehmung zuständig. Man findet sie hauptsächlich in der Sehgrube, der Fovea centralis. Es gibt 3 Zapfentypen, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge aufnehmen: Grün, Rot und Blau. Diese Form der Wahrnehmung bezeichnet man als trichromatisches Sehen. Alle anderen Farbeindrücke kommen durch additive/subtraktive Farbmischung, gegeben durch ein Erregungsmuster der Zapfen, zustande.

   Beide Fotorezeptorarten gehören zu den sekundären Sinneszellen und geben ihre Lichtinformation als chemische Botschaft an die nachgeschalteten Nervenzellen, den Bipolarzellen, weiter.

3. Bipolarzellschicht: In dieser Zellschicht findet man 2 Zelltypen vor: Bipolarzellen und Müller-Gliazellen.

   • Bipolarzellen: Bipolarzellen dienen der ersten Verarbeitung der Lichtinformationen. Mit ihrem zum synaptischen Ende der Sinneszellen gerichteten Dendriten nehmen sie die chemisch codierte Lichtinformation auf. Nach einer ersten Verschaltung und Verrechnung werden die Informationen durch Veränderung des Membranpotentials an die nächste Schicht weitergegeben.
   • Müller-Zellen: Zwischen den Bipolarzellen, in der Mitte der Zellschicht, liegen die Somata der Müller-Zellen. Müller-Zellen werden zu den Gliazellen gezählt und sorgen für die richtige Nährstoffversorgung sowie Elektrolythomöostase der Retina. Durch Botenstoffe können sie die Bipolarzellen beeinflussen.

4. Ganglienzellschicht: Die Ganglienzellen liegen auf der „Vorderseite“ der Retina und bilden den Abschluss der Retina. Diese Zellen erzeugen Aktionspotentiale und ihre Axone bilden gemeinsam den Sehnerv zum Tectum opticum des Gehirns. Die vorausgegangenen Zellschichten haben die Informationen des Sehfeldes verarbeitet.

Nervenverschaltung in der Retina

Zusätzlich sollten an dieser Stelle noch Zellen der Querverarbeitung genannt werden. Zwei Zelltypen schalten und schaffen Verbindungen zwischen den Sehfeld-verarbeitenden Zellreihen.

• Amakrinzellen: Die Amakrinzellen stellen lokale Verknüpfungen zwischen Ganglienzellen und Bipolarzellen her. Ihre vielseitigen Aufgaben wurden bis heute nicht ganz verstanden. Eine ihrer Funktionen ist, die Empfindlichkeit des Auges an die Helligkeit bzw. Dunkelheit anzupassen.
• Horizontalzellen: Horizontalzellen bilden Synapsen zu benachbarten Fotorezeptoren.

Sehbahn

Die Umwandlung eines Bildes auf der Netzhaut in elektrische Nervensignale ist nur der Beginn des Sehens. Die Sehbahn leitet visuelle Signale blitzschnell an das Gehirn weiter. Die Sehnerven beider Augen überkreuzen am Chiasma opticum. Etwa die Hälfte der Fasern beider Nervenstränge wechselt hier die Seite, so dass Signale aus dem linken Auge auch in der rechten Hirnhälfte verarbeitet werden und umgekehrt. Jenseits der Kreuzung werden die Sehnerven als Sehtrakt oder Tractus opticus bezeichnet. Die meisten Nervenfasern ziehen über den seitlichen Kniehöcker in den visuellen Cortex, ein kleiner Teil jedoch gibt dem Prätektum Input, etwa für die “innere Uhr” oder den Pupillenreflex.

Störungen auf der visuellen Hochgeschwindigkeitsstrecke haben gravierende Konsequenzen. Krankheiten, die die Sehnerven schädigen, führen häufig dazu, dass ganze Areale des Gesichtsfelds eines Auges nicht mehr im Gehirn registriert werden. Beeinträchtigt beispielsweise ein Tumor, eine Entzündung oder eine Blutung den rechten oder linken Sehnerv zwischen Netzhaut und Sehnervenkreuzung, fehlt die gesamte Information aus dem jeweiligen Auge. Geschieht der Schaden an oder nach der Sehnervenkreuzung, treten besondere Ausfallmuster auf: Etwa die "Scheuklappenblindheit", also ein Ausfall des äußeren Gesichtsfeldes, wenn die sich überkreuzenden Bahnen im Chiasma opticum betroffen sind.

In Schicht 2, 3 und 5 des seitlichen Kniehöckers enden jeweils Fasern aus dem ipsilateralen Auge, in Schicht 1, 4 und 6 die Stränge aus dem kontralateralen Auge. Schicht 1 und 2 des seitlichen Kniehöckers sind die magnozellulären Schichten mit größeren (lateinisch: magnus) Zellkörpern und Axondurchmessern. Sie reagieren vor allem auf Bewegungen. Die parvozellulären Schichten 3 bis 6 setzen sich aus kleineren (lateinisch: parvus) Nervenzellen zusammen und liefern Input für die Verarbeitung von Form und Farbe.

Der Ausdruck Sehstrahlung macht auf das bemerkenswerte Detail der retinotopen Organisation aufmerksam: Bestimmte Netzhautbezirke senden Signale nur an bestimmte, immer gleiche Regionen des visuellen Cortex. Was also von benachbarten Fotorezeptoren der Netzhaut an Impulsen kommt, wird auch von benachbarten Cortexneuronen bearbeitet. Auf diese Weise wird eine Art Landkarte des Gesehenen übermittelt, wobei diese Landkarte stark verzerrt ist. Das hat seinen Sinn: Was auch immer wir fokussieren - und vermutlich tun wir dies aus guten Grund - , dessen Abbild fällt auf die Fovea, den Ort des schärfsten Sehens auf der Netzhaut. Entsprechend wird diese Region überproportional betont: Um die 80 Prozent des primären visuellen Cortex beschäftigen sich mit Impulsen aus der Fovea, die selbst keinen Millimeter groß ist.

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