Primäre Sinneszellen und Neurone: Ein detaillierter Vergleich

Der menschliche Körper ist ein Meisterwerk der Wahrnehmung, das es uns ermöglicht, die Welt um uns herum präzise zu erfassen. Ein wesentlicher Bestandteil dieses Wahrnehmungssystems sind die Sinneszellen, insbesondere die primären Sinneszellen. Diese spezialisierten Zellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung von Reizen in elektrische Signale, die das Gehirn interpretieren kann.

Einführung in Sinneszellen

Sinneszellen sind spezialisierte Zellen, meist epithelialen Ursprungs, die mit Hilfe bestimmter Rezeptorstrukturen Reize aus der Umwelt in nervöse Erregung umwandeln und diese auf nervöse Leitungselemente übertragen. Sie sind dafür verantwortlich, verschiedene Formen von Energie, wie Licht, Schall, chemische Substanzen oder mechanische Reize, in elektrische Signale umzuwandeln, die von unserem Nervensystem verarbeitet werden können. Diese Umwandlung wird als Transduktion bezeichnet.

Die Bedeutung von Sinneszellen

Sinneszellen sind unerlässlich, um ein möglichst präzises Bild der Umgebung zu zeichnen. Sie ermöglichen es uns, Warnsignale zu empfangen und den Körper vor potenziellen Bedrohungen zu schützen. Schmerzrezeptoren (Nozizeptoren) melden Gewebeschädigungen, während Geruchssinneszellen uns vor schädlichen Substanzen warnen.

Primäre Sinneszellen: Definition und Eigenschaften

Primäre Sinneszellen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie selbst Aktionspotenziale generieren können. Sie nehmen einen Reiz meist über Rezeptoren wahr und wandeln dann das entstandene Rezeptorpotenzial in ein Aktionspotenzial um, das über das Axon der Sinneszelle weitergeleitet wird. Eine nachgeschaltete Synapse überträgt dann die Erregung auf das nächste Neuron und leitet das Signal somit weiter.

Reizweiterleitung bei primären Sinneszellen

Bei primären Sinneszellen wird ein Reiz an der Zellmembran in ein Rezeptorpotenzial umgewandelt. Überschreitet dieses den Schwellenwert, erzeugt die Zelle ein Aktionspotenzial. Dieses wird über das eigene Axon direkt an das zentrale Nervensystem weitergeleitet.

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Beispiele für primäre Sinneszellen

Viele Sinneszellen werden als primär eingestuft. Zu den prominentesten Beispielen gehören:

• Nozizeptoren (Schmerzrezeptoren): Freie Nervenendigungen im Gewebe, die Schmerz wahrnehmen, indem ihre Rezeptoren Noxen und Stoffe registrieren, die bei Gewebsschädigungen vermehrt ausgeschüttet werden.
• Riechsinneszellen: Zellen der Riechschleimhaut (Regio olfactoria) in der Nase, die Gerüche wahrnehmen. Ihre Rezeptoren sind G-Protein-gekoppelt und werden durch Duftstoffe aktiviert. Jede Zelle besitzt nur einen Typ von Rezeptor.
• Mechanorezeptoren: Die meisten Mechanorezeptoren sind auch primäre Sinneszellen. Ruffini-Körperchen, die vor allem Druck wahrnehmen, sind Axone, welche von einer Kapsel aus Perineurium umgeben sind. Auch bei Vater-Pacini-Körperchen handelt es sich um Axone, die aber in diesem Fall von Schwann-Zellen umgeben sind.
• Dehnungsrezeptoren: Berührungsrezeptoren der Haut und Dehnungsrezeptoren von Muskeln, Bändern und Sehnen.

Sekundäre Sinneszellen: Eine Abgrenzung

Im Gegensatz zu primären Sinneszellen besitzen sekundäre Sinneszellen kein eigenes Axon. Sie erzeugen lediglich ein Rezeptorpotenzial und geben dieses über eine Synapse an ein nachgeschaltetes Neuron weiter, das dann das Aktionspotenzial bildet. Typische Beispiele dafür sind die Haarzellen im Innenohr oder die Geschmackszellen.

Primäre vs. Sekundäre Sinneszellen: Eine Tabelle

Merkmal	Primäre Sinneszellen	Sekundäre Sinneszellen
Eigenes Axon	Ja	Nein
Aktionspotenzial	Kann selbst Aktionspotenziale erzeugen	Erzeugt nur Rezeptorpotenzial
Reizweiterleitung	Leitet Aktionspotenziale direkt an das zentrale Nervensystem weiter	Gibt Rezeptorpotenzial über Synapse an nachgeschaltetes Neuron weiter
Beispiele	Riechzellen, Nozizeptoren, Mechanorezeptoren (z.B. Ruffini- und Vater-Pacini-Körperchen)	Haarzellen im Innenohr, Geschmackszellen, Fotorezeptoren der Retina

Neuronale Grundlagen der Reizverarbeitung

Eine sogenannte sensorische Bahn fängt mit der Rezeption eines Reizes an. Grundsätzlich versteht man unter Reizen eine Form von Energie, die zu einer messbaren Änderung im Organismus führt. Nervenzellen, die sich auf die Wahrnehmung solcher Reize spezialisiert haben, werden als Sinneszellen oder sensorische Rezeptoren bezeichnet.

Rezeptorpotenzial

An einem Rezeptor infolge Reiz-Einwirkung entsteht eine Änderung (Depolarisation) des Membranpotentials, das Rezeptorpotenzial. Im Gegensatz zum Aktionspotential entlang eines Axons folgt das an Dendriten und/oder dem Perikaryon entstehende Rezeptorpotential nicht dem Alles-oder-Nichts-Gesetz. Vielmehr ist seine Amplitude abhängig von der Reizintensität und seine Dauer durch die Einwirkungszeit des Reizes bedingt. Die Umwandlung eines Reizes in eine Änderung des Membranpotenzials (Rezeptorpotenzial) wird als Transduktion bezeichnet. Die Amplitude des Rezeptorpotenzials ist abhängig von der Reizintensität; je größer die Reizintensität, desto größer das Rezeptorpotenzial, also die Abweichung vom Ruhepotenzial.

Aktionspotenzial

Der nächste Schritt in der sensorischen Bahn ist die sogenannte Transmission. Das Rezeptorpotenzial wird dabei in eine Abfolge von Aktionspotenzialen umgewandelt. Sekundäre Sinneszellen sind oft umgewandelte Epithelzellen, die kein Axon besitzen. Das Rezeptorpotenzial löst hier die Freisetzung von Neurotransmittern aus, die dann von einer ableitenden afferenten Nervenzelle aufgenommen werden. Die Dehnungsrezeptoren, also auch die Muskelspindel, gehören zu den primären Sinneszellen und können selbst Aktionspotenziale erzeugen.

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Perzeption

Unter der Perzeption versteht man die Wahrnehmung des Reizes. Viele Reize aus der Umwelt werden wahrgenommen, beispielsweise Gerüche, Wärme, Kälte, Licht, Schall, Berührungen etc. Viele andere Reize aus der Umwelt und vor allem auch Reize aus dem Körper selbst wie zum Beispiel Blutdruck, Blutzuckerspiegel, Sauerstoffgehalt des Blutes und so weiter werden allerdings nicht wahrgenommen, zumindest nicht bewusst. Da aber auch solche Reize zu einer Reaktion des Körpers führen, die dann oft auch nicht bewusst wahrgenommen wird, spricht man auch hier von einer Perzeption. An der Perzeption des Hammerschlags beim Kniesehnenreflex sind weitere Nervenzellen beteiligt. Interneurone übertragen die Informationen des afferenten Neurons auf motorische Neurone. Der eine Muskel wird aktiviert, der andere - der Antagonist oder Gegenspieler - gehemmt (durch eine hemmende Synapse eines Interneurons).

Beispiele für die Funktionsweise primärer Sinneszellen

Riechen

Wenn der Frühling kommt, riechst du den Duft der Blüten. Geruchsmoleküle binden an Rezeptoren in den Cilien deiner Riechzellen. Das aktiviert G-Proteine, die wiederum cAMP produzieren. Diese hohen Konzentrationen an cAMP führen zur Öffnung von Kationenkanälen in der Membran der Sinneszellen, die CNG-Kanäle heißen. Der Kationen-Einstrom, den das zu Folge hat, bewirkt eine Depolarisation. Zusätzlich öffnen die Calcium-Ionen, die einströmen, Chlorid-Kanäle. Durch diese strömen Chlorid-Ionen aus der Zelle und verstärken die Depolarisation. Riechzellen sind primäre Sinneszellen, weil sie selbst ein Axon besitzen und direkt Aktionspotenziale erzeugen können. Sie leiten die Erregung ohne Zwischenschaltung einer zweiten Nervenzelle über den Nervus olfactorius direkt zum Gehirn weiter.

Schmerzempfindung

Bei Nozizeptoren handelt es sich um freie Nervenendigungen im Gewebe, die Schmerz wahrnehmen. Dies tun sie, indem ihre Rezeptoren auf der Zellmembran Noxen und Stoffe registrieren, die bei Schädigungen von Gewebe vermehrt ausgeschüttet werden. Die TRPV-Rezeptoren nehmen schädliche Hitze wahr, die auf mindestens 42 Grad Celsius kommt. Außerdem können sie durch Capsaicin, den Stoff der Chili aktiviert werden. TRPA1 ist ein Rezeptor der noxische Kälte erkennt. Zerstörte Zellen in einem Gewebe setzen viel ATP (Adenosintriphosphat) frei, welches ein Energiespeicher für sie darstellt. Über P2-Rezeptoren können die Nozizeptoren auch dies als Gewebsschädigung wahrnehmen und Schmerz auslösen. Das Prinzip der Weiterleitung läuft ähnlich wie bei den Riechsinneszellen ab.

Mechanische Reize

Ruffini-Körperchen nehmen vor allem Druck wahr und sind Axone, welche von einer Kapsel aus Perineurium umgeben sind. Auch bei Vater-Pacini-Körperchen handelt es sich um Axone, die aber in diesem Fall von Schwann-Zellen umgeben sind.

Sinnesmodalitäten und Rezeptortypen

Beim Menschen wird je nach Zählart von sieben, neun oder mehr verschiedenen Sinnen unterschieden. Dazu gehören der Gehör-, Geschmacks-, Seh-, Geruchs- und Tastsinn. Darüber hinaus werden diese schon von Aristoteles beschrieben Sinne durch den Temperatursinn (Thermorezeption), die Schmerzempfindung (Nozizeption), den Gleichgewichtssinn (Vestibulärer Sinn) und der Körperempfindung bzw. der Tiefensensibilität (Propriozeption) ergänzt. Im Tierreich findet man viele weitere Sinne: Einige Tiere reagieren auch auf UV-Licht oder polarisiertes Licht, das Erdmagnetfeld, elektrische Felder, Wärmefelder usw.

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Rezeptoren und ihre adäquaten Reize

Rezeptoren sind Zellen in deinen Sinnesorganen. Sie werden auch Sinneszellen oder Sensoren genannt. Alle Rezeptoren haben gemeinsam, dass sie Reize aus der Umwelt aufnehmen und diese in eine elektrische Erregung umwandeln. Diese kann dann vom Gehirn als Signal wahrgenommen und verarbeitet werden. Das ausgehende Signal aller Rezeptoren ist also elektrische Erregung. Jeder Rezeptortyp ist auf eine Art Reiz spezialisiert. Dieser Reiz wir als adäquater Reiz bezeichnet.

• Chemorezeptoren: Sie reagieren auf Kontakt mit chemischen Substanzen und sind im Geruchs- und Geschmackssinn zu finden.
• Fotorezeptoren: Sie liegen in der Netzhaut deines Auges und reagieren auf ihren adäquaten Reiz, das Licht.
• Thermorezeptoren: Sie reagieren auf Temperaturunterschiede.
• Mechanorezeptoren: Sie reagieren auf Verformung.
• Elektrorezeptoren: Sie reagieren auf auf Veränderungen in einem vorhandenen elektrischen Feld (im Tierreich).

Nervenzellen: Die Grundlage der Reizweiterleitung

Nervenzellen sind für die Reizweiterleitung in unserem Körper verantwortlich. Sie sind sehr spezialisierte Zellen, durch welche die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung aller Reize aus der Umwelt erfolgt. Dazu sind die einzelnen Nervenzellen miteinander zu einem großen Netzwerk verschalten.

Aufbau einer Nervenzelle

Das Neuron lässt sich in unterschiedliche Abschnitte gliedern:

• Dendriten: Sie leiten den Reiz zum Zellkörper weiter.
• Zellkörper (Soma): Hier werden die Signale gesammelt und verarbeitet.
• Axonhügel: Er bildet den Übergang vom Soma zum Axon. Die elektrischen Signale werden hier solange gesammelt und summiert, bis eine bestimmte Schwelle oder ein Schwellenpotential überschritten wird. Erst dann wird ein Signal an das Axon weitergeleitet. Diese Signale nennst du Aktionspotentiale.
• Axon (Neurit): Der lange Fortsatz der Nervenzelle, der aus dem Axonhügel hervorgeht. Die Aufgabe des Axons ist die Weiterleitung der Aktionspotentiale zu Nerven- oder Muskelzellen.
• Schwann’sche Zellen (oder Oligodendrozyten): Sie umhüllen die Axone und isolieren sie, damit die Weiterleitung der elektrischen Signale möglichst schnell und ohne Verluste funktioniert.
• Ranviersche Schnürringe: Den nicht-umhüllten Bereich eines Axons nennst du Ranvierschen Schnürring. Die Erregungsleitung wird dadurch erhöht, denn die Erregung kann auch von einem Schnürring zum nächsten „springend“ weitergeleitet werden.
• Synaptische Endknöpfchen: Sie bilden das Ende eines Neurons. Das elektrische Signal wird hier auf die nächste Nervenzelle oder zum Beispiel auf eine Sinnes- oder Muskelzelle übertragen. Dazu wird das elektrische Signal meist in ein chemisches Signal umgewandelt.

Die Synapse

Die Verbindung am Ende einer Nervenzelle mit einer anderen Zelle nennst du Synapse. In den meisten Fällen sind das chemische Synapsen. Das Endknöpfchen setzt chemische Moleküle (Neurotransmitter) in den synaptischen Spalt - die Lücke zwischen den zwei Zellen - frei. Dort binden sie an Rezeptoren und geben die Erregung weiter.

Reizcodierung: Phasisch-tonische und spontan-aktive Rezeptorreaktionen

Wie die Reize codiert werden, bestimmt der Rezeptortyp, der den Impuls aufnimmt. So unterscheidet man phasisch-tonische und spontan-aktive Rezeptorreaktionen.

• Phasisch: Ein Signal, dessen Intensität innerhalb kürzester Zeit auf das Nullniveau zurückfällt (z.B. ein Lichtblitz).
• Tonisch: Ein Signal, das lange anhält und dabei immer die gleiche Intensität aufweist (z.B. ein Lichtstrahl).
• Phasisch-tonisch: Die Kombination aus beiden Sachverhalten. Es existiert ein intensives Anfangssignal, welches langsam auf Null zurückgefahren wird.
• Spontan-aktive Rezeptoren: Sie senden stets ein Signal aus.

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