Unsere Haut ist mit einer Vielzahl von Sinnesrezeptoren ausgestattet, die uns Informationen über unterschiedlichste Reize liefern. Diese reichen von leichten Berührungen bis hin zu starken, schmerzhaften Reizen. Der Tastsinn ermöglicht es uns, Zärtlichkeit zu genießen, beim Kitzeln zu lachen und die Temperatur von Gegenständen zu fühlen. Eine Einschränkung des Tastsinns, beispielsweise durch Verletzungen oder Krankheiten, kann gefährlich sein, da Betroffene schmerzhafte Verletzungen möglicherweise nicht mehr wahrnehmen und angemessen darauf reagieren können. Umgekehrt kann eine Allodynie dazu führen, dass bereits leichteste Berührungen heftige Schmerzen auslösen.
Sensorische Nervenzellen als Grundlage der Wahrnehmung
Die peripheren sensorischen Neurone sind dafür verantwortlich, dass wir unsere Umwelt spüren können. Diese speziellen Nervenzellen haben ihre Zellkörper in den Spinalganglien, die sich rechts und links der Wirbelsäule befinden. Von dort aus führt ein Fortsatz jedes Neurons in die Haut und ein anderer ins zentrale Nervensystem. Neurone, deren Zellkörper sich in der Nähe des unteren Endes der Wirbelsäule befinden, innervieren nicht nur diesen Teil des Rumpfes, sondern auch die Beine. Die Axone der Nervenzellen auf Höhe der Schultern reichen bis in die Arme und Fingerspitzen. An den Axonendigungen in der Haut wird der taktile Reiz aufgenommen und zum Zellkörper und weiter ins Gehirn geleitet.
Tastkörperchen und ihre spezifischen Funktionen
Besonders gut können wir mit den Fingerspitzen tasten, da dort die Dichte an mechanosensitiven Nervenendigungen sehr hoch ist. Unter dem Mikroskop lassen sich in der Haut verschiedene Tastkörperchen erkennen: Meissner-, Vater-Pacini- und Ruffini-Körperchen sowie Merkel-Zellen. Diese liegen in unterschiedlichen Hautschichten und haben aufgrund ihrer spezifischen Strukturen verschiedene Eigenschaften. Meissner-Körperchen reagieren auf feine Berührungen, Merkel-Zellen auf Druck und Vater-Pacini-Körperchen auf Vibration. Zudem gibt es freie Nervenendigungen in der Haut, die für das Schmerz- und Temperaturempfinden zuständig sind. Auch die Schäfte der kleinen Härchen sind jeweils von einem sensorischen Neuron innerviert, sodass wir spüren, wenn die Härchen - etwa durch einen Lufthauch - umgebogen werden. Je nach Art des Reizes senden die aktivierten Rezeptoren Aktionspotenziale, die universellen elektrischen Impulse, mit denen Nervenzellen miteinander kommunizieren, zunächst zu ihrem Zellkörper und von dort weiter ins Gehirn.
Vom mechanischen Reiz zum Aktionspotenzial
Forscher gehen davon aus, dass eine ganze Reihe von Molekülen an der Umwandlung eines Berührungsreizes in ein Aktionspotenzial beteiligt ist. Eine zentrale Rolle spielen Ionenkanäle in der Zellmembran der Nervenendigung. Diese scheinen einerseits innerhalb der Zellen über Verbindungsproteine am Zytoskelett befestigt zu sein, andererseits sind sie auf der Außenseite der Zelle mit der extrazellulären Matrix verbunden. Wird die Zellmembran durch einen mechanischen Reiz deformiert, so wird der Ionenkanal, da er innen und außen befestigt ist, quasi aufgezogen und Ionen (geladene Teilchen) strömen hindurch. Dadurch ändert sich die Spannung über der Membran und es entsteht ein elektrisches Rezeptorpotenzial. Bei einer leichten Berührung strömen vergleichsweise wenige Ionen durch den Ionenkanal, es entsteht ein kleines Rezeptorpotenzial und es werden nur wenige Aktionspotenziale ausgelöst. Ein starker Reiz dagegen löst viele Aktionspotenziale aus.
Die Verarbeitung im Gehirn und das verzerrte Körperbild
Über Nervenstränge im Rückenmark werden die Informationen über den Berührungsreiz als Aktionspotenziale ins Gehirn geleitet. Dort werden sie nach einer Verschaltung im Thalamus im somatosensorischen Kortex verarbeitet. Bei Reizung von bestimmten Stellen des Körpers werden ganz bestimmte Neurone im Kortex aktiviert, wobei immer nebeneinander liegende Körperstellen nebeneinander liegende Neurone aktivieren. Dadurch entsteht ein Abbild unseres Körpers im Gehirn. Weil die Rezeptordichte an unseren Händen und auch an den Lippen besonders hoch ist, nehmen diese im Abbild unseres Körpers einen proportional größeren Raum ein - das verzerrte Bild wird als Homunculus bezeichnet.
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Störungen des Tastsinns und ihre Ursachen
Störungen des Tastsinns treten meist als Folge von Verletzungen oder Krankheiten auf. So kann etwa ein Diabetes zu einer Polyneuropathie führen, wobei die Nerven - auch die sensorischen - geschädigt werden. Bekannt ist der diabetische Fuß, bei dem die Betroffenen aufgrund der Nervenschädigung oftmals die Wunden zu spät oder gar nicht spüren. Bei einer Hyperalgesie werden schmerzhafte Reize stärker wahrgenommen als sie eigentlich sind; bei einer Allodynie werden sogar leichte Reize als schmerzhaft empfunden.
Die Verbindung von Tast- und Hörsinn
Tast- und Hörsinn haben mehr gemeinsam, als man auf den ersten Blick vermuten würde. Die Schallwellen, die auf unser Ohr treffen, bringen letztendlich die Flüssigkeit in der Ohrschnecke zum Schwingen. Dies führt dazu, dass die Zilien auf den Sinneshärchen umgebogen werden. Dadurch öffnen sich, wie beim Tastsinn, Ionenkanäle in der Zellmembran. Es liegt die Vermutung nahe, dass es sich bei beiden Sinnen um ähnliche Moleküle handeln könnte, auch wenn die Wissenschaft erst beginnt, einige der beteiligten Moleküle zu identifizieren. Forscher haben den Tastsinn von Patienten mit Usher-Syndrom untersucht, einer vererbten Form von Schwerhörigkeit. Die Ergebnisse zeigten, dass Patienten mit einer Mutation in einem bestimmten der neun Gene nicht nur schlecht hören können, sondern auch einen nur schwach ausgeprägten Tastsinn haben. Welche Funktion allerdings das betroffene Molekül hat, ist noch unklar.
Neuronale Grundlagen der Gefühlswahrnehmung
Berliner Forscher haben gezeigt, dass eine einzelne Nervenzelle für ein Gefühl ausreichen kann. Sie untersuchten die Signalverarbeitung bei Ratten und stellten fest, dass nur eine einzelne Nervenzelle aktiv sein muss, um das Tasthaar einer Ratte um einen Winkel von wenigen Grad zu bewegen. Die Forscher trainierten Ratten so, dass sie immer, wenn sie eine Bewegung wahrnahmen, leckten. Dann reizten sie einzelne Nervenzellen, die am Tastsinn beteiligt sind, mit winzigen Strömen, die den natürlichen Strömen in Nervenzellen glichen. Nur wenige Reize genügten, und die Ratte begann zu lecken. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Aktivität jeder einzelnen Nervenzelle im Gehirn gleich zu einem bewusst empfundenen Gefühl führt. Wie gut die Ratte auf die erhöhte Aktivität einer Nervenzelle reagiert, hängt von verschiedenen Faktoren ab, etwa vom Typ der Zelle oder von der Schwelle, die ein Signal überschreiten muss, damit nachgeschaltete Nervenzellen ein Signal weiterleiten. Die Großhirnrinde ist wesentlich sensibler als vermutet, und Gefühle kommen nicht erst durch das Signal vieler Zellen zustande.
Mechanorezeptoren und ihre unterschiedlichen Aufgaben
Die Mehrheit der Rezeptoren der Haut stellen die Mechanorezeptoren dar. Sie reagieren auf unterschiedliche Verformungen der Haut. Die Mechanorezeptoren der Haut haben unterschiedliche Zuständigkeiten, die in ihrer Gesamtheit einen guten Eindruck der Berührung liefern. So registrieren die Meissner-Körperchen, wie schnell die Haut an der Reizstelle eingedrückt wird. Eingebettet sind diese Sinneszellen zum Beispiel in der Haut der Fingerspitzen, der Handflächen oder der Fußsohlen - aber auch in den Lidern und Genitalien. Merkel-Zellen reagieren indes auf eine anhaltende Berührung und finden sich ebenfalls in der Handinnenfläche oder der Fußsohle, aber auch in behaarter Haut. Ruffini-Körperchen sind Sensoren für die Stärke einer Hautdehnung und verteilen sich über unsere gesamte Körperoberfläche - und sind auch in Gelenken, Gefäßwänden und Bändern zu finden, wo sie deren Dehnungszustand kontrollieren. Vater-Pacini-Körperchen sind für die Wahrnehmung von Vibration zuständig und liegen in der Unterhaut, aber auch in Organen wie beispielsweise der Harnblase oder der Bauchspeicheldrüse. Auch die Haare in unserer Haut geben dem Hirn Hinweise: Werden sie berührt, dehnt sich der Haarfollikel-Rezeptor.
C-LTM-Fasern und die emotionale Qualität der Berührung
In jenem Großteil aller Hautpartien, die beim Menschen normalerweise mehr oder weniger behaart sind, sitzen nicht nur Nervenzellen, welche die Reize der Mechanorezeptoren mit Hochgeschwindigkeit übermitteln, sondern auch so genannte niedrigschwellige C-Fasern (C-LTM). Ihnen fehlt die Myelinschicht, die bei anderen Fasern die Reizleitung beschleunigt. Die C-LTM übermitteln Reize deshalb nur mit einem 50stel der Geschwindigkeit im Vergleich zu den Mechanorezeptoren der Aß-Fibern. Eine Vielzahl anatomischer und physiologischer Untersuchungen deutet jedoch darauf hin, dass unser schnelles „erstes“ Berührungssystem durch ein langsames „zweites“ System ergänzt wird, welches Informationen von emotionaler Qualität vermittelt.
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Rezeptive Felder und die Genauigkeit der Reizlokalisation
Jeder Rezeptor ist zuständig für ein bestimmtes Areal auf der Haut, das so genannte rezeptive Feld. Alle an dieser Hautregion eintreffenden Informationen leitet der Rezeptor an nachgeschaltete Neuronen weiter. Dabei variiert die Größe des rezeptiven Feldes je nach Sensorzelle. Vater-Pacini-Körperchen etwa haben viel größere rezeptive Felder als Meissner-Körperchen oder Merkel-Zellen. Die Genauigkeit, mit der wir den Ort einer Reizung erkennen können, wird durch die Dichte der Merkel-Zellen und Meissner-Körperchen in dieser Region bestimmt. Darum sind wir an den Handflächen und Fußsohlen, die besonders viele Meissner-Körperchen und Merkel-Zellen beherbergen, besonders empfindlich.
Thermorezeptoren und Schmerzrezeptoren
Neben den Mechanorezeptoren gibt es Thermorezeptoren, die als freie Nervenendigungen jeweils entweder auf Wärme oder Kälte reagieren. Sie erfüllen eine wichtige Funktion: Verändert sich die Außentemperatur, muss der Körper seinen Stoffwechsel anpassen, damit die Körpertemperatur konstant bei 37 Grad Celsius bleibt. Besonders dicht sitzen die Kalt- und Warmrezeptoren an Kinn, Nase, Ohrmuschel, Ohrläppchen und Lippen. Auch Schmerzrezeptoren verteilen sich als freie Nervenenden auf unserer Körperoberfläche. Mit ihrer Hilfe erfährt unser Gehirn, an welcher Stelle der Haut ein Schaden droht, und hilft so, uns vor Verletzungen zu schützen.
Die Signalübertragung zum Gehirn
Der jeweilige Reiz wird von den Sinneszellen in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses folgt den Nervenbahnen über das Rückenmark in Richtung Gehirn, wobei es zunächst im Rückenmark auf weitere Nervenzellen umgeschaltet wird. Die so schon „vor-ausgewertete“ Nachricht läuft dann weiter über das verlängerte Mark (Medulla oblongata) in den Thalamus, der als Filter für Informationen fungiert. Schließlich erreicht sie die primäre sensorische Region der Großhirnrinde, den somatosensorischen Cortex. Mechanische Reize, Temperaturreize oder auch Schmerzen werden hier lokalisiert und bewertet. Allerdings erreichen nicht alle Reize dieses Hirnareal: Bereits im Rückenmark gibt es neuronale Verknüpfungen, die ohne Mitwirkung des Gehirns einfache Bewegungen auslösen - die Reflexe.
Die Rolle der Meissner-Körperchen und des USH2A-Proteins
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. Forscher haben herausgefunden, dass in diesem Druckrezeptor ein großes Protein produziert wird, das bei der Tastempfindlichkeit eine wichtige Rolle spielt. Lewins Arbeitsgruppe hatte das Protein USH2A im Verdacht, an der Berührungswahrnehmung beteiligt zu sein. Mutationen im Gen, das für das USH2A-Protein kodiert, treten häufig beim Usher-Syndrom auf. Menschen mit dieser Erbkrankheit sind schwerhörig, haben einen Tunnelblick oder sind weniger empfindlich für Berührungen. Untersuchungen am Menschen und an Mäusen haben gezeigt, dass das USH2A-Protein für den Tastsinn wichtig ist. Das Protein wird von den Zellen in den Meissner-Körperchen produziert und sitzt in der extrazellulären Matrix des Meissner-Körperchens. Da die Berührungsempfindlichkeit ohne das Protein abnimmt, geht Lewin davon aus, dass es als physikalische Verbindung dient und dabei hilft, Berührungsvibrationen von der Außenseite der Fingerspitze auf das Nervenende im Inneren des Korpuskels zu übertragen.
Schwann-Zellen und ihre Bedeutung für die Schmerzwahrnehmung
Damit Schmerz- und Tastreize ins Gehirn gelangen können, sind entsprechende Rezeptorzellen in der Haut nötig. Zentral beteiligt sind auch Schwann-Zellen. Schwann-Zellen sind bekannt als Isolierschicht um Nervenfasern. Sie schützen und versorgen Neuronen. Bestimmte Typen von Schwann-Zellen sind aber auch aktiv an der Wahrnehmung sensorischer Reize beteiligt. Diese Schwann-Zellen durchziehen die Haut nur wenige Mikrometer unterhalb der Epidermis wie ein Netz und stehen mit den freien Nervenenden sensorischer Rezeptoren in Verbindung, die mechanischen Druck wahrnehmen. Es genügte, die Schwann-Zellen durch einen Lichtreiz zu aktivieren, damit ein Schmerzreiz ins Gehirn weitergeleitet wird. Die Nozizeptoren selbst mussten dafür nicht stimuliert werden. Wenn die Schwann-Zellen blockiert wurden, reduzierte sich die Reizweiterleitung vom Nozizeptor aus um mindestens die Hälfte. Vor allem die Weiterleitung mechanischer Reize, nicht jedoch die von Hitze- oder Kältereizen beeinflussen die Schwann-Zellen.
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Die Forschung von James Poulet zu Wahrnehmungsverbindungen
James Poulet vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in Berlin (MDC) untersucht, wie aus zwei verschiedenen Reizinformationen automatisch eine einheitliche Wahrnehmung entsteht. Exemplarisch hat er für seine Arbeit "Temperatur" und "Berührung" gewählt. Er verfolgt die verschiedenen Abläufe dieses Prozesses im Mausmodell. Zunächst will er herausfinden, welche neuronalen Schaltkreise die thermalen und haptischen Reize verarbeiten. Dafür lokalisiert er die verantwortlichen "Nervenzell-Netzwerke", um sie in einer Art Landkarte darstellen zu können. In einem zweiten Schritt geht es darum, den aktiven Prozess der Wahrnehmung zu verfolgen. Dazu trainieren Poulet und sein Team Mäusen an, mit ihrer Vorderpfote einen Hebel zu berühren, sobald sie beim Betasten eines Objektes auch Kälte wahrnehmen. Schließlich will Poulet auch erforschen, ob eine Veränderung dieser Wahrnehmung möglich ist. In einem sogenannten optogenetischen Verfahren sollen deshalb lichtempfindliche Proteine an bestimmte Zellen im Gehirn geknüpft werden. Wie mit einer Art Schalter lassen sich mit den Proteinen Wahrnehmungsprozesse aktivieren oder deaktivieren.
Die Rolle von Pacini-Körperchen und Vibrationen
Eine Studie im Mausmodell von Forschenden der Harvard Medical School könnte erklären, warum Beethoven und andere Musiker nach dem Verlust ihres Gehörs einen äußerst feinen Tastsinn entwickeln konnten. Die Experimente konnten zeigen, dass hochfrequente mechanische Vibrationen, die von hochempfindlichen Mechanorezeptoren in der Haut, den Pacinischen Korpuskeln, aufgenommen werden, nicht ausschließlich in den somatosensorischen Kortex geleitet werden. Eine Region im Colliculus inferior des Mittelhirns verarbeitet Vibrationen, egal ob es sich um Vibrationen in Form von Schallwellen handelt, die auf das Innenohr einwirken, oder um mechanische Vibrationen, die auf die Haut einwirken. Die Ergebnisse unterstreichen die Rolle der Pacini-Körperchen als wichtige Komponente des somatosensorischen Systems. Jedes Pacini-Körperchen besteht aus einem einzigen Nervenende in seinem Zentrum, das Lamellenzellen umgeben ist.