Außenstelle des Gehirns

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Wie eine Art Grenzposten besitzt unsere Haut zahlreiche Oberflächensensoren, die auf Veränderungen in unserer Umwelt reagieren. Ihre Aufgabe ist es, das Gehirn vor möglichen Gefahren zu warnen.

Wissenschaftliche Betreuung: Martin Schmelz

Veröffentlicht: 30.11.2017

Das Wichtigste in Kürze
  • Zahlreiche unterschiedliche Oberflächensensoren in unserer Haut messen Berührung, Kälte, Wärme oder Verletzung.
  • Die Informationen der Sensoren gelangen über das Rückenmark ins Gehirn. Sie werden zum Teil aber schon im Rückenmark ausgewertet und lösen Reflexe aus.
  • Weil Körperregionen wie Fingerspitzen oder Lippen besonders viele Sensoren aufweisen, erhält das Gehirn für sie ein sehr detailliertes Bild.

Rückenmark

Rückenmark/Medulla spinalis/spinal cord

Das Rückenmark ist der Teil des zentralen Nervensystems, das in der Wirbelsäule liegt. Es verfügt sowohl über die weiße Substanz der Nervenfasern, als auch über die graue Substanz der Zellkerne. Einfache Reflexe wie der Kniesehnenreflex werden bereits hier verarbeitet, da sensorische und motorische Neuronen direkt verschaltet sind. Das Rückenmark wird in Zervikal-​, Thorakal-​, Lumbal und Sakralmark unterteilt.

Vorsichtig streichen die Fingerspitzen über ein Stück Papier. Kleinste Unebenheiten werden spürbar, punktuelle Erhebungen in bestimmtem Abstand und mit bestimmtem Muster – es ist die Blindenschrift, entwickelt von Louis Braille. Mit ihrer Hilfe können Blinde allein dank der Sensibilität ihrer Finger ganze Texte lesen. Für unsere Fingerkuppen ist das bei etwas Übung keine besondere Leistung: Sie können sogar winzigste Erhebungen von gerade einmal 0,006 Millimetern erspüren. Ein Punkt der Blindenschrift ist 167 Mal höher.

Die feine Sensorik verdankt unsere Haut mehreren Sinneszellen, die wie Oberflächensensoren Reize an das Rückenmark weiterleiten. Gemeinsam mit den Sinnesorganen, wie beispielsweise unseren Augen und Ohren, sind sie so etwas wie die Außenstellen unseres Gehirns.

Über die Sensoren in unserer Haut nehmen wir wahr, ob es heiß oder kalt ist, ob wir verletzt werden, ob es drückt oder reibt. Nicht zuletzt können sie das schöne Gefühl vermitteln, liebevoll von einem anderen Menschen gestreichelt werden.

Rückenmark

Rückenmark/Medulla spinalis/spinal cord

Das Rückenmark ist der Teil des zentralen Nervensystems, das in der Wirbelsäule liegt. Es verfügt sowohl über die weiße Substanz der Nervenfasern, als auch über die graue Substanz der Zellkerne. Einfache Reflexe wie der Kniesehnenreflex werden bereits hier verarbeitet, da sensorische und motorische Neuronen direkt verschaltet sind. Das Rückenmark wird in Zervikal-​, Thorakal-​, Lumbal und Sakralmark unterteilt.

Auge

Augapfel/Bulbus oculi/eye bulb

Das Auge ist das Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Lichtreizen – von elektromagnetischer Strahlung eines bestimmten Frequenzbereiches. Das für den Menschen sichtbare Licht liegt im Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer.

Mechanorezeptoren fühlen Berührungen

Die Mehrheit der Oberflächensensoren der Haut stellen die so genannten Mechanorezeptoren. Sie befinden sich in den oberen Schichten der Haut und reagieren auf physische Verformungen, sind also die Wächter über alle Hautkontakte. Dabei herrscht strikte Arbeitsteilung: Unterschiedliche Sensoren übernehmen unterschiedliche Aufgaben, die in ihrer Gesamtheit dem Gehirn einen genauen Eindruck davon geben, was um den Körper herum passiert.

So registrieren die Meissner-Körperchen, wie schnell die Haut an der Reizstelle eingedrückt wird. Eingebettet sind diese 100 bis 150 Mikrometer großen Sinneszellen zum Beispiel in der Haut der Fingerspitzen, der Handflächen oder der Fußsohlen – aber auch in den Lidern und Genitalien. Merkel-Zellen mit einem Durchmesser von 10 Mikrometern reagieren indes auf eine anhaltende Berührung. Auch sie findet man in der Handinnenfläche oder der Fußsohle, aber auch in behaarter Haut.

Ruffini-Körperchen sind hingegen Sensoren für die Stärke einer Hautdehnung. Sie sind etwa zwei Millimeter lang, verteilen sich über unsere gesamte Körperoberfläche – und sind auch in Gelenken, Gefäßwänden und Bändern zu finden, wo sie deren Dehnungszustand kontrollieren. Spüren Sie auf der Haut eine Vibration, so haben Sie dies den Vater-Pacini-Körperchen zu verdanken. Diese haben einen Durchmesser von einem Millimeter 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.

Erst kürzlich berichteten Forscher aus England und Schweden, wie das angenehme Gefühl einer zärtlichen Berührung zustande kommen könnte. In jenem Großteil aller Hautpartien, die beim Menschen normalerweise mehr oder weniger behaart sind, sitzen demnach nicht nur Nervenzellen, welche die Reize der Mechanorezeptoren mit Hochgeschwindigkeit übermitteln. Vielmehr liegen dort 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. Noch weiß man nicht im Detail, wie dieses System funktioniert; man kennt noch nicht einmal die Rezeptoren. 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. „Die essentielle Rolle dieses Systems ist es, emotionale, hormonelle und Verhaltensreaktionen zu ermöglichen oder zu unterstützen, wenn wir Hautkontakt zu einem Artgenossen haben“, schreiben die Wissenschaftler.

Merkel-Zellen

Merkel-Zellen/-/Merkel´s corpuscules

Die Merkel-​Zellen gehören zu den Mechenorezeptoren der Haut. Sie reagieren auf die Stärke eines Drucks.

Vater-Pacini-Körperchen

Vater-Pacini-Körperchen/-/lamella corpuscels

Relativ große Mechanorezeptoren der Unterhaut, die auf Vibration reagieren und auf diese Weise auch Beschleunigung auf der Haut registrieren.
Sie sind benannt nach dem deutschen Anatomen Abraham Vater (1684 – 1751) und dem italienischen Anatomen Filippo Pacini (1812 – 1883).

Rezeptor

Rezeptor/-/receptor

Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.

Rezeptive Felder bestimmen Empfindsamkeit

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.

Mindestens zwei Faktoren bestimmen die Genauigkeit, mit der wir den Ort einer Reizung erkennen können: Ein Faktor ist die Dichte der Merkel-Zellen und Meissner-Körperchen in dieser Region. Darum sind wir an den Handflächen und Fußsohlen, die besonders viele Meissner-Körperchen und Merkel-Zellen beherbergen, besonders empfindlich. Wichtig ist aber zweitens auch die „Rechenleistung“, die das Gehirn einer bestimmten Körperregion widmet – und die hängt wiederum von der Anzahl der Neuronen ab, die daran beteiligt sind, die eingehenden Signale zu verarbeiten.

Rezeptor

Rezeptor/-/receptor

Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Vater-Pacini-Körperchen

Vater-Pacini-Körperchen/-/lamella corpuscels

Relativ große Mechanorezeptoren der Unterhaut, die auf Vibration reagieren und auf diese Weise auch Beschleunigung auf der Haut registrieren.
Sie sind benannt nach dem deutschen Anatomen Abraham Vater (1684 – 1751) und dem italienischen Anatomen Filippo Pacini (1812 – 1883).

Meissner-Körperchen

Meissner-Körperchen/-/Meissner´s corpuscels

Meissner-​Körperchen sind ein Typ von Mechanorezeptoren der unbehaarten Haut, wie sie zum Beispiel an den Fingerkuppen zu finden ist. Die Meissner-​Körperchen reagieren auf Vibration, Druck und Berührung.

Merkel-Zellen

Merkel-Zellen/-/Merkel´s corpuscules

Die Merkel-​Zellen gehören zu den Mechenorezeptoren der Haut. Sie reagieren auf die Stärke eines Drucks.

Sensoren für Wärme, Kälte und Schaden

Neben den Mechanorezeptoren gibt es eine weitere Gruppe von Hautsensoren: Die Thermorezeptoren sind unser körpereigenes Thermometer. Als freie Nervenendigungen reagieren sie jeweils entweder auf Wärme oder Kälte. Damit erfüllen sie eine wichtige Funktion: Verändert sich die Außentemperatur, muss der Körper seinen Stoffwechsel anpassen, damit die Körpertemperatur konstant bei 37 Grad Celsius bleibt. Würde sich die Körpertemperatur nämlich um mehrere Grade verändern, könnten Stoffwechselprozesse nicht mehr korrekt ablaufen. Und das kann tödlich enden.

Besonders dicht sitzen die Kalt- und Warmrezeptoren an Kinn, Nase, Ohrmuschel, Ohrläppchen und Lippen. Insgesamt besitzt unsere Hautoberfläche etwa 250.000 Kälterezeptoren. Dabei verfügen wir über mehr Kalt- als Warmrezeptoren. Evolutionsbiologen vermuten als Grund hierfür, dass in unserem natürlichen Lebensraum die Gefahr auszukühlen höher ist, als zu überhitzen.

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. Dazu werden diese Rezeptoren durch starke mechanische, thermische oder chemische Reize erregt. Eine Untergruppe ist dazu noch für den Juckreiz zuständig.

Nozizeptor

Nozizeptor/-/nociceptors

Nozizeptoren sind die Schmerzrezeptoren im Körper. Sie reagieren auf spitze Reize, auf Hitze oder auf chemische Reize wie Säure.
Sie reagieren also auf eine drohende oder bereits eingetretene Verletzung von Gewebe. Beim menschlichen Körper gibt es in jedem Gewebe Nozizeptoren außer im Gehirn und der Leber.

Rezeptor

Rezeptor/-/receptor

Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.

Über das Rückenmark ins Gehirn

Aber was genau passiert nun im Körper, wenn wir uns mit einer Feder über die Haut streichen, oder wir plötzlich im kalten Winterwind stehen? 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.

Abhängig davon, in welcher Körperregion eine Rezeptorzelle einen Reiz wahrgenommen hat, erreichen die Informationen auch eine bestimmte Region im somatosensorischen Cortex. Jede Körperregion hat damit ihr Abbild in der Hirnrinde. Die Größe dieses Abbildes entspricht jedoch nicht der Fläche der Körperregion. Denn Körperteile mit einer hohen Dichte an Rezeptoren, wie die Fingerspitzen, leiten wesentlich mehr Informationen über eine Berührung oder Schmerzen an unser Gehirn weiter, als es beispielsweise die Rückenregion tut. Die größere Anzahl von Neuronen wiederum besetzt eine größere Fläche der Hirnrinde. So kann das Gehirn ähnlich wie ein Fotoapparat mit einer höheren Anzahl von Pixeln ein genaueres Bild dieser Körperteile berechnen.

Die Folgen können Sie selbst testen: Halten Sie einfach ein zartes, gefülltes Sektglas wie gewohnt zwischen den Fingern – und wiederholen Sie diese Übung dann mit dem Sektglas zwischen den Knien. Spüren Sie den Unterschied? Nicht umsonst ist in Situationen, die viel Einfühlungsvermögen erfordern, „Fingerspitzengefühl“ gefragt.

Rückenmark

Rückenmark/Medulla spinalis/spinal cord

Das Rückenmark ist der Teil des zentralen Nervensystems, das in der Wirbelsäule liegt. Es verfügt sowohl über die weiße Substanz der Nervenfasern, als auch über die graue Substanz der Zellkerne. Einfache Reflexe wie der Kniesehnenreflex werden bereits hier verarbeitet, da sensorische und motorische Neuronen direkt verschaltet sind. Das Rückenmark wird in Zervikal-​, Thorakal-​, Lumbal und Sakralmark unterteilt.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Medulla oblongata

Verlängertes Mark/Medulla oblongata/hindbrain

Bereich des Gehirns, der ins Rückenmark übergeht. Die Medulla oblongata umfasst zahlreiche Kerngebiete mit teils lebenswichtigen Aufgaben wie der Atmung, dem Herzschlag oder bestimmten Reflexen.

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

zum Weiterlesen:

Francis McGlone F, Wessberg J, Olausson H: Discriminative and Affective Touch: Sensing and Feeling, Neuron Perspective. 2014 May;82(4): 737-755 (zum Text)

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Veröffentlichung: am 14.11.2010
Aktualisierung: am 30.11.2017

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