Die Welt und uns selbst erspüren – das somatosensorische System

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Vom kribbelnden Kuss bis zum schmerzlichen Anfassen der Herdplatte – das somatosensorische System beschert höchst angenehme und ziemlich unangenehme Sinnesempfindungen. Um Umwelt und eigenen Körper wahrzunehmen, ist es unabdingbar, bei Klein und Groß.

Wissenschaftliche Betreuung: Martin Schmelz

Veröffentlicht: 14.08.2011

Das Wichtigste in Kürze
  • Das somatosensorische System umfasst alle Sinnesempfindungen abseits von Sehen, Hören, Riechen und Schmecken.
  • Tastsinn, Temperatursinn, Schmerzsinn liefern unter Umständen überlebenswichtige Informationen über den Kontakt des Körpers mit der Außenwelt, sind aber nicht nur für unsere Unversehrtheit, sondern auch für höchst angenehme Sinneserfahrungen verantwortlich, wie das Küssen.
  • Zum somatosensorischen System gehören rund 20 verschiedene Rezeptortypen, die über den gesamten Körper verteilt sind. Die meisten befinden sich in unserem größten Sinnesorgan – der Haut.
  • Im somatosensorischen Cortex werden die von den Rezeptoren kommenden Signale verarbeitet und in Wahrnehmungen umgewandelt.

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.

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.

Plumps musste überall mit, ohne ihn tat Julia keinen Schritt. Bereits als Baby drehte sie einen seiner mit Watte ausgestopften Knöpfe vor dem Einschlafen – später wurde der kleine Stoffclown von ihr umhergeschleppt, gestreichelt und geküsst. Sauberer wurde er so nicht. Den Versuch ihrer Mutter, die abgewetzte Puppe durch ein neues Exemplar zu ersetzen, entlarvte Julia sofort: “Das ist nicht Plumps”, erklärte sie. Die Knöpfe fühlten sich anders an.

Wenn kleine Kinder die Welt entdecken, dann reicht es ihnen nicht, nur zuzuschauen und zuzuhören. Die Rassel wandert unwillkürlich von den Händen in den Mund, und auch der mit Badewasser vollgesogene Schwamm ist wohl zum Trinken da. Alles Neue müssen sie anfassen, um Form, Textur und Bedeutung zu begreifen. Und auch über die Babyjahre hinaus bleibt der Tastsinn ein wichtiges Hilfsmittel, um neue Dinge zu lernen.

Der Tastsinn ist aber nur ein – wenn auch essentieller Teil — des somatosensorischen Systems. Darüber hinaus besteht es aus mindestens drei weiteren Sinnen: dem Temperatursinn, dem Schmerzsinn und der Tiefensensibilität oder Propriozeption. Während Letztere der Eigenwahrnehmung des Körpers dient, also Informationen von innen liefert, ist die wichtigste Außenstelle des somatosensorischen Systems unser mit Abstand größtes Sinnesorgan – die Haut. Außenstelle des Gehirns Von dort gelangen permanent Signale über das Rückenmark ins Gehirn. Genauer gesagt zum somatosensorischen Cortex, der bei der Umwandlung der Reize in Wahrnehmungen hilft. Der Weg des Kusses

Wahrnehmungen, die nicht nur unabdingbare Informationen über die Umwelt und den eigenen Körper liefern, sondern unser gesamtes (Er-)Leben enorm bereichern. Was wäre ein Strandspaziergang, würden wir nicht die warme Sonne auf der Haut und den Sand unter den Füßen spüren? Zärtlichkeit und Sex ohne die Fähigkeit, Berührungen zu empfinden? Undenkbar, oder?!

Propriozeption

Propriozeption/-/proprioceptive sensibility

Propriozeption ist der Sinn für sich selbst, genauer: die Position der eigenen Gliedmaße und die Lage des Körpers im Raum. Sie wird ermöglicht durch bestimmte Rezeptoren in Muskeln, Gelenken und Sehnen, die das Gehirn permanent informieren. Ebenso verrechnet werden visuelle Signale und solche aus dem Gleichgewichtssystem.

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.

Spüren ist lebenswichtig

Verglichen mit anderen Sinnen, vor allem dem Sehsinn, wird dem somatosensorischen System trotzdem oft wenig Beachtung geschenkt – auch von der Forschung. So gibt es in Deutschland nur ein einziges Labor, das sich speziell mit dem Tastempfinden beschäftigt. Der Homo hapticus Dabei erfüllen somatosensorische Wahrnehmungen lebenswichtige Aufgaben. Schmerzen warnen uns, dass eine Verletzung oder eine Krankheit Leib und Leben bedroht. Ein Kribbeln auf der Haut signalisiert Parasiten. Durch Kalt– und Warmrezeptoren in der Haut erspüren wir die Temperatur von Gegenständen und der Umgebung, außerdem ermöglicht der Temperatursinn eine sehr feine Regulation der inneren Körpertemperatur – je nachdem wie heiß oder kalt es um uns herum ist. Vibration verheißt vielen Tieren nahe Beute oder auch Gefahr aus dem Hinterhalt. Und ohne die Rezeptoren in Muskeln und Gelenken, die über die Position des Körpers im Raum informieren, würden uns selbst einfache Bewegungen schwer fallen. Über Berührung bestärken wir außerdem soziale Kontakte: In den Arm genommen zu werden, beruhigt in Notsituationen mehr als tausend Worte.

Anders als beim Hören, Riechen, Schmecken oder Sehen sind die Sinneszellen des somatosensorischen Systems nicht auf einen Körperteil wie Ohr, Nase, Mund oder Augen beschränkt. Im Gegenteil: Seine etwa 20 verschiedenen Rezeptortypen sind in unterschiedlicher Dichte über den gesamten Körper verteilt. Wer eine schnurrende Katze auf seinem Schoß kräftig streichelt, benutzt gleich drei Gruppen von Tastsinneszellen: Die Meissnerschen Körperchen sind für leichte Berührungen zuständig und vermelden das seidige Fell, die lamellenartigen Vater-​Pacini-​Körperchen registrieren Vibration und somit das Schnurren. Und die auf Druck spezialisierten, scheibenförmigen Merkelzellen leiten Informationen über das Gewicht der Katze weiter.

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.

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.

Ist das mein Bein?

Sie alle haben eine Gemeinsamkeit: Es handelt sich um Mechanorezeptoren. Das heißt, sie registrieren Verformungen von Haut– und Haarzellen und wandeln diese in elektrische Signale um. In welcher Frequenz sie diese über verschiedene Schaltstationen Richtung Gehirn schicken, hängt davon ab, wie stark der Reiz ist, wie geübt wir in seiner Wahrnehmung sind, wie müde oder gestresst wir uns gerade fühlen und wie lange der Reiz bereits von außen auf uns einwirkt.

 

Sind Mechanorezeptoren für unsere Umwelt zuständig, so sind Propriorezeptoren Rezeptoren für das Selbst. Sie melden aus den Muskeln und Gelenken, wo sich unsere Körperteile gerade im Raum befinden, was sie tun und wie unsere Haltung ist. So ermöglichen sie komplexe Bewegungen und Handlungen. Ohne ihre Signale wären wir gezwungen, ständig unsere Gliedmaßen im Auge zu behalten: Ist der rechte Arm angehoben? Hält die linke Hand etwas fest? Ist das wirklich mein Bein, das ich da sehe? Das aus den propriozeptiven Wahrnehmungen im somatosensorischen Cortex kreierte Bild des eigenen Körpers ist allerdings flexibel und unterliegt auch Illusionen. Wenn die Grenzen des Körpers verschwimmen Dies zeigen erstaunliche Experimente und ein erstaunliches Phänomen: der Phantomschmerz – Empfindungen aus einem Körperteil, der gar nicht mehr da ist. Wenn die fehlende Hand schmerzt

Haarzellen

Haarzellen/-/hair cells

Sinneszellen des Innenohres, die sich im Corti-​Organ und in den Bogengängen befinden. Die Haarzellen sind für die Transduktion (Umwandlung) der Schwingungen in elektrische Potentiale zuständig. Jede dieser Sinneszellen besitzt ca. 100 unterschiedliche lange, haarähnliche Ausstülpungen, die Stereozilien. Diese sind miteinander verbunden. Die Bewegung dieser Stereozilien durch die Schwingungen ist der eigentliche Schlüssel in der Signaltransduktion der Haarsinneszellen.

Wahrnehmung

Wahrnehmung/Perceptio/perception

Der Begriff beschreibt den komplexen Prozess der Informationsgewinnung und –verarbeitung von Reizen aus der Umwelt sowie von inneren Zuständen eines Lebewesens. Das Gehirn kombiniert die Informationen, die teils bewusst und teils unbewusst wahrgenommen werden, zu einem subjektiv sinnvollen Gesamteindruck. Wenn die Daten, die es von den Sinnesorganen erhält, hierfür nicht ausreichen, ergänzt es diese mit Erfahrungswerten. Dies kann zu Fehlinterpretationen führen und erklärt, warum wir optischen Täuschungen erliegen oder auf Zaubertricks hereinfallen.

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.

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.

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.

Phantomschmerz

Phantomschmerz/-/phantom pain

Phantomschmerzen werden als solche bezeichnet, weil sie in Phantomgliedern auftreten – in Gliedmaßen, die amputiert wurden.

Nicht Brüder sondern nur enge Verwandte

Dass Sinneseindrücke nicht eins zu eins wiedergeben, wie die Welt „wirklich“ ist, verdeutlichen zwei andere somatosensorische Empfindungen: „normaler“ Schmerz und Juckreiz. Für beides gibt es in der Umwelt keine Entsprechung – nichts, was per se weh tut oder kribbelt. Und trotzdem fühlen sich diese mentalen Konstrukte unseres Gehirns sehr real an. Wird die Haut oder das Gewebe darunter verletzt, schlagen freie Nervenendigungen – so genannte Nozizeptoren — Alarm und wir fühlen einen stechenden Schmerz. Diese Signale der Nozizeptoren – vom lateinischen ‘nocere’ für ‘schaden’ abgeleitet – gehen noch einen direkteren Weg. Sie aktivieren Reflexbahnen im Rückenmark, sodass wir uns schnellstmöglich in Sicherheit bringen können. Entzündungen verursachen dagegen dumpfe Schmerzen. Schmerzlich, aber unabdingbar

Auch der Juckreiz warnt vor Gefahren: ganz akut, wenn ein Parasit in unsere Haut eindringt oder auch über Wochen, wenn Nerven oder Haut krank sind. Das unerträgliche Kribbeln ist aber nicht einfach der kleine Bruder des Schmerzes. Werden die Nozizeptoren nur leicht gereizt, so juckt es, lautete lange eine These. Ein Team um Zhou-​Feng Chen vom Schmerzzentrum der Washington University School of Medicine im amerikanischen St. Louis hat das im Jahr 2009 widerlegt. Es wies nach, dass man bei Mäusen den Juckreiz ausschalten kann, ohne dabei das Schmerzempfinden zu beeinflussen. Also müssen eigene Signalwege von diesen Nervenenden bis zum Gehirn für beide Empfindungen vorhanden sein. Zuvor hatte Martin Schmelz, Physiologe an der Universität Erlangen, bereits zeigen können, dass es freie Nervenenden in der Haut gibt, die nur für das Jucken zuständig sind. Sie reagieren ausschließlich auf den Botenstoff Histamin, der zum Beispiel nach einem Mückenstich die Haut anschwellen lässt.

Achtung, hier passiert etwas!

Eine weitere Familie der Schmerzrezeptoren dient als Messstation für kalt oder warm. Die Kaltpunkte liegen in den oberen Hautschichten, sie reagieren auf Temperaturen zwischen 5 und 36 Grad Celsius. Die Warmpunkte befinden sich tiefer im Gewebe und übermitteln Werte von 25 bis 45 Grad. Kommen wir von einem klimatisierten Gebäude in die pralle Sommersonne, so feuern vor allem die Warmrezeptoren; die für Kälte bleiben stumm. Beim Baden im Meer ist es umgekehrt. Allerdings stellen sich diese freien Nervenendigungen schnell auf die neue Temperatur ein. Die Messung ist also keineswegs objektiv, sondern hängt unter anderem von der Ausgangstemperatur der Haut ab, der Geschwindigkeit der Temperaturänderung und der Größe der Hautfläche, die der Temperatur ausgesetzt ist.

Das meiste, was uns das somatosensorische System meldet, dringt allerdings gar nicht erst in unser Bewusstsein. Und das ist auch gut so. Würden wir jeden einzelnen Berührungsreiz wahrnehmen, wäre zum Beispiel Kleidung unerträglich. Es sind die Änderungen, die wir registrieren. “Achtung! Hier passiert etwas”, melden dann die Nervenzellen. Schürft sich ein Kind das Knie auf, so wird die Verletzung sofort zu Tränen führen. Rempelt uns jemand an, werden wir uns nach dem Übeltäter umschauen. Doch auch Aufmerksamkeit und Erwartungen steuern, was wir wahrnehmen. Sind wir durch den Anrempler abgelenkt, hat auf der anderen Körperseite ein Taschendieb leichtes Spiel. Und das Kind, dessen Knie blutet, wird den Schmerz mitunter intensiver wahrnehmen als ein Soldat, der im Feld schwer verletzt um sein Leben kämpfen muss. Hier greifen zwei Prozesse ineinander: Die Informationen, die die spezialisierten Sinneszellen mit an das Gehirn weitergeben – und wie das Gehirn diese verarbeitet und bewertet.

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.

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.

Aufmerksamkeit

Aufmerksamkeit/-/attention

Aufmerksamkeit dient uns als Werkzeug, innere und äußere Reize bewusst wahrzunehmen. Dies gelingt uns, indem wir unsere mentalen Ressourcen auf eine begrenzte Anzahl von Bewusstseinsinhalten konzentrieren. Während manche Stimuli automatisch unsere Aufmerksamkeit auf sich ziehen, können wir andere kontrolliert auswählen. Unbewusst verarbeitet das Gehirn immer auch Reize, die gerade nicht im Zentrum unserer Aufmerksamkeit stehen.

Mit Fingerspitzengefühl die Welt entdecken

Und für das Gehirn sind nicht alle Körperregionen gleich. Je größer die Dichte an Rezeptoren in einem bestimmten Körperteil, desto größer ist auch der Bereich des somatosensorischen Cortex, der sich mit ihren Informationen beschäftigt. Die Fingerspitzen nehmen daher den größten Teil dieses landkartenähnlich organisierten Systems in der Hirnrinde ein, gefolgt von Lippen, Gesicht und Mund. “Fingerspitzengefühl” kommt also nicht von ungefähr, wohl kaum einer käme auf die Idee, etwas mit dem Ellenbogen ertasten zu wollen. Auch dass kleine Kinder ganz automatisch alles zur näheren Erkundung auch in den Mund stecken, wird vor diesem Hintergrund verständlich.

Die Merkmale, die allein die Tastrezeptoren liefern, reichen jedoch noch nicht aus, um in einer Handtasche einen Gegenstand als Hausschlüssel oder Handy zu ertasten. Dazu ist ein weiterer Schritt nötig: Die Assoziationsgebiete im Gehirn vergleichen die eingehenden Informationen mit unseren bisherigen Erfahrungen und fügen sie wie ein Puzzle zu einem schlüssigen Gesamtbild zusammen.

So ist die Braille-​Schrift für die meisten Sehenden unverständlich, mit viel Übung jedoch kann sie ein Blinder aber lesen. Ein Masseur kann Verspannungen erkennen, von denen ein Laie nichts ahnt. Und so konnte auch Julia den Trick ihrer Mutter entlarven – obwohl der neue Stoffclown genauso aussah wie der alte. Die Erwachsenen hatten einfach nicht begriffen, dass es auf die vom vielen Knuddeln ‘unüberspürbar’ verformten Knöpfe ankommt.

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.

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.

Zum Weiterlesen:

  • Aamodt, S., Wang, S.: Welcome to your Brain. Why You Lose Your Car Keys but Never Forget How to Drive and Other Puzzles of Everyday Life. Bloomsbury USA, 2008.
  • Hackenbroich, V.: Schlimmer als Schmerz. Juckreiz kann unerträglich sein. Spiegel, Nr. 10 vom 6. März 2006 (zum Text).
  • Liu, Q., et al: The Distinct Roles of Two GPCRs, MrgprC11 and PAR2, in Itch and Hyperalgesia. Science Signaling. 2011; 4(181):ra45, 2011 (zum Abstract).
  • Sun, Y.-G., et al.: Cellular Basis of Itch Sensations. Science. 2009; 325(5947):1531 – 1534 (zum Abstract).
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