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Grundlagen der Sensorik

Abstract

In der Sinnesphysiologie werden Reize durch periphere Sensoren wahrgenommen und dann weiter in das zentrale Nervensystem geleitet. Je nach Sensor unterscheidet man unterschiedliche Sinnesmodalitäten. Zu den wichtigsten Sinnesmodalitäten gehören Sehen, Hören, Riechen, Schmecken und Fühlen. Die Reizaufnahme und Weiterleitung lässt sich für jede Sinnesmodalität in einen zweistufigen Prozess gliedern, der sich aus der sog. Transduktion und Transformation zusammensetzt. Im Rahmen der Transduktion wird der physikalische Reiz zuerst in ein elektrisches Rezeptorpotential umgewandelt und anschließend bei der Transformation in Form eines elektrischen Signals in das zentrale Nervensystem geleitet.

Überblick der Sinnesmodalitäten

Als Sinnesmodalität bezeichnet man die von einem Sinnesorgan wahrgenommenen Empfindungen. Man unterscheidet fünf Modalitäten: Hören, Sehen, Riechen, Schmecken und Fühlen (beinhaltet den Tast-, Schmerz- und Temperatursinn). Innerhalb einer Sinnesmodalität unterscheidet man wiederum unterschiedliche Qualitäten.

Sinnesmodalität Sinnesqualität
  • Helligkeit, Farben
  • Tonfrequenz, Lautstärke
  • Gerüche
  • Geschmacksrichtungen
  • Druck
  • Berührung
  • Vibration
  • Schmerzsinn
  • Schmerzcharakter
    • Stechend
    • Dumpf
    • Brennend
  • Wärmeempfindung
  • Kälteempfindung

Reizaufnahme und Weiterleitung

Die Reizaufnahme und -weitergabe erfolgt in einem zweistufigen Prozess. Zunächst werden die physikalischen Reize über die Sensoren wahrgenommen und in ein sog. elektrisches Rezeptorpotential umgewandelt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Transduktion. Überschreitet das Rezeptorpotential einen Schwellenwert, werden im Rahmen der sog. Transformation Aktionspotentiale ausgelöst, die anschließend ins zentrale Nervensystem weitergeleitet werden. Die bewusste Wahrnehmung dieser Signale erfolgt dann erst nach der Verarbeitung durch das ZNS.

Überblick der Reizaufnahme

  1. Reiz wirkt auf den Rezeptor der Sinneszelle
  2. Transduktion: Sinneszelle erzeugt das sog. Rezeptorpotential
  3. Transformation: Aktionspotentialfolge wird erzeugt durch:
    1. Sog. primäre Sinneszelle oder
    2. Neuron (das auf eine sog. sekundäre Sinneszelle folgt)

Transduktion (Sensorik)

Der wahrgenommene Reiz kann mechanisch, elektromagnetisch, chemisch oder thermisch sein. Je nach wahrgenommener Modalität besitzen die Sensoren unterschiedliche Mechanismen, um den wahrgenommenen Reiz in ein sog. Rezeptorpotential umzuwandeln.

  • Ablauf der Transduktion
    1. Reizaufnahme über den Sensor
    2. Reiz wird in ein Rezeptorpotential umgewandelt
  • Merkmale des Rezeptorpotentials
    • Ist dem Reiz in Dauer und Amplitude analog
    • Breitet sich passiv vom Entstehungsort in der Rezeptorzelle aus (= passiv elektrotonische Weiterleitung)
  • Beispiele

Transformation (Sensorik)

Im Rahmen der Transformation wird das Rezeptorpotential in Aktionspotentiale umgewandelt. Die hierbei verantwortlichen Mechanismen werden bei der Entstehung von Aktionspotentialen erklärt. Die entstandenen Aktionspotentiale werden im Anschluss über afferente Nervenfasern (meist mittels saltatorischer Erregungsleitung) ins zentrale Nervensystem geleitet.

Umcodierung der Reizinformationen: Je stärker der Reiz, desto größer das Rezeptorpotential und desto höher die Frequenz der Aktionspotentiale!

Das Rezeptorpotential breitet sich elektrotonisch aus, das heißt, dass die Weiterleitung passiv erfolgt und mit zunehmender Entfernung vom Entstehungsort abgeschwächt wird. Aktionspotentiale hingegen folgen der sog. "Alles-oder-Nichts Reaktion"!

Sinneszellen

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Sensoren. Man unterscheidet, ob Sinneszellen eigenständig Aktionspotentiale bilden können oder nicht. Primäre Sinneszellen können sowohl Rezeptorpotential als auch Aktionspotentiale bilden. Sekundäre Sinneszellen sind lediglich in der Lage, das Rezeptorpotential zu generieren.

Organisation von Sinneskanälen

Sensortypen

Sowohl primäre als auch sekundäre Sinneszellen werden anhand ihres jeweiligen Messverhaltens eingeteilt. Grundsätzlich unterscheidet man Proportionalsensoren von Differentialsensoren. Erstere registrieren die Stärke eines Reizes; letztere messen in erster Linie, wie stark sich ein Reiz verändert. Die Sinneszellen jeder Sinnesmodalität lassen sich so einem Sensortypen zuordnen.

Messverhalten Rezeptortyp Adaptationsverhalten Beispiele
Proportionalsensoren
  • Direkt proportional zur Reizstärke
  • Nicht vorhanden oder nur sehr langsam → SA-Sensoren

Differentialsensoren

Proportional-Differential-Sensor
  • Registriert sowohl die Reizstärke als auch die Geschwindigkeit, mit der sich ein Reiz ändert
  • PD-Sensoren
  • Mittleres Adaptationsverhalten

Rezeptive Felder

Das Areal, das nur eine einzige Sensorzelle aktiviert, wird als rezeptives Feld bezeichnet. Die afferenten Nervenfasern, die die Informationen dieses Areals ins ZNS leiten, können dabei sowohl mit einer als auch mit mehreren Sensorzellen verbunden sein. Erhält ein zentrales Neuron auf diese Weise Informationen von vielen afferenten Nervenfasern, handelt es sich um ein großes rezeptives Feld; den genauen Reizort kann das Neuron hier schlecht lokalisieren. Die Größe der rezeptiven Felder entscheidet also über das räumliche Auflösungsvermögen einer Sinneszelle.

  • Große rezeptive Felder
    • Auflösungsvermögen: Gering
    • Prinzip: Viele afferente Fasern erreichen ein zentrales NeuronNeuron kann nicht unterscheiden, wo im rezeptiven Feld der Reiz aufgetreten ist → Schlechtes Auflösungsvermögen
  • Kleine rezeptive Felder
    • Auflösungsvermögen: Hoch
    • Prinzip: Nur wenige periphere Neurone erreichen ein zentrales Neuron → Gute Unterscheidungsmöglichkeit für das zentrale Neuron → Gutes Auflösungsvermögen

Wiederholungsfragen zum Kapitel Grundlagen der Sensorik

Organisation von Sinneskanälen

Welche Sensortypen gibt es und durch welches Messverhalten zeichnen sie sich jeweils aus?

Welches Adaptationsverhalten zeigen die verschiedenen Sensortypen?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.