Mechanorezeptoren

Mechanorezeptoren übersetzen mechanische Reize in elektrische Potenziale, sodass sie vom Körper wahrgenommen werden können. Mechanorezeptoren sind unerlässlich für unsere Sinnesorgane, mit denen wir äußere und innere mechanische Reize aufnehmen und verarbeiten. Zusammen mit dem Chemo-, Thermo-, Foto- und Schmerzrezeptoren gehören sie zum allgemeinen Wahrnehmungssystem.

Mechanorezeptoren – Definition

Mechanorezeptoren sind ein wichtiger Bestandteil unserer Sinneszellen. Durch verschiedene Mechanismen ermöglichen sie die Wahrnehmung von mechanischen Reizen.

Worum handelt es sich überhaupt bei mechanischen Reizen? Zu den mechanischen Reizen gehören Druck-, Dehnungs- und Scherkräfte, die auf den Rezeptor wirken. Wenn Du beispielsweise berührt wirst, ist das ein mechanischer Reiz.

Mechanorezeptoren einfach erklärt

Mechanorezeptoren sind unter anderem am Tastsinn, Gehör- und am Gleichgewichtssinn beteiligt. Sie sind in den Ohren, auf der Haut oder aber auch in Arterien zu finden. Resultierend gibt es eine große Vielfalt halt Mechanorezeptoren, welche sich teilweise in Bau und Funktionsweise stark unterscheiden. Grundsätzlich kann das Funktionsprinzip der Mechanorezeptoren jedoch vereinfacht zusammengefasst werden.

• Mechanorezeptoren besitzen Strukturelemente, welche sich in Reaktion auf Druck-, Dehnungs- und Scherkräfte verändern.
• Ein mechanischer Reiz löst also eine strukturelle Veränderung im Mechanorezeptor aus.
• Ist der mechanische Reiz stark genug, wird er von dem Mechanorezeptor in ein elektrisches Signal umgewandelt.
• Die Mechanorezeptoren sind über Endungen von Nervenzellen mit dem Nervensystem verbunden.
• Das elektrische Signal wird auf die Nervenzelle übertragen und wird anschließend an das Gehirn weitergeleitet, wo das Signal verarbeitet wird.

Mechanorezeptoren – Einteilung

Mechanorezeptoren sind vielfältig und in diversen Organen des Körpers zu finden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, sie zu klassifizieren.

Einteilung nach embryonalem Ursprung

Betrachtet man die entwicklungsgeschichtliche Herkunft der verschiedenen Mechanorezeptoren, so lassen sich zwei Arten unterscheiden.

Epitheliale Mechanorezeptoren

Epitheliale Mechanorezeptoren stammen ursprünglich von Oberflächenzellen ab, müssen deshalb aber nicht zwangsläufig immer an der Körperoberfläche liegen.

Ihre wichtigste Eigenschaft sind sogenannte Zilien, längliche Ausstülpungen, die durch Verformung der Wahrnehmung von äußeren Reizen dienen. Besonders wichtige Beispiele für diesen Zelltyp findet man im Innenohr. Diese Sinneszellen sind verantwortlich für unser Gleichgewichtssystem und die Fähigkeit zu hören.

Ganglionäre Mechanorezeptoren

Im Gegensatz zu epithelialen Mechanorezeptoren stammen ganglionäre Mechanorezeptoren aus tieferen Gewebeschichten.

Sie sind weit verästelt und verfügen über viele erregbare Endungen. Sie benötigen zur Wahrnehmung mechanischer Reize keine Zilien. Besonders vertreten ist dieser Zelltyp unter den Mechanorezeptoren der Haut.

Einteilung der Mechanorezeptoren nach Sinnessystem

Eine weitere mögliche Einteilung der Mechanorezeptoren ergibt sich aus ihrer Zugehörigkeit zu verschiedenen Sinnessystemen des Körpers. Grundsätzlich sind Sinne dafür zuständig Reize zu verarbeiten, damit der Körper angemessen darauf reagieren kann. Diese Reize können von außen oder von innen kommen.

Kommen die zu verarbeitenden Reize von außen, also z. B. durch Berührung oder Geräusche, so spricht man auch von Exterozeption. Nimmt der Körper jedoch sich selbst wahr, z. B. die Stellung von Gliedmaßen, kommen die wahrgenommenen Reize von innen. Das nennt man Interozeption. Die Sinnessysteme, in denen Mechanorezeptoren zum Einsatz kommen, lassen sich ebenfalls diesen Kategorien zuordnen.

In der folgenden Tabelle findest Du einen Überblick zu den verschiedenen Sinnessystemen, die Mechanorezeptoren nutzen und erfährst, welcher Funktion sie dienen:

Jetzt hast Du schon einen ersten Eindruck von der Vielfalt der verschiedenen Mechanorezeptoren bekommen. Als Nächstes sollen die einzelnen Kategorien und ihre weitere Einteilung etwas genauer beleuchtet werden.

Mechanorezeptoren des Hör- und Gleichgewichtssystems

Wie Du in der Tabelle lesen kannst, verarbeitet das Hör- und Gleichgewichtsorgan sowohl äußere als auch innere Reize. Trotzdem lassen sich die beiden Systeme funktionell zusammenfassen. Das liegt nicht nur daran, dass sie beide im Innenohr lokalisiert sind, sondern auch an einem ähnlichen Rezeptorsystem.

Beide Systeme, das Vestibularorgan (Gleichgewicht) und das Corti-Organ (Gehör) verfügen über sogenannte Haarzellen, also Sinneszellen, die mit Zilien ausgestattet sind.

Mechanorezeptoren des Tastsinns

Die Mechanorezeptoren der Haut, die dem Tastsinn dienen, sind sehr vielfältig. Es gibt verschiedene Sensoren für mechanische Reize, die sich in Aufbau und Funktion unterscheiden. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, sie genauer zu charakterisieren:

• Adaptationsgeschwindigkeit
  • slowly-adapting, kurz SA (senden bei gleichbleibenden Reizen eine gleichbleibende, also statische, Antwort)
  • rapidly-adapting, kurz RA (adaptieren an den Reiz, ihre Antwort nimmt ab, auch wenn der Stimulus gleich bleibt)
• Antwortverhalten
  • proportional (je stärker der Reiz, desto stärker auch die Antwort der Sinneszelle)
  • differential (die Aktionpotenzial-Frequenz, die die Sinneszelle als Antwort schickt, wird nur bei Änderung des Reizes stärker)
  • Mischform: proportional-differential
• Lage
  • Mechanorezeptoren können in verschiedenen Hautarealen unterschiedlich tief liegen
  • Je tiefer ein Rezeptor liegt, desto größer ist sein rezeptives Feld, also der Bereich, in dem er Reize wahrnehmen kann
• Reizschwelle
  • Um eine Reaktion an bestimmten Rezeptoren auszulösen, müssen mechanische Reize eine Mindeststärke aufweisen

Kennt man diese Eigenschaften eines Rezeptors, ist es meist nicht schwer, auch auf seine Funktion zu schließen. Das zeigt dir das folgende Beispiel:

Einen Überblick über die verschiedenen Mechanorezeptoren der Haut und ihre Funktion bekommst Du hier:

All diese Mechanorezeptoren haben die Gemeinsamkeit, dass sie Endkörperchen (z. B. Bindegewebskapseln) ausgebildet haben, mit deren Hilfe mechanische Reize spezifischer wahrgenommen werden können.

Im Gegensatz dazu liegen auch freie Nervenendigungen als Mechanorezeptoren vor. Sie sind die einfachste Form der Mechanorezeptoren und können ebenfalls Scherkräfte und Berührungen registrieren. Sie umspannen z. B. Haarfollikel und registrieren so Berührung und Bewegung des Haares.

Mechanorezeptoren der Propriozeption

Genauso gibt es verschiedene Mechanorezeptoren, die der Propriozeption dienen.

Zur Propriozeption nutzt der Körper verschiedene Typen von Mechanorezeptoren.

Dazu gehören:

• Golgi-Sehnenorgan (nehmen die Spannung eines Muskels wahr, die sich auf die Sehnen überträgt)
• Muskelspindeln (nehmen die Dehnung des Muskels wahr)
• Weitere sensible Rezeptoren in Gelenken und Bändern

Mechanorezeptoren der Viszerozeption

Als letzte Kategorie bedient sich auch die Viszerozeption unterschiedlichen Mechanorezeptoren.

Weil Viszerozeption für autonome Funktionen des Körpers unerlässlich ist, gibt es kaum Organsysteme, die komplett ohne entsprechende Mechanorezeptoren auskommen. Man findet sie z. B. an verschiedenen Stellen des Herz-Kreislaufsystems, im Verdauungstrakt, sowie in Lunge und Atemwegen.

Mechanorezeptoren – Funktion

Nachdem Du nun viel über die Kategorisierung und Funktion verschiedener Mechanorezeptoren gelernt hast, soll es nun genauer darum gehen, Funktionsweise und Signaltransduktion nachzuvollziehen.

Grundbegriffe

Die nächsten Absätze erklären Dir, wie der Reiz von einem Rezeptor ins zentrale Nervensystem weitergeleitet wird und wo verschiedene Zwischenschritte ablaufen. Basieren darauf kann eine Einteilung in primäre und sekundäre Sinneszellen stattfinden.

Transduktion, Transformation und Transmission

Bevor es um genaue Abläufe an spezifischen Sinneszellen geht, ist es hilfreich, mit den Grundbegriffen Transduktion, Transformation und Transmission vertraut zu werden. Sie alle beschreiben verschiedene Phasen der Reaktion von Sinneszellen auf einen Reiz. Damit ankommende mechanische Reize, also z. B. eine Berührung, überhaupt eine Reaktion an Sinneszellen auslösen können, müssen sie ausreichend groß sein. Man spricht dann von adäquaten Reizen.

Handelt es sich um einen adäquaten Reiz, wird im entsprechenden Mechanorezeptor ein Sensorpotenzial generiert, das abhängig von der Reizintensität ist. Das heißt, bei einem starken Reiz ist die Amplitude entsprechend hoch. Dieser Vorgang, also die Umwandlung eines mechanischen Reizes in ein elektrisches Sensorpotenzial, nennt man Transduktion.

Wie Du sicherlich weißt, werden im Körper jedoch keine Sensorpotenziale verschieden hoher Amplituden, sondern Aktionspotentiale verarbeitet.

Das Sensorpotential muss also in Aktionspotenziale übersetzt werden, deren Frequenz proportional zur Amplitude des generierten Sensorpotenzials ist. Diese Übersetzung erfolgt mithilfe spannungsgesteuerter Natriumkanäle und wird als Transformation bezeichnet.

Als letzten Schritt müssen die Aktionspotentiale noch an das zentrale Nervensystem weitergeleitet werden, damit wir die Empfindung überhaupt bewusst wahrnehmen können. Diese Weiterleitung heißt Transmission.

Abbildung 2: Transduktion, Transformation, Transmission.

Primäre und sekundäre Sinneszellen

Wozu werden diese unterschiedlichen Phasen der Reizweiterleitung unterschieden? Sie dienen u.a. der Klassifikation von Sinneszellen als primär oder sekundär. Primäre Sinneszellen übernehmen sowohl Transduktion als auch Transformation selbst. Es handelt sich um Neurone, die aus dem zentralen Nervensystem vorgelagert sind.

Sekundäre Sinneszellen hingegen können selbst kein Aktionspotenzial erzeugen. Ein von ihnen erzeugtes Sensorpotenzial löst stattdessen durch Transmitterfreisetzung ein Aktionspotenzial an einem nachgeschalteten Neuron aus.

Rezeptortypen

Die verschiedenen Rezeptoren sind Transmembranproteine, die als Ionenkanäle fungieren. Sie sind durchlässig für Kationen wie Kalium oder Calcium.

Zwei bedeutende Typen sind Piezo1 und Piezo2. Beide reagieren auf mechanische Reize, sind aber in verschiedenen Geweben unterschiedlich verteilt. So findet man Piezo1 z. B. in Blase, Niere und roten Blutkörperchen. Merkel-Zellen der Haut hingegen exprimieren Piezo2.

Mechanische Kräfte können diese Ionenkanäle auf zwei Arten öffnen:

• Force from lipids: Die Lipidmembran um die Kanäle herum verformt sich und durch Wechselwirkungen öffnen die Kanäle
• Force from filaments: Kräfte übertragen sich auf Filamente, die auch mit den Kanälen verbunden sind und sie öffnen

Nun lernst du endlich beispielhaft die genaue Funktionsweise verschiedener Mechanorezeptoren des Körpers kennen.

Mechanorezeptoren – Beispiele

Wie funktionieren bestimmte Mechanorezeptoren nun im Detail? In verschiedenen Sinnessystemen kann das unterschiedlich sein, wie dir die folgenden Beispiele zeigen.

Meissner-Körperchen

Du weißt bereits, dass Meissner-Körperchen Mechanorezeptoren der Haut sind, die Berührung und auch Vibration wahrnehmen können. Sie liegen in der Haut ziemlich weit oben, ihr rezeptives Feld ist entsprechend klein. Das heißt, sie helfen uns, die Position eines Reizes auf der Haut sehr präzise wahrzunehmen. Folglich ist die Auflösung sehr hoch.

Außerdem sind sie schnell adaptierende Sinneszellen (RA) mit einer differentialen Reizantwort. Sie feuern also nur dann, wenn sich der Reiz ändert (man also z. B. immer wieder auf die Haut tippt, statt den Finger an Ort und Stelle zu lassen). Wie die meisten Mechanorezeptoren in der Haut, abgesehen von freien Nervenendigungen, nutzt auch das Meissner-Körperchen eine Bindegewebskapsel, um Druck zu detektieren.

Über die in der Kapsel enthaltenen Kollagenfasern wird die Verformung der Haut an mechanosensitive Ionenkanäle weitergegeben. Wenn diese als Folge öffnen, kommt es zum Einstrom von Natrium. Die Zelle depolarisiert und schließlich entsteht ein Aktionspotenzial.

Haarzellen des Corti-Organs

Haarzellen sind die Grundlage für unser Gehör und Gleichgewichtssystem. Beispielhaft soll es um das Corti-Organ des Innenohrs gehen, das für das Hören verantwortlich ist.

Oben auf den Haarzellen des Corti-Organs liegen Stereozilien. Die Ausstülpungen sind absteigend der Größe nach sortiert und untereinander über Verknüpfungen verbunden, die man "tip links" nennt. Die größte Zilie, die ganz außen zu finden ist, wird auch als Stammstereozilie bezeichnet.

Es gibt sowohl äußere als auch innere Haarzellen. Primär für die Hörwahrnehmung sind besonders die inneren Haarzellen relevant. Über den Haarzellen liegt die Tektorialmembran. Wie große Teile der inneren Gehörgänge ist auch sie von Endolymphe, einer besonderen kaliumreichen Füssigkeit umspült. Die von Tönen und Geräuschen ausgelösten Schallwellen werden über das Trommelfell und die Gehörknöchelchen in mechanische Stimuli übersetzt. Diese setzen sich in den gewundenen Gängen des Innenohrs als Flüssigkeitswellen fort.

Die Schwingungen der Endolymphe sorgen nun für Scherbewegungen der Stereozilien gegen die Tektorialmembran. Dadurch biegen sich die Zilien entsprechend der Wellenrichtung. Wenn sich die kleineren Stereozilien in Richtung der größten Zilie biegen, öffnen sich mechanosensitive Kationenkanäle (Typ Piezo2). Die Öffnung der Kanäle wird durch die tip links begünstigt, denn sind die Zilien gebogen "ziehen" sie die Kanäle quasi auf (force from filaments).

Es kommt zum Einstrom von Kalium: die Sinneszelle depolarisiert. Dadurch öffnen sich auch spannungsabhängige Calciumkanäle. Calcium ermöglicht die Fusion von Transmittervesikeln mit der Membran. Glutamat, ein erregender Neurotransmitter, wird in den synaptischen Spalt freigesetzt.

Arterielle Barorezeptoren

Als Rezeptoren der Viszerozeption kommen auch Barorezeptoren zum Einsatz, um mechanische Reize im Inneren unseres Körpers aufzunehmen. Oft können wir diese Reize gar nicht bewusst wahrnehmen. Unser Körper reagiert selbstständig darauf. Barorezeptoren sind Mechanorezeptoren in Blutgefäßen, die sensitiv für Veränderungen des Blutdrucks sind. Im arteriellen System findet man sie vor allem im Karotissinus und im Aortenbogen.

Ist z. B. der Blutdruck erhöht, besteht Druck gegen die Wände der Blutgefäße. Die Dehnung der Gefäßwände führt auch zur Öffnung von Ionenkanälen in der Membran von Nervenendigungen, sodass Natrium einströmt und die Zelle depolarisiert. Über die Hirnnerven IX und X wird die Erregung weiter ins zentrale Nervensystem geleitet.

Muskelspindeln

Neben normalen Muskelfasern, die zur Ausführung von Bewegungen kontrahieren (extrafusale Muskelfasern), gibt es in der Muskulatur verteilt zusätzlich sogenannte intrafusale Muskelfasern. Dabei handelt sich sich um eine Gruppe von Muskelfasern, die von einer Bindegewebskapsel umgeben sind: Die Muskelspindeln.

Sie nehmen die Länge bzw. den Dehnungszustand eines Muskels und teilweise sogar die Geschwindigkeit der Längenänderung wahr. Dehnt sich der Muskel um die Muskelspindeln herum, so werden auch die Muskelspindeln gedehnt.

Zugehörige Neurone verfügen über mechanosensitive Ionenkanäle, die die Dehnung der Muskelspindel registrieren. Auch bei diesen Mechanorezeptoren kommt es zur Depolarisation durch Natriumeinstrom.