Druck auf die Fingerkuppe
AFB I–IIIn der Haut der Fingerkuppe liegen verschiedene Mechanorezeptoren. An einem langsam adaptierenden Druckrezeptor wurde gemessen, wie Rezeptorpotenzial und AP-Frequenz von der Eindrucktiefe der Haut abhängen (M1) und wie sich die AP-Frequenz bei gleichbleibendem Druck verändert (M2).
| Eindrucktiefe der Haut in µm | Rezeptorpotenzial (Depolarisation) in mV | AP-Frequenz in Hz (nach 1 s) |
|---|---|---|
| 10 | 2 | 0 |
| 20 | 5 | 0 |
| 50 | 9 | 21 |
| 100 | 12 | 42 |
| 200 | 15 | 63 |
| 500 | 19 | 91 |
| 1000 | 22 | 112 |
- Beschreiben Sie die Messergebnisse in M1 und entnehmen Sie ihnen die Reizschwelle für die Auslösung von APs.
- Erläutern Sie die Vorgänge in der Sinneszelle, die vom Druck zur AP-Folge führen.
- Ermitteln Sie aus M1, wie sich das Rezeptorpotenzial ändert, wenn die Eindrucktiefe jeweils verzehnfacht wird, und interpretieren Sie das Ergebnis im Hinblick auf den Messbereich der Sinneszelle.
- Deuten Sie M2 und ordnen Sie den Rezeptor begründet einem Rezeptortyp zu.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Mit zunehmender Eindrucktiefe steigt das Rezeptorpotenzial von 2 mV (10 µm) auf 22 mV (1000 µm); der Anstieg wird mit größerer Tiefe immer flacher. APs treten erst ab 50 µm auf (21 Hz); danach steigt die AP-Frequenz bis 112 Hz bei 1000 µm. Die Reizschwelle für die Auslösung von APs liegt also zwischen 20 und 50 µm Eindrucktiefe, beim Rezeptorpotenzial zwischen etwa 5 und 9 mV.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Der Druck verformt die Membran der Sinneszelle; dadurch öffnen sich mechanisch gesteuerte Ionenkanäle, Kationen (v. a. Na⁺) strömen ein, und die Membran wird depolarisiert. Diese abgestufte Depolarisation ist das Rezeptorpotenzial; seine Amplitude hängt von der Reizstärke ab (Transduktion). Das Rezeptorpotenzial breitet sich passiv bis zum Axonanfang aus. Überschreitet es dort den Schwellenwert, entstehen Aktionspotenziale; je größer das Rezeptorpotenzial, desto schneller wird nach jedem AP der Schwellenwert wieder erreicht, und desto höher ist die AP-Frequenz (Transformation). Die AP-Folge wird über das Axon zum Zentralnervensystem geleitet.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Von 10 auf 100 µm steigt das Rezeptorpotenzial um 10 mV (2 → 12 mV), von 100 auf 1000 µm ebenfalls um 10 mV (12 → 22 mV). Eine Verzehnfachung der Reizstärke erhöht das Rezeptorpotenzial also jeweils um etwa den gleichen Betrag: Der Zusammenhang ist logarithmisch. Dadurch kann die Sinneszelle einen sehr großen Bereich von Reizstärken (hier das Hundertfache) mit einem begrenzten Bereich an Potenzialen und Frequenzen erfassen; schwache Reize werden fein unterschieden, starke Reize führen nicht sofort zur höchsten Antwort.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Zu Beginn des Drucks steigt die AP-Frequenz sprunghaft auf knapp 130 Hz, sinkt nach 1 s auf etwa 90 Hz (passend zu M1) und nach 2 s auf knapp 80 Hz und nähert sich dann langsam einem Wert von etwa 60 Hz, der bis zum Ende der Messung erhalten bleibt. Die Antwort nimmt bei gleichbleibendem Reiz also ab (Adaptation), aber nur langsam und unvollständig. Der Rezeptor ist daher ein tonischer Rezeptor: Er meldet neben der Änderung zu Beginn auch Stärke und Dauer des anhaltenden Drucks.
Das Pacini-Körperchen
AFB II–IIILOEWENSTEIN und MENDELSON untersuchten 1965 isolierte Pacini-Körperchen aus der Katze. Sie übten mit einem feinen Stempel einen gleichbleibenden Druck aus und maßen das Rezeptorpotenzial an der Nervenendigung — einmal am intakten Körperchen und einmal, nachdem sie die Kapsel vorsichtig entfernt hatten (M3). M4 informiert über Bau und Eigenschaften.
(1) Pacini-Körperchen liegen in der Unterhaut und sind bis 4 mm lang. Die Nervenendigung einer Sinneszelle ist von bis zu 60 zwiebelschalenartigen Lamellen umgeben, zwischen denen Flüssigkeit liegt (Kapsel). (2) Bei einer Verformung wird der Druck von den Lamellen zunächst auf die Nervenendigung übertragen. Hält der Druck an, verschieben sich die Lamellen und die Flüssigkeit so, dass die Nervenendigung wieder entlastet wird. (3) Am empfindlichsten sind Pacini-Körperchen für Vibrationen von etwa 200–300 Hz. (4) Entfernt man die Kapsel vorsichtig, bleibt die Sinneszelle funktionsfähig.
- Beschreiben Sie die beiden Messkurven in M3.
- Erklären Sie mithilfe von M4 (2) die Antwort des intakten Pacini-Körperchens einschließlich der Antwort am Ende des Drucks.
- Vergleichen Sie die Antwort mit und ohne Kapsel und begründen Sie, welche Eigenschaft des Pacini-Körperchens auf der Kapsel beruht.
- Ein Schüler behauptet: „Adaptation bedeutet, dass die Sinneszelle bei anhaltendem Reiz ermüdet.“ Beurteilen Sie diese Aussage anhand von M3 und M4 und erläutern Sie die Bedeutung der raschen Adaptation für die Aufgabe des Pacini-Körperchens (M4 (3)).
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Mit Kapsel steigt das Rezeptorpotenzial zu Beginn des Drucks (5 ms) sofort auf etwa 10 mV und fällt innerhalb von etwa 3 ms wieder auf null, obwohl der Druck bis 30 ms anhält. Am Ende des Drucks entsteht erneut ein kurzes Rezeptorpotenzial von etwa 8 mV. Ohne Kapsel steigt das Rezeptorpotenzial bei 5 ms ebenfalls auf etwa 10 mV, nimmt aber während des Drucks nur langsam ab und liegt bei 30 ms noch bei knapp 4 mV. Beim Ende des Drucks fällt es rasch auf null; eine zweite Antwort tritt nicht auf.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Zu Beginn des Drucks übertragen die Lamellen die Verformung auf die Nervenendigung; ihre Membran wird verformt, mechanisch gesteuerte Kationenkanäle öffnen sich, und es entsteht ein Rezeptorpotenzial (Transduktion). Hält der Druck an, verschieben sich Lamellen und Flüssigkeit so, dass die Nervenendigung wieder ihre ursprüngliche Form annimmt; die Kanäle schließen sich, und das Rezeptorpotenzial verschwindet innerhalb weniger Millisekunden. Beim Ende des Drucks federn die Lamellen zurück und verformen die Nervenendigung erneut, nun in anderer Richtung — es entsteht ein zweites, kurzes Rezeptorpotenzial. Das intakte Pacini-Körperchen meldet also nur Beginn und Ende, also Änderungen des Drucks.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Mit Kapsel adaptiert das Pacini-Körperchen sehr rasch und vollständig und antwortet nur auf Änderungen des Reizes; es verhält sich phasisch. Ohne Kapsel bleibt das Rezeptorpotenzial während des Drucks bestehen und nimmt nur langsam ab; die Sinneszelle verhält sich deutlich tonischer, und die Antwort am Ende des Drucks fehlt. Da die Sinneszelle in beiden Fällen dieselbe ist (M4 (4)), beruht die rasche Adaptation im Wesentlichen auf der Kapsel: Sie wirkt wie ein mechanischer Filter, der nur Änderungen des Drucks an die Nervenendigung weitergibt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage trifft nicht zu. Wäre Adaptation Ermüdung, müsste die Sinneszelle bei anhaltendem Reiz erschöpft sein. Das intakte Körperchen antwortet aber am Ende des Drucks sofort wieder mit einem deutlichen Rezeptorpotenzial, und ohne Kapsel antwortet dieselbe Sinneszelle während des ganzen Drucks — sie ist also nicht erschöpft. Die rasche Adaptation beruht auf dem Bau der Kapsel, nicht auf Ermüdung. Für das Pacini-Körperchen ist diese Eigenschaft wichtig: Eine Vibration ist eine schnelle Folge von Druckänderungen. Weil der Rezeptor nach jeder Änderung sofort wieder „bereit“ ist und gleichbleibenden Druck ausblendet, kann er Schwingungen von 200–300 Hz einzeln melden. Ein tonischer Rezeptor würde dagegen den Grunddruck dauerhaft melden und schnelle Schwankungen weniger deutlich abbilden.