4. Die Sinne als Brücke zur Welt

Der Beobachter 

(Montage H.G. Klug : Homage an Camille Flammarion und Niels Bohr)

Anmerkung: In Flammarions populärwissenschaftlichen Metereologie-Buch des 19. Jahrhunderts erschien die Zeichnung zuerst: Nach Niels Bohr`s strenger "Kopenhagener Deutung" der Quantenphysik bricht die Wahrscheinlichkeitswelle erst dann zusammen und es entsteht Realität, wenn ein bewusster Beobachter das System wahrnimmt. Wer aber beobachtet den Beobachter? Beobachtet Gott das Universum? Bis heute gibt es keine akzeptierte Deutung der Quantentheorie - aber sie hat sich in der Anwendung bestens bewährt. Dies vorweg, weil Quantenphysik auch Grundlage unserer über die Sinne wahrgenommenen Realität ist.

4.0 Vorbemerkung

Ohne seine Sinne wäre der Mensch nicht existenzfähig. Sie sind für ihn genausowichtig, wie sein Gehirn. Sie schaffen die Verbindung des Gehirns zur Umwelt des Menschen, indem sie auf verschiedene physikalische Reize wie Licht, Schall, Wärme, Geruch etc. reagieren und diese Reizeindrücke an das Gehirn zur Verarbeitung und Interpretation weiterleiten. Das Gehirn nimmt diese von den Sinnen kommenden Informationen auf und erzeugt hieraus ein Abbild der augenblicklichen Umgebung des Menschen.

Die Sinne werden in folgenden Abschnitten behandelt:

1. Der visuelle Sinn
2. Der Hörsinn und die Sprache
3. Der Geruchssinn
4. Der Geschmackssinn
5. Der Gleichgewichtssinn
6. Der Tastsinn (inkl. Temperaturempfindung)  

 

4.1 Der visuelle Sinn

Der optische Sinn des Menschen ist seine Hauptbrücke zur realen Welt, ohne die er mit seinem Gehirn nur sehr eingeschränkt existieren kann. Wie wir aus dem täglichen Leben wissen, funktioniert diese Brücke zur Umwelt nicht für jeden Menschen einwandfrei. Die nachfolgenden Bilder zeigen zwei Haupttypen sogenannter Fehlsichtigkeit, die nicht behoben werden können. Daneben gibt es noch weitere Fehlsichtigkeiten, wie Kurz- und Weitsichtigkeit, Astigmatismus etc., die durch entsprechende Korrekturmaßnahmen wie z.B. Brillen, Kontaktlinsen jedoch behoben werden können.

Im ersten Bild sind die Farben vollständig zu sehen. Im zweiten Bild sind die Farben eliminiert und es entsteht ein Schwarzweißbild mit Grauabstufungen. Sieht man so seine Welt, ist man farbenblind. Im dritten Bild ist fast nichts mehr zu erkennnen, so würde in etwa ein nahezu blinder Mensch seine Umwelt wahrnehmen. Der völlige Wegfall des Augenlichtes würde den Menschen in der Wahrnehmung seiner Umwelt sehr stark einschränken und auch in seiner Persönlichkeitsentwicklung zurückwerfen. Nicht umsonst sagt man, dass der Mensch ein "Sehtier" ist. Doch wie kommt das Bild unserer Umgebung in unser Gehirn?

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Vollsichtigkeit - Farbenblindheit - Blindheit

Die nachfolgende Grafik zeigt einen Querschnitt durch unser Auge. Es besteht  in seinen Grundelementen aus einem von Horhaut umschlossenen Glaskörper, an dessen Lichteintrittsöffnung eine bewegliche, in ihrer Regenbogenhaut (Iris)  eingelassene Pupillenöfnung existert.  Das durch sie in das Auge einfallende Licht trifft auf eine direkt hinter ihr angebrachte Linse, die die Lichstrahlen bündelt und auf die gegenüber der Linse am hinteren, inneren Teil des Auges  angebrachte Netzhaut (Retina) wirft. Dadurch entsteht auf der Netzhaut eine auf dem Kopf stehende (umgekehrte) Bildprojektion. Um die Brennweite anzupassen, ist die Linse selber in Grenzen verformbar. Unterschiedliche Lichtstärken  werden durch Veränderung der  Pupillengröße über die Iris ausgeglichen. Da das LIcht verschiedene Farben (Wellenlängen) beinhaltet,  wird es unterschiedlich gebrochen. Das Auge stellt seine Brennweite daher zunächst auf die Wellenlänge der grünen Farbe ein. Die anderen Farben werden zunächst nur grob bestimmt.

Schnitt durch das Auge

Die Netzhaut auf der das eintreffende Bild projiziert wird, besteht ihrerseits aus einer Anordnung von lichtsensitiven Zapfen und Stäbchen (siehe hierzu die nachfolgende Grafik der Netzhaut-Abbildung).  Sie werden ergänzt durch Rezeptoren, die an ein spezielles G-Protein gebunden sind. Die Proteinmoleküle   bestehen ihrerseits aus den Bestandteilen von Vitamin A, gekoppelt mit dem Protein Opsin. Eintreffendes Licht  verändert sodann die räumliche Molekülanordnung. Das eintreffende Lichtteilchen (Photon) löst beim Vitamin A eine Strukturveränderung aus, die das Protein Opsin mit dem Vitamin A agieren lässt.  Dies verursacht eine Enzymausschüttung, die zu einer negativen Aufladung der Zellmembran führt. Das optische Signal wurde in eine elektrische Potentialänderung umgewandelt. Das elektrische Signal wird nun von speziellen in der Netzhaut angeordneten  Auswertezellen verarbeitet. Dabei wird es in der Netzhaut sowohl vertikal mittels Bipolarzellen an die Ganglienzellen weitergeleitet, als auch horizontal durch Horizontal- und Amakrinzellen  verarbeitet.

Der Sehnerv wird im wesentlichen von den Axonen der Ganglienzellen gebildet. Dabei werden die Axone der Ganglienzellen durch einen Punkt der Netzhaut (Blinder Fleck) aus dem Auge herausgeführt. Dies geschieht so, weil die Photorezeptoren auf der lichtabgewandten Seite der Netzhaut angeordnet sind. Auf der Netzhaut selber wird bereits das Signal der Photorezeptoren ausgewertet. Hier wird auch die Kantenverarbeitung im Rahmen des zentralen Hochauflösungsbereiches (Gelber Fleck, ca. 2,5 mm Durchmesser) der Netzhaut durchgeführt. Dieser relativ kleine Bereich des hochauflösenden Sehens beschränkt sich dabei nur auf das eigentliche Zentrum der Netzhaut. Hier besitzt auch jeder Photorezeptor eine eigene Ganglienzelle (Nervenzelle mit Axon). Der Fleck des schärfsten Sehens wird dabei innerhalb des Blickfeldes durch die Bewegung der Augenmuskulatur jeweils in Richtung auf den Punkt der augenblicklichen Aufmersamkeit gerichtet. Im Gehirn ensteht hieraus durch die Aneinanderreihung scharfer Sehfeldausschnitte ein brauchbar scharfes Gesamtbild.

An der Peripherie der Netzhaut sind etwa 3000 Photorezeptoren pro Ganglienzelle aktiv, während in der übrigen Netzhaut ca. 300 Photorezeptoren je Ganglienzelle geschaltet sind.  Für das Farbsehen sind die in den Außengliedern der Zapfen befindlichen 3 verschiedenen photosensiblen Substanzen zuständig. Hier wird das eintreffende Licht gemäß der Absorpsionsmaxima von 3 Wellenlägen (440nm, 540nm und 570nm) in die drei Primärfarben Rot, Grün und Blau zerlegt. Aus der Mischung der Intensität dieser drei Grundfarben und der damit verbundenen Rekombination der ausgelösten neuralen Signale läßt sich wiederum ein komplett farbiges Bild herstellen sowie der gesamte zugehörigen Helligkeitszustand von Weiß über Grau bis hin zu Schwarz darstellen.

Aufbau der Netzhaut im Auge

Bereits in den Nervenzellen der Netzhaut erfolgt eine erste "Bearbeitung" der empfangenen Reize. Für die spätere Formerkennung wichtig, ist eine Kontrastverstärkung an den Rändern einer Fläche, wie sie 1865 der Physiker Ernst Mach am Beispiel von Graustreifen beschrieben hat:

Mach'sche Streifen

Auch benachbarte Farben beeinflussen sich gegenseitig , was  Kunstmalern und Innenarchitekten wohlbekannt ist. Hier ein drastisches Beispiel: Das Streifenmuster beruht nicht auf vier Farben (oder noch mehr), sondern nur auf dreien!

Farbstreifen

(Man könnte diese Effekte auch als "optische Täuschungen" bezeichnen, doch dienen sie offenbar im System der Signalverarbeitung und -interpretation einem guten Zweck).

Die Sehnervenbahnen (gebündelte Axone der Gangliennerven) der beiden Augen werden zunächst zu einem Kreuzungspunkt (Sehnervenkreuzung) weiter in Richtung Sehzentrum des Gehirns geführt. Wobei die Informationen der nasalen Hälfte der Netzhaut an den tiefen Spalt der medialen Seite des  Hinterhauptlappens des Großhirns geleitet werden.

Verlauf der Sehnerven

Während die an der Hirnbasis den Hirnschenkel umfassende Teilstrecke der Sehbahn, die die Informationen der lateralen Netzhauthälfte umfasst,  in das Mittelhirn anschließt und von dort  in den Kniehöcker (Primäres Sehzentrum) führt. Dieser wiederum dient als Ausgangspunkt, der zur Vierhügelplatte (Dach des Mittelhirns) und zur optischen Hirnrinde führenden optischen Reflexbahn. Zusätzlich gehen vom Kniehöcker aus weitere Nervenbahnen direkt in höhere Hirnareale, wie in das für Bewegungskontrolle zuständige visuelle Cortexareal.
 

Sehzentrum

Hierbei wird in drei Auswertungswege unterschieden. Der großzelluläre Weg dient der Bewegungsdarstellung und der Raumortung eines beobachteten Objektes, während der kleinzelluläre Weg für die Farbe, Eigenschaften und Form  des Objektes zuständig ist. Der dritte Auswertungsweg dient zur Beurteilung von richtiger oder falscher Information und ist somit auf höhere Hirnbereiche ausgerichtet. Im visuellen Cortexbereich (V1) wird die Kantenerkennung ermöglicht. Die hier gewonnenen Informationen werden in weitere Teilbereiche (V2) und (V3) des visuellen Kortex geleitet.

Von hieraus bewegen sich die Informationen der Objektermittlung als sogenannte "Was?" - Information in Richtung Schläfe, während die "Wo?" - Information (betreffend Bewegung und Entfernung) am Scheitel entlang geführt wird. Diese Parallelisierung der Informationsverarbeitung ermöglicht innerhalb von 150 milli Sekunden die komplette Objektbestimmung (Größe, Bewegung und Entfernung) und die Einstufung in die Objektkategorie (Typ, Art, Farbe etc.) innerhalb des Stirnlappens.

Somit ist sichergestellt, dass das Sehen und Wahrnehmen eines Gegenstandes nahezu zeitgleich erfolgen kann. Die Hirnbereiche V1 und V2 selber sind noch ziemlich netzhautähnlich in der Anordnung ihrer Neuronen strukturiert. Dennoch werden von hieraus auch schon zusätzlich Informationen zu höheren Hirnarealen mit neuronalen Clustern geleitet, die auf Hände, Gesichter, Tierarten etc. reagieren.

Zunächst wird ein ins Blickfeld geratener Gegenstand in den hochauflösenden Bereich des Auges gebracht um ihn genauer zu analysieren. Falls der beobachtete Gegenstand dann als bekannt registriert wird (er wird einer bestimmten Kategorie zugeordnet) , wird die Kantenwahrnehmung dahingehend vereinfacht, dass der Gegenstand der gefundenen Kategorie mit all ihren Kanten angepasst wird. Dabei werden z.B. auch Kanten im Gehirn übernommen, die in Wirklichkeit am gesehenen Gegenstand nicht vorkommen.

Wird jedoch der gesehene Gegenstand als völlig unbekannt eingestuft, wird er exakt analysiert und  einer Neukategorisierung zugeführt, was entsprechenden Zeitaufwand mit weitergehenden Korrekturansichten benötigt. Hierbei hilft die Tatsache, dass ein auf beiden Augen aufbauendes räumliches Sehen mit einer 10 fach höheren Auflösung als bei der Einzelaugensicht diesen Vorgängen zugrundeliegt. Diese vorbeschriebene Informationsverarbeitung wird im wesentlichen  im Bereich des visuellen Cortex (V1) durchgeführt. Diese eigentlich sehr schnelle Signal-Auswertung und die damit verbundenen netzhautflächenähnliche Verarbeitung im visuellen Kortex kann aber auch manchmal zu optischen Täuschungen führen.

Im folgenden werden Beispiele (freie Beispiele aus dem Internet) zu optischen Täuschungen gezeigt. Das Gehirn ist nicht in der Lage, sich auf eines der angebotenen Bilder als Realität einzulassen. Probieren Sie es:

Beispiel 1

Die Startsituation zeigt das Bild einer Maus (realisiert durch Gesichts und Form- Erkennung), die Endsituation in der Vorwärtsbewegung führt in der genauen Analyse zum Bild zweier Menschen an einem Tisch (Interpretationsproblem der Bilderkennung in Abhängigkeit von der Entfernung).

Beispiel 2

Das Bild zeigt sehr drastisch die Fehleinschätzung von Kantenlängen in zwei gegensätzlichen Raumanordnungen. Entgegen dem Eindruck sind alle dargestellten Kanten beim Nachmessen am Bildschirm gleich groß (Problem der Kantenerfassung in verschiedenen räumlichen Anordnungen).

Beispiel 3

Dieses Bild zeigt bei etwa gleichen Rahmenbedingungen (Spiegel mit Aufhängung) das Hin- und Herschwingen zweier Realitäten auf. (Problem unterschiedlicher Realitäten in gleicher Umgebung).

Beispiel 4

Das Maskenbild wird im virtuellen Raum so gedreht, dass man ein vollständiges Rechts- oder Linksdrehen erwartet. Bei Erreichen der Kippkante springt die Drehrichtung jedoch ins Gegenteil. (Problem ist die auf Erfahrung beruhende Erwartungsprognose der Drehung voll Voll- und Hohlgesicht im Raum).

Beispiel 5

Der Maler Leonardo Da Vinci malt scheinbar sein Selbstbildnis als erste Deutung. Der Maler malt einen Reiter auf einem Esel als zweite Deutung. Die Gesichtskonturen des Malers sind identisch mit dem Reiterbild als dritte Deutung (Problem der Gesichtserkennung und der allgemeinen Objekterkennung).

Beispiel 6

Kann man eine optische Täuschung anfassen und begreifen? Es sieht bei unseren Akteuren so aus. Das Problem der Kantenführung bei dieser kastenähnlichen Konstruktion führt jedoch zu einer visuellen Verunsicherung.      

Beispiel 7

Zwei absolut gegensätzliche Bilder kämpfen hier um ihre Entscheidung als Realität, wobei der Totenschädel u. E. über eine leichte Raumdominanz verfügt. (Problem keine eindeutige Realitätsentscheidung möglich, da Themenstellung im Raum sehr gegensätzlich).
 
 

Beispiel 8

Kontrast- und Gitterdarstellung produzieren in Wirklichkeit nicht vorhandene, springende, schwarze Punkt in den weißen Gitterschnittpunkten, (Problem verursacht durch spezifische hochkontrastige Darstellung beim Kantensehen).

Beispiel 9

Hier soll man die Farbe des gelesenen Wortes ansagen, nicht das Wort selber. Die rechte Hirnhälfte erkennt die Farbe, aber das Sprachzentrum  in der linken Hirnhälfte versucht das gelesene Wort zu sagen. ( Problem linke Hirnhälfte arbeitet gegen rechte Hirnhälfte. Ergebnis ist eine Hemmschwelle zum richtigen Ansagen der erkannten Wortfarbe).

Beispiel 10

Die Anordnung dieser räumlichen Darstellung der Kantenführung eines Würfels widerspricht jeglicher Erfahrung und Interpretation von Kantenführungen im Raum (Problem, es gibt keine Akzeptanz als Bildrealität).

Beispiel 11

Bei genauem Hinsehen sollen anhand der Landschaftsformationen vier weitere Wölfe erkannt werden. (Problem der Form- und Gestalterkennung).

Beispiel 12

Was ist die Realität, die obere, oder die untere Bildhälfte? Durch den gleichförmigen Musterübergang von unterer Terasse in oberen Balkon ist eine Entscheidung für das Gesamtbild nicht möglich (Problem der gegensätzlichen Bildinhalte von Form und Farben der unteren zur oberen Bildhälfte).

Eine weitere wichtige Eigenschaft des menschlichen Gehirns und des Sehsinnes ist die Verbindung des Gesehenen mit anderen Wahrnehmungen. So werden z.B. zur Ermittlung der Senkrechten in der Bildebene Informationen aus der Cochlea des Innenohres benötigt und mit dem visuellen Horizont in Einklang gebracht. Aber auch Geräusche, Gerüche und Gefühle werden mit den visuellen Informationen verknüpft, sodaß in den an den visuellen Cortex angrenzenden höheren Cortexregionen (z.B. im Bereich V3 bis V8) real empfundenes bewusstes Erleben stattfinden kann. Besitzt das so Erlebte für den Menschen eine bestimmte, selbsterkannte Wichtigkeit, so werden die damit verbundenen Ereignisse im Gedächtnis abgespeichert.

Trainieren sie ihren Sehsinn mit dem nachfolgenden Puzzle-Spiel:

Hirnvulkan-Puzzle-Spiel starten

 

4.2 Der Hörsinn und die Sprache

Das Gehör ist für den Menschen das zweitwichtigste Sinnesorgan. Es wird ergänzt durch das Sprachorgan (Kehlkopf und Lippen), mit dem der Mensch erst auf das Gehörte reagieren kann, um mittels Sprache mit seiner Umwelt zu kommunizieren. In den nachfolgenden Abbildungen werden Querschnittes des Gesamtohres, des äußeren Ohres, des Mittel- und des Innenohres dargestellt. Die von außen in das Ohr eindringenden Geräusche und Töne (Schallwellen) werden durch den äußeren Gehörgang zum Trommelfell des Mittelohres (ein kleiner mit Luft gefüllter Zwischenraum) geleitet (die nachfolgende Abbildung zeigt einen Querschnitt durch den Gesamtaufbau des Ohres).

Aufbau des Ohres

Der Gehörgang dient dabei auch als Resonanzverstärker für Frequenzen von 2 bis 4 KHz, dadurch wird dieses Spektrum akustisch besonders hervorgehoben. Wenn die Schallwellen  auf das Trommelfell treffen, werden die mit dem Trommelfell in Verbindung stehenden Gehörknochen (Hammer, Ambos, Steigbügel) aktiv. Diese stellen die kleinsten Knochen des Menschen dar, wobei der Hammer als erster Knochen von den Schwingungen des Trommelfells angeregt, diese über den Amboß an den Steigbügel weiterleitet. Von dort aus werden die Schwingungen an das mit Flüssigkeit gefüllte Innenohr über die Membran des sogenannten ovalen Fensters gesendet (siehe nachfolgende Abbildung).

Mittelohr

Der Steigbügel stellt in Verbindung mit der Membran des ovalen Fensters das Übertragungselement zur mit Flüssigkeit gefüllten Cochlea (Gehörschnecke) dar. Die Cochlea besteht dabei aus mehreren Basiselementen. Die Basilarmembran wird als erstes Element von den Schwingungen des Steigbügels angeregt und überträgt diese auf die mit Flüssigkeit gefüllte Cochlea.

Dort werden die in ihr enthaltenen Haarzellen (kleinste, mit mikroskopisch feinen in die Flüssigkeit hineinragenden Haarelementen, Stereozilien, besetzte, zylinderförmige Zellen), die mit dem Hörnerv verbunden sind, durch die in der Flüssigkeit auftretenden Vibrationen erregt. Sie schütten daraufhin entsprechende Neurotransmitter (Botenstoffe) aus, die den Hörnerv reizen und ihn veranlassen, die den akustischen Schwingungen entsprechenden,  elektrischen Signale an das Gehirn weiter zu leiten (siehe nachfolgende Skizze).

Innenohr mit Cochlea

Wie nimmt man nun die Tonhöhe und die Lautstärke eines akustischen Signales oder Geräusches wahr? Wir nehmen zunächst einmal prinzipiell Signale mit hoher Frequenz als hohe und Signale mit niedriger Frequenz als tiefe Töne wahr. Dies geschieht mittels spezieller codierender Neuronen, die sich an unterschiedlichen Stellen in der Cochlea befinden. Die Basilarmembran ist hieran direkt aufgrund ihrer unterschiedlichen Bewegungsform  in Abhängigkeiten von  hohen und tiefen Tönen mit der daraus resultierenden Erregung der Haarzellen beteiligt.

Wobei die mit den Haarzellen verbundenen Neuronen entsprechend der Phasenlage des Schallsignales synchron feuern. Eine Verdopplung der Frequenz entspricht somit auch einer Verdopplung der Neuronenimpulse.  Diese werden dann von den Fasern des Hörnervs adaptiert und an das Hörzentrum des Gehirns geleitet. Hier wird dann das angebotene Signalspektrum entschlüsselt, gedeutet und zu Informationen umgewandelt. Da der Mensch ständig und nicht abschaltbar von Geräuschen umgeben ist, ist das Hörzentrum so ausgelegt, dass es zwischen wichtigen Aufmerksamkeit erfordernden Tönen und Geräuschen und weniger wichtigem unterscheiden kann. Das Ausblenden und Selektieren des empfangenen Hörspektrums ist daher eine für den Menschen lebenswichtige Schutz- und Aufmerksamkeitsfunktion.

Das Gehör des gesunden Menschen empfängt Schall im Bereich von ca. 20 Hz bis 20KHz. Der Dynamikbereich der hörbaren Lautstärke ist beim Menschen außerordentlich groß. Die kleinste wahrnehmbare Schalleistung beträgt dabei gerade 10 hoch -17 Watt.  Wobei das Ohr zur Umsetzung des Schalls in Nervenimpulse etwa 100 milli Sekunden benötigt. Bei Geräuschen die etwa 130 db und mehr darüber liegen, wird die sogenannte Schmerzschwelle erreicht und das menschliche Ohr nimmt auf Dauer Schaden.

Das Richtungshören basiert auf der Wahrnehmung von Laufzeitunterschieden, kombiniert mit Lautstärkedifferenzen des gehörten Schallspektrums zwischen linken und rechtem Ohr. Wobei das Gehirn zur genauen Schallortung spezielle Kopfbewegungen stimuliert.

Auch das Gehör des Menschen unterliegt akustischen Täuschungen. Hören Sie durch Anklicken des nachfolgenden Links eine sogenannte Shepard-Datei (von Roger N. Shepard,1964 erstmalig dargestellt):

Shepard-Tonfolge starten

Bei dieser akustischen Täuschung meint man eine ständig ansteigende Tonleiter zu hören. Es wird jedoch immer wieder die gleiche Tonfolge wiederholt.

Im nachfolgenden Spiel können Sie ihr Audio-Gedächtnis trainieren und testen:

Audio-Remember-Spiel starten

Eine besonders hervorgehobene Position in der Hörfunktion hat das Sprachverständnis, welches als sogenanntes Wernecke-Areal (nach Wernecke, 1874) Nachbarbereich des auf der oberen Windung des Temporallappens gelegenen auditiven Cortex ist. Wobei nach neuerem Forschungsstand weitere Hirnbereiche wie z.B. für syntaktische und semantische Information, satzsemantische Verarbeitung, wortsemantische Information sowie Teile des Arbeitsgedächtnisses beteiligt sind. Weiterhin ist es mittlerweile gelungen eine räumliche Karte der Zuordnung von Hörfrequenzen im primären Hörfeld des auditiven Cortex aufzustellen. Es hat sich herausgestellt, das bei Rechts- und Linkshändern überwiegend die linke Hirnhälfte bei den Funktionen des Sprachverständnisses involviert ist.

Das Sprachorgan ist für den Menschen das wichtigste Kommunikationsmittel. Für die Bildung von Sprache ist im Gehirn des Menschen das sogenannte Broca-Areal (nach Broca, 1861) in der unteren Stirnhirnwindung gelegen, wesentlich, wenn auch nicht allein beteiligt. Hierbei wird ausgehend von den diesbezüglichen Hirnbereichen ein Luftstrom gesteuert erzeugt, der die Ritze zwischen den Stimmbändern des Kehlkopfes durchströmt und zum Schwingen bringt. Die nachfolgende Abbildung zeigt den Aufbau des menschlichen Kehlkopfes.

Kehlkopf (von hinten) und Stimmritze

Diese Schwingungen der Stimmbänder ergeben einen Basiston, der in den Hohlräumen von Nase und Mund verstärkt wird. Wobei die Lautstärke durch die Luftmenge selbst bestimmt wird, die pro Zeiteinheit den Kehlkopf durchströmt. Der Frequenzbereich des Basistons variiert von Mensch zu Mensch (Männer tiefer, Frauen und Kinder höher) innerhalb eines Bereiches von ca. 125 bis 250 Hz.

Durch den Einsatz von Zunge und Lippen werden die unterschiedlichen Laute, wie z.B. Vokale und Konsonanten geformt. Die Vokale (a,e, i, o etc.) fußen dabei auf dem Basiston und sind lauter als die stimmhaften Konsonanten (b,d, m,n, etc.), deren Frequenz höher liegt. Für einem einwandfreies Sprachverständnis hat sich dabei ein  Frequenzbereich von ca. 100 bis 8000 Hz als notwendig erwiesen.

 

4.3. Der Geruchssinn

Das Geruchsorgan des Menschen ist mit dem Geschmacksorgan so vernetzt, daß sich beide gegenseitig beeinflussen können. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß ca. alle 60 Tage eine Erneuerung der Geruchszellen an ihrem jeweiligen Ort stattfindet. Es handelt sich beim Riechvorgang um einen außerordentlich komplexen chemisch neuralen Vorgang.

Aus der an der oberhalb der oben befindlichen Nasenmuschel sitzenden Riechschleimhaut vorbeistreichenden Luft scheiden sich Geruchsmoleküle an Rezeptormolekülen ab. Dieser Bereich ist beim Menschen etwa pro Nasenhälfte 5 cm2 groß. und ist Sitz der Riechzellen. Die auf die einzelnen Duftstoffe ansprechenden Rezeptoren (es gibt davon 347 verschiedene Rezeptortypen)  bilden ihrerseits mittels sogenannter Riechköpfchen eine Matrixstruktur an der Oberfläche der Riechschleimhaut aus.

Dabei werden bei der Vereinigung von Duftmolekül und Rezeptor Kaskaden in den Rezeptorzellen ausgelöst, die als neuronale Signale über die Axone des Riechnerven durch die Löcher des Siebbeins an den vorgestülpten Riechkolben des Großhirns  weitergeleitet werden. Eine weitere Verbindung besteht auch noch zwischen Riechkolben und Hypothalamus, der bekanntlich Nahrungsaufnahme und Sexualverhalten beeinflusst. Die nachfolgende Abbildung zeigt den Gesamtaufbau des Geruchsorganes.

Aufbau der Nase

Das Gehirn entscheidet darüber, ob und welche Gerüche im Gedächtnis dauerhaft abgespeichert werden und anschließend zur Geruchsidentifikation in der primären Riechrinde verarbeitet werden. Dabei ist der Geruchssinn stark mit der individuellen Gefühlswelt und dem Erinnerungsvermögen gekoppelt.

Hier erfolgt denn auch die Verknüpfung mit eventuell vorhandenen Geschmacksinformationen. Maximal können gut trainierte Menschen etwa 10.000 Gerüche unterscheiden, wobei individuelle Erfahrung und Erinnerungsvermögen eine große Rolle spielen. Offenbar werden dabei Düfte im visuellen Bereich des Gehirns mitverankert, da sonst keine weitere räumliche Zuordnung  von Gerüchen besteht.
   

4.4 Der Geschmackssinn

Die Zunge als Sitz des Geschmacksinnes verfügt über in Quer- und Längsrichtung bewegliche Muskelfasern. Sie ist über ein Zungenbein mit dem Unterkiefer und den Wänden des Rachens verbunden. An der Unterseite der Zunge besteht über das Zungenbändchen eine Verbindung zum Boden der Mundhöhle. Die nachfolgende Skizze zeigt den prinzipiellen Aufbau der Zunge.

Aufbau der Zunge

Die Zunge dient gleichzeitig bei der Nahrungsaufnahme als Kau- und Zerkleinerungs- sowie Schluckhilfe. Hierbei stuft sie die Geschmacksinformation aus der Nahrung als süß, salzig, sauer oder bitter ein. Als Grundlage dienen hierzu vier Typen von Papillen mit ca. 9000 Geschmacksknospen. Sie sind auf der Zungenoberfläche  verteilt angeordnet. Die einzelnen Papillenarten sind:

- Sieben bis zwölf Wallpapillen, die im hinteren Teil der Zunge angeordnet sind.

- Die Blätterpapillen, die in zwei Reihen seitlich der Zunge vor den Wallpapillen angebracht sind.

- Die Pilzpapillen, die am Zungenrand und auf der Zungenspitze zu finden sind.

- Die Fadenpapillen stellen, angeordnet über den gesamten Zungenrücken, den sensiblen Tastsinn der Zunge dar.

Die Papillen enthalten ihrerseits Geschmacksknospen mit ca. 30 - 80 Rezeptorzellen, die über entsprechende Poren Kontakt zur Zungenoberfläche haben. die Geschmacksrichtungen sind unterschiedlich  auf der Zungenoberfläche verteilt. Siehe auch die nachfolgende Abbildung.
 
 

 

Ausgehend von der Zungenspitze wird dort die Geschmacksrichtung süß ermittelt. Salzig und sauer wird von den seitlichen Zungenrändern festgestellt, währen bitter vom hinteren Zungenteil in einer 10.000 mal größeren Sensitivität als süß erfasst wird. Da viele giftige Substanzen bitter schmecken, ist die hohe Sensitivität für diese Geschmacksrichtung auch als Schutzfunktion gedacht. Leider schrumpfen die Geschmacksknospen im höheren Alter, so verliert der ältere Mensch nach und nach seine Geschmackssensitivität.

Die in den Geschmacksknospen der Papillen enthaltenen Rezeptorzellen setzen die erkannte Geschmacksrichtung in elektrische Nervenimpulse um. Diese werden über sensorische Nervenfasern der Zunge mittels des 7. und 9. Hirnnerven zum Gehirn geleitet und dort ausgewertet und gespeichert.
 
 

4.5  Der Gleichgewichtssinn

Der Gleichgewichtssinn (Vestibularapparat) dient der Orientierung des Menschen im umgebenden Raum.  Er besteht aus 3 Bogengängen und zwei Macularorganen. Damit kann sich der Mensch direkt bewusst und unbewusst im Raum bewegen. Folgende Funktionen sind damit möglich:

- Richtungsabhängiges Bewegen

- Stehen, Liegen, Bewegung (inkl. Drehung)

- Aufrechte Kopfhaltung

- Einhaltung von Ruhelagen

Das Gleichgewichtsorgan ist Bestandteil des Innenohres und ist  im dortigen Labyrinth zu finden. Dabei liegen die aus zwei ca. 1mm Durchmesser großen  Sinnesfeldern bestehenden Macularorgane im Zentrum.  Siehe die  nachfolgende Abbildung.

Anordnung der Marcularorgane und der Bogengangsorgane

Die Macularorgane Utriculus und Sacculus besitzen mikrofeine Sinneshaarzellen, die von einer Gallertmasse umhüllt sind. Auf ihr sind kleinste Calciumkarbonatkristalle abgelagert, sie sind von einer weniger dichten Flüssigkeit umgeben. Entsteht nun eine Translationsbewegung hinken die dichteren und somit schwereren Calciumkarbonatkristalle gegenüber der Bewegung nach, was sofort durch Beugung der Sinneshaarzellen eine Reizung der Sinneshaarzellen bewirkt. Hierdurch signalisieren die mit den Sinneshaarzellen verbundenen Neuronen dem Gehirn eine Positionsänderung. Somit wird das Gehirn über jede Schädelpositionsänderung im Raum informiert.

Für die Messung rotatorischer Bewegungen sind die drei Bogengangsorgane zuständig. Sie sind, um die Bewegung um die 3 Achsen zu bestimmen, senkrecht in 3 Ebenen zueinander angeordnet. Ihre innere Funktionsweise ist ähnlich der der Macularorgane mit dem Unterschied, dass bei einer im Raum auftretenden Drehung entsprechende Signale an das Hirn gegeben werden. Sie sind ebenfalls mit Endolymphe gefüllt und besitzen eine fahnenartige Cupula verbunden mit einer Art Kamm auf der die Sinneszellen angeordnet sind. Bei Drehbewegungen kann sich diese Cupula verbiegen, was zur Reizung der Haarsinneszellen führt, die daraufhin der Drehbewegung entsprechende Nervenimpulse aussenden.

Alle vom Vestibularapparat abgegebenen Signale führen über den 8.Hirnnerv in den Bereich der Vestibulariskerne des Stammhirns. Da diese Informationen noch nicht ausreichend zur endgültigen Lagebestimmung des Körpers im Raum sind, werden zusätzlich Informationen über Augen und Kopf und Körperstellung benötigt. Hierzu sind spezielle Ausgänge des zentralen vestibulären Systems zu den Motoneuronen des Halsmarks, der Arm- und Beinmuskulatur sowie zu den Augenmuskeln, dem Hypothalamus und dem Thalamus geschaltet.

Wie die komplexe Verschaltung des Gleichgewichtssinnes aussieht ist der nachfolgenden Skizze zu entnehmen:

Verschaltung des Gleichgewichtssinnes

 

4.6  Der Tastsinn (inkl.Temperaturempfindung)

Das oberflächenmäßig größte Organ des Menschen ist seine Haut. Sie stellt die exakte Körpergrenze zu seiner Umgebung dar und ist an den Stoffwechselfunktionen des Körpers beteiligt (z.B. Wasserhaushalt). Gleichzeitig dient sie uns als Aufnahmeorgan um Berührung, Temperatur, Druck sowie Vibrationen wahr zunehmen. Je nach Körpergröße bedeckt sie eine Fläche von 1,5 - 2,0 qm und hat ein Eigengewicht von bis zu 3 kg. Die nachfolgende Abbildung zeigt einen Querschnitt durch die Hautschichten des Menschen mit ihren Rezeptoren.

Tastsinn in der Haut

Berührung und Druck werden von zwei Rezeptortypen verarbeitet. Die sogenannten vater-pacinischen Körperchen sind für Berührung im großflächigen Sinne zuständig, während die merkelschen Scheiben auf örtlich exakt bestimmbare Berührung reagieren. Durch die gemeinsame Ergebnisanalyse können
Dauer, Ort und Stärke der jeweiligen Berührung genau ermittelt werden. Wie die nachfolgende Abbildung, ein so genannter Homunculus, veranschaulicht, haben das Gesicht und die Hände einen sehr ausgeprägten Tasts- und Berührungsinn, während der übrige Körper weniger  empfindlich ist. Die erfassten sensorischen Signale werden über das Zentralnervensystem an das Gehirn (zum somatosensorischen Cortex)  zur Weiterverarbeitung geleitet. Aufgrund seiner Eigenschaften, kann der Tastsinn Größe, Gewicht, Form und Oberfläche (hart, weich, rauh, glatt, nass, und trocken) eines ertasteten Gegenstandes bestimmen.

 

Abbildung der sensitiven Empfindlichkeit des  Menschen

Die Wärmerezeptoren der Haut, sogenannte ruffinische Endbüschel und die entsprechenden Kälterezeptoren, sogenannte Krausesche Endkolben ermitteln die Temperatur an der Hautoberfläche. Auch Ihre Signale werden über das Zentralnervensystem an das Gehirn übermittelt und dienen der Regulation  der Körperwärme durch Umverteilung der Durchblutung und/ oder Öffnung der Schweißdrüsen zur Regulierung der Körpertemperatur.