Aufgaben: Rezeptoren und Effektoren

Ordne die Sinnesrezeptoren nach der Art des Reizes, den sie wahrnehmen (Fotorezeptoren, Mechanorezeptoren, Chemorezeptoren, Thermorezeptoren und Nozizeptoren), und nenne für jeden ein Beispiel aus dem Körper.

Unterscheide Exterorezeptoren, Interorezeptoren und Propriorezeptoren und gib an, wo sie liegen und welche Information jeder Typ liefert.

Nenne die drei Typen von Effektororganen der Reiz-Reaktions-Funktion und gib für jeden ein Beispiel für eine koordinierte Reaktion an.

Nenne die fünf „klassischen“ Sinne und ergänze mindestens zwei weniger bekannte innere Sinne (Gleichgewicht, Propriozeption, Hunger, Durst, viszeraler Schmerz) und gib an, welche Information jeder liefert.

Erkläre den Weg des Lichts im Auge (Hornhaut, Pupille, Linse, Glaskörper, Netzhaut) und die Funktion jedes Elements. Gib an, wo das Bild entsteht und wo es in ein Nervensignal umgewandelt wird.

Unterscheide Stäbchen und Zapfen der Netzhaut: was jeder Typ wahrnimmt (schwaches Licht gegenüber Farbe und Detail), wo er häufig ist (Peripherie gegenüber Fovea) und warum wir nachts schwarz-weiß sehen.

Beschreibe den Weg des Schalls durch das Ohr (Ohrmuschel, Gehörgang, Trommelfell, Gehörknöchelchen, Hörschnecke) und erkläre, in welcher Struktur die Schwingungen in Nervenimpulse umgewandelt werden.

Unterscheide Geschmackssinn und Geruchssinn und erkläre, warum das Essen bei einer starken Erkältung „nach nichts schmeckt“. Beziehe dich dabei auf das retronasale Riechen und auf den Begriff des Aromas als Kombination beider Sinne.

Die Haut enthält mehrere Typen von Rezeptoren (Tastsinn, Druck, Temperatur und Schmerz). Erkläre, welchen Vorteil diese sensorische Integration bietet, und beschreibe, was geschieht, wenn du gleichzeitig etwas Kaltes, Raues und Spitzes berührst.

Vergleiche das Facettenauge eines Insekts mit dem Auge eines Wirbeltiers: den Grundaufbau jedes Auges, die Art des Bildes, das es erzeugt, und den Vorteil, den jede Bauweise dem jeweiligen Tier bietet.

Bei einem plötzlichen Geräusch weiten sich die Pupillen und das Herz schlägt schneller, wie das Schema zusammenfasst. Gib an, welches Element der Kette (Rezeptor, Nervenzentrum oder Effektor) jedes nummerierte Kästchen (1 bis 4) darstellt und welcher Teil des Nervensystems (willkürlich oder autonom) jeden Schritt steuert.

Erkläre, an welcher Stelle das Bild im kurzsichtigen und im weitsichtigen Auge scharf gestellt wird (vor oder hinter der Netzhaut), welcher Linsentyp (Zerstreuungs- oder Sammellinse) jeden Fehler korrigiert und welche Faktoren mit der Zunahme der Kurzsichtigkeit bei Jugendlichen zusammenhängen (Naharbeit, wenige Stunden im Freien).

Das Innenohr ist auch das Gleichgewichtsorgan. Erkläre, was die Bogengänge und der Utriculus wahrnehmen (Drehungen und Beschleunigungen, Kopfposition) und warum die Seekrankheit auf einem Schiff ein Konflikt zwischen dem ist, was die Augen melden, und dem, was das Innenohr meldet (Kinetose).

Nozizeptoren warnen uns vor Schäden. Erkläre die Schutzfunktion des Schmerzes und begründe, warum Menschen mit angeborener Schmerzunempfindlichkeit Verbrennungen, Knochenbrüche und Infektionen erleiden, die sie nicht rechtzeitig bemerken.

Die Fingerspitzen unterscheiden zwei Stiche, die einen Millimeter voneinander entfernt sind; der Rücken nur, wenn sie mehrere Zentimeter auseinanderliegen. Erkläre den Zwei-Punkt-Diskriminationstest, wovon er abhängt (Rezeptordichte und kortikales Areal) und was er über die Empfindlichkeit der jeweiligen Körperregion aussagt.

Was ist der sensorische Homunkulus? Erkläre, wie der Körper in der somatosensorischen Rinde repräsentiert wird, warum Lippen und Hände viel mehr Fläche einnehmen als der Rücken oder die Oberschenkel und was das über die Bedeutung der jeweiligen Region für den Tastsinn aussagt.

Ein Forschungsteam registriert die elektrische Aktivität zweier verschiedener sensorischer Neuronen bei einem kontinuierlichen mechanischen Reiz konstanter Intensität, der 10 Sekunden lang angewendet wird:

• Bei Neuron A fällt die Frequenz der Aktionspotenziale nach 0,8 Sekunden schnell auf null ab, obwohl der Reiz weiterhin aktiv ist.

• Bei Neuron B nimmt die Frequenz der Aktionspotenziale zu Beginn leicht ab, bleibt aber während der gesamten 10 Sekunden hoch und konstant.

1. a) Leiten Sie begründet her, welche dieser Registrierungen zu einem schnell adaptierenden (phasischen) und welche zu einem langsam adaptierenden (tonischen) Rezeptor gehört. Ordnen Sie jedes Verhalten einem funktionalen Beispiel aus dem menschlichen Körper zu: der Wahrnehmung der Berührung der Kleidung auf der Haut gegenüber der Wahrnehmung des Schmerzes bei einer andauernden Verbrennung (Nozizeption).
2. b) Begründen Sie aus evolutionärer Sicht und im Hinblick auf das Überleben, warum es für ein Tier nachteilig oder tödlich wäre, wenn Nozizeptoren bei einem konstanten schädlichen Reiz dasselbe sensorische Adaptationsmuster zeigen würden wie Geruchs- oder Tastrezeptoren.

In einer Arztpraxis wird das Gleichgewicht zweier Patienten mit dem Romberg-Test geprüft (aufrecht stehen mit geschlossenen Füßen und am Rumpf anliegenden Armen, zuerst mit offenen und anschließend mit geschlossenen Augen):

• Patient 1 steht mit offenen Augen stabil, verliert aber sofort das Gleichgewicht und schwankt mit Sturzgefahr, sobald er die Augen schließt.

• Patient 2 zeigt sowohl mit offenen als auch mit geschlossenen Augen Unsicherheit und einen schwankenden Gang, ohne nennenswerte Besserung durch das Sehen.

1. a) Einer der Patienten leidet an einer Degeneration der propriozeptiven Bahnen der Hinterstränge des Rückenmarks, der andere an einer Atrophie des Kleinhirns. Leiten Sie begründet aus der multisensorischen Integration des Gleichgewichts her, welche Diagnose zu welchem Patienten gehört.
2. b) Eine gesunde Person kann auf einem fahrenden Fahrrad mit geschlossenen Augen einige Sekunden lang das Gleichgewicht halten, scheitert aber, wenn sie es bei vollständig stehendem Fahrrad ohne Abstützen der Füße versucht. Erklären Sie, welche dynamischen sensorischen Informationen die Bogengänge des Innenohrs und die Tretbewegung im Gegensatz zum rein statischen Gleichgewicht liefern.

In einem neurophysiologischen Labor wird die Wirkung zweier Toxine untersucht:

• Toxin X blockiert spezifisch die nikotinischen Acetylcholinrezeptoren an der motorischen Endplatte des Skelettmuskels, ohne die muskarinischen Rezeptoren zu verändern.

• Toxin Y wirkt als potenter kompetitiver Antagonist der muskarinischen Acetylcholinrezeptoren in den Eingeweiden und Drüsen.

1. a) Sagen Sie begründet die unmittelbaren Wirkungen voraus, die eine Vergiftung mit Toxin X auf die Lungenbelüftung (Zwerchfell), die Darmperistaltik und den Pupillendurchmesser hat.
2. b) Ein Schüler behauptet: „Da das somatische System die willkürlichen Handlungen und das autonome System die unwillkürlichen steuert, beeinflusst Toxin X keinen einzigen spinalen Reflex, während Toxin Y alle automatischen Bewegungen des Körpers lähmt.“ Widerlegen Sie seine Behauptung, indem Sie analysieren, was mit dem Patellarsehnenreflex unter der Wirkung von Toxin X und mit dem Herzrhythmus unter Toxin Y geschieht.
3. c) Welche der beiden Vergiftungen erfordert dringend eine Intubation mit maschineller Beatmung, um den Tod durch Ersticken zu verhindern? Begründen Sie Ihre Antwort anhand der motorischen Innervation des Zwerchfells.

Ein Patient, dessen linker Arm oberhalb des Ellenbogens amputiert wurde, hat eine auffällige Sinneserfahrung: Wenn man mit geschlossenen Augen mit einem Wattestäbchen seine linke Wange berührt, gibt er an, deutlich Berührungen an Daumen und Zeigefinger seiner amputierten linken Hand zu spüren. Außerdem leidet er unter starken Schmerzen, weil er seine Phantomhand als starre, verkrampfte Faust empfindet, deren Fingernägel sich in die Handfläche bohren.

1. a) Erklären Sie anhand der Verteilung des somatosensorischen Homunkulus von Penfield in der parietalen Rinde, warum die taktile Reizung des Gesichts Empfindungen in den Fingern der fehlenden Hand auslöst. Welches Phänomen der Neuroplastizität und kortikalen Reorganisation liegt diesem Befund zugrunde?
2. b) Das Gehirn des Patienten sendet weiterhin motorische Befehle an die Hand, um die Faust zu öffnen, erhält aber keine propriozeptiven Rückmeldungen, was eine anhaltende Schmerzschleife erzeugt. Entwerfen Sie ein Vorgehen für eine Spiegeltherapie (Spiegelbox nach Ramachandran) und sagen Sie voraus, welches visuelle Signal der Patient erzeugen muss, um seine sensomotorische Rinde zu täuschen und den Phantomkrampf zu lindern.

Die normale trichromatische menschliche Netzhaut besitzt drei Zapfentypen, deren Fotopigmente (Opsine) Absorptionsmaxima bei unterschiedlichen Wellenlängen haben: S (blau, ~420 nm), M (grün, ~530 nm) und L (rot, ~560 nm). Die Gene, die die Opsine M und L codieren, liegen hintereinander (in Tandemanordnung) auf dem X-Chromosom.

1. a) Eine Person mit Deuteranopie hat überhaupt kein funktionsfähiges M-Opsin. Wenn ihr zwei Lichtbündel gleicher Strahldichte projiziert werden, eines mit 540 nm und eines mit 565 nm, leiten Sie her und begründen Sie, ob ihre Sehrinde beide Reize durch den Vergleich der Signale zwischen den Zapfen als unterschiedliche Farben unterscheiden kann oder ob sie sie als nicht unterscheidbare Farbtöne wahrnimmt.
2. b) In einer Population im genetischen Gleichgewicht beträgt die Prävalenz der X-chromosomal gekoppelten Farbenblindheit bei Männern 6,0 % (0,06). Berechnen Sie begründet die erwartete Allelfrequenz, den Prozentsatz farbenblinder Frauen und den Prozentsatz der Konduktorinnen mit phänotypisch normalem Sehen.
3. c) Eine Frau mit normalem Sehen, deren Vater farbenblind ist, hat Nachkommen mit einem Mann mit normalem Sehen. Begründen Sie die Wahrscheinlichkeit, dass ihre Söhne und Töchter farbenblind sind. Warum können Konduktorinnen aufgrund der zufälligen Inaktivierung des X-Chromosoms (Lyonisierung) in der Netzhaut ein zelluläres Mosaik aufweisen, ohne eine klinisch manifeste Farbenblindheit zu zeigen?

In einer HNO-Abteilung werden zwei Fälle tiefgreifender beidseitiger sensorineuraler Schwerhörigkeit behandelt:

• Patient A: 19-jähriger Jugendlicher, bei dem eine medikamentenbedingte Ototoxizität die irreversible Zerstörung der Haarzellen des Corti-Organs verursachte, der aber die Neuronen des Spiralganglions und den Hör- und Gleichgewichtsnerv (VIII. Hirnnerv) intakt bewahrt hat.

• Patient B: 50-jähriger Erwachsener mit fortgeschrittener beidseitiger Kompression des Hör- und Gleichgewichtsnervs durch Akustikusneurinome, die die axonale Leitung unterbrochen haben.

1. a) Begründen Sie, warum ein Cochlea-Implantat für Patient A eine wirksame therapeutische Alternative ist, für Patient B aber völlig wirkungslos bleibt. Beschreiben Sie den Weg, den der elektrische Impuls im durchführbaren Fall von der Elektrode des Implantats bis zur primären Hörrinde nimmt.
2. b) Die Basilarmembran zeigt Tonotopie: Ihre Basis ist steif und schmal (sie schwingt bei hohen Frequenzen oder hohen Tönen mit), während die Spitze oder der Apex schlaff und breit ist (sie schwingt bei tiefen Frequenzen oder tiefen Tönen mit). Erklären Sie, wie das medizinische Team die räumliche Aktivierung der Elektroden entlang der Cochlea programmieren muss, damit Patient A eine hohe Stimme (4000 Hz) vom tiefen Klang einer Basstrommel (150 Hz) unterscheiden kann.

Bei der Schachbrett-Illusion von Adelson wirft ein undurchsichtiger Zylinder einen Schatten auf schachbrettartig angeordnete Felder. Das Feld A (in einem beleuchteten Bereich gelegen und als dunkelgraues Feld wahrgenommen) und das Feld B (im Schatten gelegen und als weißes Feld wahrgenommen) reflektieren exakt dieselbe physikalische Bestrahlungsstärke in die Augen (dieselbe Anzahl von Photonen pro Quadratmillimeter reizt die Fotorezeptoren der Netzhaut).

1. a) Wenn man die Szene mit einem undurchsichtigen Karton mit zwei kleinen Löchern bedeckt, die ausschließlich die Felder A und B von ihrem Kontext und vom Schatten isolieren, sagen Sie voraus, was die beobachtende Person wahrnimmt. Begründen Sie anhand dieses Ergebnisses den formalen Unterschied zwischen Empfindung und visueller Wahrnehmung.
2. b) Wenn beide Felder ein identisches sensorisches Signal senden, warum besteht die Sehrinde darauf, das Feld B bei Betrachtung des gesamten Bildes viel heller zu „sehen“ als das Feld A? Erklären Sie das Konzept der Farb-/Helligkeitskonstanz und begründen Sie, welchen Anpassungsvorteil sie für Primaten gegenüber der Alternative hatte, nur die absolute physikalische Photometrie ihrer Umgebung zu erfassen.

Ein verhaltensbiologisches Team untersucht die sensorischen Mechanismen zweier Räuber mithilfe von Versuchsaufbauten:

• Experiment 1: Ein Hai schwimmt in einem Becken mit Sand. Er greift präzise einen lebenden Plattfisch an, der im Boden vergraben ist. Wird der Fisch durch Stücke frischen Fleisches ersetzt, die in für Wasser und Elektrizität undurchlässige Isolierfolie eingewickelt sind, schwimmt der Hai vorbei. Wird jedoch unter dem Sand ein elektrischer Dipol vergraben, der einen kontinuierlichen Mikrostrom von 5 nV/cm abgibt (ähnlich der neuromuskulären Aktivität der Kiemen der Beute), ohne jede chemische Nahrungsspur, stürzt sich der Hai darauf, in die Elektroden zu beißen.

• Experiment 2: Insektenfressende Fledermäuse werden beim Fang von Faltern in der Dunkelheit aufgezeichnet. Bei Faltern der Familie Erebidae wird beobachtet, dass diese Serien von Ultraschallklicks aussenden, wenn sie feststellen, dass die Fledermaus ihre Ortungsrufe beschleunigt; daraufhin sinkt die Fangquote der Fledermaus um 80 %.

1. a) Leiten Sie aus Experiment 1 her, welcher Sinnesrezeptor den finalen Angriff des Hais lenkt (Lorenzini-Ampullen gegenüber olfaktorischen Chemorezeptoren), und begründen Sie, warum die Kunststoffbarriere die Wahrnehmung trotz des Fleischgeruchs verhinderte.
2. b) Formulieren Sie aus Experiment 2 eine neurophysiologische Hypothese, wie die vom Falter ausgesandten Ultraschallsignale das Echoortungssystem der Fledermaus stören, und interpretieren Sie diese Wechselwirkung als Fall sensorischer Koevolution zwischen Räuber und Beute.
3. c) Nutzen Sie beide Beispiele, um das Konzept der „Umwelt“ im Sinne von Jakob von Uexküll zu erörtern, und begründen Sie, warum es meist wirkungslos ist, eine Schädlingsfalle ausschließlich auf der Grundlage der menschlichen Sinnesfähigkeiten zu entwerfen.

Herausforderung zum Thema. Wie reagiert Ihr Körper auf Alarm oder Anstrengung? Entwerfen Sie eine Untersuchung für zu Hause zur Reaktionszeit und zur neuroendokrinen Integration.

1. Datenerhebung: Führen Sie mit Hilfe einer Person aus Ihrem Haushalt den Lineal-Fangtest in Ruhe und nach $1\text{ min}$ intensiver körperlicher Belastung (z. B. Hampelmänner oder Kniebeugen) durch. Messen Sie die Fallstrecke ($d$, in Metern) pro Bedingung fünfmal und berechnen Sie die mittlere Reaktionszeit mithilfe der Formel $t = \sqrt{2d/g}$ (mit $g = 9,8\text{ m/s}^2$). Notieren Sie außerdem Ihren Ruhepuls und Ihren Puls bei Belastung.

2. Auswertung: Entwerfen Sie eine Tabelle mit den ermittelten Mittelwerten und erstellen Sie ein Balkendiagramm, das die Reaktionszeit und die Herzfrequenz in beiden Situationen vergleicht.

3. Physiologischer Bericht: Verfassen Sie einen kurzen Bericht, in dem Sie die Ergebnisse begründen: Bestimmen Sie die aktivierten Sinnesrezeptoren, beschreiben Sie die afferenten Nervenbahnen und die beteiligten Muskeleffektoren und erklären Sie die hormonelle Modulation der Herzreaktion und der Alarmbereitschaft durch Adrenalin.

Bewertet werden:

• Sorgfalt bei der Gewinnung der empirischen Daten und korrekte mathematische Berechnung mit Dezimalkomma.

• Übersichtliche, geordnete und korrekt beschriftete grafische Darstellung.

• Präzise fachliche Verknüpfung von Rezeptoren, Effektoren und der Koordination zwischen Nerven- und Hormonsystem.