Gunnar Lindenblatt. Stromdichten in Rezeptoren-Bereichen bei Sinneswahrnehmungen in niederfrequenten elektromagnetischen Feldern

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1 Gunnar Lindenblatt Stromdichten in Rezeptoren-Bereichen bei Sinneswahrnehmungen in niederfrequenten elektromagnetischen Feldern

2 Stromdichten in Rezeptoren-Bereichen bei Sinneswahrnehmungen in niederfrequenten elektromagnetischen Feldern Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Rheinisch-Westfälischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Physiker Mark Gunnar Lindenblatt aus Neuss am Rhein Berichter: Prof. Dr.-Ing. Jiri Silny Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hans-Jürgen Haubrich Tag der mündlichen Prüfung: 3. Februar 2004 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.

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4 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Vorgehen... 9 I Grundlagen 11 2 Anatomie und Physiologie als Grundlage der Simulation DieHand,derFingerunddieHaut AnatomiedesFingersundderHand AnatomiederHaut PhysiologieundRezeptorenderHaut Elektrophysiologische Vorgänge bei der Reizwahrnehmung und der EinsetzpunktderinadäquatenReizung DasAugeundseinePeripherie OptischerApparatdesAuges AufbauderRetina Augapfel (Bulbus oculi) und Augenhöhle (Orbita) Molekulare Physiologie und Elektrophysiologie des Sehvorganges und mögliche Einsetzpunkte der inadäquaten Reizung Reizentstehung, -verarbeitung und -wahrnehmung Wahrnehmungskette KlassischeSchwellenwert-Theorie DieMethodederkonstantenReize FolgerungenausderSchwellenwert-Theorie EinwändegegendasSchwellenwert-Konzept Signalerkennungstheorie Unterschiede und Gemeinsamkeiten von (klassischer) Schwelle und Entscheidungskriterium Zusammenhang zwischen den Signal-/Signal-Untergrund-WahrscheinlichkeitsdichteverteilungenundderReceiver-Operating-Characteristic-Kurve Die grundlegenden psychophysischen Methoden der Signalerkennungstheorie Ja-Nein-Methode MethodedererzwungenenWahl Kon denz-intervall-methode Beschreibung der Finite-Elemente-Methode als hier verwendete Methode zur Berechnung der körperinternen Feldverteilung WarumFEM? GrundideederFinite-Elemente-Methode FormulierungdesProblems UnterteilunginFiniteElemente

5 2 4.5 InterpolationzumErhalteinerLösung LösenderKnotenwerte MathematischeFormulierung II Für beide Sinneskanäle gemeinsam genutzte Verfahren 43 5 Entwicklung einer zeitsparenden Methode zur klassischen Schwellenbestimmung (Intervallmaximierungsmethode) MeßstrategiederIntervallmaximierungsmethode Umsetzung der Intervallmaximierungsmethode als PC-Programm zur Nutzung im Doppelblind-Versuch Export der geometrischen Daten für die numerische Berechnung 49 III Kinästhetischer Kanal 51 7 Geometrische Modellierung und Simulation der Haut ModelldertrockenenHautundVariationsmodelle ModellderfeuchtenHautundBerücksichtigungderHautanhangsgebilde Körperinterne Stromdichteverteilung an der Wahrnehmbarkeitsgrenze der Elektrocutansensation EingrenzungdesWirkungsortes worst-case-szenarioderstromdichteverteilungbeitrockenerhaut Stromdichteverteilung bei feuchter Haut unter Berücksichtigung der Hautanhangsgebilde 62 9 Experimentelle Untersuchungen zur Erregbarkeit der Elektrocutansensation AufbaudesProbandenversuchs AllgemeinerAblauf AblauffürEinregel-Versuche Klassisch bestimmte Stromschwellen für Elektrocutansensationen bei trockener Haut durcheinregeln BestimmungeinerAdaptationaufdieinadäquateReizung AbhängigkeitvonderStärkeundderDauerdesvorhergehendenSignals AbhängigkeitvonderPausenzeit Ein uß der Adaptation auf die Wahrnehmungsschwelle von Elektrocutansensationen Bestimmung der Stromschwelle gemäß klassischer Schwellenwert-Theorie mittels der Intervallmaximierungsmethode Ergebnisse für die Stromschwelle und Diskussion der Anwendbarkeit der klassischen Theorie Bestimmung der Stromstärke am Stimulus limen gemäß Signalerkennungstheorie Wahrnehmbarkeit für Elektrocutansensationen bei trockener Haut gemäß Signalerkennungstheorie Bestimmung der Wahrnehmbarkeit für Elektrocutansensationen bei feuchter Haut gemäßsignalerkennungstheorie AbhängigkeitderWahrnehmbarkeitvonderHautfeuchtigkeit... 93

6 3 IV Visueller Kanal Eingrenzung des Wirkungsortes der Elektrophosphene und Magnetophosphene durch pathologische E ekte (Teil I) KritikanderEingrenzungdesWirkungsortesdurchpathologischeE ekte Geometrische Modellierung des Auges einschließlich seiner Peripherie und numerische Berechnung der Stromdichteverteilung an der Wahrnehmbarkeitsgrenze von Elektro- und Magnetophosphenen Leitfähigkeitsmessungen am Rinderaugenmodell als Voraussetzung für die numerische Simulation Probenmaterial ExperimentellerAufbau Vorgehen KalibrierungundBerechnungderLeitfähigkeit DieLeitfähigkeitenderAugengewebe Kopfmodell Orbitamodell Augenmodell DieStromdichteschwellefürElektrophosphene Folgerungen über den Ein uß der Berücksichtigung von Feinstrukturen im Modell auf dieberechneteschwelle DieStromdichteschwellefürMagnetophosphene Experimentelle Betrachtung der Elektrophosphene AllgemeineVersuchsanordnung Bestimmung der Stromschwelle Schläfe-Schläfe durch Intervallmaximierungsmethode ReproduzierbarkeitderStromschwellevonElektrophosphenen Bestimmung der Stromschwelle in Abhängigkeit von der Helligkeitsadaptation Ein ußderlichtadaptationaufdiestromschwellevonelektrophosphenen Wirkungsmechanismusund-ortderElektrophosphene(TeilII) BestimmungderPhosphenschwelleinAbhängigkeitvonderElektrodenlage AbhängigkeitderStromschwellevonderElektrodenlage V Zusammenfassung Zusammenfassung und abschließende Diskussion Ausblick VI Anhang Beschreibung der frequenzabhängigen Leitfähigkeiten biologischer Gewebe durch die Cole-Cole-Relaxationsfunktion 153 Literatur 155 Liste der verwendeten Geräte 163

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8 Tafel der verwendeten Symbole Symbol Größe Einheit c Lichtgeschwindigkeit 2: ms 1 e Elementarladung 1: C h Planck-Konstante 6: J s k B Boltzmann-Konstante 1: JK 1 N A Avogadro-Zahl 6: (mol g) 1 ¹ 0 magn. Permeabilität des Vakuums 4¼ 10 7 H = m " 0 diel. Permitivität des Vakuums 8: F m 1 ¹ r magnetische Permeabilitätszahl 1! Kreisfrequenz s 1 tan(±) Verlustfaktor 1 " r rel. dielektr. Permittivität 1 % spezi scher Widerstand m ~B magnetische Flußdichte T ~E elektrische Feldstärke V = m ~H magnetische Feldstärke A = m A Fläche m 2 A z Sensibilitätsmaß 1 C Kriterium 1 C opt optimales Kriterium 1 d 0 Detektierbarkeit 1 E Energie J f Frequenz Hz I Stromstärke A I SL Stromstärke am Stimulus limen A J Flächenstromdichte A m 2 l Länge m L Induktivität H N Repetitionsanzahl 1 P Leistung W p (yesjsn) Tre erquote 1 p (yesjn) Fehlalarmquote 1 R Widerstand U Spannung V V elektrisches Potential V W Energie J 5

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10 I 1 Einleitung Die Wirkung elektromagnetischer Felder und elektrischer Ströme auf den Menschen ist von ihrer Stärke und der Frequenz der elektromagnetischen Welle abhängig. Niederfrequente Felder ausreichender Stärke können im Organismus Reize einleiten, Reize inhibieren wie auch ihre Verarbeitung beein- ussen. Beides wird auch in der Medizin angewandt, z. B. beim Herzschrittmacher (Erregung) oder De brillator (Inhibition). Höherfrequente Felder weisen verstärkt andere E ekte auf; im Vordergrund steht hier die Wärmewirkung. Signale der Umwelt (wie Schall, Druck, Licht) werden von spezi schen Rezeptoren des Körpers als sogenannte adäquate Reize aufgenommen und als elektrische Signale durch das Zentrale Nervensystem (ZNS) geleitet. Externe niederfrequente elektrische und magnetische Felder oder elektrische Ströme, bei denen der Körper Teil des Stromkreises ist, können bei ausreichender Stärke Rezeptoren des ZNS direkt erregen und als sogenannte inadäquate Reize die spezi sche, dem Rezeptor zugeordnete Wahrnehmung erzeugen. Noch stärkere Felder verursachen unangenehme oder schmerzhafte Wahrnehmungen und können über die Reizung von Nerven und Muskeln sogar zu lebensbedrohlichen Situationen führen. Die Wahrnehmung schwacher niederfrequenter Felder kann daher ein Warnsignal sein. Weiter kann das plötzliche Auftreten einer solchen (an sich harmlosen) Wahrnehmung zu einem Sekundärunfall infolge einer Schreckreaktion führen und ist daher zu vermeiden. Die Erregungsschwellen inadäquater Reize werden deshalb als ein Grundstein bei der Festlegung von Sicherheitsrichtlinien berücksichtigt. Historisch haben sich für die subjektiven Emp ndungen, die bei einer inadäquaten Reizung durch niederfrequente elektromagnetische Felder entstehen, eigene Bezeichnungsweisen etabliert: ² Eine Reizung des visuellen Kanals durch elektrische Ströme wird als Elektrophosphen bezeichnet, die älteste Arbeit hierzu dürfte die von Purkinje aus dem Jahre 1819 [86] sein. Ein Elektrophosphen manifestiert sich als eine immernde, konturlose Lichtwahrnehmung, welche sich im gesamten Gesichtfeld ausbreitet. Es kann im Bereich von 5Hz bis 100 Hz ausgelöst werden, wobei das Emp- ndlichkeitsmaximum für sinusförmige Anregung einheitlich bei 18 Hz bis 20 Hz angegeben wird, bei einer Größenordnung des Stromes von etwa 100 ¹A, Brindley gibt als unterste Schwelle sogar nur 20 ¹A an [13]. Durch magnetische sinusförmige Wechselfelder können sogenannte Magnetophosphene ausgelöst werden, deren Wahrnehmung zu derjenigen der Elektrophosphene identisch ist. Die hierfür erforderliche magnetische Flußdichte liegt im Bereich von 5mT bei 50 Hz [78, 77, 101, 104]. ² Für eine Tonwahrnehmung ausgelöst durch elektrische Ströme von einigen 100¹A im Audio- Frequenzbereich von 100 Hz bis Hz ndet sich die Bezeichnung Elektrophon [3, 12, 39]. Die Schwelle des Hörsinns für eine inadäquate Reizung durch externe elektromagnetische Felder liegt aufgrund der geschützten Lage der Hörorgane im Inneren des Schädels sehr hoch. Eine Reizung kann nur durch invasive Feldapplikation mittels Elektroden erreicht werden. ² Die Reizschwelle des Geschmacks- und Geruchssinns (gustatorischer und olfaktorischer Kanal) liegt oberhalb derer anderer Sinne; hierfür gibt es keine Namensbezeichnung. 7

11 8 ² Daß der Hautsinn (kinästhetischer Kanal) durch einen elektrischen Strom erregt werden kann, ist eine oft schmerzliche Alltagserfahrung, wie sie beim Entladen einer statischen Aufladung durch die Haut des menschlichen Körpers auftritt [54]. Im Englischen wird sie tre end als carpet stroke bezeichnet. Diese als Elektrocutansensation bezeichnete Wahrnehmung kann in einem sehr weiten Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 khz als Kribbeln wahrgenommen werden, mit einem (allerdings nicht deutlich ausgeprägten) Schwellenminimum bei ca. 300 Hz [88]. Ungünstigerweise liegen die höchsten Emp ndlichkeiten für inadäquate Reizungen von Sinnesrezeptoren mittels elektromagnetischer Felder wie auch die Netzfrequenzen der elektrischen Energieversorgung im niederfrequenten Bereich; so stimmt die Netzfrequenz der Deutschen Bahn 1 von Hz zufällig fast überein mit dem Phosphenschwellenminimum. In früheren Untersuchungen zur Erregbarkeit inadäquater Reize durch elektromagnetische Felder wurde die Reizschwelle als externe Feldstärke bzw. eingeprägte Stromstärke angegeben. Diese als Feldgrößen angegebenen Schwellenwerte sind vorteilhaft für die Praxis, aber abhängig von einer Vielzahl von Faktoren: den technischen Variablen wie Feldstärke, Feldrichtung, Elektrodengröße, Frequenz usw., den Umgebungsvariablen wie Umgebungshelligkeit (bei den Elektro- / Magnetophosphenen), Hautfeuchtigkeit (bei den Elektrocutansensationen) usw. und den individuellen Variablen wie die individuelle Anatomie, aber auch Konzentration bzw. Intention des Probanden. Neue Bezugsgröße soll daher die niedrigste körperinterne Stromdichte am Entstehungsort der inadäquaten Reizung sein, welche zu einer Erregung des Rezeptorgewebes führt. Im ersten Schritt werden die Feldcharakteristika (wie Flußdichte etc.), die zu einer Auslösung des inadäquaten Reizes führen, im Probandenexperiment bestimmt. Im zweiten Schritt wird daraus durch numerische Simulation unter Verwendung von adäquaten Volumenleitermodellen die körperinterne Stromdichteschwelle berechnet. Diese kann nicht durch direkte Messung bestimmt werden. Als Basiswert wird eine körperinterne Stromdichte verursacht durch externe elektromagnetische Felder de niert, bei der eine Beein ussung des menschlichen Körpers ausgeschlossen werden kann. Gemäß der Literatur sind der Hautsinn und der Gesichtssinn am emp ndlichsten in bezug auf eine inadäquate Reizung durch externe elektromagnetische Felder. Bisherige Abschätzungen und grobe Berechnungen für die Stromdichteschwellen von Elektrocutansensationen und Elektrophosphenen bzw. Magnetophosphenen lieferten sehr geringe Schwellenwerte der Stromdichte von 2mAm 2 [62]. Diese Schwellen sind um Größenordnungen kleiner als die anderer erregbarer Gewebe, so liegen die Schwellen von Nerven und Muskeln bei ca. 500 ma m 2 [11]. Obschon diese Werte weltweit Eingang in nationale Sicherheitsrichtlinien nden, herrscht Unsicherheit über die Erregungsschwellen und Unklarheit über Wirkungsmechanismus und Wirkungsort der oben aufgeführten inadäquaten Reizungen von Sinnesrezeptoren, letzteres ist aber unabdingbare Voraussetzung zur Bestimmung der dort herrschenden Stromdichte der Erregungsschwelle. Bei den bisherigen Untersuchungen wurden Wechselwirkungen mit Umgebungsparametern (z. B. mit dem adäquaten Reiz) oder eine Adaptation auf den inadäquaten Reiz nur teilweise berücksichtigt. Subjektive Ein ußgrößen, wie Intention des Probanden oder Streß, wurden nicht in Betracht gezogen. Neue Erkenntnisse über die molekular-biologischen Vorgänge, verbesserte bildgebende Verfahren in der Medizin und komplexe numerische Berechnungen, ermöglicht durch computertechnische Fortschritte, erlauben heute eine umfassendere Untersuchung der Wirkung elektromagnetischer Felder, welche weit über die rein phänomenologische Beschreibung hinausgeht. Zwangsläu g ergibt sich hieraus die Forderung, bestehende Sicherheitsbestimmungen kritisch zu reevaluieren. Es werden daher die beiden als am emp ndlichsten geltende Sinneskanäle, der kinästhetische Kanal und der visuelle Kanal, betrachtet. 1 auch: Österreich, Schweiz, Norwegen und Schweden. Frankreich hingegen verwendet 50 Hz-Wechselstrom, Italien, Belgien und die Niederlande Gleichstrom.

12 1.1 Vorgehen 9 Im ersten Teil werden zunächst die anatomischen und physiologischen Grundlagen der betrachteten Sinneskanäle Haut (Abschnitt 2.1) und Auge (Abschnitt 2.2) zusammengetragen werden. Die Wahrnehmung einer inadäquaten Reizung hängt aber nicht allein vom Sinnesrezeptor ab, sondern ist die Folge eines komplexen Verarbeitungsprozesses, wie in Kapitel 3 beleuchtet wird. Dieser Prozeß kann in klassischer Betrachtungsweise quasi mechanistisch betrachtet werden (Abschnitt 3.2) oder erfolgreicher mit der modernen, komplexeren Signalerkennungstheorie (Abschnitt 3.3). Zur Bestimmung der gewebeinternen Erregungsschwelle aus den meßtechnisch ermittelten externen Schwellen werden numerische Methoden verwendet, deren Grundlagen in Kapitel 4 erläutert werden. Der zweiter Teil stellt in Kapitel 5 die für beide Sinneskanäle gemeinsam verwendete Intervallmaximierungsmethode vor, eine neu entwickelte Methode zur e zienten Schwellenbestimmung. Auch die Umwandlung der geometrischen Modelle zur Nutzung in der numerischen Berechnung wird beschrieben (Kapitel 6). Der dritte Teil widmet sich dem Hautsinn, dem kinästhetische Kanal. Zunächst werden in Kapitel 7 in Abschnitt 7.1 die Variationsmodelle der Haut zur Berechnung einer worst-case-stromdichteverteilung vorgestellt. Das so gefundene worst-case-modell wird in Abschnitt 7.2 weiter ausgearbeitet. In Kapitel 8 wird die körperinterne Stromdichteschwelle aus den Berechnungen abgeleitet und diskutiert. Experimentelle Stromschwellenbestimmungen schließen sich in Kapitel 9 an. In Abschnitt 9.1 wird der Versuchsaufbau beschrieben, welcher für alle Untersuchungen an Probanden gleich ist. Die verschiedenen Meßstrategien für klassische Einregel-Messung, Messung der Adaptation und Messung gemäß klassischer Entscheidungstheorie sind Inhalte der Abschnitte 9.3 bis 9.7. Dem gegenübergestellt werden die Messungen gemäß Signalerkennungstheorie für trockene und feuchte Haut in den Abschnitten 9.9 und Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden in den darauffolgenden Abschnitten diskutiert. Im vierten Teil wird der Gesichtssinn (visuelle Kanal) betrachtet. Gemäß bisheriger, in der Literatur beschriebenen Betrachtungen soll dieser Kanal sogar eine noch größere Emp ndlichkeit in bezug auf inadäquate Reize hervorgerufen durch elektromagnetische Felder haben als der Hautkanal. In Kapitel 10 wird zunächst der Wirkungsort anhand von Literaturergebnissen eingegrenzt, und schließlich in Abschnitt 12.6 als Ergebnis eigener experimentelle Untersuchungen genau bestimmt. Zur numerischen Modellierung und Berechnung sind die Leitfähigkeiten aller Gewebe eine grundlegende Voraussetzung. Da für die Augenbestandteile die Leitfähigkeitsangaben in der Literatur unvollständig sind, wurde die eigene Datensammlung mit Messungen am Rinderaugenmodell ergänzt (Kapitel 11.1). Erst danach können die Modelle für den Kopf, die Orbita und das Auge erstellt werden (Abschnitte 11.2, 11.3 und 11.4). Zunächst werden die Elektrophosphene betrachtet. Die Diskussion der Stromdichteverteilung erfolgt in Abschnitt 11.5, wobei sich große Änderungen der Stromdichteverteilungen durch die Berücksichtigung von Feinstrukturen im Modell zeigen. Dies wird in Abschnitt 11.6 beschrieben. Hieran schließt sich die analoge Betrachtung für die Magnetophosphene an (Abschnitt 11.7). Kapitel 12 widmet sich der experimentellen Betrachtung. Ähnlich wie beim kinästhetischen Kanal wird der allgemeine Versuchsaufbau und -ablauf vorangestellt (Abschnitt 12.1). Es folgt in den Abschnitten 12.2 bis 12.4 Untersuchungen zur Reproduzierbarkeit und Helligkeitsabhängigkeit der Elektrophosphen-Schwelle, die letztlich die genaue Bestimmung des Wirkungsmechanismus und -ortes in Abschnitt 12.6 ermöglichen. Den Abschluß bildet die Zusammenfassung im fünften Teil.

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14 Teil I Grundlagen 11

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16 I 2 Anatomie und Physiologie als Grundlage der Simulation 2.1 Die Hand, der Finger und die Haut Die Hand ist als Arbeits-, aber auch als Wahrnehmungsorgan bei nahezu jeder Tätigkeit involviert und kommt daher am wahrscheinlichsten mit Fehl- bzw. Geräteableitströmen in Kontakt, was ihre Wichtigkeit als Meßort zur Bestimmung der Wahrnehmungsstromschwelle unterstreicht. Andererseits zeichnen sich Teile der Hand, vor allem die Haut der Fingerspitzen, durch hohe Innervationsdichten und verlustarme synaptische Verschaltungen aus, woraus eine niedrige Wahrnehmungsschwelle bezüglich adäquater Reizung resultiert Anatomie des Fingers und der Hand Für eine Schwellenstrombestimmung in Hinblick auf eine Sicherheitsbetrachtung sind Hautareale heranzuziehen, die über große Emp ndlichkeiten verfügen. Wie in Abschnitt gezeigt wird, zeichnen sich die Fingerspitzen durch niedrigste Schwellen des Hand-Arm-Bereichs aus. Dies ist der Grund, weshalb sie im folgenden näher betrachtet werden sollen. In Abbildung 2.1 sind verschiedene Querschnitte des rechten Zeige ngers dargestellt [84]. Die drei Fingerknochen Phalanx distalis, Phalanx media und Phalanx proximalis bilden das Skelett des Fingers. An ihnen setzen die Sehnen zum Beugen (Musculus exor digitorum super cialis et profundus) und Strecken (Aponeurosis dorsalis digiti) an. Umhüllt werden Knochen und Sehnen von der Unterhaut- Fettschicht (Subcutis) und der Haut(Cutis). In die Subcutis eingelagert sind Arterien, Venen und Nervenbahnen. Die Blutzufuhr erfolgt über die hand ächenseitig verlaufende Fingerschlagader (Arteriae digitalis palmares propriae). Parallel dazu verlaufen die hand ächenseitigen Fingernerven (Nervus digitalis palmares proprii). Der Rück uß des Blutes wird über die Fingerrückschlagvene (Venae digitalis dorsalis propriae) realisiert Anatomie der Haut Die Haut ist schichtartig aufgebaut: von außen nach innen wird sie zunächst von der Cutis gebildet. Diese besteht wiederum aus zwei fest miteinander verzahnten Schichten, der Epidermis oder Oberhaut und dem Corium oder Dermis, welches aus stra em, faserreichem Bindegewebe aufgebaut ist [46]. Die Epidermis weist in Regionen stärkerer mechanischer Beanspruchung, etwa an Handteller oder Fußsohle, größere Dicken auf. Sie läßt sich weiter unterteilen: Außen liegt das Stratum disjunctum, an dessen Ober äche Hornschüppchen abgeschilfert werden. Darunter liegt die Stratum corneum, die Hornschicht, die aus umgewandelten Epithelzellen mit eingelagerter Hornsubstanz (Keratin) gebildet wird. Diese Verhornung erfolgt in den darunterliegenden Schichten Stratum lucidum und Stratum granulosum. DasStratum germinativum als Regenerationsschicht stellt die unterste Schicht der Epidermis dar. Das Corium besteht aus Bindegewebe und gliedert sich nach Dichte und Anordnung der Fasern in das Stratum papillare undindasstratum reticulare. DasStratum papillare ist reich an elasti- 13

17 14 Cutis Subcutis N. Digit. Palmares Proprii A. Digit. Palmares Propriae M. Flexor Digit. Superficialis M. Flexor Digit. Profundus V. Digit. Dorsalis Propriae Aponeurosis Dorsalis Digiti M. Flexor Digitorum Profundus M. Flexor Digitorum Superficialis Phalanx proximalis Aponeurosis Dorsalis Digiti M. Flexor Digitorum Profundus M. Flexor Digitorum Superficialis Phalanx media Phalanx distalis M. Flexor Digitorum Profundus Tractus Laterales Aponeurosis Dorsalis Subcutis Matrix Unguis Unguis Abbildung 2.1: Querschnitte des rechten Zeige ngers

18 15 Hornhaut Epidermis Schweißdrüsenkanal Meissner-Körperchen Merkel-Zelle Ruffini-Körperchen Corium Vater-Pacini-Körperchen Subcutis Abbildung 2.2: Schematische Darstellung der Histologie von Mechanorezeptoren der Haut (nach [94]) schen und retikulären Fasern und Blutkapillaren, welche vor allem der Wärmeregulation dienen. Das Stratum reticulare besteht aus einem Ge echt von kräftigen Kollagenfaserbündeln mit eingelagerten elastischen Fasern. Die Subcutis besteht aus lockerem Bindegewebe und verbindet die Haut durch Bindegewebszüge mit den unter ihr liegenden Strukturen Fascien und Knochenhaut. Sie dient als Fettspeicher mit sogenanntem Depotfett zur Energiespeicherung, zur Wärmeisolation und, an mechanisch stark beanspruchten Stellen wie dem Handteller, mit sogenanntem Baufett. Dieses Fettgewebe wird durch Bindegewebszüge steppkissenartig unterteilt (Abbildung 2.2). Hautanhangsgebilde Schweißdrüsen, Haare, Talgdrüsen und Nägel sind unterschiedliche Hautanhangsgebilde, die aus der Epidermis herauswachsen. Die Schweißdrüsen beginnen in einer Knäuldrüse an der Grenze von Cutis und Subcutis, welche den Schweiß, ein saures Sekret, bildet, und durchziehen dann, korkenzieherartig verschraubt, das Corium und die Epidermis senkrecht zur Ober äche, wo sie in eine Schweißpore münden [105]. In der behaarten Haut sind Haare und Talgdrüsen, die über einen Ausgang mit dem Haarkanal verbunden sind, zu nden. Der Haarmuskel dient dem Aufstellen des Haares. Die Haarwurzeln reichen bis in die obere Subcutis hinab. Die Nägel sind leicht gebogene Hornplatten, die den Rücken der vordersten Fingerglieder bedecken. Sie bilden u. a. ein Widerlager für die Fingerbeere mit ihren Tastrezeptoren Physiologie und Rezeptoren der Haut Der Hautsinn des Menschen registriert Druck, Berührung und Vibration, die auch als Tastsinn zusammengefaßt werden, sowie Temperatur und Schmerz. Jeder dieser psychophysischen Qualitäten können Rezeptortypen zugeordnet werden: Meissnersche Körperchen und Haarwurzelrezeptoren sprechen auf Berührung an. Sie reagieren auf die Änderung der Geschwindigkeit und gehören damit zu den Geschwindigkeitsrezeptoren.

19 16 Haarschaft Epidermis Haarwurzel Talgdrüse Haarfollikel Haarmuskel Ausführungsorgan der Schweißdrüse Schweißdrüse Abbildung 2.3: Eine Haarwurzel und ihre Anhangsgebilde, wie sie in der behaarten Haut vorkommt. Sie adaptieren schnell und werden daher zu der Gruppe der RA (rapidly adapting)-rezeptoren gezählt. Vater-Pacini-Körperchen registrieren Vibration, sie sind Beschleunigungsdetektoren. Sie werden auch als PC (Pacini corpuscle)-rezeptoren bezeichnet. Merkel-Zellen und Tastscheiben (Gruppierungen von Merkel-Zellen) reagieren auf Druck, sie sind Intensitätsdetektoren. Sie adaptieren langsam und gehören zur Klasse der SA-I (slowly adapting)-rezeptoren. Ru ni-körperchen bezeichnet. reagieren ähnlich wie die Merkel-Zellen, sie werden als SA-II-Rezeptoren Thermorezeptoren registrieren die (Änderung der) Umgebungstemperatur, es wird zwischen Kaltrezeptoren für den Temperaturbereich unter 36 ± C und Warmrezeptoren für den oberhalb 36 ± C unterschieden. Zwischen 20 ± C und 40 ± C kommt es zu einer Adaptation der Thermorezeption. Nozirezeptoren (Schmerzrezeptoren) melden, wenn dem Körper ein Schaden droht oder bereits tri t, ihre Erregungsschwelle liegt entsprechend hoch. Nozirezeptoren adaptieren nicht, daeine andauernde Schädigung sonst in Vergessenheit geraten könnte [102]. Diese Rezeptoren kommen nicht gleichmäßig in der gesamten Haut vor, es muß zwischen unbehaarter und behaarter Haut unterschieden werden: Bei der unbehaarten Haut sind Hornhaut und Epidermis dick ausgebildet, es fehlen die Haarfollikelsensoren. Die Meissner-Körperchen nden sich im Corium an der Grenze zur Epidermis. Die Merkel-Zellen be nden sich auf etwa der gleichen Höhe, sie sprießen in die Epidermis ein. Die Ru ni-körperchen

20 räumliche Auflösung / mm -1 Innervationsdichte / cm ,6 200 räumliches Auflösungsvermögen Dichte der PC- Afferenzen Dichte der RA- Afferenzen 0,4 0, Abbildung 2.4: Verteilung der Mechanorezeptoren und das räumliche Auflösungsvermögen des Tastsinns der Handinnen äche. Für Fingerspitzen, Fingerglieder, die Handinnen- äche und den Handballen sind das räumliche Au ösungsvermögen (linke Skala) und die Innervationsdichte (rechte Skala) gegenübergestellt (nach [94], modi ziert). nden sich im mittleren Teil des Coriums. Abweichend von den anderen Mechanorezeptoren nden sich die Vater-Pacini-Körperchen tief in der Haut, in der Subcutis. Hingegen gleichverteilt in Epidermis und Corium liegen die Temperatur- und Nozirezeptoren. Bei der behaarten Haut ist vor allem die Hornhaut dünner ausgebildet, die Meissner-Körperchen fehlen, sind jedoch durch die Haarfollikelsensoren, die ebenfalls RA-Sensoren sind, ersetzt. Die Merkel- Zellen sind als Tastscheiben zu dicht unter der Hautober äche sitzenden Tastscheiben inselartig zusammengefügt. Auch hier nden sich Ru ni-körperchen im Corium und Pacini-Körperchen in der Subcutis. Rezeptorverteilung Die Verteilung der Mechanorezeptoren in der Handinnen äche variiert abhängig von Rezeptortyp und Hautareal [65]. Abbildung 2.4 zeigt rezeptive Felder und Innervationsdichten der vier Typen von Mechanorezeptoren in der Handinnen äche. Die Fingerspitzen weisen die höchsten Innervationsdichten an SA-I-, RA- und PC-Rezeptoren auf. Ebenso markant sind die großen, unscharf begrenzten rezeptiven Felder der SA-II- und PC-Rezeptoren und die dazu im Gegensatz stehenden kleinen, scharf begrenzten der SA-I- und RA-Rezeptoren. Als rezeptives Feld wird die Haut äche bezeichnet, die von allen rezeptiven Endapparaten einer Nervenzelle versorgt wird. Anders gesagt, ist das rezeptive Feld die Haut äche, von der aus sich eine A erenz durch Reize erregen läßt. Die Innervationsdichte wird als Anzahl der versorgenden Hauta erenzen pro Haut äche de niert. Vallbo und Johansson [117] zeigten in ihren Untersuchungen, daß für das räumliche Auflösungsvermögen von Reizungen der Haut kleine rezeptive Felder und eine hohe Innervationsdichte bedeutsam sind. Die Innervationsdichten sind nicht nur für das räumliche Auflösen von Reizungen wichtig, sondern sie haben auch Anteil an der Höhe der Wahrnehmungsschwelle: je höher die Innervationsdichte des gereizten Hautareals, desto wahrscheinlicher wird eine Reizung auch an die corticalen Strukturen

21 18 übermittelt. Weiter sollte die synaptische Übermittlung der Information im ZNS möglichst verlustfrei erfolgen. Auch in dieser Hinsicht sind die Fingerspitzen ausgezeichnet, wie Vallbo und Johansson in ihren mikroneurographischen Untersuchungen nachwiesen. Die psychometrischen Funktionen der RA- Rezeptoren der Haut der Fingerspitzen und des Handballens sind zwar vergleichbar, aber bei den Fingerspitzen entspricht die Rezeptorenschwelle der Wahrnehmungsschwelle, während am Handballen höhere Reizstärken für die Erzeugung einer bewußten Emp ndung benötigt werden Elektrophysiologische Vorgänge bei der Reizwahrnehmung und der Einsetzpunkt der inadäquaten Reizung Die Rezeptoren der Haut reagieren spezi sch auf äußere Reize und bestimmen die Modalität des sensorischen Eindrucks, wie in Abschnitt beschrieben. Beim Aufnehmen eines Reizes verändern sich die Membraneigenschaften der Rezeptorzelle, was wiederum zur Entstehung eines sogenannten Generatorpotentials führt, welches der Reizstärke entspricht. Erreicht dieses einen bestimmten Schwellenwert, so kommt es zur Auslösung eines in der Nervenfaser weitergeleiteten Aktionspotentials. Die Häu gkeit dieser Auslösung hängt von der Höhe des Generatorpotentials ab und ist damit ein Maß für die Reizstärke. Dies wird daher auch als Reizstärke-Frequenz-Transformation oder - Kodierung bezeichnet. Eine fundamentale Bedeutung kommt dabei der Membran der Rezeptorzelle zu, welche den intraund den extrazellulären Raum trennt, die beide mit Elektrolytlösungen gefüllt sind. Im ungereizten Zustand sorgt ein aktiver, Adenosintriphosphat(ATP)-verbrauchender Ionenpumpprozeß für eine hohe Konzentration an Na + -Ionen im Zellinnern und eine hohe K + -Konzentration im extrazellulären Raum. Während Cl -Ionen die Zellmembran durch einen (passiven) Kanal passieren können, werden die intrazellulären Eiweißanionen zurückgehalten: die extrazelluläre Cl -Konzentration ist höher. Aufgrund der unterschiedlichen Ionenkonzentrationen ist das Zellinnere negativ aufgeladen relativ zum Zelläußeren: das Ruhepotential beträgt etwa 70 mv. Durch einen Reiz werden kurzfristig die Na + -Kanäle geö net. Es können dann Na + -Ionen einströmen und das Membranpotential lokal umkehren: das Generatorpotential entsteht. Dieses als Gating bezeichnete Ö nen der Ionenkanäle kann auch durch extrazelluläre elektrische Felder hinreichender Stärke erfolgen. Der Erregungsablauf erfolgt dann in gleicher Weise: die inadäquate Reizung entsteht. Die elektrischen Vorgänge in der Rezeptorzelle können durch das Ersatzschaltbild in Abbildung 2.5 beschrieben werden: Die Zellmembran entspricht einer Kapazität C, an der das Zellpotential (eigentlich eine Zellspannung) U anliegt (a). Der Ionenpumpprozeß wird durch die beiden Stromquellen I K in (b) und I Na,aus (c) verdeutlicht. Der (zellspannungsunabhängige) Chlorid-Ionen-Kanal (d) wird durch die konstante Leitfähigkeit ¾ Cl beschrieben, der Ionenstrom wird dabei durch den osmotischen Druck, der Spannung U Cl, gesteuert. Dies gilt auch für die Ionenkanäle für Na + und K + mit entgegengesetzten Strömungsrichtungen; allerdings sind hierbei die Leitfähigkeiten ¾ Na und ¾ K zeitlich variabel. 2.2 Das Auge und seine Peripherie Das Auge (Sehorgan) und seine Anhangsgebilde gehören neben dem Gehör und dem Tastsinn (Hautsinn) zu den wichtigsten Sinnesorganen des Menschen. Räumliche Orientierung, Nahrungssuche und das Fluchtverhalten, also die elementarsten Lebensqualitäten, werden durch die Wahrnehmung von Formen, Farben und Bewegungen maßgeblich bestimmt. Dieser Wichtigkeit entsprechend ist die Größe des Forschungsbemühens um den Sehprozeß und das dazu angesammelte Wissen. Im folgenden Abschnitt sind eine Reihe dieser Ergebnisse zusammengetragen. Nach einem kurzen Überblick über die allgemeine und topographische Anatomie des menschlichen Auges wird insbesondere auf die Gewebe der Augenumgebung und den Aufbau der Retina sowie den Sehprozeß selbst eingegangen. Die zusammengestellten Fakten werden später die Grundlage

22 extrazellulär 19 σ Cl σ Na σ K U C I K I Na + U Cl + U Na + U K (a) (b) (c) (d) (e) (f) intrazellulär Abbildung 2.5: Elektrisches Ersatzschaltbild der Rezeptorzellmembran sowohl für eine biologienahes, anatomisch adäquates Modell bilden als auch dem Verständnis und der Interpretation der Beein ussung des Sehprozesses durch äußere elektrische und magnetische Felder dienen. Das Auge untergliedert sich in ein optisches Abbildungssystem und einer sensorischen Einheit, welche die Bildinformation in Nervenpulse umwandelt und an das Gehirn weiterreicht (entwicklungsgeschichtlich ist die Retina der Wirbeltiere sogar ein Teil des Gehirns). Der Augapfel liegt beweglich in der Augenhöhle eingebettet Optischer Apparat des Auges Das optische System des Auges besteht aus Hornhaut (Cornea), Vorkammer (Camera anterior), Linse (Lens) und Glaskörper (Corpus vitreum), vgl. Abbildung 2.6. Die elastische Linse bildet das durch die Pupille einfallende Licht auf die Netzhaut ab. Die Lichtintensität wird dabei durch Veränderung des Pupillendurchmessers, d. h. durch ein Weiten oder Zusammenziehen der Iris, die Scharfstellung durch Verformung des Radius der vorderen Linsen äche reguliert. Die Steuerung des Linsenradius, also der Brechkraft, erfolgt über Aufhängebänder, die Zonulafasern und durch den vom Glaskörper auf die Linse ausgeübten Druck Aufbau der Retina Beim Fixieren eines Objektes wird das Auge so ausgerichtet, daß entlang der Sehachse das Abbild auf die Sehgrube (Fovea) fällt. Etwa auf horizontaler Höhe des Blinden Flecks (Macula lutea) verläßt der Sehnerv durch die Lamina cribrosa den Augapfel (Bulbus oculi); an dieser Stelle fehlt die Netzhaut. In der Aderhaut (Chorioidea) verlaufen Blutgefäße der Netzhaut. Die bindegewebige Lederhaut (Sklera) bildet die äußere Hülle des Augapfels. Der optische Apparat des Auges bildet die Außenwelt verkleinert und umgekehrt auf die Netzhaut ab. Aufgabe der Netzhaut ist es, diese Informationen aufzunehmen und der Weiterverarbeitung im Gehirn zugänglich zu machen, indem sie die Lichtsignale in elektrische Nervensignale umwandelt. Diese Signale sind aber anders als bei einer technischen, elektronischen Kamera kein 1:1-Abbild mehr, sondern bereits vorverarbeitet. Im Hinblick auf die Informationsverarbeitung in der Retina unterscheidet man drei hierarchische Stufen: die erste Stufe, quasi den Eingang in das retinale Netzwerk, bilden die Photorezeptoren. Das Verbindungsstück,

23 20 Schlemmscher Kanal vordere Augenkammer Zonulafasern Sclera Chorioidea Retina Sehnerv Glaskörper Iris Papille Linse Cornea hintere Augenkammer Lamina cribrosa Fovea Macula lutea Ciliarmuskel Conjunktiva Abbildung 2.6: Schematischer Horizontalschnitt durch das linke Auge die zweite Stufe, bilden die Bipolarzellen. Den Ausgang bzw. die dritte Stufe bilden die retinalen Ganglienzellen mit ihren im Sehnerv zusammengefaßten Axonen. Das Licht durchläuft erst die gesamte Retina, bevor es in der lichtemp ndlichen Schicht von den Photorezeptoren absorbiert wird (sogenannter inverse Aufbau der Retina), vgl. Abbildung 2.7. Die Photorezeptoren wandeln das Licht um in elektrische Signale. Nach der Gestalt ihrer Außensegmente unterscheidet man zwischen Stäbchen (zylindrisch) und Zapfen (konisch). Die drei vorkommenden Zapfentypen (blau, grün, rot) dienen dem Farbensehen (phototopisches Sehen). Die Stäbchen dienen dem Schwarz-Weiß-Dämmerungssehen (skoptisches Sehen). Im menschlichen Auge gibt es etwa 110 bis 125 Millionen Stäbchen und 5 bis 7 Millionen Zapfen. Die Verteilung sowie die Form und Größe der beiden Rezeptorgruppen variiert je nach Retina-Areal. So be nden sich im Zentralbereich der Fovea ausschließlich Zapfen (Dichte mm 2 ). Nach außen hin werden die Photorezeptoren durch Pigmentepithelzellen geschützt. Diese Schicht ist mit der Aderhaut (Chorioidea) verwachsen und sorgt für den Sto austausch zwischen der Chorioidea und den Photorezeptoren. Weiterhin ndet dort eine Regeneration von Bestandteilen der Sehpigmente statt, welche die Photorezeptoren zur Umwandlung des Lichtes benötigen. Außerdem agiert das Pigmentepithel als eine Art Antire exionsschicht, damit auftretendes Streulicht vermieden wird. Die äußere plexiforme Schicht enthält Axone der Zapfen und Stäbchen. Dort erstrecken sich auch Fortsätze der Bipolar- und Horizontalzellen. Daran schließt sich die innere Körnerschicht an, wo sich die Perikaryen von vier verschiedenen Zelltypen be nden. Am Übergang zu äußeren plexiformen Schicht liegen die Zellkerne der Horizontalzellen, in der Mitte

24 21 Müllersche Stützzelle Nervenableitung Synapsenbereich Photorezeptoren Innerrezeptive Blutversorgung Pigmentepithel Chorioidea Sclera Abbildung 2.7: Schematischer Aufbau der Netzhaut und der angrenzenden Schichten

25 22 die der Bipolar- und Müller-Zellen und am Übergang zur inneren plexiformen Schicht die der Amakrinzellen. Während die Bipolarzellen Informationen der Photorezeptoren radial durch die Retina weiterleiten, sorgen die Horizontal- und Amakrinzellen mehr für die laterale Signalverarbeitung. Zusätzlich besitzen einige interplexiforme Zellen eine Rückkopplungsverbindung in die äußere plexiforme Schicht. Die Müller-Zellen, die zur Gruppe der Gliazellen gehören, erstrecken sich nahezu durch die gesamte Retina. An der Informationsweiterleitung sind sie nicht direkt beteiligt. Es wird allerdings angenommen, daß sie als Stützgerüst und als elektrischer Isolator eine wichtige Funktion besitzen, da sie reich an Glykogen und Mikrotubi sind und ihr Cytoplasma als elektronendicht erscheint. Aufgrund ihrer Kaliumselektivität können sie bei der Signalweiterleitung freiwerdendes Kalium aufnehmen und dadurch selbst depolarisiert werden. Es lassen sich Zapfen- und Stäbchenbipolarzellen unterscheiden. Von den Zapfenbipolarzellen ermöglicht ein Teil einer 1:1-Verbindung zwischen den Zapfen und den Ganglienzellen. Neben morphologischen und verschaltungsbezogenen Unterschieden lassen sich Bipolarzellen funktionell weiter aufteilen in ON-Bipolar- und OFF-Bipolarzellen. Die Horizontalzellen sind inhibitorische Interneurone, deren Dendriten und Axone sich in der äußeren plexiformen Schicht verzweigen. Sie besitzen synaptische Verbindungen zu Zapfen und Stäbchen und über direkte Verbindungen, sogenannte gap junctions, auch untereinander. Die laterale Interaktion zwischen Horizontalzellen und Photorezeptoren spielt eine wichtige Rolle bei der räumlichen Verarbeitung visueller Information. Die Amakrinzellen bilden die innerste Zellformation der Körnerschicht, sie besitzen keinen langen Fortsatz, das heißt kein typisches Axon. Stattdessen haben sie zahlreiche stark verzweigte Fortsätze, die funktionelle Merkmale von Dendriten sowie von Axonen aufweisen. Aufgrund von Lager, Struktur und Transmittergehalt sind in den letzten Jahren mehr als 30 verschiedene Typen von Amakrinzellen in der Literatur beschrieben worden. Wahrscheinlich gibt es keinen Transmitter im ZNS, der nicht auch in einer der Amakrinzellen vertreten wäre. Aufgrund dieser Transmittervielfalt stellt man sich vor, daß die Amakrinzellen wesentlich an der Modulation der retinalen Aktivität beteiligt sind und damit die Retina an spezi sche visuelle Veränderungen anpassen. Die Adaptation scheint einer der Hauptfaktoren für die Vielzahl und Verteilung von Amakrinzellen zu sein. Zum Beispiel hat man Typen von Amakrinzellen entdeckt (Somatostatin-immunoreaktive Amakrinzellen), die sich nur in der unteren Retinahälfte be nden und demzufolge Strahlung vom Himmel aufnehmen. Die innere plexiforme Schicht besteht aus dicht gepackten Fortsätzen der Amakrin-, Bipolar- und Ganglienzellen. Die Amakrinzellen stellen axodendritische und axosomatische Kontakte mit Ganglienzellen her. Desweiteren besitzen sie axoaxonale Verbindungsstellen mit Bipolarzellen einerseits und Amakrinzellen andererseits. Die Bipolarzellen sind über axodendritische und axosomatische Synapsen mit Ganglien- und Amakrinzellen verbunden. Sie bilden charakteristische Synapsen aus, sogenannte Dyaden. Dyaden sind Doppelkontakte, welche präsynaptisch eine Lamelle und eine Ansammlung von Vesikeln zeigen; postsynaptisch sind ein Ganglienzelldendrit und ein Fortsatz einer Amakrinzelle an der Kontaktierung beteiligt. Die Synapsendichte in der inneren plexiformen Schicht wird beim Menschen auf mm 3 geschätzt. In der innersten Zellschicht be nden sich neben den Ganglienzellkörpern auch deplazierte Amakrinzellen. Der Mensch besitzt etwa eine Million retinaler Ganglien pro Auge, deren Axone in der Nervenfaserschicht zum jeweiligen Sehnerv wandern und Information von dort aus zu zentralen Arealen des Gehirns weiterleiten. Dabei verlaufen die Axone in Bündeln, die von Fortsätzen der Müller-Zellen und Astrozyten begleitet werden. Eine Markscheide erhalten sie erst im Nervus opticus. Die Ganglienzellen sind multipolare Neurone von denen einige die anderen retinalen Zelltypen in ihrer Größe und fraktalen Dimensionen weit überragen. Obwohl häu g vom neuronalen Retina- Netzwerk gesprochen wird, sind Ganglienzellen die einzige Gruppe von Zellen innerhalb der Retina, welche in der Lage sind, langsam sich verändernde elektrische Signale in einer Folge sich schnell verändernder, gleichartiger elektrischer Impulse umzuwandeln und über weite Strecken (bis zu mehreren Zentimetern) ohne Dekrement aktiv zu übertragen. Die Dichte der Ganglienzellen nimmt vom Rand der Macula, wo sechs Reihen von Zellen übereinandergelagert sein können, zur Peripherie hin stark ab; dort ist in der Regel nur eine Reihe von Zellen vorhanden. Experimente mit Neurobiotin

26 haben ergeben, daß einige Ganglienzellen neben den chemischen Synapsen auch weitere direkte Verbindungen zu Amakrinzellen sowie untereinander eingehen. Den Abschluß dieser Schichtung bildet die innere Grenzschicht. Sie besteht aus den Endfüßchen der Müller-Zellen, Astrozyten und aus der etwa 0:5 ¹m dicken Basalmembran, die zum Glaskörper hin völlig glatt ist [32, 36, 49, 50, 52] Augapfel (Bulbus oculi) und Augenhöhle (Orbita) Der Augapfel (Bulbus oculi) ist nahezu kugelförmig (Durchmesser ca. 24 mm). Er liegt im vorderen Teil der Orbita, etwas näher zur oberen äußeren Wand. Der Hornhautscheitel be ndet sich in gleicher Höhe mit dem oberen Orbitarand und etwas vor dem seitlichen Rand der Augenhöhle. Der Augapfel ist von einer bindegewebigen Hülle umgeben, die ihn beweglich macht, dem Tenon oder Vagina bulbi. Diese Gleithülle ist hinten am Nervus opticus mit der Sklera und an den Durchtrittsstellen der Augenmuskeln mit den Muskelfaszien verwachsen. Sie endet vorn unter der Conjunctiva. Augapfel mit Gleithülle liegen im Orbitafettkörper, dem Corpus adiposum orbitae. Dieser füllt den Raum aus und ist von Muskelnfasern, Nerven und Blutbahnen durchzogen. Seitlich oberhalb des Auges liegt der Tränenapparat. Die arterielle Versorgung des Augapfels erfolgt durch die Äste der Arteria ophthalmica. Die Arteria centralis retinae tritt 10 bis 15 mm vor dem Bulbus in den Sehnerven ein und zieht zur Chorioidea. Die Arteriae ciliares posteriores breves durchbohren die Sklera rund um den Nervus opticus und versorgen die Chorioidea. Die Arteriae ciliares posteriores longe laufen medial und lateral zwischen Sklera und Chorioidea nach vorn, wo sie im Zillarkörper den Circulus arteriosus irdis major bilden. Er erhält Zu üsse von den Arteriae ciliares anteriores aus der Arteria lacrimalis sowie von Muskelästen. Der Circulus arteriosus iridis minor am Pupillenrand wird von Anastomosen zwischen den radiären Ästen des Circulus iridis major gebildet. Der venöse Ab uß erfolgt über die Vena ophthalmica superior und inferior.dievena centralis retinae verläuft wie die gleichnamige Arterie. Der Sinus venosus sclerae liegt am Kammerwinkel und nimmt das Kammerwasser auf. Die Venae ciliares münden in die Augenmuskel- oder Chorioidealvenen. Die Venae vorticosae drainieren die Aderhaut [90, 96] Molekulare Physiologie und Elektrophysiologie des Sehvorganges und mögliche Einsetzpunkte der inadäquaten Reizung Wie alle nerval geleiteten Informationen im Zentralen Nervensystem (ZNS) werden auch die des Sehorgans als elektrische Impulse übermittelt. Dieser Abschnitt beschreibt die Vorgänge im Stäbchen der Retina, wie dort Licht in atomare Bewegung und dann in einen Nervenimpuls umgewandelt wird. Für die Zäpfchen gilt analoges; lediglich der Primärfarbsto und dessen Absorptionsspektrum unterscheiden sich (Farbsehen). Stäbchenzellen sind in zwei Segmente aufgeteilt, das äußere Segment, das lichtemp ndlich ist, und in seinen etwa 1000 scheibenförmigen Vesikeln das rote Sehpigment Rhodopsin enthält, und das innere Segment, das Mitochondrien, Kern und synaptische Endigung enthält. Rhodopsin ist ein Membranglykoprotein, welches aus sieben transmembranen Helices besteht. Es ist über eine Schi sche Base mit seiner prosthetioschen Gruppe, dem 11-cis-Retinal, verbunden. Ohne Retinal heißt dieses Protein alleine Opsin. 11-cis-Retinal verleiht dem Rhodopsin eine breite Absorptionsbande im sichtbaren Bereich mit einem Absorptionsmaximum von etwa 500 nm. Die Primärreaktion des Sehvorganges ist die lichtkatalysierte Isomerisierung von 11-cis-Retinal zu all-trans-retinal. Die Energie eines Photons wird in atomarer Bewegung umgesetzt. Daß starke extrazelluläre (niederfrequente) Felder diese Isomerisierung auslösen, ist unwahrscheinlich, da ihr (Photonen-)Impuls zu schwach ist. Die geänderte Geometrie des Retinals ändert die Konformation des Rhodopsins und löst eine Enzymkaskade aus, die wiederum den Nervenimpuls generiert. Dieser wird als a erentes Signal an das zentrale Nervensystem weitergeleitet.

27 24 Rhodopsin Photon all-trans-retinal + freies Opsin Opsin + Opsin 11-cis-Retinal Retinal-Isomerase Abbildung 2.8: Molekulare Umlagerungsvorgänge beim Sehen In einer Dunkelreaktion wird Rhodopsin regeneriert. Das all-trans-retinal Bild von der Retinal- Isomerase zu 11-cis-Retinal isomerisiert. Dieses wird mit Opsin wieder zu Rhodopsin verknüpft. Die Vorstufe zur Retinal ist das -Carotin (Provitamin A). Es wird durch Oxidation des -Carotins mit Hilfe der -Carotin-Deoxygenase als all-trans-retinal erzeugt. Das Signal des Sehvorganges Die Stäbchenzellen zeigen kein Aktionspotential, die Antwort auf einen Lichtreiz erfolgt stufenweise. In der Plasmamembran der Stäbchenzellen sind kationenspezi sche Ionenkanäle, die im Dunkeln o en sind. Die Lichtrezeptorzelle unterscheidet sich in diesem Punkt von allen anderen Rezeptorzellen des menschlichen Körpers, bei denen die Kanäle in Ruhe geschlossen sind (vgl. Hautrezeptoren, Abschnitt 2.1.4). Na + ießt im Dunkeln ins äußere Segment (sog. Dunkelstrom), es folgt einem elektrochemischen Gradienten, der von einer Na/K-ATPase aufrechterhalten wird. Bei Licht werden die Ionenkanäle blockiert, der Na + -Strom nimmt ab und die Membran wird hyperpolarisiert. Hier ist ein Einwirken extrazellulärer Felder denkbar, die ebenfalls zum Schließen von Ionenkanälen führen könnten. Durch die nachfolgende Verstärkung (s. u.) würde so ein inadäquater Reiz entstehen. Werden mehrere Photonen absorbiert, kommt es zum graduellen Anstieg der Hyperpolarisation; diese wird zur Synapse weitergeleitet. Ein besonderes Phänomen des Sehvorganges ist die Adaptation der Rezeptorzelle: Die Antwort (Maß der Hyperpolarisation) auf Licht hängt von der Grundhelligkeit und Intensität des Lichtes ab. Eine dunkeladaptierte Stäbchenzellen ist schon mit etwa 30 Photonen halbmaximal hyperpolarisiert, während eine helladaptierte Zelle wesentlich mehr Photonen für halbmaximale Signalstärke absorbieren muß. Dieses Phänomen ermöglicht die Wahrnehmung von Kontrasten über einen großen Grundhelligkeitsbereich. Die Adaptation erfolgt über eine Phosphorylierung/Dephosphorylierung des Opsins. Die Verstärkungskaskade des Sehvorganges Die Absorption eines Photons löst durch Isomerisierung des Retinals eine Konformationsänderung im Rhodopsin aus. Dieses nun aktivierte Rhodopsin katalysiert den Austausch eines Guanosin-5 -

28 diphosphat (GDP) gegen ein Guanosin-5 -triphosphat (GTP) in einem anderen Protein, dem sogenannten Transducin. Transducin gehört zu der Klasse der G-Proteine. Es handelt sich dabei im allgemeinen um Proteine, die eine Regulationsfunktion bei vielen verschiedenen Zellvorgängen spielen. Ihnen allen gemeinsam ist, daß sie GTP binden und schwache GTPase-Aktivitäten besitzen. Die GTP-Form eines Enzyms ist die aktive Form, die eine Regulation auf den Reaktionsweg ausüben kann. Ein Einwirken äußerer Felder auf diese Vorgänge würde ein deutlich wahrnehmbares Lichtemp nden (Phosphen) erzeugen, es könnte aber auch eine Lichtwahrnehmung unterdrückt werden. Durch die GTP-Bindung an Transducin wird das aktivierte Rhodopsin wieder freigesetzt, es kann dann an weitere Transducin-Moleküle binden und diese aktivieren. Dabei kommt es zu der ersten Verstärkung des Signals von 1:500. Transducin selbst besteht aus drei Untereinheiten T, T und T. Die durch die GTP-Bindung erzeugte Konformationsänderung über die Dissoziation von T von T. T -GTP bindet an eine Phosphodiesterase (PDE) und aktiviert diese. Die PDE hydrolysiert cyclisches Guanosinmonophosphat (c-gmp), welches in unbelichteten Stäbchenzellen in hoher Konzentration vorliegt, zu GMP. Das c-gmp stabilisiert in den unbelichteten Zellen die o enen Kationenkanäle. Bei c-gmp-mangel schließen die Kanäle und es kommt zu der schon besprochenen Hyperpolarisation. Dieser, von der PDE katalysierte Schritt liefert eine weitere Verstärkung des Signals um den Faktor Das Abschalten der Erregung verläuft über drei Hauptwege: 1. Durch die GTPase-Aktivität von T wird dies inaktiviert und reassoziiert mit den - und -Untereinheiten. Dadurch wird auch die PDE inhibiert. 2. Aktiviertes Rhodopsin bindet an ein spezi sches Protein, das Arrestin, welches die Bindung und damit Aktivierung von Transducin verhindert. 3. c-gmp wird aus GTP durch Guanylatcyclase regeneriert. Weitergabe des primären Signals Die Zellpotentialänderung der Rezeptorzelle führt zu einer Aktivitätsänderung des Neurons im Rezeptiven Feld (RF); bereits in diesem Schritt sind also die Informationen, vergleichbar mit den Vorgängen der Hautrezeptorik, frequenzkodiert. In der Netzhaut kann ein direkter Signal uß Photorezeptoren! Bipolarzellen! Ganglienzellen und ein lateraler Signal uß über die Interneurone (Horizontalzellen und Amakrinen) zu den Bipolar- und Ganglienzellen unterschieden werden. Durch räumliche und zeitliche Summation kann auch hier eine Adaptation erfolgen. Bei jedem genannten Zelltyp handelt es sich um Zellen, die auf eine Erregung mit einem Generatorpotential antworten, vgl. Abschnitt Sie können somit inadäquate erregt werden. Wie in Abschnitt beschrieben, führt eine Reizung dieser Zellen nicht unbedingt zur Lichtwahrnehmung, sondern ggfs. zur Unterdrückung einer solchen. Das a erente Signal des Auges bewertet bereits Kontraste, Bewegungen, Bewegungsrichtungen usf.; es ist kein Repräsentant des ursprünglichen einzelnen optischen Bildes. 25