Biologie der Sinne (eBook)

Inhaltsverzeichnis 5
1: Die Sinne – unsere Fenster zur Welt 11
1.1 Wahrnehmung findet im Gehirn statt 12
1.1.1 Gefangen in der Maskenwelt 12
1.1.2 Das Gehirn, das rätselhafte Organ der Wahrnehmung 12
1.2 Wie kommt die Welt in unseren Kopf? 14
1.2.1 Von der Sinneszelle zur Wahrnehmung 14
1.2.2 Wahrnehmung ist ein Urteilsakt des Gehirns 15
1.3 Sinneswelten 16
1.3.1 Sinneswelt, die erste! 16
1.3.2 Sinneswelt, die zweite! 17
1.3.3 Sinneswelt, die dritte! 19
1.4 Vom Sinn der Sinne 19
2: Die Evolution der Sinne 21
2.1 Die Sinne des Menschen und wie er dazu kam 22
2.1.1 Wie viele Sinne hat der Mensch? 22
2.2 Die Evolution der Sinne 24
2.2.1 Die Evolution ist der Motor für die Weiterentwicklung des Lebens 24
2.2.2 Das Prinzip der Zucht – die künstliche Auswahl 26
2.2.3 Das Prinzip der Evolution – die natürliche Auslese 27
2.2.4 Die Eigenschaften unserer Sinnessysteme und die Verarbeitungsstrategien unseres Gehirns sind ein Produkt der Evolution 30
2.2.5 Kinder der Evolution 34
2.2.6 „Wer hat’s erfunden?“ 36
2.3 Jeder auf seine Art – die Leistungen unserer Sinne sind höchst unterschiedlich 37
2.3.1 Zwei Sinne im Vergleich 37
2.3.2 Vom Sinnesreiz zum Verhalten 39
Weiterführende Literatur 41
3: Die Sprache der Nervenzellen – und wie man sie versteht 42
3.1 Labor eines Neurowissenschaftlers 44
3.2 Labor 1: Die wunderbare Welt der Nervenzelle 46
3.2.1 Nervenzellen sind die Funktionseinheiten des Gehirns 46
3.2.2 Aufbau einer Nervenzelle 46
3.2.3 Was macht die Nervenzelle zur Nervenzelle? 49
3.2.4 Warum können Nervenzellen Signale übertragen? 53
3.3 Labor 2: Von Ionen und Membranen – wie Nervenzellen eine elektrische Spannung aufbauen 54
3.3.1 Ionen sind die Grundlage für elektrische Signale in Nervenzellen 54
3.3.2 Ionenpumpen bauen Unterschiede zwischen dem Inneren der Zelle und ihrer Umgebung auf 56
3.3.3 Ionenkanäle sind elektrische Schalter in der Zellmembran 57
3.4 Labor 3: Aktionspotenziale sind die Sprache unseres Nervensystems 60
3.4.1 Die Membranspannung spiegelt die Aktivität einer Nervenzelle wider 60
3.4.2 Aktionspotenziale leiten Signale über lange Strecken 61
3.5 Labor 4: Wie Nervenzellen Information austauschen 67
3.5.1 Synapsen übertragen die Information chemisch 67
3.6 Labor 5: Wie man mit Nervenzellen einen Hochleistungsrechner baut 70
3.6.1 Die Grundlagen des neuronalen Rechnens: Konvergenz und Divergenz, Erregung und Hemmung 70
3.6.2 Der Rechner in der Nervenzelle 73
3.6.3 Die schreckhafte Maus oder die Rückwärtshemmung als Notbremse 75
Weiterführende Literatur 76
4: Von der Sinneszelle zum Gehirn 77
4.1 Vom Reiz zum elektrischen Signal – die Signalwandlung 78
4.1.1 Eine komplizierte Aufgabe 78
4.1.2 Sinneszellen besitzen ein spezialisiertes Außensegment 78
4.1.3 Die einfachste Art der Signalwandlung: Rezeptor und Ionenkanal sind in einem Protein zusammengefasst 79
4.1.4 Signalwandlung mit dem Baukastensystem – die G-Protein-gekoppelte Signalkaskade 80
4.2 Adaptation 84
4.2.1 Sinneszellen passen sich an die Umgebung an – sie adaptieren 84
4.3 Codierung der Sinnesinformation 85
4.3.1 Sinnesreize werden in der Abfolge von Aktionspotenzialen codiert und an das Gehirn geschickt 85
4.4 Die geordnete Verschaltung der Sinnesinformation 86
4.4.1 Ordnung im Strom der Sinnesinformation 86
4.4.2 Ordnung auf höchster Ebene – die topografische Abbildung 89
4.4.3 Die Sinnesinformation wird gefiltert 89
Weiterführende Literatur 90
5: Schmecken 91
5.1 Vom Sinn des Schmeckens 92
5.2 Geschmackszellen überprüfen die Nahrung 94
5.3 Sauer und salzig: Ionenkanäle auf der Zunge 94
5.4 Bittere Gifte 99
5.5 Köstlicher Geschmack: Süß und umami 102
5.6 Der „Scharfgeschmack“ ist eigentlich ein Schmerzreiz 104
5.7 Die Geschmacksempfindung 106
5.8 Andere Lösungen 107
Weiterführende Literatur 108
6: Riechen 109
6.1 Die Vielfalt der Gerüche ist grenzenlos 110
6.2 Riechzellen in der Nase detektieren Duftstoffe 111
6.3 Im Gehirn entstehen Geruchsbilder 118
6.4 Bleib jung! Das Riechsystem erneuert sich selbst 120
6.5 Das Riechen mit Zilien 120
6.6 Pheromone organisieren das Sozialleben 122
6.7 Was uns an Gerüchen interessiert 127
6.8 Leben, ohne zu riechen 131
Weiterführende Literatur 131
7: Sehen 132
7.1 Augen auf – und dann? 135
7.1.1 Ball, Satz und Sieg! 135
7.1.2 Betrachten wir die Sache mit dem Sehen mal bei Licht … 135
7.1.3 Was wir in diesem Kapitel sehen werden 137
7.1.4 Was ist eigentlich Licht? 138
7.2 Das Auge 139
7.2.1 „Ich seh dir in die Augen, Kleines!“ 139
7.2.2 Auf den ersten Blick ähnelt unser Auge einer Kamera 141
7.2.3 Nur im winzigen Zentrum unseres Bildfeldes sehen wir wirklich scharf 144
7.2.4 Die Verteilung der Photorezeptoren erfolgt als Anpassung an die Lebensweise 149
7.2.5 Wer hat die schärfsten Augen? 150
7.3 Wie unsere Photorezeptoren Licht in die Sprache des Nervensystems übersetzen – die Phototransduktion 153
7.3.1 Das Außensegment ist die lichtempfindliche Antenne des Photorezeptors 153
7.3.2 Der erste Schritt beim Sehen: Ein Farbstoffmolekül im Photorezeptor absorbiert das Lichtquant 155
7.3.3 Die elektrische Lichtantwort unserer Photorezeptoren ist außergewöhnlich 156
7.3.4 Unsere Photorezeptoren – die etwas anderen Zellen 158
7.3.5 Ein Stäbchen kann zwar auf ein Lichtquant reagieren, wahrnehmen können wir ein einzelnes Lichtquant aber nicht 161
7.3.6 Besser als jeder fotografische Film: Die Anpassungsleistung der Netzhaut 161
7.3.7 Immer in Bewegung bleiben – wie Mikrosakkaden unsere Wahrnehmung stabilisieren 164
7.4 Farbensehen 165
7.4.1 Drei Sehpigmente in den Zapfen ermöglichen uns das Farbensehen 165
7.4.2 Die trichromatische Theorie der Farbwahrnehmung 169
7.4.3 Farbsehstörungen 169
7.4.4 Die Evolution des Farbensehens 170
7.5 Die Retina – der Rechner im Auge 173
7.5.1 Die Netzhaut besteht nicht nur aus Photorezeptoren 173
7.5.2 Die Information wird im retinalen Netzwerk weiterverarbeitet 174
7.5.3 Die Sprache der Ganglienzellen 176
7.5.4 Vorteil eins: Objekttrennung durch Kontrastverschärfung! 178
7.5.5 Vorteil zwei: Die Informationsflut wird reduziert 180
7.5.6 Vorteil drei: Unabhängig werden von der Beleuchtung 181
7.5.7 Wie die Antwort im Zentrum des rezeptiven Feldes erzeugt wird 185
7.5.8 Wie die Retina durch laterale Hemmung rezeptive Felder erzeugt 185
7.5.9 Ganglienzellen sind neuronale Filter 187
7.5.10 Auf ins Gehirn! 191
7.6 Eine Reise durch das Sehsystem 191
7.6.1 Von der Retina bis zur primären Sehrinde 191
7.6.2 Die Sehrinde ist hochorganisiert 194
7.6.3 Die meisten rezeptiven Felder in der primären Sehrinde reagieren auf Kanten und Linien 195
7.6.4 Jenseits der primären Sehrinde 199
7.6.5 Der dorsale Pfad: Die Wo-wie-wohin-Bahn 200
7.6.6 Der ventrale Pfad: die Was-Bahn 201
7.6.7 Wo, bitte, geht’s zur Großmutterzelle? 203
7.6.8 Andere Lösungen: Komplexaugen 205
Weiterführende Literatur 208
8: Hören 209
8.1 Bei Nacht im Kreidewald 210
8.2 Schall hören 211
8.2.1 Von der Schallquelle in das Ohr 211
8.2.2 Die Vielfalt des Hörens: Töne, Klänge, Geräusche 213
8.3 Cochlea – die tonotope Hörschnecke 214
8.3.1 Resonanz und Wanderwellen 214
8.3.2 Aufbau der Cochlea 215
8.3.3 Der Verstärker des Corti-Organs 217
8.3.4 Innere Haarzellen – empfindlicher geht es nicht 219
8.3.5 Die mechanoelektrische Transduktion 223
8.3.6 Haarzellen übertragen ihr Signal auf Nervenfasern 225
8.4 Unsere Hörwelt 227
8.4.1 Schallortung 227
8.4.2 Die Wahrnehmung von Sprache 231
8.4.3 Musik – der direkte Weg zur Emotion 235
8.5 Die Hörwelt der anderen: Echoortung 238
8.5.1 „Sehen mit den Ohren“ 238
8.5.2 Die Kunst der Echoortung 240
8.5.3 Angewandte Physik – die Fledermaus nutzt den Dopplereffekt 244
8.6 Andere Lösungen: Mit den Knochen hören 246
Weiterführende Literatur 249
9: Orientierung und Navigation 250
9.1 Wo bin ich? 251
9.2 Die Orientierung an chemischen Signalen 252
9.3 Visuelle Orientierung 255
9.3.1 Sonne und Polarstern dienen als Orientierungshilfe 255
9.3.2 Die Detektion von polarisiertem Licht 257
9.4 Der magnetische Kartensinn 260
9.4.1 Das Magnetfeld der Erde 260
9.4.2 Magnetsinn bei Vögeln 264
Weiterführende Literatur 271
10: Tasten und Fühlen 272
10.1 Unsere Haut 273
10.2 Tasthaare 276
10.3 Schmerz – Warnung und Leid 278
10.4 Kälte, Wärme, Infrarot 288
Weiterführende Literatur 292
11: Unsere Innenwelt 294
11.1 Regelkreise organisieren den Körper 295
11.2 Muskelspindeln 297
11.3 Der Gleichgewichtssinn 298
11.4 Ausleuchtung der Innenwelt: Die Endorezeptoren 301
Weiterführende Literatur 304
12: Wahrnehmung 305
12.1 Was ist Wahrnehmung? 307
12.1.1 Der erste Schritt: Wahrnehmung ist indirekt – unser Gehirn muss die Umwelt deshalb rekonstruieren 308
12.1.2 Der zweite Schritt zur Wahrnehmung: Die Rekonstruktion unserer Umwelt erfolgt nicht „wertfrei“ – unser Gehirn stellt eine Hypothese über die Umwelt auf 309
12.2 Prinzipien der Objekterkennung 312
12.2.1 Das Gehirn nutzt zur Wahrnehmung von Objekten einfache Prinzipien 312
12.3 Trennung von Objekt und Hintergrund 317
12.3.1 Unser Gehirn „übertreibt“ beim Trennen von Objekt und Hintergrund 317
12.3.2 Wettstreit der Strategien 318
12.3.3 Scheinkonturen – wir sehen etwas, das gar nicht ist 319
12.4 Wahrnehmung von Bewegung 320
12.4.1 Bewegung ist einer der wichtigsten Parameter in einer belebten Umwelt 320
12.4.2 Wer bewegt sich – du oder ich? 321
12.5 Wahrnehmung von Tiefe 324
12.5.1 Wie erzeugt unser Gehirn eine dreidimensionale Wahrnehmung aus einem zweidimensionalen Retinabild? 324
12.5.2 Auch ein zweidimensionales Bild kann Tiefeninformation enthalten 324
12.5.3 Erst das Sehen mit zwei Augen erlaubt die optimale Tiefenwahrnehmung 325
12.5.4 Die Wunderwelt des Stereogramms 327
12.5.5 Zufallspunktbilder – Tiefe aus dem Rauschen 329
12.5.6 Das Pulfrich-Pendel – oder: Täuschung ist die Wahrnehmung einer falschen Hypothese 330
12.6 Wahrnehmung von Größe 333
12.6.1 Das Prinzip der Größenkonstanz – damit aus Riesen keine Zwerge werden 333
12.6.2 Wenn Kugeln wachsen und schrumpfen – Größenkonstanz beim Pulfrich-Pendel 336
12.7 Wettstreit der Sinne, Körpertausch, Magie und andere Illusionen 337
12.7.1 Das Gehirn sucht aktiv nach Information 337
12.7.2 Wahrnehmung ist ein Erinnerungsprozess 338
12.7.3 Zur lückenlosen, geordneten Wahrnehmung muss das Gehirn unser Zeitempfinden bei der Wahrnehmung manipulieren 339
12.7.4 Unser Gedächtnis ist die tragende Säule unserer Wahrnehmung 340
12.7.5 „Blinde hören besser als Sehende“ – Mythos oder Wirklichkeit? 343
12.7.6 Ist die Wahrnehmung des eigenen Körpers auch nur ein Konstrukt unseres Gehirns? 344
12.7.7 Wahrnehmung ist abhängig von unserer Aufmerksamkeit 345
12.7.8 Selektive Aufmerksamkeit führt zur Blindheit für andere Reize 347
12.7.9 Aufmerksamkeit verändert die Physiologie des Gehirns 348
12.7.10 Wahrnehmungsexperten der besonderen Art 350
12.7.11 Im Gleichschritt zur Wahrnehmung 351
12.7.12 Was wir von Patienten mit Wahrnehmungsstörungen lernen können 353
Weiterführende Literatur 355
13: Anhang 356
13.1 Herstellung von Masken 357
13.2 Die versteckte Maus 357
13.3 Die Täuschung nach Koffka 358
13.4 Suchbilder 358
13.5 Gedankenlesen aus der Ferne 358
Glossar 365
Stichwortverzeichnis 373