Fotorezeptoren

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 2. November 2016
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Die Fotorezeptoren sind lichtspezialisierte Sinneszellen auf der menschlichen Netzhaut. Sie absorbieren verschiedene elektromagnetische Lichtwellen und wandeln diese Reize in bioelektrische Erregung um. Bei Erbkrankheiten wie der Retinitis pigmentosa oder der Zapfen-Stäbchen-Dystrophie gehen die Fotorezeptoren Stück für Stück zugrunde, bis Blindheit eintritt.

Inhaltsverzeichnis

Was sind Fotorezeptoren?

Fotorezeptoren sind lichtempfindliche Sinneszellen, die auf den Sehvorgang spezialisiert sind. Aus Licht entsteht in den Sinneszellen des Auges ein elektrisches Spannungspotenzial. Das menschliche Auge enthält drei verschiedene Arten von Fotorezeptoren.

Neben den Stäbchen zählen die Zapfen und die fotosensitiven Ganglienzellen dazu. Die Biologie unterscheidet zwischen den Fotozellen von Wirbeltieren und wirbellosen Tieren. In den Fotozellen der Wirbellosen findet Depolarisation statt. Das heißt, die Zellen reagieren auf Licht mit einer Erniedrigung der Spannung. In denen von Wirbeltieren findet dagegen Hyperpolarisation statt. Ihre Fotorezeptoren sorgen bei Lichteinfall also für eine Erhöhung der Spannung.

Anders als die von wirbellosen Tieren sind die Fotorezeptoren von Wirbeltieren sekundäre Rezeptoren. Die Umwandlung des Reizes in ein Aktionspotenzial findet bei ihnen also erst außerhalb des Rezeptors statt. Neben Menschen und Tieren enthalten auch Pflanzen Fotorezeptoren, um sich dem Lichteinfall entgegen richten zu können.

Anatomie & Aufbau

Von den Stäbchen gibt es auf der Netzhaut des Auges etwa 120 Millionen. Die Zapfen summieren sich zu rund 6 Millionen von etwa einer Million Ganglienzellen im Auge ist etwa ein Prozent lichtempfindlich. Die lichtempfindlichsten Fotorezeptoren sind die Stäbchen. Der blinde Fleck des Auges enthält außer den Zapfen keine Rezeptoren.

Daher müsste der Mensch eigentlich ein Loch sehen, wo der blinde Fleck liegt. Das ist nur deshalb nicht der Fall, weil das Gehirn die Lücke mit Wahrnehmungserinnerungen auffüllt. Die Stäbchen der Netzhaut enthalten sogenannte Disks. Die Zapfen enthalten dagegen Membranfaltungen. In diesen Bereichen sind sie mit dem sogenannten Sehpurpur ausgestattet. Insgesamt sind Stäbchen und Zapfen ähnlich strukturiert. Sie weisen je ein Außensegment auf, in dem ihre wichtigsten Aufgaben erledigt werden.

Die Außensegmente der Zapfen sind konisch geformt und fallen breiter aus, als die langen und schmalen Außensegmente der Stäbchen. Eine Zilie, also Plasmamembranausstülpung, verbindet je die Außen- und Innensegmente der Rezeptoren. Die Innensegmente bestehen je aus dem Ellipsoid und einem Myoid mit endoplasmatischem Retikulum. Die äußere Körnerschicht der Fotorezeptoren verbindet den Zellkörper mit dem Zellkern. Am Zellkörper setzt je ein Axon mit synaptischem Ende in Band- oder Plattenform an. Diese Synapsen werden auch Ribbons genannt.

Funktion & Aufgaben

Die elektromagnetischen Wellen des Lichts werden von den Fotorezeptoren des menschlichen Auges in bioelektrische Erregung umgewandelt. Die Funktion aller drei Arten der Fotorezeptoren ist damit die Absorption und Umwandlung von Licht. Dieser Vorgang ist auch als Fototransduktion bekannt. Die Rezeptoren nehmen dazu die Photonen des Lichts auf und bringen eine komplexe, biochemische Reaktion in Gang, um das Membranpotenzial zu verändern. Die Veränderung des Potenzials entspricht bei Wirbeltieren einer Hyperpolarisation.

Die drei unterschiedlichen Rezeptorarten weisen verschiedene Absorptionsgrenzen auf und unterscheiden sich so hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit für bestimmte Wellenlängen. Grund dafür ist vor allem der unterschiedliche Sehfarbstoff in den einzelnen Zelltypen. Damit unterscheiden sich die drei Arten etwas in ihrer Funktion. Die Ganglienzellen regeln zum Beispiel den Tag-Nacht-Rhythmus. Die Stäbchen und Zapfen spielen dagegen für die Bilderkennung eine Rolle. Die Stäbchen sind vor allem für das Hell-Dunkel-Sehen zuständig.

Die Zapfen spielen dagegen nur bei Tageslicht eine Rolle und ermöglichen die Farberkennung. Die Fototransduktion findet je in den Außensegmenten der Fotozellen statt. In der Dunkelheit befinden sich die meisten Fotorezeptoren im ungereizten Zustand und weisen durch ihre offenen Natriumkanäle ein niedriges Ruhemembranpotenzial auf. Sie setzen in Ruhe permanent den Neurotransmitter Glutamat frei. Sobald aber Licht in das Auge fällt, schließen sich die offenen Natriumkanäle. Dabei steigt das Potenzial der Zellen und eine Hyperpolarisation findet statt.

Während dieser Hyperpolarisation wird die Aktivität des Rezeptors gehemmt und weniger Transmitter werden freigesetzt. Diese rückläufige Ausschüttung von Glutamat öffnet die Ionenkanäle der nachgeschalteten Bipolar- und Horizontalzellen. Der Impuls der Fotorezeptoren wird über die offenen Kanäle an die Nervenzellen übertragen, die daraufhin selbst Ganglien- und Amakrinzellen aktivieren. So wird das Signal der Rezeptoren bis ans Gehirn geleitet, wo es unter Zuhilfenahme der Seherinnerungen ausgewertet wird.

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Krankheiten

Im Hinblick auf die Fotorezeptoren des menschlichen Auges können vielerlei Beschwerden und Krankheiten auftreten. Viele davon äußern sich als fortschreitender Verlust des Augenlichts. Die Zapfen-Stäbchen-Dystrophien ist beispielsweise eine Form der erblichen Netzhautdystrophie, die die Fotorezeptoren zugrunde gehen lässt.

Der Patient verliert bei dieser Erbkrankheit durch Netzhaut-Pigment-Ablagerungen kontinuierlich Zapfen und Stangen. Dieser Prozess äußerst sich in der Frühphase als verminderte Sehschärfe, steigende Lichtempfindlichkeit und angehende Farbenblindheit. Die Sensibilität im zentralen Gesichtsfeld vermindert sich. Im späteren Verlauf greift die Erkrankung auch das periphere Gesichtsfeld an. Symptome wie Nachtblindheit können sich einstellen. Nach geraumer Zeit erblindet der Patient wahrscheinlich vollständig.

Von dieser Erkrankung zu unterscheiden ist die Retina pigmentosa, die auch als Stäbchen-Zapfen-Dystrophie bekannt ist. Bei dieser Form der Netzhauterkrankung treten im Endeffekt zwar dieselben Symptome ein, wie bei der Zapfen-Stäbchen-Dystrophie, die Symptome verlaufen aber jeweils umgekehrt. Das heißt, dass dich die Retinitis pigmentosa zuerst in Nachtblindheit äußert, während die Nachtblindheit für die Zapfen-Stäbchen-Krankheit erst im späteren Verlauf symptomatisch ist.

Der Verlauf der Retina pigmentosa ist in der Regel weniger schwerwiegend als der der Zapfen-Stäbchen-Dystrophie. Neben diesen degenerativen Erkrankungen können die Sinneszellen des Sehwahrnehmungsapparats auch von Entzündungen betroffen sein oder durch Unfälle zu schaden kommen.

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