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Inhaltsverzeichnis
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Die Sinne - unsere Fenster zur Welt..........................
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1.1 Wahrnehmung findet im Gehirn statt........................................................................ 2
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1.1.1 Gefangen in der Maskenwelt......................................................................................... 2
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1.1.2 Das Gehirn, das rätselhafte Organ der Wahrnehmung................................................ 2
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1.2 Wie kommt die Welt in unseren Kopf?......................................................................... 4
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1.2.1 Von der Sinneszelle zur Wahrnehmung........................................................................ 4
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1.2.2 Wahrnehmung ist ein Urteilsakt des Gehirns............................................................... 5
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1.3 Sinneswelten................................................................................................................. 6
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1.3.1 Sinneswelt, die erste!.................................................................................................... 6
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1.3.2 Sinneswelt, die zweite!................................................................................................. 7
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1.3.3 Sinneswelt, die dritte!.................................................................................................. 9
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1.4 Vom Sinn der Sinne....................................................................................................... 9
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2 2.1 2.1.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4
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2.2.5 2.2.6 2.3
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2.3.1 2.3.2
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Die Evolution der Sinne................................................................................... 11 Die Sinne des Menschen und wie er dazu kam.......................................................... 12 Wie viele Sinne hat der Mensch?.................................................................................. 12 Die Evolution der Sinne............................................................................................... 14 Die Evolution ist der Motor für die Weiterentwicklung des Lebens.............................. 14 Das Prinzip der Zucht - die künstliche Auswahl.......................................................... 16 Das Prinzip der Evolution - die natürliche Auslese....................................................... 17 Die Eigenschaften unserer Sinnessysteme und die Verarbeitungsstrategien unseres Gehirns sind ein Produkt der Evolution.......................................................... 20 Kinder der Evolution...................................................................................................... 24 „Wer hat's erfunden?".................................................................................................... 26 Jeder auf seine Art - die Leistungen unserer Sinne sind höchst unterschiedlich............................................................................................................ 27 Zwei Sinne im Vergleich............................................................................................... 27 Vom Sinnesreiz zum Verhalten..................................................................................... 29 Weiterführende Literatur............................................................................................. 31
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3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3
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3.3.1 3.3.2
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3.3.3 3.4
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Die Sprache der Nervenzellen - und wie man sie versteht....................... 33 Labor eines Neurowissenschaftlers............................................................................. 35 Labor 1: Die wunderbare Welt der Nervenzelle......................................................... 37 Nervenzellen sind die Funktionseinheiten des Gehirns............................................... 37 Aufbau einer Nervenzelle............................................................................................. 37 Was macht die Nervenzelle zur Nervenzelle?............................................................... 40 Warum können Nervenzellen Signale übertragen?..................................................... 44 Labor 2: Von Ionen und Membranen - wie Nervenzellen eine elektrische Spannung aufbauen.................................................................................................... 45 Ionen sind die Grundlage für elektrische Signale inNervenzellen............................... 45 lonenpumpen bauen Unterschiede zwischen dem Inneren der Zelle und ihrer Umgebung auf.............................................................................................................. 47 lonenkanäle sind elektrische Schalter in der Zellmembran.......................................... 48 Labor 3: Aktionspotenziale sind die Sprache unseres Nervensystems.................... 51
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VI
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Inhaltsverzeichnis
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3.4.1 3.4.2 3.5 3.5.1 3.6 3.6.1
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3.6.2 3.6.3
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Die Membranspannung spiegelt die Aktivität einer Nervenzelle wider........................ 51
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Aktionspotenziale leiten Signale über lange Strecken................................................. 52
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Labor 4: Wie Nervenzellen Information austauschen................................................. 58
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Synapsen übertragen die Information chemisch......................................................... 58
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Labor 5: Wie man mit Nervenzellen einen Hochleistungsrechner baut.................... 61
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Die Grundlagen des neuronalen Rechnens: Konvergenz und Divergenz,
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Erregung und Hemmung.............................................................................................. 61
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Der Rechner in der Nervenzelle....................................................................
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64
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Die schreckhafte Maus oder die Rückwärtshemmung alsNotbremse.......................... 66
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Weiterführende Literatur.............................................................................................. 67
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4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3
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4.1.4
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4.2 4.2.1 4.3 4.3.1
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4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3
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Von der Sinneszelle zum Gehirn..................................................................... 69 Vom Reiz zum elektrischen Signal - die Signalwandlung.......................................... 70 Eine komplizierte Aufgabe............................................................................................ 70 Sinneszellen besitzen ein spezialisiertes Außensegment............................................. 70 Die einfachste Art der Signalwandlung: Rezeptor und lonenkanal sind in einem Protein zusammengefasst.................................................................................. 71 Signalwandlung mit dem Baukastensystem - die G-Protein-gekoppelte Signalkaskade................................................................................................................. 72 Adaptation.................................................................................................................... 76 Sinneszellen passen sich an die Umgebung an - sie adaptieren.................................. 76 Codierung der Sinnesinformation............................................................................... 77 Sinnesreize werden in der Abfolge von Aktionspotenzialen codiert und an das Gehirn geschickt..................................................................................................... 77 Die geordnete Verschaltung der Sinnesinformation................................................. 78 Ordnung im Strom der Sinnesinformation................................................................... 78 Ordnung auf höchster Ebene - die topografische Abbildung..................................... 81 Die Sinnesinformation wird gefiltert............................................................................. 81 Weiterführende Literatur.............................................................................................. 82
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Schmecken......................................................................................................... 83
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5.1 Vom Sinn des Schmeckens........................................................................................... 84
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5.2 Geschmackszellen überprüfen die Nahrung.............................................................. 86
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5.3 Sauer und salzig: lonenkanäle auf der Zunge............................................................ 86
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5.4 Bittere Gifte.................................................................................................................. 91
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5.5 Köstlicher Geschmack: Süß und umami....................................................................... 94
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5.6 Der „Scharfgeschmack" ist eigentlich ein Schmerzreiz............................................. 96
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5.7 Die Geschmacksempfindung....................................................................................... 98
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5.8 Andere Lösungen.......................................................................................................... 99
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Weiterführende Literatur................................................................................................100
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6
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Riechen................................................................................................................. 101
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6.1 Die Vielfalt der Gerüche ist grenzenlos........................................................................ 102
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6.2 Riechzellen in der Nase delektieren Duftstoffe........................................................... 103
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6.3 Im Gehirn entstehen Geruchsbilder..............................................................................110
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6.4 Bleib jung! Das Riechsystem erneuert sich selbst........................................................112
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6.5 Das Riechen mit Zilien................................................................................................... 112
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VII Inhaltsverzeichnis
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6.6 Pheromone organisieren das Sozialleben...................................................................114 6.7 Was uns an Gerüchen interessiert.................................................................................119 6.8 Leben, ohne zu riechen................................................................................................. 123
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Weiterführende Literatur................................................................................................123
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7 Sehen.....................................................................................................................125 7.1 Augen auf - und dann?.................................................................................................128 7.1.1 Ball, Satz und Sieg!......................................................................................................... 128 7.1.2 Betrachten wir die Sache mit dem Sehen mal bei Licht.................................................128 7.1.3 Was wir in diesem Kapitel sehen werden........................................................................130 7.1.4 Was ist eigentlich Licht?................................................................................................. 131 7.2 Das Auge..........................................................................................................................132 7.2.1 „Ich seh dir in die Augen, Kleines!"..................................................................................132 7.2.2 Auf den ersten Blick ähnelt unser Auge einer Kamera....................................................134 7.2.3 Nur im winzigen Zentrum unseres Bildfeldes sehen wir wirklich scharf........................137 7.2.4 Die Verteilung der Photorezeptoren erfolgt als Anpassung an die Lebensweise........ 142 7.2.5 Wer hat die schärfsten Augen?.......................................................................................143 7.3 Wie unsere Photorezeptoren Licht in die Sprache des Nervensystems
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übersetzen - die Phototransduktion............................................................................146 7.3.1 Das Außensegment ist die lichtempfindliche Antenne des Photorezeptors...............146 7.3.2 Der erste Schritt beim Sehen: Ein Farbstoffmolekül im Photorezeptor absorbiert
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das Lichtquant................................................................................................................148 7.3.3 Die elektrische Lichtantwort unserer Photorezeptoren ist außergewöhnlich............. 149 7.3.4 Unsere Photorezeptoren - die etwas anderen Zellen....................................................151 7.3.5 Ein Stäbchen kann zwar auf ein Lichtquant reagieren, wahrnehmen können
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wir ein einzelnes Lichtquant aber nicht..........................................................................154 7.3.6 Besser als jeder fotografische Film: Die Anpassungsleistung der Netzhaut...................154 7.3.7 Immer in Bewegung bleiben - wie Mikrosakkaden unsere Wahrnehmung
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stabilisieren.....................................................................................................................157 7.4 Farbensehen...................................................................................................................158 7.4.1 Drei Sehpigmente in den Zapfen ermöglichen uns das Farbensehen........................... 158 7.4.2 Die trichromatische Theorie der Farbwahrnehmung......................................................162 7.4.3 Farbsehstörungen...........................................................................................................162 7.4.4 Die Evolution des Farbensehens......................................................................................163 7.5 Die Retina - der Rechner im Auge................................................................................. 166 7.5.1 Die Netzhaut besteht nicht nur aus Photorezeptoren.................................................... 166 7.5.2 Die Information wird im retinalen Netzwerk weiterverarbeitet..................................... 167 7.5.3 Die Sprache der Ganglienzellen......................................................................................169 7.5.4 Vorteil eins: Objekttrennung durch Kontrastverschärfung!............................................171 7.5.5 Vorteil zwei: Die Informationsflut wird reduziert............................................................ 173 7.5.6 Vorteil drei: Unabhängig werden von der Beleuchtung.................................................174 7.5.7 Wie die Antwort im Zentrum des rezeptiven Feldes erzeugt wird................................ 178 7.5.8 Wie die Retina durch laterale Hemmung rezeptive Felder erzeugt.............................. 178 7.5.9 Ganglienzellen sind neuronale Filter...............................................................................180 7.5.10 Auf ins Gehirn!.................................................................................................................184 7.6 Eine Reise durch das Sehsystem.....................................................................................184 7.6.1 Von der Retina bis zur primären Sehrinde.......................................................................184 7.6.2 Die Sehrinde ist hochorganisiert....................................................................................187
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VIII Inhaltsverzeichnis
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7.6.3
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7.6.4 7.6.5 7.6.6 7.6.7 7.6.8
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Die meisten rezeptiven Felder in der primären Sehrinde reagieren auf Kanten und Linien........................................................................................................................188 Jenseits der primären Sehrinde......................................................................................192 Der dorsale Pfad: Die Wo-wie-wohin-Bahn.....................................................................193 Der ventrale Pfad: die Was-Bahn......................................................................................194 Wo, bitte, geht's zur Großmutterzelle?............................................................................196 Andere Lösungen: Komplexaugen...................................................................................198 Weiterführende Literatur................................................................................................201
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8 8.1 8.2 8.2.1 8.2.2 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5 8.3.6 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.5 8.5.1 8.5.2 8.5.3 8.6
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Hören.................................................................................................................... 203 Bei Nacht im Kreidewald................................................................................................204 Schall hören....................................................................................................................205 Von der Schallquelle in das Ohr......................................................................................205 Die Vielfalt des Hörens: Töne, Klänge, Geräusche...........................................................207 Cochlea - die tonotope Hörschnecke............................................................................ 208 Resonanz und Wanderwellen.........................................................................................208 Aufbau der Cochlea........................................................................................................209 Der Verstärker des Corti-Organs......................................................................................211 Innere Haarzellen - empfindlicher geht es nicht.............................................................213 Die mechanoelektrische Transduktion............................................................................217 Haarzellen übertragen ihr Signal auf Nervenfasern........................................................219 Unsere Hörwelt...............................................................................................................221 Schallortung....................................................................................................................221 Die Wahrnehmung von Sprache......................................................................................225 Musik - der direkte Weg zur Emotion............................................................................. 229 Die Hörwelt der anderen: Echoortung..........................................................................232 „Sehen mit den Ohren"...................................................................................................232 Die Kunst der Echoortung..............................................................................................234 Angewandte Physik - die Fledermaus nutzt den Dopplereffekt................................... 238 Andere Lösungen: Mit den Knochen hören..................................................................240 Weiterführende Literatur................................................................................................243
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9 9.1 9.2 9.3 9.3.1 9.3.2 9.4 9.4.1 9.4.2
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Orientierung und Navigation............................................................................245 Wo bin ich?......................................................................................................................246 Die Orientierung an chemischen Signalen................................................................... 247 Visuelle Orientierung.....................................................................................................250 Sonne und Polarstern dienen als Orientierungshilfe......................................................250 Die Detektion von polarisiertem Licht............................................................................252 Der magnetische Kartensinn.........................................................................................255 Das Magnetfeld der Erde................................................................................................. 255 Magnetsinn bei Vögeln...................................................................................................259 Weiterführende Literatur................................................................................................266
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10 Tasten und Fühlen........................................................................................................267 10.1 Unsere Haut....................................................................................................................268 10.2 Tasthaare.........................................................................................................................271 10.3 Schmerz - Warnung und Leid........................................................................................273
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IX Inhaltsverzeichnis
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10.4 Kälte, Wärme, Infrarot....................................................................................................283 Weiterführende Literatur...............................................................................................287
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11
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Unsere Innenwelt...............................................................................................289
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11.1 Regelkreise organisieren den Körper...........................................................................290
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11.2 Muskelspindeln..............................................................................................................292
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11.3 Der Gleichgewichtssinn................................................................................................ 293
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11.4 Ausleuchtung der Innenwelt: Die Endorezeptoren.....................................................296
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Weiterführende Literatur...............................................................................................299
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12 Wahrnehmung....................................................................................................301 12.1 Was ist Wahrnehmung?.................................................................................................303 12.1.1 Der erste Schritt: Wahrnehmung ist indirekt - unser Gehirn muss die Umwelt
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deshalb rekonstruieren...................................................................................................304 12.1.2 Der zweite Schritt zur Wahrnehmung: Die Rekonstruktion unserer Umwelt
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erfolgt nicht „wertfrei" - unser Gehirn stellt eine Hypothese über die Umwelt auf.... 305 12.2 Prinzipien der Objekterkennung................................................................................. 308 12.2.1 Das Gehirn nutzt zur Wahrnehmung von Objekten einfache Prinzipien....................... 308 12.3 Trennung von Objekt und Hintergrund........................................................................313 12.3.1 Unser Gehirn „übertreibt" beim Trennen von Objekt und Hintergrund..........................313 12.3.2 Wettstreit der Strategien.................................................................................................314 12.3.3 Scheinkonturen - wir sehen etwas, das gar nicht ist......................................................315 12.4 Wahrnehmung von Bewegung.................................................................................... 316 12.4.1 Bewegung ist einer der wichtigsten Parameter in einer belebten Umwelt.................... 316 12.4.2 Wer bewegt sich - du oder ich?.....................................................................................317 12.5 Wahrnehmung von Tiefe............................................................................................... 320 12.5.1 Wie erzeugt unser Gehirn eine dreidimensionale Wahrnehmung aus einem
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zweidimensionalen Retinabild?..................................................................................... 320 12.5.2 Auch ein zweidimensionales Bild kann Tiefeninformation enthalten............................ 320 12.5.3 Erst das Sehen mit zwei Augen erlaubt die optimale Tiefenwahrnehmung.................. 321 12.5.4 Die Wunderwelt des Stereogramms.............................................................................. 323 12.5.5 Zufallspunktbilder - Tiefe aus dem Rauschen...............................................................325 12.5.6 Das Pulfrich-Pendel - oder: Täuschung ist die Wahrnehmung einer falschen
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Hypothese.......................................................................................................................326 12.6 Wahrnehmung von Größe............................................................................................329 12.6.1 Das Prinzip der Größenkonstanz - damit aus Riesen keine Zwerge werden.............. 329 12.6.2 Wenn Kugeln wachsen und schrumpfen - Größenkonstanz beim Pulfrich-Pendel.... 332 12.7 Wettstreit der Sinne, Körpertausch, Magie und andere Illusionen............................333 12.7.1 Das Gehirn sucht aktiv nach Information........................................................................333 12.7.2 Wahrnehmung ist ein Erinnerungsprozess.................................................................... 334 12.7.3 Zur lückenlosen, geordneten Wahrnehmung muss das Gehirn unser
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Zeitempfinden bei der Wahrnehmung manipulieren....................................................335 12.7.4 Unser Gedächtnis ist die tragende Säule unserer Wahrnehmung................................. 336 12.7.5 „Blinde hören besser als Sehende" - Mythos oder Wirklichkeit?................................... 339 12.7.6 Ist die Wahrnehmung des eigenen Körpers auch nur ein Konstrukt
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unseres Gehirns?.............................................................................................................340 12.7.7 Wahrnehmung ist abhängig von unserer Aufmerksamkeit........................................... 341
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X
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Inhaltsverzeichnis
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12.7.8 Selektive Aufmerksamkeit führt zur Blindheit für andere Reize...................................343 12.7.9 Aufmerksamkeit verändert die Physiologie des Gehirns.............................................344 12.7.10 Wahrnehmungsexperten der besonderen Art.............................................................. 346 12.7.11 Im Gleichschritt zur Wahrnehmung............................................................................... 347 12.7.12 Was wir von Patienten mit Wahrnehmungsstörungenlernen können..........................349
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Weiterführende Literatur.............................................................................................. 351
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13
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Anhang...............................................................................................................353
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13.1 Herstellung von Masken..............................................................................................354
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13.2 Die versteckte Maus....................................................................................................354
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13.3 Die Täuschung nach Koffka......................................................................................... 355
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13.4 Suchbilder......................................................................................................................355
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13.5 Gedankenlesen aus der Ferne......................................................................................355
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Serviceteil Glossar............................................................................................................................362 Stichwortverzeichnis......................................................................................................371
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