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Menschen sind feinfühlig. Holz oder Metall? Seide oder Schleifpapier? Ein winziger Wassertropfen oder ein heftiger Windstoß? Säure oder Lauge? Solche Unterschiede können wir meist blind identifizieren. Wir können mechanische, thermische und chemische Reize erkennen, zwischen harmlosen und gefährlichen Reizen bzw. Reizintensitäten unterscheiden. Aber wie erkennen wir die physikalischen Unterschiede der taktilen Stimuli? Woher wissen wir, in welcher Richtung das Holz unter der Fingerkuppe gemasert ist? Dafür muss der mechanische Reiz zunächst von der Haut ins Hirn gelangen und dort richtig interpretiert werden. Wie wandeln wir mechanische in elektrische Energie um? Wie interpretieren wir dieses Nervensignal? Zumindest zur ersten Frage fand man 2014 einige Antworten.
Die Nervenzellen der Dorsalwurzelganglien, englisch dorsal root ganglion (DRG), gelten schon länger als die mechanischen Sensoren. Diese Neuronen des peripheren Nervensystems leiten die elektrischen Signale nur in eine Richtung, zum Rückenmark, und enden in speziellen Zellkörperchen. Es gibt verschiedene Typen der DRG-Zellen, die auf unterschiedliche Reize reagieren. Sind diese Neuronen die primären Empfänger mechanischer Stimuli? Schmerzhafte Reize werden tatsächlich direkt von speziellen Nervenzellen detektiert, den Nozizeptoren. Oder sind die primären Sensoren vielmehr die Zellkörperchen – Ruffini-Enden, Meissnerkörperchen, Pacini-Körperchen und Merkelzellen –, die auf unterschiedliche Weise mit den DRG-Neuronen verbunden sind?
Erste handfeste Nachweise dafür, dass Merkelzellen tatsächlich primäre Sensoren für mechanische Reize sind, lieferte die Arbeitsgruppe von Ardem Patapoutian, Scripps Research Institute in La Jolla, und von Ellen Lumpkin, Columbia University in New York. Merkelzellen haben quasi-synaptische Verbindungen zu DRG-Neuronen. Die Forscher zeigten nun, dass diese Zellen einen mechanischen, nicht schmerzhaften Reiz an den gekoppelten sensorischen Nerv weitergeben (Nature 509: 617-21 und 622-26). Merkelzellen erzeugen offensichtlich auf Druck einen zelleinwärts gerichteten Stromfluss, worauf sich Aktionspotenziale an den sie kontaktierenden DRG-Neuronen aufbauen. Das Strom/Spannungsverhältnis in mechanisch angeregten Merkelzellen bleibt konstant, was auf die Tätigkeit nicht-selektiver Kationenkanäle hinweist.
Tatsächlich fand man spezielle Proteine namens Piezo2, die mechanisch aktivierbare Ionenkanäle bilden. Dass Piezo2 in niedrigen Konzentrationen irgendwo in der Haut vorhanden ist, wusste man bereits. Patapoutian und seine Kollegen indes schauten bei Mäusen in die empfindlichen epidermalen Gewebe der Fußsohlen und Barthaare. Dort wird Piezo2 offensichtlich spezifisch von Merkelzellen exprimiert. In Knock-out-Mäusen ohne Piezo2 ließen sich die Merkelzellen nicht mehr mechanisch anregen.
Dass tatsächlich die Merkelzellen den mechanischen Reiz empfangen und an Neuronen weiterleiten, zeigten die Kalifornier mit Unterstützung vor allem der Neurobiologen um Gary Lewin vom Max-Delbrück-Centrum in Berlin. Berührungen an Mäusen, die keine Merkelzellen in der Haut haben, konnten keine Aktionspotenziale in den afferenten Neuronen erzeugen (Nature 516: 121-25).
Einen weiteren Beweis für die Notwendigkeit von Piezo2 fürs Fühlen lieferten Arbeiten mit humanen embryonalen Stammzellen, die zu sensorischen Neuronen ausdifferenziert wurden. Diese Differenzierung ist abhängig vom Piezo2-Protein. Zellen mit Piezo2-Deletionen waren nämlich nicht mehr mechanisch stimulierbar. Diese Erkenntnis veröffentlichten gerade erst Mitarbeiter von Jan Siemens, Universität Heidelberg, und Gary Lewin (Nature Neuroscience 18: 10-16).
Piezo2 kann aber eine so komplexe physiologische Fähigkeit wie das Fühlen nicht alleine bewerkstelligen. Weitere Moleküle, die zum richtigen Gefühl beitragen, sind etwa der spannungsgesteuerte Kaliumkanal KCNQ4 und der Transkriptionsfaktor c-Mef, um nur zwei zu nennen. KCNQ4 reagiert auf Berührung und moduliert die Intensität des Tastsinns, wie die Teams um Gary Lewin und Thomas Jentsch (Leibniz-Institut für molekulare Pharmakologie) herausfanden (Nature Neuroscience 15: 138).
Sie fanden KCNQ4 zwar weder in Pacini-Körperchen noch in Merkelzellen, dafür in Haarfollikeln und Meissnerkörperchen. Letztere reagieren auf niederfrequente Vibrationen. Menschen mit bestimmten Mutationen in diesem Kanalprotein nehmen Vibrationen besser wahr als ihre Mitmenschen. Leider machen KCNQ4-Mutationen nicht nur sensibler, sondern auch taub. Das Protein sitzt nämlich auch in den Haarzellen des Innenohrs und ist dort anscheinend unentbehrlich für die Übertragung des Schalls.
Der Transkriptionsfaktor c-Mef ist hingegen für die Ausbildung von Pacini-Körperchen verantwortlich, wie Forscher um Carmen Birchmeier und Gary Lewin vom MDC schon 2012 berichteten (Science 335: 1373-76). Pacini-Körperchen detektieren hochfrequente Vibrationen.
Im Gegensatz zur Wahrnehmung von „normalen“ Reizen nehmen wir schmerzhafte Reize übrigens ganz anders wahr, nämlich direkt mit den freien Enden spezieller peripherer sensorischer Neuronen, den Nozizeptoren. Dies auch nur annähernd umfassend zu beschreiben, würde allerdings ein weiteres Laborjournal-Stichwort füllen.