Die Photorezeptoren auf der Netzhaut (Zapfen und Stäbchen)

In der Dämmerung sind „alle Katzen grau“. Schließlich erkennt das menschliche Auge bei geringer Helligkeit lediglich Formen, Umrisse und Grautöne. Erst wenn die Lichtintensität in der Umgebung zunimmt, kann das Auge Farben unterscheiden. Für diese verschiedenen Eindrücke sind lichtempfindliche Sinneszellen auf der Netzhaut verantwortlich. Sie wandeln Lichtreize in elektrische Impulse für die Bilderkennung um.

zapfen

Was sind Photorezeptoren?

In der Netzhaut (Retina) gibt es zwei Typen von Sinneszellen, die auf verschiedene Wellenlängen des Lichts reagieren. Sie sind elementar für die Bilderkennung. Während die zapfenförmigen Zellen auf Tageslicht ansprechen (photopisches Sehen), sind die sogenannten Stäbchen dem Sehen bei niedrigen Leuchtdichten angepasst (skotopisches Sehen). Beide lichtempfindlichen Zelltypen der Netzhaut werden als Photorezeptoren bezeichnet und arbeiten trotz unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit bei normalen Lichtverhältnissen gleichermaßen.

Zapfen und Stäbchen verteilen sich in der Netzhaut nicht gleichmäßig. In der Peripherie befinden sich in erster Linie Stäbchen. Im Zentrum – dem sogenannten Gelben Fleck (Makula) – häufen sich die Zapfen. Das ist auch der Grund, warum am Rande des Gesichtsfelds die Sehschärfe abnimmt und man Farben schwächer wahrnimmt. Denn die Farberkennung und das scharfe Sehen sind die Spezialdisziplin der Zapfen.

Wie sind die Zapfen und Stäbchen aufgebaut?

Stäbchen und Zapfen ähneln sich im Aufbau, die zapfenförmigen Sinneszellen besitzen jedoch dickere und die stäbchenförmigen dünnere Außensegmente. Die Außensegmente enthalten die für die jeweiligen Photorezeptoren spezifischen Sehfarbstoffe (Rhodopsin), die das Licht aufnehmen. In den Innensegmenten der Sinneszellen findet der Stoffwechsel statt. Hier befindet sich auch der Zellkern. Die Synapse liegt an der Basis des Innensegments. Hier stehen die Photorezeptoren in Wechselwirkung mit Bipolar- oder Horizontalzellen.

Wie viele Zapfen und Stäbchen gibt es?

Pro Netzhaut gibt es rund 6 Millionen Zapfen. Dabei werden 3 Zapfentypen unterschieden: S-, L- und M-Zapfen. Sie kommen in unterschiedlicher Häufigkeit in der Netzhaut vor und reagieren unterschiedlich stark auf verschiedenfarbiges Licht.

  • S-Zapfen reagieren auf kurzwelliges Licht, was farblich der Farbe Blau entspricht.
  • M-Zapfen nehmen Licht mittlerer Wellenlänge wahr, also im grünen Spektralbereich.
  • L-Zapfen absorbieren langwelliges Licht (Rot und Gelb).

Reizt eine Farbe mehrere Photorezeptoren unterschiedlich stark, entstehen Mischfarben wie Orange oder Türkis.

Die Zapfen erreichen ihre höchste Dichte im Bereich der Fovea centralis. Sie enthält ungefähr 10% aller in der Netzhaut befindlichen Zapfen. In der Foveola sind nur M- und L-Zapfen vorhanden. S-Zapfen gibt es hier nicht. Außerhalb der auch Sehgrube genannten Fovea centralis nimmt die Dichte der Zapfen sehr schnell ab.

Die Stäbchen sind deutlich zahlreicher als die Zapfen. Zwischen 120 und 130 Millionen Stäbchen befinden sich auf der Netzhaut, wobei die genaue Anzahl von Mensch zu Mensch variiert. Die höchste Dichte an Stäbchen besteht in einer ringförmigen Zone, die etwa 3 mm von der Fovea centralis entfernt liegt. In der Sehgrube sind keine Stäbchen vorhanden.

Welche Funktion erfüllen Photorezeptoren?

Die Zapfen ermöglichen das Sehen bei Tageslicht. Sie bilden die Grundlage für die Farbwahrnehmung und sind im Gegensatz zu den Stäbchen zu einer hohen Sehschärfe fähig. Da die Zapfen in der Fovea centralis eine hohe Dichte erreichen und auch die Zahl der anschließenden Nervenzellen besonders hoch ausfällt, sieht das menschliche Auge in diesem Bereich sehr scharf.

Die Stäbchen sind ausschließlich für die Hell-Dunkel-Wahrnehmung zuständig. Sie sind sehr lichtempfindlich und besitzen daher die Fähigkeit, schon bei geringer Lichtintensität verwertbare Nervenimpulse für das Gehirn zu erzeugen. Allerdings erzielen Stäbchen nur eine geringe Sehschärfe.

Der Mechanismus der Photorezeption

Die Außenglieder der Photorezeptoren sind der Ort, in dem die sogenannte Phototransduktion stattfindet. Wenn Licht ins Auge einfällt, wird in den Außensegmenten der Sinneszellen ein elektrisches Signal erzeugt. Dieses wird zu den nachfolgenden Nervenzellen geleitet und gelangt über die Sehbahn ins Gehirn. Die Reize entstehen, indem in den Sinneszellen die jeweiligen lichtempfindlichen Sehfarbstoffe zerfallen. Sie werden nach ihrem Absorptionsmaximum unterschieden und damit in ihrer Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Wellenlängen.

Mögliche Erkrankungen

Es gibt verschiedene Erkrankungen, die mit defekten Photorezeptoren zusammenhängen. Dazu gehören unter anderem:

Quellen

Andreas Berke: Biologie des Auges. Mainz: WVAO, 1999 (2. Auflage).

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