Die menschliche Wahrnehmung beruht auf der Nutzung verschiedener Sinnesorgane, die uns ermöglichen, die Welt um uns herum zu erfassen. Neben den bekannten Sinnen wie Gehör, Geschmack, Sehen, Geruch und Tastsinn gibt es noch weitere, die uns dabei helfen, unsere Umgebung wahrzunehmen. Aristoteles beschrieb bereits den Temperatursinn, die Schmerzempfindung, den Gleichgewichtssinn und die Körperempfindung. Auch im Tierreich gibt es eine Vielzahl weiterer Sinne wie die Reaktion auf UV-Licht, polarisiertes Licht, das Erdmagnetfeld, elektrische Felder und Wärmefelder.
Die Aufnahme und Umwandlung von Reizen in Nervensignale erfolgt durch spezialisierte Sinneszellen, die in komplexen Organen, den Sinnesorganen, integriert sind. Ein Beispiel dafür ist der Geruchssinn, der uns ermöglicht, Gerüche wahrzunehmen. Dabei nehmen Sinneszellen Reize aus der Umwelt auf und wandeln sie in Erregung um. Adäquate Reize wie Licht, Druck, pH-Wert, Geschmack und Temperatur erzeugen bereits bei minimaler Reizenergie eine Erregung. In Sinneszellen unterscheidet man zwischen Foto-, Mechano-, Chemo- und Thermorezeptoren. Die Reize werden von speziellen sensorischen Rezeptoren erfasst und bewirken eine Veränderung des Membranpotenzials. Diese Potenzialveränderung wird als Rezeptor-Potenzial bezeichnet.
Die Umwandlung von Reizinformationen in ein neurales Signal nennt man Transduktion. Dabei löst ein Reiz am Rezeptor eine Veränderung des Ruhepotenzials aus, was zu einer Depolarisation oder Hyperpolarisation führt. Die Intensität des einwirkenden Reizes wird in der Amplitude des Rezeptorpotenzials abgebildet. Je stärker der Reiz, desto größer das Rezeptorpotenzial. Diese Potenzialänderung entsteht durch die Öffnung oder Schließung bestimmter Ionenkanäle in der Rezeptormembran. Unterschiedliche Rezeptortypen reagieren auf unterschiedliche Weise auf den Reiz. Rezeptoren bilden ein Rezeptorpotenzial nur dann aus, wenn die Reizstärke einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Bei anhaltender Reizung zeigen Rezeptoren je nach Typ ein unterschiedliches Verhalten.
Die Codierung von eingehenden Reizen erfolgt durch Transformation des Rezeptorpotenzials in eine Abfolge von Aktionspotenzialen (APs). Die Frequenz der APs ist abhängig von Höhe und Dauer des Rezeptorpotenzials. Nur überschwellige Rezeptorpotenziale werden in APs umgewandelt, und mehrere unterschiedliche Potenziale können zu einem überschwelligen Potenzial aufsummiert werden.
Es gibt verschiedene Arten von Rezeptoren, die auf unterschiedliche Weise auf Reize reagieren. Tonische Rezeptoren zeigen über die gesamte Reizdauer konstante Erregungsmuster, während phasische Rezeptoren kurzzeitig auf Reize reagieren und dann auf das Nullniveau zurückfallen. Phasisch-tonische Rezeptoren adaptieren langsam an den Reiz und kodieren sowohl Reizänderungen als auch Reizstärke. Spontanaktive Rezeptoren geben auch ohne Reizung ständig Aktionspotenziale ab und spielen eine wichtige Rolle bei der Wahrnehmung von Reizen unterschiedlicher Richtung.
Sinneszellen wandeln adäquate Reize in elektrische Erregungsmuster um, indem sie die Durchlässigkeit ihrer Membran für Ionen verändern und das Membranpotenzial ändern. Ein Beispiel dafür ist die Transduktion im Geruchssinn, bei der ein Geruchsmolekül an einen spezifischen Rezeptor bindet und über ein Second-Messenger-System die Öffnung von Porenproteinen und den Fluss von Ionen bewirkt. Durch diese Umwandlung kann bereits ein einzelnes Geruchsmolekül eine Zellantwort auslösen, und die Stärke des Rezeptorpotenzials ist proportional zur Reizintensität.
Neben den Chemorezeptoren, die durch Moleküle angeregt werden, gibt es auch Mechanorezeptoren, die auf mechanische Einflüsse reagieren. Verformungen von Kanalproteinen bewirken dabei eine Änderung der Kanalkonformation und einen Ionenfluss.
Es gibt drei Arten von Sinneszellen: primäre Sinneszellen, Sinnesnervenzellen und sekundäre Sinneszellen. Primäre Sinneszellen breiten das Rezeptorpotenzial bis zum Axonhügel aus und erzeugen Aktionspotenziale. Sinnesnervenzellen initiieren Aktionspotenziale direkt an den Dendriten, da die Dendritenregion direkt mit dem Axon verbunden ist. Sekundäre Sinneszellen hingegen besitzen kein Axon und können daher keine Aktionspotenziale bilden. Erst in der nachgeschalteten Nervenzelle können diese entstehen.
In der Netzhaut sorgt eine spezielle Verschaltung der Lichtsinneszellen für eine Kontrastverstärkung. Bipolarzellen leiten die Erregung von Lichtsinneszellen elektronisch auf Neurone weiter. Gleichzeitig wirken die Horizontalzellen hemmend auf benachbarte Lichtsinneszellen ein, was zu einer seitlichen Hemmung führt. Diese laterale Inhibition bewirkt eine Kontrastverstärkung, sodass an hellen Flächen ein doppelt so starker Reiz wirkt wie an dunklen Flächen. Diese Verschaltung sorgt dafür, dass in den weitergeleiteten Erregungsstärken der Sehnerven eine überhöhte Differenz im Bereich der Kontrastfrequenz auftritt. Dadurch können wir Kontrastunterschiede zwischen verschiedenen grauen Flächen besonders gut wahrnehmen.
