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Das Vestibularsystem erfasst die Schwerkraft, die lineare Beschleunigung und die Winkelgeschwindigkeit über zwei Arten von Organen: Utrikel und Sacculus (lineare Beschleunigung und Schwerkraft, durch Otolithen) und die drei halbkreisförmigen Kanäle (Winkelbeschleunigung in den drei Raumebenen). Die Physik des Systems entspricht der eines Trägheits-Mechanosensors mit viskoser Dämpfung.

Der Otolith (CaCO, 2700 kg/m³) ist viel dichter als die umgebende Endolymphe ( 1003 kg/m³): Der Dichteunterschied 1700 kg/m³ erzeugt eine Nettokraft F_g = ·V·g, die die Stereozilien der Haarzellen darunter ablenkt. Die Auslenkung x_eq ist proportional zur Beschleunigung (einschließlich g), sodass das Gehirn auf die Ausrichtung relativ zur Vertikalen schließen kann.

Die Dynamik des halbkreisförmigen Kanals ist die eines unterdämpften Oszillators: Die Gleichung I·d/dt + b· = hat die Lösung (t) exp(-t/_sc) mit _sc = b_cup/k_cup 515 s. Der Kanal reagiert auf die Winkelgeschwindigkeit (nicht auf die Winkelposition): Er erkennt den Beginn und das Ende einer Drehung. Wenn sich der Körper mit konstanter Geschwindigkeit dreht, zerfällt _dome und das System passt sich an (Gyroskop-Illusion).

Die mechanoelektrische Transduktion (MET) von Haarzellen folgt einer sigmoidalen Kurve I_MET(x) = I_max/(1 + exp(-(x-x)/_MET)): Der Ionenstrom durch Kanäle an der Spitze der Stereozilien ist maximal, wenn sie zum Kinocilium geneigt sind, und minimal in der anderen Richtung. Die Skala _MET 110 nm ist die Ablenkungsstrecke, die von 10 % auf 90 % Sättigung zurückgelegt werden muss außerordentlich klein, vergleichbar mit einer Atombindung.

Die Schwerkraft wird von praktisch allen Organismen mit Nervensystem als absoluter vertikaler Bezugspunkt genutzt. Statozysten bei wirbellosen Meerestieren, das Vestibularsystem bei Wirbeltieren und pflanzliche Statozysten (Amyloplasten in Wurzelzellen) nutzen das gleiche physikalische Prinzip: Ein dichter Körper sedimentiert unter der Schwerkraft und verformt elastische Strukturen, die Sensoren aktivieren. Die Winkelauflösung des menschlichen Vestibularsystems beträgt 0,5°, ausreichend für die Haltungskontrolle.

>Modell

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Beschreibung

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