Neuron: Aufbau und Funktion – Ein umfassender Leitfaden für das Biologie-Abitur

Neurobiologie ist ein wesentlicher Bestandteil des Biologie-Abiturfachs, der grundlegende Vorgänge im menschlichen Gehirn und Körper erklärt. Sie umfasst alle Abläufe, Wirkmechanismen, Zusammenhänge und Prinzipien des menschlichen (und tierischen) Nervensystems und ist somit ein bedeutender Teilbereich der Biologie. Im Zentrum der Informationsverarbeitung steht das Gehirn, da sich hier der Großteil der Neuronen, ein anderes Wort für Nervenzellen, befindet. Ein gutes Verständnis des menschlichen Nervensystems hilft dir aber nicht nur im Abitur sondern auch dabei, dich und deinen Körper besser verstehen zu können. Wusstest du zum Beispiel, dass das Gehirn aus rund 100 Milliarden Neuronen und 100 Billionen Synapsen besteht? In dieser menschlichen Schaltzentrale finden die meisten Prozesse der Informationsverarbeitung statt.

Grundlagen der Neurobiologie

Die Neurobiologie ist eine noch recht junge Wissenschaft, die sich erst in den vergangenen 100 Jahren etabliert hat. Voraussetzungen für die Entstehung dieser Disziplin waren schließlich auch technische Entwicklungen, die die Erforschung des Gehirns und der Nervenzellen überhaupt erst möglich gemacht haben.

Unterteilungsformen des Nervensystems

Es gibt zwei wesentliche Unterteilungsformen des Nervensystems. Zum einen kann eine Unterteilung auf anatomischer Basis erfolgen in das zentrale Nervensystem (im Rückenmark und Gehirn) sowie das periphere Nervensystem. Eine zweite Möglichkeit liegt in einer funktionalen Unterteilung in das vegetative Nervensystem, das unbewusste und unwillkürliche Vorgänge steuert, sowie das somatische Nervensystem, das sich um bewusste und willkürliche Vorgänge kümmert.

Reiz und Reaktion: Ein praktisches Beispiel

Was sich konkret alles hinter dem Nervensystem verbirgt, kannst du dir zunächst vielleicht nur schwer vorstellen. Ein Beispiel: Das Telefon klingelt, du wendest dich diesem zu und hebst ab. Von außen beobachtet ist das die gesamte Situation. Doch in deinem Inneren geht hier jede Menge vor sich: Über die Ohren wird ein Reiz - das Klingeln des Telefons - wahrgenommen und verarbeitet. Verschiedene Zellen sind daran beteiligt, den Reiz so umzuwandeln, dass schließlich eine zu beobachtende Reaktion erfolgt - das Abheben des Telefons. Der gesamte Prozess zwischen Reiz und Reaktion läuft im Nervensystem ab und wird von der Neurobiologie untersucht.

Der Aufbau von Nervenzellen (Neuronen)

Das Nervensystem besteht aus vielen, vielen kleinen Nervenzellen. Diese bilden die kleinste Einheit des Nervensystems sowie die physiologische Grundlage aller neurobiologischen Abläufe. Allein im Gehirn befinden sich etwa 100 Milliarden davon. Mit der Geburt ist übrigens bereits die maximale Anzahl an Nervenzellen vorhanden, denn anders als andere Zellen können Neuronen sich nicht teilen und dadurch vermehren.

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Funktion der Nervenzellen

Die Aufgabe einer Nervenzelle liegt in der Informationsverarbeitung, also in der Aufnahme, der Verarbeitung und der Weitergabe einer Information. Auch im restlichen Körper, vor allem im Rückenmark und den Sinnesorganen, befinden sich jede Menge weitere Neuronen. Nervenzellen dienen der Informationsweiterleitung von Reizen durch unseren ganzen Körper.

Bauelemente des Neurons

Ein Neuron besteht grundsätzlich aus den drei Teilen: Zellkörper (Soma), Dendriten und Axon. Die baumartigen Dendriten sowie das Axon - ein langer Fortsatz der Zelle - sind dafür zuständig, Informationen aufzunehmen oder an umliegende Nerven- oder Muskelzellen weiterzugeben. Ein Axon kann unter Umständen bis zu über einem Meter groß werden. Als Axonhügel bezeichnet man den Übergang zwischen Zellkörper und Axon.

Merke: Grundaufbau = Dendrit - Soma - Axonhügel - Axon - Endknöpfchen

Details zu den einzelnen Abschnitten eines Neurons

• Dendriten: Dendriten sind Ausläufer bzw. Verlängerungen, die vom Zellkörper (Soma) ausgehen und weitergeleitete Nervenimpulse empfangen. Sie leiten Informationen an andere Neuronen weiter. Die Dendriten sind stark verästelte Ausläufer des Somas. Ihre Aufgabe ist die Informationsaufnahme. Die Dendriten sind die feinen baumartigen Verästelungen, die teils direkt vom Soma ausgehen (basale Dendriten), teils aus anderen Dendriten weiter entfernt vom Soma abzweigen (apikale Dendriten). Die Dendriten bilden Synapsen mit anderen vorgeschalteten Zellen aus, entweder mit Nervenzellen oder mit Sinneszellen (die ja auch zu den Nervenzellen gehören, aber auf die Wahrnehmung von Reizen spezialisiert sind). Eine einzelne Nervenzelle kann über ihre Dendriten mit über 1.000 anderen Nervenzellen verbunden sein und Informationen von diesen Zellen empfangen und verarbeiten.
• Soma: Das Soma ist der Zellkörper eines Neurons und enthält neben dem Zellkern alle notwendigen Zellorganellen zur Erhaltung der Zellfunktion (Ribosomen, raues und glattes endoplasmatisches Retikulum, Mitochondrien, Golgi-Apparat usw.). Das Soma wird auch als Perikaryon bezeichnet. Unter dem Soma versteht man den eigentlichen Zellkörper der Nervenzelle. Von diesem Zellkörper gehen nun viele mehr oder weniger dicke Fortsätze oder Auswüchse aus. Die kleinen, stark verzweigten Fortsätze werden als Dendriten bezeichnet (vom griechischen dendron = Baum).
• Axonhügel: Der Axonhügel ist die Ursprungsstelle des Axons. Hier werden Informationen integriert und Nervenimpulse ausgelöst. Hier beginnt der Impuls. Der Axonhügel ist das Übergangsstück zwischen dem Soma und dem Axon. Der Axonhügel spielt eine wichtige Rolle bei der Informationsverarbeiter der Nervenzelle.
• Axon: Das Axon leitet Nervenimpulse vom Soma weiter; es wird auch als Neurit bezeichnet. Das Axon einer Nervenzelle kann bis zu 1 m lang sein. Oft sind die Axone von einer isolierenden Hülle umgeben, der Myelinscheide. Am Ende kann sich das Axon zu sogenannten Kollateralen verzweigen, deren Enden dann synaptische Endknöpfchen (auch synaptische Endigungen genannt) bilden. Die Aufgabe des langen Axons ist die Informationsweiterleitung.
• Synaptische Endknöpfchen: Diese bilden Verbindungsstellen zu einer Zielzelle (Muskulatur, Drüse, andere Nervenzelle). Am Ende eines Axons bzw.

Isolation der Nervenzellen: Myelinscheide und Ranviersche Schnürringe

Damit keine Informationen verloren gehen und diese zudem möglichst schnell weitergetragen werden können, verfügen viele Nervenzellen über eine gute Isolation in Form einer Ummantelung - ähnlich wie ein Stromkabel. Diese Ummantelung heißt Myelinscheide oder auch Markscheide. Die Zellen, die diese bilden, sind nach ihrem Entdecker benannt und heißen Schwannsche Zellen (im peripheren Nervensystem) oder Oligodendrozyten (im zentralen Nervensystem). Diese stellen das isolierende Myelin her und wickeln sich um das Axon herum. Dabei wird die Myelinscheide in regelmäßigen Abschnitten von Lücken, den Ranvierschen Schnürringen, unterbrochen. Solch isolierte Neuronen werden als markhaltige Neuronen eingesetzt und kommen insbesondere dort vor, wo Informationen in Form von elektrischer Spannung besonders schnell weitergegeben werden müssen. Diese erregte elektrische Spannung nennt man in der Neurobiologie auch Aktionspotential. Die Myelinscheide ist nicht nur ein mechanischer Schutz für das Axon sowie eine elektrische Isolierung, sondern hat vielfältigere Aufgaben. Nervenzellen, deren Axon von einer solchen Myelinscheide umgeben ist, werden auch als markhaltige Nervenzellen oder markhaltige Nervenfasern bezeichnet.

Synapsen: Kommunikation zwischen Nervenzellen

Bei den Verbindungen zwischen den Zellen, von denen eine bis zu 10.000 besitzen kann, spricht man von Synapsen. Es gibt sowohl chemische als auch elektrische Synapsen. Während die elektrischen Synapsen mit elektrischen Reizen arbeiten, sind für die Übertragung über chemische Synapsen Transmitter, also chemische Botenstoffe notwendig. Im Rahmen der Informationsübertragung kann man präsynaptische und postsynaptische Neurone unterscheiden. Präsynaptische Zellen senden die Informationen aus, während postsynaptische Neuronen die gesendeten Informationen aufnehmen. Eine typische Synapse besteht aus dem synaptischen Endknöpfchen einer Nervenzelle, die an die Membran einer zweiten Nervenzelle, einer Muskelzelle oder einer Drüsenzelle angelagert ist. Zwischen der präsynaptischen Membran und der postsynaptischen Membran befindet sich der synaptische Spalt. Das synaptische Endknöpfchen ist gefüllt mit den synaptischen Vesikeln, das sind kleine membranumgebene Bläschen, die Neurotransmittern enthalten. Neurotransmitter sind chemische Substanzen, die in den synaptischen Spalt entlassen werden können und dann mit Proteinen der postsynaptischen Membran reagieren.

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Aktionspotential vs. Ruhepotential

Nervenzellen kommunizieren über elektrische Signale, die man in zwei grundlegende Zustände unterteilen kann: das Ruhepotential und das Aktionspotential.

Ruhepotential

Das Ruhepotential beschreibt den „normalen“ Zustand einer Zelle, wenn sie nicht aktiv ist. In diesem Zustand ist das Innere der Zelle negativ geladen im Vergleich zur Außenseite. Diese elektrische Spannung entsteht durch unterschiedliche Verteilungen von positiv geladenen Ionen (Kationen) und negativ geladenen Ionen (Anionen) auf beiden Seiten der Zellmembran. Besonders wichtig dafür ist die Natrium-Kalium-Pumpe, die aktiv Natriumionen aus der Zelle hinaus und Kaliumionen hinein transportiert - jeweils entgegen ihrem natürlichen Konzentrationsgefälle.

Aktionspotential

Das Aktionspotential ist das Gegenteil: Es entsteht, wenn die Nervenzelle auf einen Reiz reagiert. Dabei kehrt sich die Spannung kurzzeitig um - die Innenseite der Zelle wird positiv gegenüber der Außenseite. Diese schnelle, kurzzeitige Veränderung des Membranpotentials ermöglicht es der Zelle, Informationen weiterzuleiten. So können Reize an andere Nervenzellen, Sinneszellen oder Muskelzellen weitergegeben werden - und wir können beispielsweise Fahrrad fahren, einen Film schauen oder telefonieren.

Kurz gesagt: Das Ruhepotential hält die Zelle im „Bereitschaftszustand“. Das Aktionspotential ist der kurze „Feuerblitz“, der die Information weiterleitet. Der Wechsel zwischen Ruhepotential und Aktionspotential ist also ausschlaggebend für die Reizübertragung in unserem Nervensystem.

Neurotransmitter: Botenstoffe der Erregungsübertragung

Neurotransmitter sind die chemischen Botenstoffe bzw. Übertragungsstoffe, die dafür verantwortlich sind, dass Reize und Informationen von einer Zelle an die andere weitergeleitet werden. Diese kommen an chemischen Synapsen zum Einsatz und sind von hoher Bedeutung für die Erregungsübertragung. Gespeichert werden diese Transmitter in synaptischen Vesikeln, winzig kleine Bläschen. Die Moleküle eines Transmitters und die Rezeptoren - d.h. die Zellen der Sinnesorgane, die die externen Reize aufnehmen - passen wie Schlüssel und Schloss ineinander. Je nach Wirkung und Bedeutung kommen unterschiedliche Transmitter zum Einsatz. Grundsätzlich unterscheidet man außerdem zwischen Echten Transmittern (kurzlebig) und Neuro-Hormonen (langlebiger).

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Wichtige Botenstoffe im Überblick

• Acetylcholin: Muskelsteuerung und Gedächtnis. Als wichtigster Botenstoff wird Acetylcholin gewertet. Dieser ist verantwortlich für die Steuerung vegetativer Vorgänge bei Wirbeltieren. Er leitet Informationen zwischen dem Nervenzellenende und der Muskelfaser weiter und sorgt damit für Muskelkontraktion - sämtliche Muskelfunktionen basieren also auf diesem Neurotransmitter. Außerdem steuert Acetylcholin in weiten Teilen das vegetative Nervensystem und beeinflusst somit Blutdruck, Atmung, Verdauung, Stoffwechsel, Herzschlag und Gehirnaktivitäten.
• Adrenalin: Stressreaktion und Energie. Adrenalin bezeichnet ein bekanntes Stresshormon, das von der Nebennierenrinde produziert und in physischen wie psychischen Belastungssituationen ausgeschüttet wird. Die Ausschüttung von Adrenalin resultiert in: erhöhter Herzfrequenz und erhöhtem Blutdruck, angespannten Muskeln, verminderten Verdauungsprozessen und einer geringeren Schmerzempfindlichkeit. Zudem wird durch Glykolyse und Lipolyse Energie freigesetzt.
• Dopamin: Motivation und Belohnung. Dopamin sorgt für die Weiterleitung einer Erregung von der Nervenzelle an die Muskelzelle und steuert damit die allgemeine Motorik. Außerdem spielt dieser Botenstoff auch im Belohnungssystem eine Rolle und sorgt für Euphorie und Glücksgefühle.
• Endorphin: Schmerzhemmung und Glücksgefühl. Der Botenstoff Endorphin zählt zu den Opioden und senkt demzufolge die Schmerzempfindsamkeit des Menschen. Dazu hemmen bzw. blockieren sie die Übertragung gewisser Reize an das schmerzverarbeitende Zentrum im Gehirn.
• Serotonin: Stimmung und Schlafregulation. Das Hormon und Neurotransmitter Serotonin beeinflusst zahlreiche Prozesse im Körper. Es trägt unter anderem dazu bei, dass wir morgens wach werden, und spielt eine Rolle bei der Regulierung des Blutdrucks. Außerdem ist Serotonin entscheidend für unsere Stimmung, unser Wohlbefinden und unser Schmerzempfinden. Ein Mangel an Serotonin kann daher zu Angstzuständen, Depressionen oder Migräne führen. Auch Schlafstörungen und verminderte Konzentrationsfähigkeit können auftreten, wenn der Serotoninspiegel zu niedrig ist.

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