Die Anzahl der Neuronen im Zentralnervensystem: Ein Überblick

Viele Lebewesen auf unserem Planeten besitzen Nervenzellen, manche sogar ein Gehirn, während andere ganz ohne Neuronen auskommen. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über die Anzahl der Neuronen im Zentralnervensystem (ZNS) verschiedener Organismen und beleuchtet die Komplexität und Vielfalt neuronaler Strukturen im Tierreich.

Einleitung

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das es Organismen ermöglicht, mit ihrer Umwelt zu interagieren und interne Prozesse zu steuern. Es besteht aus Nervenzellen, sogenannten Neuronen, die elektrische und chemische Signale aussenden, um Informationen zu übertragen. Das zentrale Nervensystem (ZNS), bestehend aus Gehirn und Rückenmark, spielt eine entscheidende Rolle bei der Verarbeitung von Informationen und der Steuerung von Körperfunktionen. Die Anzahl der Neuronen im ZNS variiert stark zwischen verschiedenen Arten und korreliert oft mit der Komplexität ihres Verhaltens und ihrer kognitiven Fähigkeiten.

Neuronenlose Lebewesen

Bakterien und Archäen benötigen keine Nervenzellen oder ein Nervensystem, um Reize zu erkennen und Informationen zu verarbeiten. Diese Einzeller nutzen ähnliche Prinzipien wie komplexere Organismen, um Sinneswahrnehmung und Bewegungsantrieb zu realisieren. Die Kommunikation erfolgt über Signalstoffe innerhalb der Zelle.

• Bakterien: Das Darmbakterium E. coli besitzt Chemorezeptoren in seiner Außenhülle, die nahrhafte von giftigen Substanzen unterscheiden und deren Konzentration melden.
• Archäen: Halobacterium salinarum orientiert sich mit Hilfe lichtempfindlicher Pigmente, die denen der menschlichen Retina ähneln.

Diese Mikroben besitzen ein Kurzzeitgedächtnis von wenigen Sekunden, das es ihnen ermöglicht, die Stärke aufeinanderfolgender Reize zu vergleichen und sich zur Reizquelle hin oder von ihr weg zu bewegen. Lernen können sie jedoch nicht.

Auch Schleimpilze sind kernhaltige Einzeller, die als geißelbewehrte Schwärmer oder kriechende Amöben auftreten und je nach Wasserangebot zwischen beiden Lebensformen wechseln. Sie können sich zu vielkernigen Riesenzellen zusammenschließen, die auf feuchten Oberflächen schleimige Überzüge bilden. Physarum polycephalum kann bis zu zwei Quadratmeter groß werden und sich einen Zentimeter pro Stunde vorwärts bewegen, wobei er Hindernisse überwinden kann. Er nutzt dieselben Proteine wie Menschen zur Muskelbewegung. In einem Experiment fand der Schleimpilz im Labyrinth den kürzesten Weg zwischen zwei Häufchen Haferflocken, was ihm eine primitive Intelligenz zuspricht.

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Nervensysteme mit geringer Neuronenzahl

Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans ist ein beliebtes Versuchstier der Genetiker und besitzt ein primitives zentrales Nervensystem mit exakt 302 Nervenzellen. Diese sind über 6393 chemische Verbindungsstellen und 890 Ionenkanäle vernetzt und tauschen sich über weitere 1410 Ionenkanäle mit Muskelzellen aus. Dieses Netzwerk ermöglicht C. elegans assoziatives Lernen. In einem Versuch wurde der Wurm in einer Schale voller nahrhafter Bakterien gehalten und gleichzeitig mit einem Duftstoff versehen. In der Folge assoziierte der Wurm den Duftstoff mit den Bakterien und zeigte auch dann Fressversuche, wenn er die Substanz in einer leeren Schale roch.

Nervensysteme von Insekten

Bienen verfügen über ein kleines Gehirn von etwa einem Kubikmillimeter Größe, das etwa 960.000 Neuronen enthält, dennoch verfügen sie über ein breites Verhaltensrepertoire. Sie lernen schnell eine Fülle von Signalen, wenn sie für die richtige Lösung mit Zuckerwasser belohnt werden. Sie können Farben, Formen oder Gerüche unterscheiden und Eigenschaften erkennen. Sie können Regeln lernen und im Gedächtnis speichern. Sie können geometrische Formen nach ihrer Ähnlichkeit unterscheiden und die Zahl von bis zu vier Objekten unterscheiden. Für ihren Alltag ist ihr Navigationsvermögen relevanter: Mit ihrem Schwänzeltanz informieren sie Stockgenossinnen über wichtige Orte im Gelände.

Nervensysteme von Weichtieren

Oktopusse gehören zu den Weichtieren und besitzen ein hoch entwickeltes zentrales Nervensystem mit etwa 42.000.000 Neuronen, das völlig anders aufgebaut ist als das der Wirbeltiere. Sie finden selbst nach langen Ausflügen auf dem kürzesten Weg nach Hause, lernen schnell, aus einem Irrgarten zu entkommen, und erinnern sich noch eine Woche später an den einmal entdeckten Ausweg. Sie finden selbst heraus, dass sie Krabben in einem verschlossenen Glasgefäß nur greifen können, wenn sie zuvor den Deckel öffnen. Sie können geometrische Formen wie Würfel oder Kugeln durch Abtasten unterscheiden. Einige Biologen wollen beobachtet haben, dass sie nicht nur aus eigener Erfahrung lernen, sondern auch, indem sie Artgenossen beim Lösen von Aufgaben zusehen.

Nervensysteme von Vögeln

Rabenvögel, wie Krähen, besitzen ein Gehirn mit etwa 400.000.000 Neuronen und sind für ihre Intelligenz und Problemlösungsfähigkeiten bekannt. Sie benutzen Werkzeuge und bringen diese wenn nötig in eine passende Form. Neukaledonien-Krähen rupfen kleine Stücke aus Blättern, um damit Insekten aus Felsritzen herauszufischen. Vor fahrende Autos werfen sie Nüsse und warten auf rotes Ampellicht, um aus den überfahrenen, zerbrochenen Schalen gefahrlos die Kerne aufzulesen. Die zahme Krähe Betty bog einen herumliegenden Eisendraht spontan zu einem Haken, um an ein außer Reichweite postiertes Stück Fleisch zu gelangen. Krähen sind neben Primaten die einzigen Tiere, die sich mit Hilfe von Werkzeugen andere Werkzeuge besorgen. Die ebenfalls zu den Rabenvögeln zählenden Elstern erkennen zudem ihr eigenes Spiegelbild.

Nervensysteme von Säugetieren

Elefanten

Elefanten sind die größten Landtiere der Welt und besitzen entsprechend große Gehirne mit etwa 11.000.000.000 Neuronen. Sie verständigen sich über Entfernungen von bis zu 20 Kilometern und orten individuelle Gruppenmitglieder ebenso wie Regengüsse oder Wirbelstürme. Dank ihres guten Gedächtnisses und Orientierungsvermögens merken sie sich die Standorte von Wasserquellen im Umkreis von 60 Kilometern. Zur Körperpflege stutzen sie Stöcke und Zweige zu Kratzbürsten und Fliegenpatschen zurecht. Im Experiment begreifen zwei ungeschulte Elefanten, dass sie eine entfernte Futterquelle nicht alleine, sondern nur gemeinsam mittels Seilen zu sich heranziehen können.

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Delfine

Delfine haben erheblich größere Gehirne als Menschen mit etwa 5.800.000.000 Neuronen. Diese benötigen Delfine und andere Zahnwale insbesondere für ihr ausgefeiltes auditorisches System. Es erlaubt ihnen, mit vielerlei Pfeif- und Klickgeräuschen zu kommunizieren und sich via Echoortung zu orientieren. Je nach Beuteart setzen sie Fangmethoden ein, die perfektes Teamwork voraussetzen. Versuche mit trainierten Delfinen legen nahe, dass sie sich darüber bewusst sind, wenn sie an einer Aufgabe scheitern.

Schimpansen

Schimpansen nutzen und fertigen bis zu 20 verschiedene Werkzeuge und setzen sie in wechselnden Zusammenhängen ein. Dabei löst jede Gruppe ein Problem auf etwas andere Weise und begründet damit unterschiedliche Traditionen. Nur Schimpansen gelingt es, aus einem Material verschiedene Werkzeuge oder denselben Werkzeugtyp aus unterschiedlichen Rohstoffen anzufertigen. Sie nutzen mehrere Werkzeuge in Abfolge oder kombinieren sie. Damit beweisen sie ebenso wie Orang-Utans Einsicht in ein Problem. Sie können Handlungen planen und Objekte auswählen, die sie erst später als Werkzeuge brauchen. Schimpansen finden versteckte Objekte, indem sie den Blicken eines Artgenossen oder des Menschen folgen. Sie erkennen, ebenso wie Gorillas, ihr Spiegelbild. Ihr Gehirn beinhaltet etwa 6.200.000.000 Neuronen.

Menschen

Etwa 86 Milliarden Neuronen sind Schätzungen zufolge im menschlichen Gehirn vorhanden. Die komplexen Funktionen des Nervensystems, wie Wahrnehmung, Denken, Gedächtnis, Bewegungskoordination und viele andere kognitive und motorische Prozesse, werden durch Neuronen ermöglicht. Das Nervensystem umfasst alle Nervenzellen des menschlichen Körpers. Mit ihm kommuniziert er mit der Umwelt und steuert gleichzeitig vielfältige Mechanismen im Inneren. Das Nervensystem nimmt Sinnesreize auf, verarbeitet sie und löst Reaktionen wie Muskelbewegungen oder Schmerzempfindungen aus.

Die Struktur von Neuronen

Die Nervenzelle (Neuron) ist die grundlegende funktionelle Einheit des Nervensystems. Es handelt sich um eine spezialisierte Zelle, die in der Lage ist, elektrische Signale zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Neuronen sind für die Kommunikation zwischen den verschiedenen Teilen des Nervensystems verantwortlich und ermöglichen so die Koordination und Steuerung aller körperlichen und geistigen Prozesse.

• Zellkörper (Soma): Das runde beziehungsweise ovale Zentrum der Zelle, das den Zellkern enthält.
• Dendriten: Kurze, verästelte Fortsätze, die vom Soma ausgehen und Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren empfangen.
• Axonhügel: Der Bereich zwischen dem Soma und dem Axon.
• Axon: Ein langer Fortsatz, der vom Soma ausgeht und Signale von diesem weg transportiert. Es dient als Übertragungskabel für elektrische Impulse.
• Myelinscheide: Eine Isolierschicht um das Axon, die aus Lipiden und Proteinen besteht und die Saltatorische Erregungsleitung ermöglicht.

Funktion von Neuronen

Neuronen nehmen elektrische Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren auf. Im Soma findet die Informationsverarbeitung statt. Die eingehenden elektrischen Impulse werden durch die Integration verschiedener synaptischer Eingänge analysiert und summiert. Aktionspotenziale entstehen durch den Einstrom positiv geladener Ionen, was zu einer rapiden Umkehrung des Membranpotenzials führt. Anschließend leiten die aktivierten Neuronen das Aktionspotenzial über ihre Axone weiter. Das Axon endet meist in Verbindungsstellen (Synapsen), wo das elektrische Signal einen weiteren Mechanismus auslöst. Oft führt das Signal zur Ausschüttung von Neurotransmittern, die in den synaptischen Spalt freigesetzt werden und an spezifische Rezeptoren auf der Membran der Zielzelle binden.

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Neuronale Plastizität

Ein bemerkenswerter Aspekt der Neuronen ist ihre Plastizität. Diese bezeichnet die Fähigkeit der Neuronen, sich an Veränderungen anzupassen. Plastizität ermöglicht es den Neuronen, sich durch wiederholte Aktivierung und Lernprozesse zu verändern und Verbindungen zu verstärken / abzuschwächen oder neue Verbindungen auszubilden.

Klassifikation von Nervenzellen

Die Klassifikation von Nervenzellen erfolgt auf unterschiedliche Weise, basierend auf Beobachtungen einzelner Zellen oder den ihnen zugeordneten Eigenschaften in Zellverbänden.

• Morphologie: Nervenzellen werden in verschiedene Typen unterteilt, abhängig von ihrer äußeren Form und Struktur. Hierzu gehören unipolare, pseudounipolare, multipolare und apolare Nervenzellen.
• Funktion: Motorische Nervenzellen sind für die Steuerung von Bewegungen verantwortlich, sensorische Nervenzellen leiten sensorische Informationen weiter.

Erkrankungen des Zentralnervensystems

Störungen im ZNS können zu einer Vielzahl von neurologischen Erkrankungen führen, einschließlich Schlaganfall, Epilepsie, Parkinson-Krankheit, Alzheimer-Krankheit und Multipler Sklerose.

• Multiple Sklerose (MS): Bei MS entstehen an unterschiedlichen Stellen im Gehirn und Rückenmark meist vielfache Entzündungsherde. Die Folge ist eine Funktionsstörung der betroffenen Nerven.
• ZNS-Tumoren: ZNS-Tumoren können in jedem Lebensalter auftreten. Im Jahr 2022 erkrankten in Deutschland etwa 3.128 Frauen und 4.176 Männer an bösartigen Tumoren des ZNS.

Organisation des Nervensystems

Das Nervensystem des Menschen wird in das zentrale und das periphere Nervensystem unterteilt. Darüber hinaus fungieren das sympathische, parasympathische und enterische Nervensystem als Teile des autonomen Nervensystems.

• Zentralnervensystem (ZNS): Umfasst Nervenbahnen in Gehirn und Rückenmark.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Besteht aus neuronalen Komponenten, die sich aus dem ZNS fortsetzen.
• Willkürliches Nervensystem (somatisches Nervensystem): Steuert alle Vorgänge, die einem bewusst sind und die man willentlich beeinflussen kann.
• Vegetatives Nervensystem (autonomes Nervensystem): Regelt die Abläufe im Körper, die man nicht mit dem Willen steuern kann.
• Sympathisches Nervensystem: Bereitet den Organismus auf körperliche und geistige Leistungen vor.
• Parasympathisches Nervensystem: Kümmert sich um die Körperfunktionen in Ruhe.
• Eingeweide-Nervensystem (enterisches Nervensystem): Steuert die Funktionen des Magen-Darm-Trakts.

Aktuelle Forschung und Herausforderungen

Die genaue Bestimmung der Neuronenzahl im Gehirn ist eine komplexe Aufgabe, die mit verschiedenen Herausforderungen verbunden ist. Prof. Dr. Stefan Liebau, Leiter des Instituts für Neuroanatomie und Entwicklungsneurobiologie der Universität Tübingen, erklärt, dass die Schätzung von 86 Milliarden Neuronen im menschlichen Gehirn auf Hochrechnungen basiert, die mit Unsicherheiten behaftet sind. Die Dichte der Nervenzellen variiert in verschiedenen Hirnregionen, was die Genauigkeit der Schätzungen beeinflusst.

Zudem ist die reine Anzahl der Nervenzellen nicht der einzige Faktor, der die Intelligenz oder die Fähigkeiten eines Organismus bestimmt. Die Aufgaben, die die Zellen erfüllen, und die Art und Weise, wie sie miteinander vernetzt sind, spielen ebenfalls eine entscheidende Rolle.

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