Aufbau und Funktion des Nervensystems: Eine umfassende Betrachtung

Einleitung

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das die Lebensprozesse im Körper steuert. Es ermöglicht uns, unsere Umwelt wahrzunehmen, zu reagieren und zu interagieren. Wie bei allen Wirbeltieren besteht das menschliche Nervensystem aus einem zentralen Nervensystem, das aus Gehirn und Rückenmark besteht.

Gliederung des Nervensystems

Das Nervensystem durchzieht den gesamten Körper und lässt sich in drei Hauptabschnitte gliedern:

• Zentralnervensystem (ZNS): Bestehend aus Gehirn und Rückenmark, verarbeitet das ZNS eingehende Erregungen und ermöglicht so die Wahrnehmung unserer Umwelt.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Umfasst die Nerven, die vom Gehirn und Rückenmark ausgehen, sowie das Nervengeflecht für Haut und Muskeln von Hals, Nacken, Rumpf und Gliedmaßen.
• Vegetatives Nervensystem (VNS): Umfasst die Nerven, die zu den inneren Organen führen und von ihnen wegführen. Es steuert unwillkürliche Prozesse wie Herzschlag, Drüsentätigkeit und die glatte Muskulatur in den inneren Organen. Man kann das vegetative Nervensystem auch als viszerales Nervensystem oder autonomes Nervensystem bezeichnen. Es steuert alle unwillkürlichen Prozesse deines Körpers, also jene, die außerhalb deines Bewusstseins sind und automatisch ablaufen.

Das Zusammenspiel von ZNS und PNS

Das ZNS erhält Informationen vom PNS, verarbeitet diese und sendet Befehle mit passenden Reaktionen an das PNS zurück. Die Nerven leiten Informationen vom PNS zum ZNS (afferent).

Somatisches und vegetatives Nervensystem

Das periphere Nervensystem wird in zwei funktionelle Teile unterteilt:

• Somatisches Nervensystem: Auch animalisches oder willkürliches Nervensystem genannt, umfasst es alle bewussten und willentlichen Prozesse im Körper, die absichtlich gesteuert und beeinflusst werden können.
• Vegetatives Nervensystem: Steuert alle unwillkürlichen Prozesse im Körper, die außerhalb des Bewusstseins ablaufen.

Die Nervenzelle: Baustein des Nervensystems

Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist der kleinste Baustein des Nervensystems. Sie ist spezialisiert auf die Aufnahme, Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen in Form von Nervenimpulsen oder Erregungen.

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Aufbau einer Nervenzelle

Eine Nervenzelle besteht aus folgenden Hauptbestandteilen:

• Nervenzellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und Mitochondrien.
• Dendriten: Kurze, baum- oder strauchartig verzweigte Fortsätze am Nervenzellkörper, die mit anderen Nervenzellen oder Sinneszellen in Verbindung stehen. Die Dendriten nehmen Signale aus dem Körper auf.
• Axon (Neurit): Ein langer, unverzweigter Fortsatz, der Signale vom Nervenzellkörper weg zu anderen Nervenzellen, Drüsenzellen oder Muskelfasern leitet. Das Axon leitet Signale zu einem anderen Axon, zu einer Drüsenzelle oder einer Muskelfaser weiter.
• Axonhügel: Der Übergang vom Soma zum Axon, in dem Signale gesammelt und summiert werden, bis ein Schwellenwert überschritten wird, der ein Aktionspotential auslöst.
• Synapsen: Kleine Verdickungen am Ende des Neuriten, die die Verbindung zu anderen Nervenzellen, Drüsenzellen oder Muskelfasern herstellen.

Gliazellen

Die Axone sind häufig von Gliazellen umgeben. Bei Wirbeltieren werden die Axone häufig zudem von einer speziellen Form von Gliazellen, den sogenannten Schwannschen Zellen, umgeben. Diese Zellen liegen hintereinander um das jeweilige Axon, sodass es von einer lamellenartigen Hülle umgeben wird: der Markscheide, Myelinscheide oder auch Schwannschen Scheide.

Nervenfaserbündel und Nervenbahnen

Parallel verlaufende Nervenfasern mehrerer Nervenzellen sind von einer gemeinsamen Bindegewebshülle umgeben und bilden Nervenfaserbündel. Mehrere Nervenfaserbündel mit gemeinsamer Bindegewebshülle bilden einen Nerv bzw. eine Nervenbahn.

Die Länge der Nervenfasern

Wissenschaftler schätzen, dass die Gesamtlänge aller Nervenfasern eines Menschen etwa eine Milliarde Meter beträgt.

Reizweiterleitung durch Nervenzellen

Die Nervenzellen leiten die Botschaft von deiner Hand über dein Rückenmark zu deinem Gehirn und zurück, um eine Reaktion auszulösen und dich zu schützen.

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Funktion der Nervenzelle

Gehen wir einmal anhand eines Beispiels durch, wie die Nervenzelle in ihrer Funktion der Reizweiterleitung arbeitet. Es entsteht ein elektrisches Signal in der nächsten Nervenzelle und so geschieht die Reizweiterleitung über miteinander vernetzte Nervenzellen bis in dein Gehirn. Vielleicht hast du schon einmal bemerkt, wie schnell du deine Hand von einer heißen Herdplatte zurückziehst, wenn du sie aus Versehen berührst. Diese schnelle Reaktion wird durch deine Nervenzellen ermöglicht.

Die Synapse: Schaltstelle der Erregungsübertragung

Jeder Neurit nimmt an den Synapsen Kontakt mit den Dendriten der darauf folgenden Zelle auf. Zwischen der Synapse und dem Dendriten der folgenden Zelle bleibt ein winziger Spalt. Über die synaptischen Endknöpfchen werden chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, freigesetzt. Neurotransmitter bewirken an den Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle eine vorübergehende Öffnung von Ionenkanälen.

Aktionspotential und Erregungsleitung

Am Übergang zwischen Soma und Axon befindet sich der Axonhügel. Dort werden Informationen bzw. Dieses Aktionspotenzial wird entlang der Axone immer weitergeleitet, ohne an Stärke zu verlieren. Wenn das Aktionspotential die Synapsen erreicht, kommt es zur Ausschüttung der Botenstoffe in den synaptischen Spalt. Die Erregungsleitung erfolgt blitzschnell und kann eine Höchstgeschwindigkeit von bis zu etwa 150 m/s, also 540 km/h, erreichen.

Beispiel für die Reizweiterleitung

Der Grund: Über die Augen wurde ein Reiz wahrgenommen, etwa das Erblicken eines Balls, der über den Fahrradweg rollt. Das Gehirn „weiß“, dass dieser Ball dort nicht hingehört und eventuell eine Gefahr bedeuten könnte.

Vielfalt der Nervenzellen

Ein verbreiteter Irrtum ist anzunehmen, dass alle Nervenzellen die gleiche Struktur haben. Unipolare Nervenzellen haben nur einen kurzen Fortsatz (Axon) und keine Dendriten. Multipolare Nervenzellen kommen sehr häufig vor. Interneuronen haben eine Vermittlerfunktion.

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Neurologische Erkrankungen

Neurologische Erkrankungen sind Erkrankungen des Nervensystems. Sie sind entweder durch einen Gendefekt angeboren oder entstehen im Laufe des Lebens. Hierfür können zum Beispiel eine Infektion, ein Trauma oder eine Rückbildung (Degeneration) verantwortlich sein.

Das Gehirn: Die Schaltzentrale

Das Gehirn besteht aus etwa 100 Milliarden Neuronen. Konzentrieren - Lernen - Erinnern: Was leistet dabei das menschliche Gehirn? Das Gehirn muss ständig Wichtiges von Unwichtigem unterscheiden und sich auf die richtigen Dinge konzentrieren.

Materialien und Informationen

Informationen empfangen, verarbeiten, speichern. Biologie TF 7Der ZIP-Ordner enthält die Materialien zu den Lerneinheiten der Handreichung: Epithelien ? Informationen empfangen, verarbeiten, speichern. Biologie TF 7 (Heft 3/2018)In dieser Handreichung geht es um die Ausgestaltung des Unterrichts zum Themenfeld 7 "Informationen empfangen, verarbeiten, speichern". Dazu werden die Themenfeld-Doppelseite vorgestellt und exemplarisch mögliche Kontexte und Lerneinheiten beschrieben.

Filmische Darstellungen

• Superohren: Der Film multimedial zur Thematik "Superohren" ermöglicht individuelles Lernen. Hier werden Film, Text, Hintergrundsinformationen und interaktive Lernbausteine miteinander kombiniert.
• Dein Gehirn: Drei Filme begleiten drei Schülerinnen und Schüler einen Tag lang in der Schule, in der Freizeit und zu Hause.
• Tastsinn: Der Film multimedial zur Thematik "Tastsinn" ermöglicht individuelles Lernen. Hier werden Film, Text, Hintergrundsinformationen und interaktive Lernbausteine miteinander kombiniert. Die Basis bildet ein fünfzehnminütiger Wissensfilm, der mit Medienfenster synchron verschaltet ist.

Weitere Sinnesorgane

• Geruchssinn: In dem Vortrag von Professor Markus Jungehülsing aus der Reihe „Bergmanns Kinder-Akademie“ wird erläutert, was genau beim Riechen in unserer Nase passiert, welche Aufgabe unser Gehirn dabei übernimmt und wofür das Riechen eigentlich gut ist.
• Sehsinn: Informationen und Materialien rund um den aktualisierten Film ʺDie Superaugenʺ werden bei ʺPlanet Schuleʺ wie üblich im Menüpunkt ʺUnterrichtʺ angeboten. Mit dieser Folie wird anhand von Bildern der Zusammenhang zwischen Auflösung und Sehschärfe leicht erschließbar.

Interaktive Lernmaterialien

• Lern neuro! - Selbstlernplattform: Auf der kostenlosen Selbstlernplattform können nach Anmeldung entweder vom Lehrer ausgewählte oder vom Schüler selbstgewählte Themen anhand von immer neu dazukommenden Materialien ʺgepauktʺ werden.
• Visuelle Wahrnehmung - Das menschliche Auge: Der interaktive ʺtet-kursʺ behandelt mit kleinen Experimenten, Lückentexten, Zuordnungsaufgaben und vielfältigen Bild- und Videomaterialien die komplette Thematik rund ums Auge.
• Drogen wirken auf das Nervensystem: Die kleine interaktive Lerneinheit des Biologie - Kollegen Mallig verdeutlicht anschaulich die Wirkung verschiedener Drogen auf Synapsen.
• Farbwahrnehmung des Menschen: In der interaktiven Simulation kann man die Farbwahrnehmung des Menschen darstellen.
• Die Haut - Aufbau und Aufgaben: Die neun mit Hot Potatos erstellten Quiz- und Zuordnungsaufgaben gehen neben dem Hautaufbau auch auf die Aufgaben der Haut sowie der enthaltenen Rezeptoren ein.

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