Das Nervensystem, ein komplexes Netzwerk aus Nervenzellen, steuert die Kommunikation und Koordination im menschlichen Körper. Es ermöglicht uns, mit der Umwelt zu interagieren und gleichzeitig vielfältige Mechanismen im Inneren zu regulieren. Von der Aufnahme von Sinnesreizen bis zur Auslösung von Reaktionen wie Muskelbewegungen oder Schmerzempfindungen spielt das Nervensystem eine entscheidende Rolle.
Das Nervensystem: Eine Übersicht
Das Nervensystem besteht aus Abermilliarden Nervenzellen, den sogenannten Neuronen. Allein im Gehirn befinden sich rund 100 Milliarden dieser Zellen. Jede Nervenzelle besteht aus einem Zellkörper (Soma) und verschiedenen Fortsätzen. Die kürzeren Fortsätze, die Dendriten, empfangen Signale von anderen Nervenzellen und wirken wie Antennen. Das Axon, ein langer Fortsatz, leitet die Signale weiter. Nach der Lage der Nervenbahnen im Körper wird zwischen dem zentralen und dem peripheren Nervensystem unterschieden.
Zentrales und peripheres Nervensystem
Das zentrale Nervensystem (ZNS) umfasst die Nervenbahnen in Gehirn und Rückenmark und ist sicher im Schädel und Wirbelkanal der Wirbelsäule eingebettet. Das periphere Nervensystem umfasst alle Nervenbahnen außerhalb des ZNS.
Willkürliches und unwillkürliches Nervensystem
Das willkürliche Nervensystem (somatisches Nervensystem) steuert alle bewussten und willentlich beeinflussbaren Vorgänge, wie gezielte Bewegungen von Gesichtsmuskeln, Armen, Beinen und Rumpf. Das vegetative Nervensystem (autonomes Nervensystem) hingegen reguliert unwillkürliche Abläufe im Körper, wie Atmung, Herzschlag und Stoffwechsel. Es empfängt Signale aus dem Gehirn und sendet sie an den Körper, überträgt aber auch Meldungen des Körpers zum Gehirn, beispielsweise über den Füllstand der Blase oder die Herzfrequenz. Das vegetative Nervensystem kann die Körperfunktionen sehr rasch an veränderte Bedingungen anpassen, beispielsweise durch Erhöhung der Hautdurchblutung und Schweißbildung bei Wärme. Sowohl das zentrale als auch das periphere Nervensystem enthalten willkürliche und unwillkürliche Anteile.
Sympathikus, Parasympathikus und enterisches Nervensystem
Das vegetative Nervensystem gliedert sich in den Sympathikus, den Parasympathikus und das enterische Nervensystem (Eingeweide-Nervensystem). Sympathikus und Parasympathikus wirken im Körper meist als Gegenspieler: Der Sympathikus bereitet den Organismus auf körperliche und geistige Leistungen vor, indem er Herzfrequenz und Atmung erhöht und die Darmtätigkeit hemmt. Der Parasympathikus kümmert sich um die Körperfunktionen in Ruhe, indem er die Verdauung aktiviert, Stoffwechselvorgänge ankurbelt und für Entspannung sorgt.
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Die Nervenzelle im Detail
Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die kleinste eigenständige Funktionseinheit im Nervensystem. Sie ist eine hochkomplexe Struktur, deren regelrechte Funktion für die Kommunikation zwischen Gehirn, Organen und Geweben unerlässlich ist.
Zellkörper (Soma)
Der Zellkörper, das Soma, umfasst den Zellkern sowie das Perikaryon der Nervenzelle. Diese sind unter anderem für den Zellstoffwechsel, die Produktion von Proteinen und die Abwehr von Krankheitserregern verantwortlich.
Dendriten
Dendriten sind die Signalempfänger der Nervenzellen. Bei der chemischen Kommunikation der Nervenzellen sind die Dendriten nicht direkt mit den Nachbarzellen verbunden, sondern es besteht ein kleiner, flüssigkeitsgefüllter Spalt zwischen den Zellen, der Synaptische Spalt. Die vorangegangene Nervenzelle gibt Neurotransmitter in diesen Spalt ab, damit sie an die Dendriten der nachfolgenden Zelle binden und so das Signal übertragen. Demgegenüber besteht bei elektrischer Kommunikation der Nervenzellen ein direkter Kontakt der Dendriten mit den benachbarten Zellen.
Axonhügel
Der Axonhügel beschreibt den Bereich am Übergang vom Zellkörper der Nervenzelle zum Axon, mit dem die Nervenzelle ihre Information an die nachfolgenden Strukturen weitergibt. Im Axonhügel entscheidet sich, ob ein Reiz stark genug ist, um fortgeleitet zu werden, oder ob es sich lediglich um einen Störimpuls handelt, der nicht weiter zu bearbeiten ist.
Axon
Das Axon ist ein langer Fortsatz, der aus dem Axonhügel hervorgeht und die Aktionspotentiale zu Nerven- oder Muskelzellen weiterleitet. Es enthält ein Proteingerüst, die Mikrotubuli. Gebunden an Transportproteine wandern die im Zellkörper gebildeten Transmitter entlang der Mikrotubuli ans Ende des Axons, wo sie auf ihre Ausschüttung warten.
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Myelinscheide und Ranviersche Schnürringe
Viele Axone sind von einer Myelinscheide, einer Markscheide aus isolierenden Zellen, eingehüllt. Im Zentralen Nervensystem, also dem Gehirn und den Hirnnerven, bilden Oligodendrozyten die Markscheide, außerhalb von Gehirn und Rückenmark Schwann’sche Zellen. In regelmäßigen Abständen finden sich zwischen diesen Zellen kurze Unterbrechungen der Markscheide, die sogenannten „Ranvierschen Schnürringe“. An diesen Stellen liegt das Axon frei, es ist nicht-myelinisiert. Kommt es am Axonhügel zur Auslösung einer elektrischen Erregung, einem Aktionspotenzial, so „springt“ das Signal von einem Schnürring zum nächsten und lässt dabei die myelinisierten Teile des Axons aus. Damit erreicht es das Ende des Axons sehr schnell. Das ist vor allem bei den langen Nervenfasern zwischen Rückenmark und unterer Extremität sehr wichtig. Wird die Myelinscheide der Nervenzelle beschädigt, so können Informationen nicht mehr mit der gewohnten Geschwindigkeit innerhalb des Nervensystems übermittelt werden. Zudem kann es zu Fehlreizen durch Kontakte mit benachbarten Zellen kommen, da die schützende Isolierung des Axons wegfällt. Krankheiten, bei denen die Nervenzellscheiden zerstört werden, sind unter anderem Multiple Sklerose (MS), die das Zentrale Nervensystem betrifft, sowie das Guillain-Barré-Syndrom (GBS), bei dem die Schwann-Zellen im Peripheren Nervensystem abgebaut werden.
Synapse
Die Synapse ist nicht direkt Teil der Nervenzelle, sondern vielmehr der Überbegriff für den Ort der Kommunikation einer Nervenzelle mit ihren Nachbarn. Im Fall einer chemischen Synapse umfasst sie den letzten Abschnitt des Axons, das „synaptisches Endknöpfchen“, in dem die Neurotransmitter gelagert sind sowie den Synaptischen Spalt zwischen den Nervenzellen und die Dendriten der nachfolgenden Zelle. Bei einer elektrischen Synapse ist das Ende der Nervenzelle über Proteinverbindungen, Gap junctions, direkt mit den Nachbarn verbunden. Das elektrische Signal wird hier auf die nächste Nervenzelle oder zum Beispiel auf eine Sinnes- oder Muskelzelle übertragen. Dazu wird das elektrische Signal meist in ein chemisches Signal umgewandelt. Das Endknöpfchen setzt chemische Moleküle in den synaptischen Spalt - die Lücke zwischen den zwei Zellen - frei. Dort binden sie an Rezeptoren und geben die Erregung weiter.
Krankheitserreger im Nervensystem
Manche Krankheitserreger nutzen den axonalen Transport, um sich entlang der Nervenzelle vom Ort ihres Eindringens in den Körper bis zum Gehirn fortzubewegen. Beispiele hierfür sind die Verursacher des Wundstarrkrampfes (Tetanus-Bakterien), die Auslöser der Tollwut (Rabies-Viren) und die Windpockenviren (Varizella Zoster). Beispielsweise unterdrückt Tetanustoxin die Freisetzung hemmender Botenstoffe, während aktivierende Transmitter ungehindert auf nachfolgende Muskelzellen wirken können. Bei der Injektion von Botulinomtoxin (Botox), führt wiederum die Unterdrückung des Neurotransmitters Acetylcholin zum gewünschten Effekt.
Funktion der Nervenzellen
Wenngleich die Nervenzelle per se immer ähnlich arbeitet und Reize weiterleitet, so unterscheidet sich die Funktion der Zellen in Abhängigkeit von ihrem Verlauf im Körper.
Sensorische Nervenzellen
Eine sensorische Nervenzelle nimmt Reize aus dem Körper oder der Umgebung auf und leitet sie zur Verarbeitung an Rückenmark und Gehirn weiter. Die sensorischen - oder auch afferenten (= "hinführenden") - Nervenbahnen leiten die Impulse vom Sinnesorgan zum Gehirn. Beispielsweise werden Temperatur, Berührungen und Druck über die Rezeptoren der Haut aufgenommen und in elektrische Impulse umgewandelt.
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Motorische Nervenzellen
Motorische Nervenzellen übertragen Informationen aus dem Gehirn an den Körper, um Reaktionen zu erzeugen. Die motorischen - oder auch efferenten (="hinaustragenden") - Nervenbahnen leiten die Impulse von Gehirn zum ausführenden Organ. Trifft der motorische Reiz auf eine Muskelzelle, so kann eine aktive, bewusste Bewegung ausgelöst werden, beispielsweise das Öffnen der Augen oder das Heben des Arms. Auch unbewusste Steuerungsprozesse werden vom motorischen Nervensystem initiiert. Sie betreffen das autonome, vegetative Nervensystem, das sich in den Sympathikus und den Parasympathikus gliedert, welche die Reaktion des Körpers auf Stress und Bedrohungen sowie auf Phasen der Ruhe und Entspannung regulieren.
Interneurone
Bei den Interneuronen handelt es sich um eine besondere Gruppe von Nervenzellen, die weder dem motorischen noch dem sensorischen System direkt zugehörig sind. Sie verschalten und verarbeiten die Informationen im Gehirn und Rückenmark und vermitteln zwischen anderen Nervenzellen. Interneurone sind beispielsweise bei komplexen Reflexen wie dem Wegziehen der Hand bei einer Verbrennung beteiligt. Derartige Bewegungen erfordern die sofortige und gleichzeitige Aktivität vieler Muskeln. Indem die Interneurone unmittelbar die entsprechende Reaktion auslösen, ohne auf eine Rückantwort des Gehirns warten zu müssen, sorgen sie für eine viel schnellere Reaktion und vermindern den Schaden für das verletzte Gewebe.
Arten von Nervenzellen
Die Nervenzellen lassen sich anhand verschiedener Kriterien in Gruppen einteilen. Ein verbreiteter Irrtum ist anzunehmen, dass alle Nervenzellen die gleiche Struktur haben.
Unipolare Nervenzellen
Unipolare Nervenzellen besitzen einen einzigen Zellfortsatz, der sich nach Verlassen des Zellkörpers in einen empfangenden und einen aussendenden Anteil aufspaltet. Die Fasern innerhalb des Fortsatzes verlaufen anfänglich verflochten, sie sind lediglich in ihrer Funktion getrennt. Unipolare Nervenzellen haben nur einen kurzen Fortsatz (Axon) und keine Dendriten.
Bipolare Nervenzellen
Bipolare Nervenzellen besitzen zwei Fortsätze, einen dendritischen und einen axonalen.
Multipolare Nervenzellen
Multipolare Nervenzellen besitzen viele Dendriten, mit denen sie die Informationen ihrer Nachbarzellen aufnehmen, und ein Axon, das die verarbeiteten Reize weitergibt. Typische multipolare Zellen sind motorische Neurone. Multipolare Nervenzellen kommen sehr häufig vor.
Pseudounipolare Nervenzellen
Ähnlich wie unipolare besitzen auch pseudounipolare Nervenzellen einen einzelnen Fortsatz. Allerdings ist dieser in seinem Inneren von Anfang an klar in zwei parallel verlaufende Systeme getrennt: den dendritischen Empfänger und das ableitende Axon. Sensorische Nervenzellen sind klassische pseudounipolare Zellen. Ihre Zellkörper liegen im Rücken außerhalb des Rückenmarks in sogenannten Ganglien.
Signalübertragung: Nervenbahnen, Nervenzellen und Synapsen
Nervenbahnen durchziehen wie Stromkabel den gesamten Körper und leiten Reize zum Hirn und Befehle aus der Zentrale wieder zurück zu der Körperstelle. Eine Nervenbahn besteht aus gebündelten Nervenzellen und ist mit einer Schutz-Hülle umgeben. Jeder Mensch hat Abermilliarden Nervenzellen (Neuronen). Mit ihren „Zweigen“ (Dendriten) empfangen sie Signale aus den Nachbarzellen und schicken sie über den Stamm (Axon) zu den Synapsen, den Kontaktstellen zur nächsten Zelle. Nervenzellen sind im Durchmesser nur bis 0,1 Millimeter groß, das Axon kann aber bis zu einem Meter lang sein. Eine Nervenzelle kann bis zu 100.000 Synapsen haben. Wenn ein Reiz von einer Zelle zur nächsten weitergeleitet werden soll, arbeiten die meisten Synapsen mit chemischen Botenstoffen, andere mit elektrischen Signalen.
Ruhepotential und Aktionspotential
Das Ruhepotential Nervenzelle ist fundamental für die Funktionsfähigkeit von Nervenzellen. Die Entstehung des Ruhepotential Studyflix basiert auf verschiedenen Ionenströmen und aktiven Transportmechanismen. Das Aktionspotential Nervenzelle ist ein komplexer Prozess mit mehreren Aktionspotential Phasen. Die Aktionspotential Ionenströme folgen einem präzisen zeitlichen Ablauf: Nach Überschreitung des Schwellenwerts öffnen sich spannungsabhängige Natrium-Kanäle, gefolgt von einer Repolarisation durch Kalium-Ausstrom.
Chemische Synapse und motorische Endplatte
Die chemische Synapse stellt eine spezialisierte Verbindungsstelle zwischen Nervenzellen dar, die für die Signalübertragung im Nervensystem essentiell ist. Wenn ein Aktionspotential die präsynaptische Membran erreicht, öffnen sich spannungsgesteuerte Calcium-Ionenkanäle. Der Calcium-Einstrom führt zur Verschmelzung von Vesikeln mit der Membran, wodurch der Neurotransmitter Acetylcholin in den synaptischen Spalt freigesetzt wird. Die freigesetzten Transmittermoleküle diffundieren zur postsynaptischen Membran und binden an spezifische Rezeptoren. Diese Bindung bewirkt die Öffnung von Natrium-Ionenkanälen, was zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran führt. Die Synapse Funktion umfasst sowohl erregende als auch hemmende Signalübertragung. Im Gegensatz dazu führt das inhibitorische postsynaptische Potential IPSPIPSP zu einer Hyperpolarisierung der Zelle durch den Einstrom von Chlorid-Ionen. Die Balance zwischen EPSPs und IPSPs ist entscheidend für die Informationsverarbeitung im Nervensystem. Die motorische Endplatte ist eine spezialisierte Form der chemischen und elektrischen Synapse, die die Verbindung zwischen Motoneuron und Muskelfaser herstellt. Wenn ein Aktionspotential die präsynaptische Membran erreicht, werden durch Calcium-Einstrom Acetylcholin-gefüllte Vesikel zur Membran transportiert und ihr Inhalt freigesetzt. Die resultierende Depolarisation löst ein Aktionspotential in der Muskelfaser aus, was zur Freisetzung von Calcium-Ionen aus dem sarkoplasmatischen Retikulum führt.
Beeinflussung der Synapsenfunktion durch Gifte
Die Funktionalität der Synapse Aufbau kann durch verschiedene Gifte beeinträchtigt werden, die an unterschiedlichen Stellen des Übertragungsprozesses angreifen. Einige Gifte wie Conotoxin blockieren Calcium-Ionenkanäle und verhindern damit die Transmitterfreisetzung. Botulinum, das Gift des Botulismus-Erregers, hemmt die Acetylcholin-Freisetzung, während Tetrodotoxin spannungsgesteuerte Natrium-Kanäle blockiert.
Das Nervensystem im Alltag: Ein Beispiel
Unser Nervensystem besteht aus Abermilliarden Nervenzellen. Das komplexe Netz steuert bewusste und unbewusste Prozesse. Nehmen wir das Beispiel, eine Tasse Kaffee zu trinken. Wenn wir eine Tasse greifen wollen, laufen unzählige Prozesse im motorischen Nervensystem ab. Aus den Infos der Sinneswahrnehmung berechnet das Gehirn, wohin wir greifen müssen. Über das Rückenmark und die an Muskeln andockenden Nervenzellen gibt es den Befehl zum Ausstrecken der Hand. Die Bewegung wird fortlaufend mit den Reizen abgeglichen, die das sensorische Nervensystem ans Hirn zurücksendet: damit wir nicht danebengreifen, nicht kleckern oder uns am heißen Kaffee verbrennen. Auch wenn wir dabei nicht nachdenken, ist das ein bewusster Prozess. Nicht bewusst steuern können wir, was in unserem Magen und Darm mit dem Kaffee geschieht - wie auch alle anderen Prozesse, die vom vegetativen Nervensystem kontrolliert werden: Dieses regelt neben der Verdauung auch die Herztätigkeit, die Atmung, den Kreislauf, die Schweißbildung, die Körpertemperatur und viele weitere Abläufe in unserem Körper autonom.
Coffein und das Nervensystem
Die komplexe Wirkung von Coffein auf den menschlichen Körper manifestiert sich primär durch die Beeinflussung verschiedener Blutgefäßsysteme. In den Herzkranzgefäßen bewirkt Coffein eine Dilatation, während es in anderen Körperregionen zu einer Vasokonstriktion führt. Der molekulare Wirkmechanismus von Coffein basiert hauptsächlich auf der Interaktion mit Adenosinrezeptoren. Coffein fungiert als Antagonist, indem es diese Rezeptoren blockiert und damit die sedative Wirkung des Adenosins verhindert. Bei höheren Coffeindosen kommt es zusätzlich zur Hemmung der Phosphodiesterase, die für den Abbau des cyclischen Adenosinmonophosphats cAMPcAMP verantwortlich ist. Bei regelmäßigem Coffeinkonsum entwickelt der Körper adaptive Mechanismen, die zu einer Toleranzentwicklung führen. Wird der Coffeinkonsum plötzlich eingestellt, können Entzugserscheinungen auftreten. Diese entstehen, weil das nun wieder verfügbare Adenosin an die vermehrten Rezeptoren binden kann, was zu einer verstärkten Adenosinwirkung führt. Gleichzeitig normalisiert sich der cAMP-Stoffwechsel, wodurch die Wirkungsdauer der Botenstoffe abnimmt. Beispiel: Ein regelmäßiger Kaffeetrinker, der täglich mehrere Tassen konsumiert, kann bei plötzlichem Verzicht Symptome wie Kopfschmerzen und Müdigkeit entwickeln. Koffein ist eine psychoaktive Substanz. Es überwindet die Blut-Hirn-Schranke und wirkt direkt auf das zentrale Nervensystem, indem es die Adenosinrezeptoren der Nervenzellen blockiert. Adenosin ist ein Botenstoff, der dem Körper Müdigkeit signalisiert. Daher die belebende Wirkung.
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