Entwicklung des Zentralnervensystems (ZNS) der Wirbeltiere: Ein Überblick

Das Nervensystem (NS) ist ein komplexes Netzwerk, das die Grundlage für Wahrnehmung, Informationsverarbeitung und Steuerung von Verhaltensweisen in Organismen bildet. Bei Wirbeltieren zeichnet sich das Nervensystem durch eine Verlagerung der nervösen Zentralorgane in das Körperinnere (Internation) und durch die Zentralisierung vieler Neuronengruppen zu einem Zentralorgan aus. Dieser Artikel beleuchtet die Entwicklung des Zentralnervensystems (ZNS) von Wirbeltieren im Vergleich zu den Nervensystemen der Wirbellosen, wobei die zunehmende Komplexität und Spezialisierung im Laufe der Evolution hervorgehoben wird.

Nervensysteme der Wirbellosen: Eine Vielfalt an Bauplänen

Nervensysteme wirbelloser Tiere sind äußerst vielgestaltig. Die Evolution der Nervensysteme bei Wirbellosen zeigt eine Tendenz zur Zentralisation und Cephalisation (Kopfbildung).

Radiärsymmetrische Nervensysteme

Nesseltiere und Stachelhäuter sind radiärsymmetrisch gebaut und zeigen dementsprechend ein radiärsymmetrisches NS. Der Süßwasserpolyp besitzt ein diffuses Nervennetz. Bei den Stachelhäutern ist ein zentraler Ring mit Radiärnerven in jedem Arm ausgebildet.

• Nesseltiere (Cnidaria): Bei Nesseltieren, wie Quallen, findet man den einfachsten Typ eines NS. Sie besitzen ein diffuses (zerstreutes), netzartiges System von Nervenzellen, welches an der äußeren Zellschicht über den gesamten Körper verteilt ist. Die Informationsübertragung zwischen den Neuronen erfolgt an Synapsen - den Endstellen der langen Zellausläufer. Die Informationsleitung findet an diesen Synapsen solcher Nervennetze in beide Richtungen statt. Dadurch bedingt kann sich in so einem Netzwerk von jedem beliebigen Punkt aus Erregung gleichmäßig in alle Richtungen ausbreiten. Eine zentrale neuronale Verarbeitungsstelle existiert in diesem Nervennetz nicht, weshalb nur eine geringe oder keine zentrale Steuerung des Organismus möglich ist. Bei Quallen (Medusen) liegt bereits eine Konzentration von Nervenzellen in Form von Ringen im Schirmrand vor. Durch diese Nervenringe werden die Informationen zur Koordination des Körpers übertragen. Radial (strahlenförmig) von den Nervenringen weg führen Nervenstränge zu den Sinnesorganen und häufig kommt es an der Basis eines jeden Sinnesorgans zur Ganglionbildung.
• Stachelhäuter (Echinodermata): Seesterne (Asteroidea) gehören zu den Stachelhäutern, deren Nervensystem Ähnlichkeiten mit dem System der Quallen aufweist. Seesterne besitzen beispielsweise einen zentralen Nervenring um die Mundscheibe. Von diesem Ring ziehen radiäre Nervenstränge in die Arme. Sie besitzen ein radiärsymmetrisches NS.

Bilateralsymmetrische Nervensysteme

Mit der Entwicklung fand eine fortschreitende Zentralisation der NS und eine Cephalisierung (Kopfbildung) statt. Bei den meisten bilateralsymmetrisch (zweiseitig gleich) gebauten Tieren ist auch ein bilateralsymmetrisches NS ausgebildet.

• Plattwürmer (Plathelminthes): Eine zunehmende Cephalisation findet man bei den Plattwürmern. Zu den Plattwürmern gehören Strudelwürmer, Saugwürmer und Bandwürmer. Das NS der niederen Strudelwürmer besteht aus einem diffusen Nervennetz ohne Stränge und Längsverdickungen, aber mit Verstärkungen im vorderen Körperende. Bei höheren Strudelwürmern kommt es zur Zentralisation des NS. Assoziations- und motorische Zellen vereinigen sich zu Längssträngen (Konnektiven), die durch Querstränge (Kommissuren) miteinander verbunden sind. Plattwürmer haben also bereits ein kleines Gehirn ausgebildet, von dem aus die Markstränge durch den Körper ziehen. Das PNS besteht aus einem Strickleiternetz. Das ZNS der Plattwürmer besteht aus dem kleinen Gehirn (Cerebralganglion) und insgesamt acht Marksträngen, welche längs durch den Körper ziehen. Die Markstränge sind quer durch Kommissuren miteinander verbunden. Das Gehirn am Kopfende versorgt vor allem die Lichtsinnesorgane (Augen) und ermöglicht so eine Hell-Dunkel-Unterscheidung und eine gerichtete Fortbewegung.
• Schlauchwürmer (Nemathelminthes): Typisch für Schlauchwürmer (Rund- und Fadenwürmer, Rädertiere u. a.) ist ein relativ niedriger Cephalisationsgrad: Im Bereich des Vorderendes besteht das NS lediglich aus einem Schlundring, über den die Nervenzellen zerstreut verteilt sind.
• Ringelwürmer (Annelida): Das NS der Ringelwürmer lässt sich schematisch aus dem der Plattwürmer herleiten. So gesehen erfolgte eine Verstärkung der beiden Bauchstränge und eine Reduktion der übrigen 6 Markstränge. Durch die Zusammenfassung der Nervenzellen in den einzelnen Segmentabschnitten der Ringelwürmer kommt es zur Ausbildung eines typischen Strickleiternervensystems. In diesem sind die pro Körpersegment zu Nervenknoten verschmolzenen 2 Bauchmarkganglien durch Kommissuren miteinander und durch Konnektive mit benachbarten Ganglien verbunden (Bauchmark). Das Gehirn befindet sich ebenfalls in der Kopfregion des Organismus. In jedem Körpersegment ist in der Regel ein Ganglienpaar ausgebildet. Den Ringelwürmern und allen Gliederfüßern fehlt ein diffuses Hautnervengeflecht.
• Weichtiere (Mollusca): Zu den Weichtieren gehören u. a. Schnecken, Muscheln und Tintenfische (Kopffüßer, Cephalopoda). Die Entwicklung der Nervensysteme in diesem Tierstamm reicht von sehr einfach (Polyplacophora) bis hoch entwickelt (Cephalopoda mit starker Cephalisation und hoch entwickelten Sinnesorganen). Viele Mollusken besitzen ein Zentralnervensystem aus paarigen Ganglien, welche in verschiedenen Körperteilen lokalisiert und durch Kommissuren oder Konnektive miteinander verbunden sind. Meist verlaufen vier Stränge durch den Organismus. Ursprünglich sind bei den Mollusken fünf Hauptganglienpaare vorhanden: Cerebralganglien, die v. a. Den höchsten Grad der Gehirnbildung haben die Cephalopoden erreicht. Die sensorischen Zentren sind im Cerebralganglion lokalisiert. Die übrigen Ganglienpaare haben sich zu einem Unterschlundganglion zusammengeschlossen und enthalten die motorischen Zentren. Die Verbindungen zwischen den Ganglienpaaren sind zugunsten der Verschmelzung stark reduziert. Diese Organisation entspricht einem hoch entwickelten Gehirn und zeichnet sich zusätzlich durch Riesen-Axone aus. Am Kopf befinden sich leistungsfähige Augen mit Linsen, welche von innen durch Knorpelgewebe umschlossen und geschützt werden. Besonders Kraken gehören zu den intelligentesten wirbellosen Tieren. Sie sind in der Lage, gezielt Gegenstände aus verschlossenen Gläsern mit Schraubverschluss herauszuholen. Damit gelten sie als intelligenter als beispielsweise Reptilien. Aufgrund ihrer Riesen-Nervenzellen und -bahnen sind Kopffüßer und auch Schnecken wichtige Untersuchungsmodelle für die neurobiologische Forschung. Zum Beispiel wurden grundlegende Erkenntnisse über den Mechanismus der Entstehung eines Aktionspotenzials (AP) an den Riesen-Axonen des Tintenfischs gewonnen. Besonders wichtig war die Aufklärung der Grundlagen der Nervenleitung an Riesen-Nervenfasern von Kalmaren. Schnecken werden häufig für Untersuchungen zur Regeneration von Neuronen, der Funktion von Neurotransmittern sowie der Erforschung der Mechanismen des Lernens und Gedächtnisses eingesetzt. So besitzt die marin lebende Schnecke Aplysia sehr große Neuronen, die sich experimentell leicht manipulieren lassen. Das gesamte NS dieser Schnecke besteht aus ca. 20 000 Neuronen. Die Tiere lernen z. B.
• Gliederfüßer (Arthropoda): Das Zentralnervensystem der Gliederfüßer ähnelt in der Grundkonstruktion dem Bauchmark der Ringelwürmer. Jedoch sind entsprechend den hoch entwickelten Sinnesleistungen und dem komplexen Verhaltensrepertoire übergeordnete Strukturen stärker ausgebildet. D. h. außer dem Gehirn (Verschmelzung von Ganglien im Kopfbereich) sind häufig auch die Ganglien des Brustabschnitts und des Hinterleibs zu großen Nervenknoten verschmolzen. Das typische Strickleiternervensystemmuster „ein Segment - ein Ganglienpaar“ kommt dadurch bei adulten Tieren nur selten zur Ausprägung. Es ergibt sich eher das Schema einer unpaaren Kette. Das Nervensystem besteht aus einem Gehirn, den Schlundkonnektiven (Längssträngen) und den ventralen Strängen (Strickleiternervensystem). Bei vielen Insekten kommt es durch das Zusammenschließen vieler einzelner Nervenpunkte zu mehreren größeren Knoten zur Tendenz einer Dezentralisierung. Dies äußert sich in dem relativ unabhängigen und eigenständigen Agieren der Brustganglien und des Gehirns im Kopfbereich. Eine Erklärung dafür ist die Steuerung der am Bruststück befestigten vielfältigen Lokomotionsorgane (3 Bein- und 2 Flügelpaare). Des Weiteren sind die Lokomotionsorgane noch mit zahlreichen Sinnesorganen ausgestattet, die bei anderen Tieren der Kopfregion angehören. Somit erscheint eine separate Kontrolle dieser Körperregion sinnvoll.

Das Zentralnervensystem der Wirbeltiere: Zentralisierung und Komplexität

Das NS der Wirbeltiere zeichnet sich durch die Verlagerung der nervösen Zentralorgane in das Körperinnere (Internation) und durch die Zentralisierung vieler Neuronengruppen zu einem Zentralorgan aus.

Lesen Sie auch: Demenz und Wohlbefinden: Ein detaillierter Überblick

Grundlegende Struktur

Das Nervensystem (NS) ist ein Netzwerk (Verband) aus Nervenzellen (Neuronen), die miteinander in Verbindung stehen und sich gegenseitig beeinflussen. Die Neuronen dienen der Erzeugung elektrischer Erregung unter Aufnahme chemischer, mechanischer oder elektrischer Reize und der Umwandlung dieser Reize. In Form schwacher elektrischer Ströme können sie diese Erregung über ihre langen Fortsätze an andere Zellen weiterleiten. Dabei kann eine Nervenzelle bis ca. 10 000 oft sehr verschiedenartige Verknüpfungen mit anderen Nervenzellen eingehen. Die vielen Verästelungen im NS ermöglichen eine schnelle Informationsleitung und eine direkte Übertragung der Informationen an die entfernteren Zielorte. Das NS ist ein koordinierendes Organsystem und erfüllt folgende Aufgaben: die Wahrnehmung der unterschiedlichen Reizarten mithilfe von Sinneszellen (Rezeptoren), die Informationsverarbeitung und -speicherung auf allen Ebenen des Nervensystems und die Beantwortung der Informationen mit entsprechenden Verhaltensweisen bzw. die Steuerung der Funktionsweise innerer Organe.

Mit der Entwicklung des zweiseitig (bilateral) gleichartigen (symmetrischen) Körperbaus und der damit zusammenhängenden Kopfausbildung (Cephalisation) fand eine fortschreitende Zentralisation des NS statt. Auch die gerichtete Fortbewegung spielt bei dieser Entwicklung eine wesentliche Rolle. Ein dementsprechend bilateralsymmetrisches NS besteht aus einem peripheren NS (PNS) und einem zentralen NS (ZNS). Das ZNS setzt sich aus dem Gehirn im Kopfteil und einem oder zwei von ihm ausgehenden Marksträngen zusammen. Markstränge sind Bündel von Nervenfasern, die längs am Körper verlaufen. Sie sind die Hauptleitungen für die Übertragung der elektrischen Impulse zwischen Gehirn und PNS. Ein Markstrang enthält Zellkörper, die sensorische Informationen aufnehmen und in Signale für die Erfolgsorgane umwandeln können. Aus Verdickungen dieser Markstränge im Kopfbereich entwickelte sich im Laufe der Evolution das Gehirn. Das periphere NS enthält Nerven, die Informationen vom ZNS zu den Endorganen leiten oder umgekehrt von den Sinnesorganen zum ZNS.

Das zentrale Nervensystem (auch: Zentralnervensystem, kurz: ZNS, engl. Central Nervous System) des Menschen setzt sich aus dem Gehirn und dem Rückenmark zusammen. bildet es das Nervensystem. Das zentrale Nervensystem ist verantwortlich für das Denken, Fühlen und Erinnern. Dazu verarbeitet es Informationen aus deinem Körper und deiner Umwelt. Wenn du auf der anderen Straßenseite zum Beispiel einen Freund siehst, verarbeitest du die Information in deinem zentralen Nervensystem. Das menschliche Nervensystem ist für die gesamte Informationsverarbeitung im Körper verantwortlich. Es besteht aus dem zentralen und dem peripheren Nervensystem. zusammen. Das periphere Nervensystem sendet dabei Signale an das zentrale Nervensystem. Die Signale kommen aus deiner Umwelt (Beispiel: Du siehst / spürst etwas) oder aus deinem Inneren (Beispiel: Du hast Hunger / bist müde). Außerdem leitet das zentrale Nervensystem Signale an das periphere Nervensystem weiter. Es sendet also motorische Befehle (Beispiel: Hebe die Hand / Sage „Hallo“).

Aufgaben und Funktionen des ZNS

Das zentrale Nervensystem hat einige wichtige Aufgaben und Funktionen im Körper des Menschen.

• Integration: Zusammenbringen aller Reize, die der Organismus vom Körperinneren und von der Umwelt aufnimmt (Beispiel: Essen sehen und gleichzeitig Hungergefühl verspüren).
• Koordination: Abstimmung der motorischen Bewegungen des Organismus (Beispiel: Winken und gleichzeitig grüßen).
• Regulation: Anpassung der lebensnotwendigen Prozesse, die im Körper ablaufen (Beispiel: Hormone regulieren, Atmung beruhigen).

Das zentrale Nervensystem des Menschen ist außerdem für alle kognitiven Funktionen zuständig - also für die Sprache, das Bewusstsein, das Denken und Lernen, für Erinnerungen, für Aufmerksamkeit und für das Vorstellungsvermögen.

Lesen Sie auch: Multiple Sklerose verstehen

Gehirn und Rückenmark

Das zentrale Nervensystem des Menschen besteht - wie du schon weißt - aus dem Gehirn und dem Rückenmark. Genauso ist das übrigens bei allen anderen Wirbeltieren wie bei Fischen, Fröschen, Vögeln, Schildkröten oder Hunden. Grundsätzlich besteht das Nervensystem aus Milliarden von Nervenzellen - den sogenannten Neuronen. Im Rückenmark ist die weiße Substanz außen und die graue Substanz innen. Im Gehirn ist es umgekehrt.

Neuronale Grundlagen der Kommunikation: Ein Blick auf Fische

Evolution. - Kommunikation ist etwas Wunderbares und offenbar schon sehr früh in der Entwicklung der Lebewesen Angelegtes. US-Biologen haben in Fischen nachgewiesen, dass sie die gleichen Hirnareale zur Steuerung der Artikulation benutzen, wie Vögel und Säugetiere. Der letzte gemeinsame Vorfahr von Froschfischen und etwa Menschen aber lebte vor mehr als 400 Millionen Jahren. Den Fischen sei dank - wir können sprechen!"

Fische können einen Heidenlärm veranstalten. Sie summen, grunzen, brummen, trillern sogar - machen eben alles, was die Muskeln aus der Schwimmblase herausholen, denn damit "reden" sie. So erzeugen auch die Froschfische kunstvolle Töne, mit denen sie ihre Partnerin anlocken und verführen, Oder mit denen sie ihr Terrain gegen jeden Eindringling verteidigen. Fische "hören" die Schallwellen unter Wasser sozusagen mit ihrem Körper. Und schon Charles Darwin hatte überlegt, ob sie ihre Fähigkeit, Töne erzeugen zu können, an die anderen Wirbeltiere weitergegeben haben. Und es sieht ganz so aus, als ob Cecilia Bartoli für die Vivaldi-Arien im Grunde die gleichen Netze aus Nervenzellen nutzt wie verliebte Froschfische.

Am felsigen Meeresgrund der nordamerikanischen Pazifikküste bauen die Fischfrosch-Männchen mühsam unter großen Steinen eine Höhle als Nest. Darin "singen" sie dann stundenlang, damit ein Weibchen kommt und seine Eier rücklings an das steinerne Dach klebt, erklärt der Neurobiologe Andrew Bass von der Cornell University in Ithaka New York:"”Es scheint, als ob bei allen Wirbeltieren - sei es nun Fisch oder Mensch - ein sehr ähnlicher Teil des zentralen Nervensystems für die Tonerzeugung zuständig ist.""Anscheinend stecken hinter jeglicher Artikulation die gleichen Vorgänge im Gehirn, ob nun beim Reptil, Vogel, Fisch - oder Säugetier. Damit hätte die neuronale Basis jeglicher Lautäußerung einen gemeinsamen Ursprung.

Bass:"”Dieser Teil des zentralen Nervensystems ist sehr alt, und er entstand vor mehr als 400 Millionen Jahren bei den Knochenfischen. Die Region liegt am hintersten Abschnitt des Gehirns, der die Verbindung mit dem Rückenmark herstellt. Wenn wir miteinander sprechen, müssen ja verschiedene Muskelpartien perfekt aufeinander abgestimmt werden, und das passiert in dieser Region - und zwar bei allen Wirbeltieren, die Töne erzeugen, also auch bei den Fischen.""Für ihre Studie hatten die Forscher die Entwicklung von Gehirn und Nervenbahnen bei Froschfisch-Larven beobachtet. Dabei entdeckten sie den Bereich mit rhythmisch feuernden Nervenzellen, die Einsatz und Zusammenspiel von Muskeln und Schwimmblase kontrollieren - und damit Tempo, Rhythmus und Dauer der Töne.

Lesen Sie auch: Die Phasen der Gehirnentwicklung im Kindesalter

Bass:"Alle Wirbeltiere teilen sich viele Gemeinsamkeiten bei der Entwicklung ihrer Gehirne, aber bislang haben sich die Forschungen auf die Bewegung konzentriert. Wir nahmen uns die Erzeugung von Tönen vor, weil es Teil des sozialen Verhaltens ist. Sprache ist in unserem Sozialleben äußerst wichtig, und sie ist es wohl auch im Leben der anderen Wirbeltiere."

Zwar erzeugen Wirbeltiere ihre Töne sehr unterschiedlich: Der Mensch und andere Säugetiere besitzen den Kehlkopf, dessen Stimmbänder durch Luft zum Vibrieren gebracht werden. Die Syrinx der Vögel liegt etwas tiefer und hat spezielle Membranen und schnelle Muskeln, damit ihr Gesang ertönt. Bass:"”Und der Froschfisch nutzt- wie die anderen ‚sprechenden’ Fische - Muskeln, die an der Schwimmblase ansetzen. Das ist der einfachste Weg, Töne zu erzeugen - und entsprechend sind seine Geräusche auch. Bei allen Wirbeltieren steckt immer ein- und dasselbe Hirnareal dahinter, und selbst die Froschfisch-Laute lassen sie sich nach denselben Kriterien charakterisieren wie unsere Sprache: nach Länge, Intensität und Frequenzen. Wir produzieren zwar sehr viel komplexere Geräusche, aber die neuronalen Grundlagen sind gleich.""Ob Koloratur oder Grunzen, gesteuert wird alles im gleichen Hirnareal - und das seit mehr als 400 Millionen Jahren.

Erkrankungen des ZNS

Neurologische Erkrankungen sind Erkrankungen des Nervensystems. Im zentralen Nervensystem können dabei einige Erkrankungen auftreten.

tags: #beschreiben #sie #die #entwicklung #des #zns