Die Rolle von Nervenzellen, Sinnesleistungen und Synapsen im menschlichen Körper

Das menschliche Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das es uns ermöglicht, Informationen aus unserer Umwelt aufzunehmen, zu verarbeiten und darauf zu reagieren. Nervenzellen, auch Neuronen genannt, spielen dabei eine zentrale Rolle. Sie sind die Bausteine des Nervensystems und ermöglichen die Kommunikation zwischen verschiedenen Körperteilen. Die Weiterleitung von Informationen erfolgt über spezielle Verbindungsstellen, die Synapsen. Dieser Artikel beleuchtet die Funktionsweise von Nervenzellen, die Bedeutung von Sinnesleistungen und die Rolle der Synapsen bei der Informationsübertragung.

Das Nervensystem: Eine Einführung

Das Nervensystem wird grob in zwei Bereiche eingeteilt: das periphere und das zentrale Nervensystem. Das zentrale Nervensystem (ZNS) besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark, während das periphere Nervensystem (PNS) alle Nerven umfasst, die außerhalb des ZNS liegen.

Neben den Nervenzellen gibt es im Gehirn auch Gliazellen. Diese übernehmen verschiedene Funktionen, wie z.B. die Stütz- und Haltefunktion, die Immunabwehr des Gehirns, die Bildung der Blut-Hirn-Schranke, die Beteiligung an der Signalweiterleitung und die elektrische Isolation der Nervenzellen.

Nervenzellen: Die Architekten der Informationsübertragung

Nervenzellen sind spezialisierte Zellen, die elektrische und chemische Signale empfangen, verarbeiten und weiterleiten können. Sie bestehen aus verschiedenen Teilen:

• Dendriten: Baumartige Zellfortsätze, die in der Regel erregende/aktivierende Synapsen aufweisen.
• Soma (Zellkörper): Hier befindet sich der Zellkern. Die eingehenden Signale aller Dendriten laufen hier zusammen.
• Axonhügel: Hier wird das EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potential), wenn es stark genug ist, in Aktionspotentiale umgewandelt oder übersetzt.
• Axon: Transportiert das Signal in Form von Aktionspotentialen bis zur Präsynapse.

Nervenzellen transportieren Signale von den Rezeptorzellen zum Gehirn und ausgehende Signale vom Gehirn zu den Muskeln.

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Rezeptorzellen: Die Schnittstelle zur Umwelt

Rezeptorzellen stellen den Kontakt zu unserer Umgebung her. Sie reagieren auf ganz bestimmte, spezifische Signale aus der Umwelt. Egal um welchen Sinn es geht, von Schmecken, Richen, Sehen, Hören, Tastsinn, Schmerz, Propriozeption (Sinneszellen, die die Lage und Stellung der Körperteile an das Gehirn zurückmelden), Wärme- und Kälterezeptoren usw. In den Rezeptorzellen werden die Signale, die von Nervenzelle zu Nervenzelle weitergegeben werden, zum ersten Mal erzeugt. Zum Beispiel wenn Licht auf die Stäbchen im Auge trifft, sorgt das dafür, dass das Rodopsin zerfällt und so Kanäle in der Membran geschlossen werden. Dies sorgt dafür, dass die Rezeptorzellen (die Stäbchen) im Auge weniger stark feuern (Signale senden) und es kommt nach mehrfachen weiterreichen des Signals von Nervenzelle zu Nervenzelle zum Eindruck des Sehens im Gehirn.

Interneurone und Projektionsneurone: Lokale und weitreichende Verbindungen

Rezeptorzellen geben die Signale weiter an zwei mögliche Arten von Nervenzellen. Entweder an Nervenzellen, die zwei Nervenzellen miteinander verbinden, die sich am selben Ort befinden, eine lokale Verknüpfung, dann nennt man dieses Neuron ein Interneuron oder es handelt sich um eine Nervenzelle, die zwei Nervenzellen miteinander verbindet, die an verschiedenen Orten liegen, dann nennt man so ein Neuron ein Projektionsneuron. Projektionsneurone sind also die Neurone, die die weiten Strecken in unserem Körper überbrücken, oder verschiedene Gehirnareale miteinander verbinden. Die längsten Neurone können über einen Meter lang werden.

Motorneurone: Die Ausführenden der Befehle

Wenn reagiert wird, dann geschieht das in der Regel durch irgendeine Art von Muskelbewegung (es können natürlich auch Drüsen angesteuert werden, wie die Nebennierenrinde, die das Adrenalin ausschüttet, wenn man das Gehirn erkannt hat, dass es sich in einer Gefahrensituation befindet - aber das lassen wir jetzt mal beiseite). Vom Sprechen über Augenbewegungen zu Laufen und Winken wenn immer wir uns Ausdrücken, so sind Muskeln im Spiel. Die Signale im Körper laufen immer in diese Richtung. Von der Rezeptorzelle zu den Motorneuronen. Nie anders herum. Neurone haben also eine Richtung in der sie Signale transportieren.

Synapsen: Die Schaltstellen des Nervensystems

Synapsen sind die Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, die Informationen (Reize/Erregungen) weiterleiten. Eine Synapse ist der Verbindungsbereich zwischen zwei Zellen, meist Nervenzellen. Ihre Funktion ist das Übertragen von chemischen oder elektrischen Signalen von einer Nervenzelle zu ihrer Nachbarzelle. Innerhalb jeder Nervenzelle werden die Reize dann als elektrische Signale weitergeleitet. Obwohl Synapsen grundsätzlich ähnlich aufgebaut sind, gibt es verschiedene Synapsentypen. Als Synapse (griech. συναψις, synapsis = Verbindung) wird die Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen Nervenzelle und einer anderen Zelle (z.B. Muskelzelle oder Drüsenzelle) bezeichnet.

Synapsen bestehen vereinfacht gesehen aus drei Bereichen. An den Enden von Nerven- oder Sinneszellen befindet sich der präsynaptische Teil der Synapsen, der winzige Bläschen (Vesikel) mit Botenstoffen, die auch Neurotransmitter genannt werden, enthält. Die Postsynapse ist die Nachbarzelle, die das Signal empfängt. Dazwischen liegt der synaptische Spalt.

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Arten von Synapsen

Synapsen gibt es in zwei Arten, als elektrische und als chemische Synapse.

• Elektrische Synapsen: Hier wird die Erregung direkt in elektrischer Form zur benachbarten Zelle weitergeleitet. Elektrische Synapsen kommen in unserem Körper eher selten vor. Du findest sie dort, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist. In einer elektrischen Synapse wird die Erregung (Bildung bzw. Auslösung eines Aktionspotenzials) direkt in Form eines elektrischen Signals an die benachbarte Zelle weitergegeben. Dies geschieht fast verzögerungsfrei, da spezielle Proteinkanäle, sogenannte gap junctions, die Zellen miteinander verbinden. Die Informationsübertragung an elektrischen Synapsen erfolgt in weniger als einer Millisekunde! Die Erregungsweiterleitung erfolgt aufgrund des Ionenstroms passiv.
• Chemische Synapsen: Chemische Synapsen kommen in unserem Körper viel häufiger vor. Die meisten Neuronen sind über besondere Kontaktstellen miteinander verbunden, die man chemische Synapse nennt. Hier wird das Signal in Form von kleinen chemischen Molekülen weitergegeben, die man chemische Botenstoffe oder Neurotransmitter nennt. Daher der Name chemische Synapse. Chemische Synapsen übertragen eine Erregung indirekt auf die nächste Zelle, indem sie ein elektrisches Signal in ein chemisches umwandeln. Dazu wird die Freisetzung von Botenstoffen durch ein elektrisches Signal ausgelöst. Bei einer chemischen Synapse dauert die Übertragung länger (etwa 1 Millisekunde), denn hier wird ein elektrisches Signal in ein chemisches umgewandelt. Chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) werden freigesetzt und leiten die weitere Informationsübertragung ein.

Die chemische Synapse im Detail

Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig. Nur soviel: Diese besondere Kontaktstelle, genannt Synapse, besteht aus drei Teilen. Von der Präsynapse werden Neurotransmitter in den synaptischen Spalt frei gesetzt und dann werden diese Neurotransmitter von Rezeptoren an der Postsynapse gebunden und sorgen so für ein Signal in der folgenden Nervenzelle. Dieses Signal ist dann ein analoges, elektrisches Signal. Da es sich in der Regel um ein erregendes Signal handelt, also um ein Signal, dass dazu führt, dass das Membranpotential sich erhöht (Wer mehr erfahren möchte über Membranpotentiale sollte sich den Beitrag zum Ruhe- und zum Aktionspotential ansehen.) nennt man dieses Signal auch ein erregendes postsynaptisches Potential oder auch ein EPSP.

1. Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen (Synapse) → Spannungsänderung!
2. Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
3. Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen → Positivierung → Depolarisation der Membran!
4. Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel bewegen sich darauf hin zur Präsynapse, und verschmelzen dort mit ihr. Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Der Anstieg der Calciumionenkonzentration löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der Membran aus.
5. Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
6. Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Na+). Die Neurotransmitter können an der postsynaptischen Membran an für sie spezifische Rezeptoren (Andockstellen) binden. Die Kanäle sind also nicht spannungsgesteuert, sondern ligandengesteuert. Das bedeutet: Die Ionenkanäle öffnen sich, sobald ein Transmitter (= Ligand) an den entsprechenden Rezeptor gebunden hat.
7. Dieser Ein- und Ausstrom hat eine positive oder negative Veränderung der Spannung zur Folge (= postsynaptisches Potential). Die Erregung / Hemmung findet solange statt, wie die Neurotransmitter an den Rezeptoren gebunden sind.
8. Dann können sie wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen und erneut verwendet werden oder im synaptischen Spalt abgebaut (z. B. die die Reizweiterleitung an chemischen Synapsen stören oder verhindern können. Sie hemmen dann die Informationsübertragung an Synapsen an unterschiedlichen Stellen.
9. Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Acetat und Cholin → Acetylcholin.

Erregende und hemmende Synapsen

Es gibt erregende Synapsen und hemmende Synapsen, die im Nervensystem zu etwa gleichen Teilen vorkommen. Erregende (auch: exzitatorische) Synapsen sorgen für eine Weiterleitung von Impulsen. Beide Synapsentypen sind in Bau und Funktion gleich. Es ist ein Missverständnis, dass Synapsen immer Signale weiterleiten.

Signalverarbeitung an der Synapse

Das wichtige an diesen EPSPs ist, das mit Hilfe dieser Signale die eigentliche Verrechnung von Signalen in der Nervenzelle stattfindet. Auf dem Weg von ihrem Entstehungsort, der Postsynapse, zum Axonhügel, breiten sich die Signale wellenartig aus und sind daher immer in Bewegung. Von den Dendriten über das Soma bis zum Axonhügel bestimmt die Höhe des Wellenberges über die Stärke des Signals (s. Abbildung oben). Aus dem EPSP wird am Axonhügel ein Aktionspotential, wenn der Schwellenwert erreicht wird. Das Aktionspotential hat immer die gleiche Amplitude, daher spricht man hier von einem digitalen Signal. Entweder es gibt ein Aktionspotential oder es gibt keines. Ein schwaches Signal, das den Schwellenwert gerade erreicht löst ein einziges Aktionspotential aus. Ein starkes Signal, das den Schwellenwert längere Zeit überschreitet löst immer wieder ein Aktionspotential aus, bis der Schwellenwert wieder unterschritten wird. (In der Realität ist es natürlich etwas komplizierter.) Es entstehen so also mehrere Aktionspotentiale bei einem starken Signal. Daher gilt, je größer die Amplitude eines ESPS am Axonhügel ist, desto mehr Aktionspotentiale entstehen. Nach dem Axonhügel bis zur Präsynapse wird die Stärke des Signals nicht mehr in der Größe der Amplitude ausgedrückt, sondern in der Anzahl der Aktionspotentiale pro Zeit. In der Präsynapse wird dann das Signal der Aktionspotentiale in ein chemisches Signal umgewandelt, so dass ein mehrere eintreffende Aktionspotentiale mehr Neurotransmitter frei setzen, als ein einzelnes Aktionspotential. Wichtig ist, dass bei jeder Umwandlung des Signals (1. von chemisch- zu amplitudenkodiert; 2. von amplituden- zu frequenzkodiert und 3. Diese Werte sind für jedes Neuron verschieden und können sich im Laufe der Zeit für ein einzelnes Neuron, abhängig davon wie aktiv das Neuron war, ändern. Diese Änderungen nennt man Plastizität und bildet die Grundlage für Lernprozesse. Daher kommen diesen Stellen an denen Signalumwandlungen stattfinden besondere Bedeutung zu. Die Rolle von Signalübertragungsänderungen am Axonhügel sind bisher noch nicht richtig untersucht, wohingegen die Rolle der Signalübertragungsänderung an der Synapse für Lernen und Gedächtnisbildung gut belegt und untersucht ist.

Neurotransmitter: Die Botenstoffe des Nervensystems

Auch nach dem Botenstoff lassen sich verschiedene Arten von Synapsen unterscheiden. Die Übertragung der Erregung wird mittels chemischer Botenstoffen, den sogenannten Neurotransmittern, realisiert.

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Synapsengifte: Störungen der Informationsübertragung

Es gibt verschiedene Synapsengifte, die, je nach Art des Gifts, in allen Teilen der Synapse (Präsynapse, synaptischer Spalt, Postsynapse) wirken können. Sie beeinflussen die Erregungsübertragung also auf unterschiedliche Weise. Nikotin aktiviert postsynaptische Rezeptoren und öffnet dadurch Natriumkanäle. Dies hat eine erregende Wirkung auf den Körper und selbst schwächere Signale können bereits eine Depolarisation auslösen. Kokain bewirkt, dass der Botenstoff Dopamin ohne ein elektrisches Signal in den synaptischen Spalt gelangt. Dopamin spielt eine Rolle bei der Motivations- und Emotionsregulation und ist auch als Botenstoff des Glücks bekannt. Die Wiederaufnahme in den präsynaptischen Teil wird außerdem verhindert. Dadurch ist ein Vielfaches der normalen Botenstoffmenge im synaptischen Spalt vorhanden und die nachfolgende Zelle wird dauergereizt. In diesem Moment fühlt sich eine Person oft unschlagbar und ist zu beeindruckenden Leistungen imstande, es kommt allerdings nicht selten zur Abhängigkeit. Schlimm wird es für Konsumierende insbesondere nach dem Rausch: Kokain wird schnell abgebaut. Da die freigesetzten Botenstoffe allerdings nicht wieder in die Präsynapse aufgenommen werden können, brauchen die Nervenzellen sehr lange, die Neurotransmitter wieder aufzufüllen.

Atropin dagegen hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.

Sinnesleistungen: Die Grundlage unserer Wahrnehmung

Nervenzellen gibt es unter anderem als Rezeptorzellen. Dann nehmen sie Signale aus der Umgebung auf. Egal um welchen Sinn es geht, von Schmecken, Richen, Sehen, Hören, Tastsinn, Schmerz, Propriozeption (Sinneszellen, die die Lage und Stellung der Körperteile an das Gehirn zurückmelden), Wärme- und Kälterezeptoren usw.

Die Bedeutung von Nervenzellen, Sinnesleistungen und Synapsen

Die Informationsübertragung über mehrere Nervenzellen, beispielsweise von einer Sinneszelle zum Gehirn, kann nur in eine Richtung stattfinden. Lernen und Erinnern hängen stark von der Aktivität deiner Synapsen ab. Vertiefe dein Wissen mit dem Thema Vom Reiz zum Aktionspotenzial.

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