Das Nervensystem der Klasse 10: Aufbau und Funktion

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das die Grundlage für die Steuerung und Koordination aller Körperfunktionen bildet. Es ermöglicht uns, unsere Umwelt wahrzunehmen, zu denken, zu fühlen und zu handeln. In diesem Artikel werden wir den Aufbau und die Funktionsweise des Nervensystems detailliert untersuchen.

Einführung in das Nervensystem

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das sich in verschiedene funktionelle Einheiten gliedert. Es besteht aus Nervenzellen (Neuronen) und Gliazellen, die zusammenarbeiten, um Informationen zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Das Nervensystem durchzieht den ganzen Körper.

Im Laufe der Evolution und der Höherentwicklung von Organismen wurde das Nervensystem (Überblick) in seinem Aufbau immer komplexer. Während der Regenwurm nur ein einfaches, leiterförmiges Nervensystem besitzt.

Das Nervensystem lässt sich in drei Abschnitte gliedern: Zentralnervensystem, peripheres Nervensystem und vegetatives Nervensystem.

Anatomischer Aufbau des Nervensystems

Betrachtet man die Anatomie, hat das Nervensystem des Menschen einen ganz bestimmten Aufbau. Es wird in zwei Hauptbereiche unterteilt:

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• Zentrales Nervensystem (ZNS): Das ZNS liegt anatomisch betrachtet zentral im Körper und besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark. Das zentrale Nervensystem, in der Biologie oft mit ZNS abgekürzt, liegt anatomisch betrachtet zentral im Körper. Die Bestandteile des zentralen Nervensystems sind Gehirn und Rückenmark. Das Gehirn besteht aus etwa 100 Milliarden Neuronen. Während du schläfst, bleibt dein Gehirn - ein Teil des zentralen Nervensystems - aktiv und verarbeitet riesige Mengen an Informationen. Es sortiert Erinnerungen und verbessert deine Fähigkeiten.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Alle Nervenstrukturen außerhalb von Rückenmark und Gehirn sind Bestandteil des peripheren Nervensystems, in der Biologie oft mit PNS abgekürzt. dem peripheren Nervensystem (Peripherie, z. B. Das periphere Nervensystem (PNS) verbindet das ZNS mit dem restlichen Körper durch afferente (sensorische) und efferente (motorische) Nervenbahnen.

Bei dem zentralen und dem peripheren Nervensystem handelt es sich nur um räumlich und nicht um funktionell getrennte Nervensysteme: Sie können nur zusammen funktionieren. Das ZNS bekommt seine Informationen vom peripheren Nervensystem, verarbeitet sie und schickt Befehle mit passenden Reaktionen an das periphere Nervensystem zurück.

Funktionelle Unterteilung des Nervensystems

Neben der anatomischen Einteilung gibt es auch eine funktionelle Einteilung des Nervensystems. Man unterscheidet zwischen dem somatischen Nervensystem und dem vegetativen Nervensystem.

• Somatisches Nervensystem: Das somatische Nervensystem wird in der Biologie auch als das willkürliche Nervensystem bezeichnet. Das somatische Nervensystem nennst du auch animalisches Nervensystem oder willkürliches Nervensystem. Es umfasst alle bewussten und willentlichen Prozesse in deinem Körper, also jene, die du absichtlich steuern und beeinflussen kannst. Es steuert all unsere bewussten Aktivitäten wie das Sprechen oder Laufen. Von den Sinnesorganen ausgehend gelangen Informationen über die somatischen Nervenzellen des peripheren Nervensystems ins zentrale Nervensystem.
• Vegetatives Nervensystem: Das vegetative Nervensystem hingegen steuert alle unbewussten Abläufe unseres Körpers und wird auch als autonomes oder unwillkürliches Nervensystem bezeichnet. Das vegetative Nervensystem kannst du 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. Die Funktion der Organe, die Atmung sowie Verdauung und Stoffwechsel werden von den vegetativen Nerven gesteuert.

Sympathikus und Parasympathikus

Das vegetative Nervensystem unterteilt sich in den Sympathikus (Leistungsnerv) und Parasympathikus (Erholungsnerv).

Die Nerven des Sympathikus werden aktiv, wenn der Körper leistungsfähig sein muss. Das trifft zum Beispiel in Gefahren- und Stresssituationen zu, aber auch beim Sport. Es werden Herzschlag und Atmung erhöht, die Durchblutung der Muskulatur nimmt zu.

Der Gegenspieler des Sympathikus ist der Parasympathikus. Die Nerven des Parasympathikus aktivieren in Ruhesituationen die Organe, die der Speicherung von Reservestoffen und der Erholung dienen. Die Durchblutung des Darms wird erhöht und damit wird die Verdauung gefördert. Der Herzschlag wird hingegen ebenso wie die Durchblutung der Muskulatur verringert.

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Das periphere Nervensystem im Detail

Das periphere Nervensystem hat die Aufgabe, Signale von den Sinneszellen aufzunehmen und an das zentrale Nervensystem weiterzuleiten. Dieses wiederum hat die Funktion der Signalverarbeitung. zum zentralen Nervensystem, also vom PNS zum ZNS (afferent).

Als Beispiel stellen wir uns einen Menschen vor, der plötzlich vor einer Schlange steht. Die Sinneszellen des Auges nehmen die Schlange wahr. Die eingegangenen Informationen werden vom zentralen Nervensystem, meist dem Gehirn, ausgewertet. Bezogen auf unser Beispiel „Mensch sieht Schlange“ verarbeitet das Gehirn die Information und gleicht sie mit Erfahrungen und Situationen aus dem Gedächtnis ab. Von dem zentralen Nervensystem ausgehend werden Signale ins periphere Nervensystem gesendet, die unterschiedliche Reaktionen auslösen. Die Ausgabe umfasst in unserem Beispiel zum einen die Reaktion „Schreien“ durch das somatische Nervensystem, zum anderen die Aktivierung der Nerven des vegetativen Nervensystems, speziell des Sympathikus. Herzschlag und Atmung werden schneller, um den Körper auf eine Flucht vorzubereiten.

Vielleicht hast du schon einmal bemerkt, wie du beim Radfahren automatisch das Gleichgewicht hältst. Dein peripheres Nervensystem sendet ständig Informationen über deine Körperstellung und Bewegungen an dein zentrales Nervensystem. Das Gehirn verarbeitet diese Informationen und gibt Befehle zurück, um die Muskeln entsprechend zu steuern.

Die Nervenzelle: Baustein des Nervensystems

Die Nervenzelle (Neuron) ist der fundamentale Baustein des Nervensystems. Nervenzellen (auch: Neuronen) unterscheiden sich von anderen Zellen, insbesondere durch ihren Aufbau und ihre Funktion. Um diese Funktion zu erfüllen, sind unfassbar viele Nervenzellen zu großen Netzwerken verbunden. Allein in unserem Gehirn befinden sich beispielsweise bis zu 100 Milliarden Nervenzellen.

Die Nervenzelle ist der kleinste Baustein des Nervensystems. Sie besteht aus dem Nervenzellkörper mit Dendriten und dem Neuriten. Das Nervensystem lässt sich in drei Abschnitte gliedern. Das Zentralnervensystem (Gehirn und Rückenmark) verarbeitet die einlaufenden Erregungen, sodass wir unsere Umwelt wahrnehmen. Das periphere Nervensystem umfasst die Nerven, die vom Gehirn und Rückenmark ausgehen und das Nervengeflecht für die Haut und die Muskeln von Hals, Nacken, Rumpf und Gliedmaßen bilden. Die Erregungen werden von Sinneszellen oder freien Nervenendigungen in der Haut aufgenommen und über Empfindungsnerven (sensible Nerven) zu den Nervenzentren Gehirn und Rückenmark geleitet. Dort werden sie auf die Bewegungsnerven (motorische Nerven) übertragen, die die entsprechenden Organe zur Reaktion anregen. Das vegetative Nervensystem umfasst die Nerven, die zu den inneren Organen und von ihnen weg führen. Sie steuern die Tätigkeit des Herzens, der Drüsen und der glatten Muskulatur in den inneren Organen. Das Nervensystem steuert die Lebensprozesse im Körper. Bau und Funktionen der Nervenzelle Nervenzellen sind die Bausteine von Gehirn und Rückenmark. Sie weisen einen besonderen Bau auf. Sie bestehen aus einem Nervenzellkörper und einem langen Nervenzellfortsatz, auch Nervenfaser oder Neurit genannt. Die Nervenfaser verbindet z. T. meterlang den Nervenzellkörper mit anderen Nervenzellen, Drüsenzellen oder Muskelfasern. Am Ende ist der Neurit vielfach verzweigt und besitzt kleine Verdickungen, die Endknöpfchen oder Synapsen. Die kurzen baum- oder strauchartig verzweigten Fortsätze am Nervenzellkörper werden Dendriten genannt. Sie stehen mit anderen Nervenzellen (über deren Synapsen) oder auch Sinneszellen in Verbindung. So sind die Nervenzellen durch ihren Bau für die Aufnahme, Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen (Nervenimpulsen, Erregungen) spezialisiert. Wissenschaftler schätzen, dass die Gesamtlänge aller Nervenfasern eines Menschen etwa eine Milliarde Meter ist. Das wäre eine Leitung, die von der Erde bis zum Mond und wieder zurück reichen würde. Parallel verlaufende Nervenfasern mehrerer Nervenzellen sind von einer gemeinsamen Bindegewebshülle umgeben. Sie bilden Nervenfaserbündel. Mehrere Nervenfaserbündel mit gemeinsamer Bindegewebshülle bilden einen Nerv bzw. eine Nervenbahn. 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.

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Aufbau einer Nervenzelle

Eine typische Nervenzelle besteht aus den folgenden Teilen:

• Zellkörper (Soma): Der Zellkörper (Soma) enthält den Zellkern und steuert die Stoffwechselprozesse. Das Soma enthält einen Zellkern und Mitochondrien.
• Dendriten: Die Dendriten nehmen Signale aus dem Körper auf. Die kurzen baum- oder strauchartig verzweigten Fortsätze am Nervenzellkörper werden Dendriten genannt. Sie stehen mit anderen Nervenzellen (über deren Synapsen) oder auch Sinneszellen in Verbindung.
• Axon: Das Axon leitet Signale zu einem anderen Axon, zu einer Drüsenzelle oder einer Muskelfaser weiter. Bei einem Axon handelt es sich um einen langen, unverzweigten Fortsatz, der der Weiterleitung der Signale durch den Körper dient. Der längste Nerv in deinem Körper ist der Ischiasnerv, der vom unteren Rücken bis zum Fuß reicht. Er kann über einen Meter lang sein!
• Markscheide (Myelinscheide): 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. Umgeben ist das Axon von Gliazellen.
• Synapsen: Besonders wichtig sind die Synapsen, die Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen. Am Ende ist der Neurit vielfach verzweigt und besitzt kleine Verdickungen, die Endknöpfchen oder Synapsen. An den Endknöpfchen werden Neurotransmitter ausgeschüttet, die das Signal zur nächsten Zelle übertragen. Über die synaptischen Endknöpfchen werden chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, freigesetzt. Neurotransmitter bewirken an den Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle eine vorübergehende Öffnung von Ionenkanälen. miteinander verbunden. Sie geben das elektrische Signal des Axons an die nächste Nervenzelle weiter.

Funktion der Nervenzelle: Reizweiterleitung

Du kennst nun den Aufbau und die Funktion der einzelnen Bestandteile einer 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 Nervenzellen leiten die Botschaft von deiner Hand über dein Rückenmark zu deinem Gehirn und zurück, um eine Reaktion auszulösen und dich zu schützen.

Die Signalübertragung in Nervenzellen basiert auf elektrischen und chemischen Prozessen. Die Neurotransmitter-Ausschüttung an den Synapsen ermöglicht die Weitergabe des Signals von einer Nervenzelle zur nächsten.

Aktionspotential und Synapse

Die Gliederung des Nervensystems Neurobiologie basiert auf der Fähigkeit der Nervenzellen, zwischen Ruhe- und Aktionspotenzial zu wechseln. Dieser Mechanismus ermöglicht die schnelle und präzise Weiterleitung von Nervenimpulsen über weite Strecken im Körper.

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. 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. Für die Weiterleitung eines Signals an der Synapse wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. - an die nächste Zelle.

Ruhepotential und elektrochemisches Gleichgewicht

Das Ruhepotenzial und elektrochemische Gleichgewicht in Nervenzellen basiert auf einer präzisen Verteilung verschiedener Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle. Die Natrium-Kalium-Pumpe spielt eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung dieser Ionengradienten. Unter ATP-Verbrauch transportiert sie aktiv Natriumionen aus der Zelle heraus und Kaliumionen hinein.

Die Entstehung des Ruhepotenzials basiert auf mehreren Faktoren: Erstens können Kaliumionen durch spezielle Kanäle nach außen diffundieren, während die großen organischen Anionen im Zellinneren verbleiben. Zweitens führt diese selektive Durchlässigkeit zu einer negativen Ladung im Zellinneren und einer positiven Ladung im Außenraum.

Der Aufbau und Funktion einer Nervenzelle zeigt sich besonders deutlich während der Entstehung eines Aktionspotentials. Bei Überschreitung des Schwellenwerts etwa−55mVetwa -55 mV setzt eine positive Rückkopplung ein: Je mehr Natriumionen einströmen, desto mehr Kanäle öffnen sich, was zu einer vollständigen Ladungsumkehr führt. Die Repolarisationsphase wird durch das verzögerte Öffnen von Kaliumkanälen eingeleitet. Zwei Triebkräfte bewirken den Kaliumausstrom: der Konzentrationsgradient und die positive Ladung der Membraninnenseite.

Die Gliederung des Nervensystems auf zellulärer Ebene zeigt sich in der komplexen Anordnung verschiedener Ionenkanäle. Die spannungsgesteuerten Natriumkanäle reagieren schnell auf Potentialänderungen und sind entscheidend für die Entstehung des Aktionspotentials. Die Kaliumkanäle zeigen ein komplexeres Verhalten: Neben den immer geöffneten Hintergrundkanälen existieren spannungsgesteuerte Kaliumkanäle, die sich langsamer öffnen als Natriumkanäle.

Die elektrochemische Signalverarbeitung in Nervenzellen basiert auf dem präzisen Zusammenspiel verschiedener Ionenbewegungen. Die Depolarisationsphase wird durch den Einstrom von Natriumionen eingeleitet, während die Repolarisation durch den Ausstrom von Kaliumionen erfolgt. Besonders wichtig für die Signalweiterleitung ist die Refraktärzeit, während der die Nervenzelle nicht oder nur eingeschränkt erregbar ist.

Das Ruhepotenzial und elektrochemisches Gleichgewicht in Nervenzellen ist ein fundamentaler Prozess für die Funktionsfähigkeit unseres Nervensystems. Nach einem Aktionspotenzial muss die Nervenzelle wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehren, damit sie erneut Signale weiterleiten kann. Die Wiederherstellungsphase beginnt, wenn sich im Zellinneren ein Überschuss an Natrium-Ionen befindet, während gleichzeitig ein Mangel an Kalium-Ionen herrscht. Ein besonders wichtiges Transportprotein, die Natrium-Kalium-Pumpe, arbeitet aktiv daran, dieses Ungleichgewicht zu korrigieren.

Merke: Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert pro Pumpvorgang drei Natrium-Ionen nach außen und zwei Kalium-Ionen nach innen. Sobald die ursprünglichen Ionenkonzentrationen wiederhergestellt sind, erreicht das Membranpotenzial wieder seinen Ruhewert von etwa -70 Millivolt. Dieser Zustand ist essentiell für die Funktionsfähigkeit der Nervenzelle, da nur aus dem Ruhezustand heraus ein neues Aktionspotenzial entstehen kann.

Das Ruhepotenzial spielt eine zentrale Rolle im Aufbau und Funktion einer Nervenzelle. Es bildet die Grundlage für die elektrische Erregbarkeit der Nervenzelle und ist damit fundamental für die Informationsübertragung im Nervensystem.

Die Bedeutung des Ruhepotenzials geht weit über die einzelne Nervenzelle hinaus. Es ist die Voraussetzung für die Funktion neuronaler Netzwerke und damit für alle höheren Hirnfunktionen wie Wahrnehmung, Denken und Bewegungssteuerung.

Verschiedene Arten von 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.

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.

Elektrolyte und ihre Bedeutung

Elektrolyte, also in Körperflüssigkeiten gelöste Ionen, haben starke Wirkung auf Körper und Stimmung. Eine Störung des Elekrolythaushaltes kann verschiedenste Folgen haben, von Fehlern im Herzrhythmus bis hin zu einer angegriffenen Psyche. Wichtige Elektrolyte sind etwa Kalium- Natrium-, Calcium- und Magnesium-Kationen oder aber Phosphat- und Chlorid-Anionen.

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