Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist der grundlegende Baustein des Nervensystems. Ihre Struktur ist perfekt an ihre Funktion der Reizaufnahme und -weiterleitung angepasst. Neuronen sind für die Kommunikation zwischen den verschiedenen Teilen des Nervensystems verantwortlich und ermöglichen so die Koordination und Steuerung aller körperlichen und geistigen Prozesse.
Die Bausteine der Nervenzelle: Ein detaillierter Blick
Ein Neuron besteht aus mehreren charakteristischen Abschnitten, die jeweils spezifische Aufgaben erfüllen:
Soma (Zellkörper): Das Soma ist das runde beziehungsweise ovale Zentrum der Zelle und enthält den Zellkern sowie alle Zellorganellen, die für die Funktionsfähigkeit der Zelle wichtig sind, darunter Nissl-Schollen, Golgi-Apparat und Mitochondrien. Die vielen Mitochondrien sind für die Energieversorgung der Nervenzelle zuständig. Schließlich muss eine Nervenzelle "Schwerstarbeit" leisten, wie wir später noch sehen werden, und dafür wird viel Energie in Form von ATP benötigt, die ja von den Mitochondrien zur Verfügung gestellt wird. Raues ER und Golgi-Apparat sind ebenfalls sehr ausgeprägt, was auf eine sehr intensive Proteinbiosynthese deutet.
Dendriten: Dendriten sind kurze, stark verästelte Fortsätze, die vom Soma ausgehen. Ihre Aufgabe ist die Informationsaufnahme. Die Dendriten sind die feinen baumartigen Verästelungen, die teils direkt vom Soma ausgehen (basale Dendriten), teils aus anderen Dendriten weiter entfernt vom Soma abzweigen (apikale Dendriten). Die Dendriten bilden Synapsen mit anderen vorgeschalteten Zellen aus, entweder mit Nervenzellen oder mit Sinneszellen (die ja auch zu den Nervenzellen gehören, aber auf die Wahrnehmung von Reizen spezialisiert sind). Eine einzelne Nervenzelle kann über ihre Dendriten mit über 1.000 anderen Nervenzellen verbunden sein und Informationen von diesen Zellen empfangen und verarbeiten. Sie dienen als Empfänger für Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren.
Axonhügel: Der Axonhügel ist das Übergangsstück zwischen dem Soma und dem Axon. Der Axonhügel spielt eine wichtige Rolle bei der Informationsverarbeitung der Nervenzelle. Hier werden die einkommenden elektrischen Impulse gesammelt und verrechnet, bis sie eine bestimmte Schwelle überschreiten. Haben sie das sogenannte Schwellenpotenzial erreicht, wird der Reiz (Aktionspotenzial) über das Axon zur nächsten Zelle weitergeschickt.
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Axon (Neurit): Der "hintere" Teil der Nervenzelle besteht aus dem sehr langen, am Ende oft verzweigten Axon. Das Axon einer Nervenzelle kann bis zu 1 m lang sein. Die Aufgabe des langen Axons ist die Informationsweiterleitung. Das Axon ist ein langer Fortsatz, der vom Soma ausgeht und Signale von diesem weg transportiert. Es dient gewissermaßen als Übertragungskabel für elektrische Impulse, die vom Neuron erzeugt werden und kann sich über große Entfernungen erstrecken. Oft sind die Axone von einer isolierenden Hülle umgeben, der Myelinscheide.
Myelinscheide (Markscheide): Oft sind die Axone von einer isolierenden Hülle umgeben, der Myelinscheide. Diese besteht aus einzelnen SCHWANNschen Zellen, die sich um das Axon wickeln und nur kurze Bereiche frei lassen, die RANVIERschen Schnürringe. Die Myelinscheide ist nicht nur ein mechanischer Schutz für das Axon sowie eine elektrische Isolierung, sondern hat vielfältigere Aufgaben. Nervenzellen, deren Axon von einer solchen Myelinscheide umgeben ist, werden auch als markhaltige Nervenzellen oder markhaltige Nervenfasern bezeichnet. Die Myelinscheide ist eine Hüllschicht, die viele Axone umgibt - ähnlich wie die Isolierung von einem Stromkabel. Ihre Hauptaufgabe: Sie beschleunigt die Weiterleitung elektrischer Signale entlang des Axons. Im zentralen Nervensystem (ZNS), also dem Gehirn und Rückenmark, werden die Nervenzellen ebenfalls von einer Myelinscheide umgeben. Entlang des Axons ist die Myelinscheide immer wieder durch freiliegende Axonbereiche, die sogenannten Ranvierschen Schnürringe, unterbrochen. Diese Unterbrechungen ermöglichen es dem elektrischen Impuls, über längere umhüllte Bereiche zu springen und so eine höhere Geschwindigkeit zu erlangen.
Ranviersche Schnürringe: Den nicht-umhüllten Bereich eines Axons nennst du Ranvierschen Schnürring. Diese Unterbrechungen ermöglichen es dem elektrischen Impuls, über längere umhüllte Bereiche zu springen und so eine höhere Geschwindigkeit zu erlangen. Denn die Erregung kann auch von einem Schnürring zum nächsten „springend“ weitergeleitet werden.
Synaptische Endknöpfchen: Am Ende eines Axons bzw. Die synaptischen Endknöpfchen bilden das Ende eines Neurons. 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. Die Verbindung am Ende einer Nervenzelle mit einer anderen Zelle nennst du Synapse.
Die Funktion der Nervenzelle: Reizaufnahme, -verarbeitung und -weiterleitung
Die Aufgabe eines Neurons ist es, Informationen im Körper zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Neuronen funktionieren dabei wie biologische Kabel: Sie nehmen Reize (zum Beispiel Berührung, Licht, Geräusche) auf und wandeln sie in elektrische Signale um. Diese Signale werden über das Axon zur nächsten Zelle oder ins Gehirn transportiert. Durch diese Kommunikation steuern Neuronen unzählige Prozesse - von simplen Reflexen bis zu komplexem Denken, Erinnern und Lernen.
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Die Signalübertragung im Neuron beginnt mit der Aufnahme eines Reizes durch die Dendriten. Dieser Reiz erzeugt kleine elektrische Änderungen an der Zellmembran. Überschreitet die Summe dieser Änderungen am Axonhügel einen Schwellenwert, entsteht ein Aktionspotenzial - eine Art elektrischer Impuls. Dieser Impuls „springt“ dank der Myelinscheide sehr schnell von Schnürring zu Schnürring das Axon entlang bis zu den synaptischen Endknöpfchen.
An der Synapse angekommen, wird das elektrische Signal meist in ein chemisches Signal, einen sogenannten Neurotransmitter, umgewandelt. Dieser überquert den synaptischen Spalt und löst in der nächsten Zelle ein neues elektrisches Signal aus.
Ruhepotential und Aktionspotential: Die Grundlage der Erregungsleitung
Das Ruhepotential ist der elektrische Zustand einer Nervenzelle im unerregten Zustand. Die Natrium-Kalium-Pumpe hält diesen Zustand aufrecht (verbraucht ca. Das Aktionspotential ist eine plötzliche Spannungsänderung von etwa 1 ms Dauer, die zur Reizweiterleitung in der Nervenzelle dient. Definition: Das Alles-oder-Nichts-Gesetz besagt, dass ein Aktionspotential nur ausgelöst wird, wenn der Schwellenwert überschritten wird. Der detaillierte Prozess der Repolarisation Aktionspotential zeigt die Rückkehr zum Ruhezustand.
Das Aktionspotenzial ist ein kurzer, elektrischer Impuls, der von der Nervenzelle erzeugt wird, wenn ein Reiz stark genug ist. Man kann es sich als eine Art 'Stromwelle' vorstellen, die das Axon entlangläuft. Das Aktionspotenzial sorgt dafür, dass Informationen auch über weite Strecken sehr schnell und zuverlässig innerhalb des Nervensystems übermittelt werden.
Eine elektrische Reizung am Axonhügel der Nervenzelle löst eine Veränderung der Ionenkonzentration an der Innen- und Außenseite der Axonmembran aus. Bei Wirbeltieren findet man um das Axon herum die Myelinscheiden, die für eine schnellere Weiterleitung der Informationen sorgen. Ionenkanäle und Kontakt mit dem Außenmedium hat das Axon nur an den Ranvier’schen Schnürringen, das Aktionspotential springt dann von Schnürring zu Schnürring.
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Damit ein Aktionspotential ausgelöst wird, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein. Zum einen muss der Reiz bewirken, dass das Membranpotential positiver wird. Einige der Kanäle in der Membran sind spannungsabhängige Ionenkanäle, die erst ab einer bestimmten Spannung für Ionen durchlässig werden. Zum zweiten muss die Reizintensität so hoch sein, dass die Depolarisation einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Ist dieser Schwellenwert erreicht, so öffnen sich unabhängig von der Stärke des Reizes schlagartig die spannungsgesteuerten Natrium-Ionenkanäle und anschließend auch weitere Kalium-Kanäle. Wenn das Aktionspotential zum nächsten Schnürring weitergesprungen ist, schließen sich die Ionenkanäle wieder und es stellt sich das ursprüngliche Ionenverhältnis ein. In dieser Zeit befinden sich die spannungsgesteuerten Ionenkanäle in der sogenannten Refraktärzeit. Das ist die Zeit, in der diese Kanäle nicht wieder geöffnet werden können.
Synapsen: Die Schaltstellen der Nervenzellen
Die Verbindungsstellen zwischen zwei Nervenzellen heißen Synapsen. Eine typische Synapse besteht aus dem synaptischen Endknöpfchen einer Nervenzelle, die an die Membran einer zweiten Nervenzelle, einer Muskelzelle oder einer Drüsenzelle angelagert ist. Zwischen der präsynaptischen Membran und der postsynaptischen Membran befindet sich der synaptische Spalt. Das synaptische Endknöpfchen ist gefüllt mit den synaptischen Vesikeln, das sind kleine membranumgebene Bläschen, die Neurotransmittern enthalten. Neurotransmitter sind chemische Substanzen, die in den synaptischen Spalt entlassen werden können und dann mit Proteinen der postsynaptischen Membran reagieren.
Synapsen spielen eine zentrale Rolle in der Kommunikation zwischen Nervenzellen. Sie sind spezialisierte Verbindungsstellen, die den Informationsfluss im Nervensystem ermöglichen. Die allgemeine Funktion einer Synapse besteht darin, die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten zu gewährleisten. Definition: Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an Synapsen freigesetzt werden, um Signale zwischen Nervenzellen zu übertragen. Die Vesikel verschmelzen mit der Membran und setzen Neurotransmitter (z.B. Die Bindung des Neurotransmitters öffnet Ionenkanäle (z.B.
Trifft nun ein elektrisches Signal über das Axon am Nervenende ein, erhöht sich die elektrische Spannung an der präsynaptischen Membran, d. h. In der Folge bewegen sich mit Neurotransmittern gefüllte synaptische Vesikel in Richtung der Membran und verschmelzen mit ihr. Dabei werden die Botenstoffe in den synaptischen Spalt abgegeben und „wandern“ zur Empfängerzelle. Elektrisch geladene Teilchen strömen in die Zelle ein und verändern die Spannung der Empfänger Zelle (postsynaptisches Potenzial). Der entstehende Reiz wird anschließend über die Dendriten und dem Zellkörper zum Axonhügel weitergeleitet, wo bei einem ausreichend starken elektrischen Impuls ein Aktionspotenzial ausgelöst wird.
Vielfalt der Nervenzellen: Klassifikation nach Struktur und Funktion
Neuronen lassen sich grob nach ihrer Funktion in drei Haupttypen unterteilen:
- Sensorische Neuronen: nehmen Reize aus der Umwelt oder dem Körperinneren auf und leiten sie an das Gehirn weiter.
- Motorische Neuronen: leiten Befehle vom Gehirn oder Rückenmark an Muskeln oder Drüsen.
- Interneuronen: vernetzen verschiedene Neuronen untereinander - sie sind das „Schaltzentrum“ im zentralen Nervensystem und machen komplexe Reaktionen und Denkprozesse erst möglich.
In der Neurobiologie können Nervenzellen nach verschiedenen Charakteristika eingeteilt werden.
- Unipolare Nervenzelle: Neuron mit einem Fortsatz (Axon); lange wurden die Sinneszellen der Augen dazu gezählt.
- Bipolare Nervenzelle: Neuron mit zwei separaten Fortsätzen (Axon und Dendrit); dient der Vermittlung bestimmter Sinne (z. B.
- Pseudounipolare Nervenzelle: Neuron, bei dem Dendrit und Axon aus einem gemeinsamen Fortsatz in der Nähe des Zellkörpers entspringen (z. B.
- Multipolare Nervenzelle: Neuron mit vielen Dendriten und einem Axon; multipolare Nervenzellen gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nervenzellen (z. B.
Neuronale Plastizität: Die Anpassungsfähigkeit des Nervensystems
Ein bemerkenswerter Aspekt der Neuronen ist ihre Plastizität. Diese bezeichnet die Fähigkeit der Neuronen, sich an Veränderungen anzupassen. Plastizität ermöglicht es den Neuronen, sich durch wiederholte Aktivierung und Lernprozesse zu verändern und Verbindungen zu verstärken / abzuschwächen oder neue Verbindungen auszubilden. Neuronale Netzwerke: Neuronen bilden keine Einzelkämpfer, sondern verschalten sich zu hochkomplexen Netzwerken. Jeder Gedanke, jede Erinnerung, jeder Lerneffekt basiert darauf, dass Verbindungen (Synapsen) angepasst, verstärkt oder gelöscht werden. Plastizität beschreibt die Fähigkeit, auf Erfahrungen, Lernen oder Verletzungen flexibel zu reagieren.