Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das eine entscheidende Rolle bei der Steuerung und Koordination verschiedener Körperfunktionen spielt. Eine zentrale Komponente dieses Systems ist die Datenleitung, die es ermöglicht, Informationen schnell und effizient zwischen dem Gehirn und den Organen auszutauschen. Dieser Artikel beleuchtet die Funktion der Datenleitung im Nervensystem, ihre Bedeutung für die Gesundheit und die Möglichkeiten, sie positiv zu beeinflussen.
Der Vagusnerv: Eine zentrale Datenautobahn
Der Vagusnerv, auch bekannt als "umherwandernder Nerv" (Nervus vagus), ist einer der wichtigsten Hirnnerven und spielt eine zentrale Rolle als Datenautobahn zwischen Gehirn und Organen. Als Teil des Parasympathikus steuert er unbewusst ablaufende Funktionen wie Verdauung, Atmung, Herzfrequenz, Speichelbildung und Nierenfunktion.
Funktionen des Vagusnervs
- Verbindung zwischen Gehirn und Organen: Der Vagusnerv reicht vom Gehirn über Herz, Lungen, Leber, Milz bis in den Magen-Darm-Trakt und übermittelt Informationen zwischen diesen Organen und dem Gehirn.
- Regulierung unbewusster Körperfunktionen: Er steuert wichtige Körperfunktionen wie Verdauung, Atmung, Herzfrequenz und Sättigungsgefühl, um das innere Gleichgewicht (Homöostase) zu erhalten.
- Übermittlung von Bedürfnissen: Der Vagusnerv übermittelt Bedürfnisse wie Hunger an das Gehirn und steuert so Verhalten und Reaktionen auf Umweltreize, insbesondere bei Stress. Wenn wir hungrig sind, kommuniziert der Vagusnerv das Bedürfnis des Magens nach Nahrung an unser Gehirn und übersetzt das Hungergefühl, damit wir den knurrenden Magen nachvollziehen können.
Bedeutung für Wohlbefinden und Gesundheit
Der Vagusnerv fungiert als wichtige Schnittstelle, um unseren Körper im gesunden Gleichgewicht zu halten. Er signalisiert uns, ob unsere menschlichen, organischen Grundbedürfnisse gedeckt sind und ob wir uns entspannen können oder anstrengen sollten. Bei Stress hilft uns der Nervus vagus, angemessen darauf zu reagieren, indem wir beispielsweise die Herzfrequenz und die Atmung anpassen. Nach der Stresssituation sorgt der Vagus dafür, dass der Körper wieder in einen Entspannungszustand gelangt.
Stimulation des Vagusnervs
Die Stimulation des Vagusnervs wird erforscht, um Erkrankungen wie Adipositas, Depressionen oder chronische Schmerzen besser behandeln zu können. Ziel der Vagusnerv-Stimulation ist es, sich die körpereigenen Steuerungsmechanismen des Nervs zunutze zu machen. Dazu können spezielle Stimulationsgeräte am Ohr angesetzt werden, denn dort verläuft ein Strang des Vagusnervs. Durch elektrische Impulse lässt sich dieser daraufhin so stimulieren, dass auch Hirnsignale verändert werden. Diese Signale könnten jemandem helfen, der an extremem Übergewicht leidet und dessen Sättigungs- und Hungergefühl aus dem Takt geraten ist, um wieder in die richtige Spur zu gelangen. Die elektrische Stimulation trickst das Gehirn aus und suggeriert ohne Nahrungszufuhr ein Sättigungsgefühl, das über den Vagusnerv weitergeleitet wird. Auch im Bereich der psychischen Gesundheit wird aktuell geforscht, wie sich der Vagusnerv bei chronischem Stress, innerer Unruhe und Depressionen aktivieren lässt, um die Stimmung und Motivation zu verbessern. Ziel ist es, Betroffenen dabei zu helfen, angemessen mit Stresssituationen umzugehen und danach schneller wieder einen entspannten Zustand zu erreichen.
Möglichkeiten zur Selbstbeeinflussung
Methoden wie kalte Duschen, Meditation oder bewusstes Atmen können den Vagusnerv positiv beeinflussen. Eine kalte Dusche beispielsweise dämpft den Sympathikus und aktiviert den Parasympathikus. Da der Vagusnerv ebenfalls zu diesem Nervensystem gehört, wird er indirekt durch das kalte Wasser stimuliert. Allgemein tragen Meditation und bewusstes Atmen dazu bei, besser mit Stress umgehen zu können. Dies hat letztendlich auch einen positiven Effekt auf unsere Gesundheit.
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Weitere Methoden zur Untersuchung und Beeinflussung des Nervensystems
Neben der Betrachtung des Vagusnervs gibt es verschiedene Methoden zur Untersuchung und Beeinflussung des Nervensystems, die im Folgenden erläutert werden.
Elektromyographie (EMG)
Bei dieser Untersuchung wird die elektrische Aktivität von Muskeln gemessen, indem eine dünne Nadel-Elektrode in einen Muskel injiziert wird. Die Nadelelektrode überträgt die elektrische Aktivität des Muskels über ein Kabel an das EMG-Gerät, das sie sichtbar auf einem Bildschirm und auch hörbar über einen Lautsprecher darstellt. Durch die Untersuchung der Muskeln können Schädigungen am zuführenden Nerven festgestellt werden. Deshalb kann man z.B. aus der Untersuchung eines Muskels am Arm oder am Bein Rückschlüsse auf eine Schädigung des Nerven an der Wirbelsäule, z.B. durch einen Bandscheibenvorfall ziehen. Auch Erkrankungen des Muskels selbst können mit dem EMG untersucht werden.
Messung der Nervenleitgeschwindigkeit
Bei dieser Untersuchung wird die Geschwindigkeit der Nervenleitung bestimmt. Durch elektrische Reizung von Nerven in den Armen oder Beinen mit sehr niedrigen Stromstärken, wird im Nerven ein elektrisches Potential erzeugt, dessen Ausbreitung in der Zeit gemessen werden kann. Eine Verlangsamung der Nervenleitung bedeutet meist eine Schädigung der Hülle des Nerven (Myelinscheide) und weniger der Nervenfasern selbst. Häufigstes Beispiel hierfür ist das Carpal-Tunnel Syndrom, bei der ein Nerv (der Nervus medianus) am Handgelenk gedrückt wird, was zum Einschlafen der Finger oder auch zu einer Kraftlosigkeit der Handmuskeln führen kann.
Ultraschalldiagnostik von Nerven (Nervensonographie)
Die Nervensonographie kann Nervenverletzungen, Nerventumoren oder Einklemmungen von Nerven sichtbar machen. Die Darstellung vieler Nerven gelingt mit dem Ultraschall besser als mit der Kernspintomographie.
Untersuchung der neuromuskulären Übertragung
Bei verschiedenen Erkrankungen, kommt es zu einer vorschnellen Ermüdbarkeit der Muskeln durch Belastung. Ob die Übertragung zwischen Nerv und Muskel gestört ist, kann mit einer speziellen elektrischen Testung untersucht werden. Dabei wird der Nerv wiederholt elektrisch stimuliert und dabei die Aktivität vom Muskel mit Oberflächenelektroden gemessen. Besonders die Myasthenia gravis, eine Autoimmun-Erkrankung, die die Übertragung von Nerv auf den Muskel betrifft, kann damit diagnostiziert werden.
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Elektroenzephalographie (EEG)
Ein EEG wird zur Untersuchung von Funktionsstörungen des Gehirns eingesetzt. Die Untersuchung ist schmerzfrei. Eine Haube aus Gummischläuchen wird auf den Kopf aufgesetzt, darunter werden Oberflächenelektroden geklemmt, die die hirneigene elektrische Aktivität aufnehmen. Bei Verdacht auf Epilepsie kann ein Schlaf-EEG nach Schlafentzug sinnvoll sein.
Messung evozierter Potentiale
Als evoziertes (=hervorgerufenes) Potential wird eine Hirnstromaktivität bezeichnet, die durch einen Sinnesreiz ausgelöst wird. Diese elektrische Aktivität (Potential) ist dabei zeitlich an den Sinnesreiz gekoppelt. Die Messung evozierter Potentiale erlaubt eine objektivierbare und quantifizierbare Darstellung von Störungen und eignet sich auch für Verlaufsuntersuchungen.
Sensibel evozierte Potentiale (SEP)
Die Messung der sensibel evozierten Potentiale untersucht die Leitung im sensiblen System. Dieses umfasst die für die Sensibilität (Gefühl, z.B. Berührungsempfinden, Druckempfinden u.ä.) zuständigen Nerven in den Beinen, Armen oder im Gesicht, die sensible Nervenwurzel im Wirbelsäulenbereich, die Nervenfasern im Rückenmark, die Weiterleitung im Gehirn bis zur Hirnrinde, die speziell die Sensibilität verarbeitet. Der Sensibilitäts-Reiz wird als elektrischer Impuls („Klopfen“) über einem Nerven am Bein, am Arm oder im Gesicht gegeben. Durch die Reize werden Nervenpotentiale hervorgerufen, die über Elektroden am Kopf bzw. an der Wirbelsäule oder Schulter abgeleitet und vermessen werden können. Funktionsstörungen im sensiblen Nervensystem können so festgestellt werden.
Visuell evozierte Potentiale (VEP)
Beim Anblick eines Bildes werden zunächst die Sehzellen auf der Netzhaut aktiviert. Die Zeitdauer vom Auftreten des Sehreizes bis zum Auftreten der Hirnstromaktivität über der Sehrinde lässt sich bis auf die Tausendstel Sekunde genau vermessen. Für diese Untersuchung setzt sich der Patient vor einen Monitor mit einem wechselnden Schachbrettmuster, dabei sollte er konzentriert auf einen markierten Punkt in der Mitte gucken.
Magnetstimulation
Bei der Magnetstimulation wird über den Kopf des Patienten eine Magnetspule gehalten. Diese Spule gibt einen magnetischen Impuls ab, der die darunter liegenden motorischen Nervenzellen kurzzeitig stimuliert. Eine Muskelzuckung wird ausgelöst und an den Armen oder Beinen über aufgeklebte Elektroden registriert. Die Zeit zwischen der Impulsabgabe über dem Kopf bzw. der Wirbelsäule und der aufgetretenen Muskelzuckung wird gemessen.
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Akustisch evozierte Potentiale (AEP)
Bei der Messung der akustisch evozierten Potentialen wird die Nervenbahn vom Innenohr über den Hörnerven bis zu den für das Hören zuständigen Gehirnzentren untersucht. Die Hörreize (Klickgeräusche) werden per Kopfhörer seitengetrennt gegeben. Über Elektroden hinter den Ohren können dann Nervenpotentiale abgeleitet und vermessen werden.
Ultraschalluntersuchungen der Blutgefäße des Gehirns
Schlaganfälle werden häufig durch Verengungen oder Verschlüsse der Blutgefäße verursacht, die das Gehirn mit Blut versorgen. Diese Verengungen lassen sich mit Hilfe von Ultraschalluntersuchungen besonders gut und risikolos darstellen. Bei der Doppler-Sonographie wird eine Sonde auf die Haut aufgesetzt, die die Blutkörperchen beschallt. Die Bewegung der Blutkörperchen wird von dem Untersuchungsgerät in Zischlaute umgesetzt. Bei der Duplex-Sonographie lässt sich ein Blutgefäß mit seinem Hohlraum direkt darstellen. Verengungen und Ablagerungen (Plaque) werden direkt bildhaft sichtbar. Der Blutfluß innerhalb des Gefäßes lässt sich farbig darstellen („farbkodiert“).
Lumbalpunktion
Eine Lumbalpunktion ist die Entnahme von Nervenwasser aus dem Wirbelsäulenkanal in Höhe der Lendenwirbelsäule. Das entnommene Nervenwasser kann nun auf seine Bestandteile, insbesondere Zellen und Eiweiße untersucht werden. Diese Untersuchung ist geeignet, entzündliche Erkrankungen des Nervensystems, wie z.B. Multiple Sklerose, zu diagnostizieren oder auszuschließen.
Neuroimaging
Mit Neuroimaging kann das Nervensystem des Menschen dargestellt werden. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist ein nicht-invasives bildgebendes Verfahren, mit dem die Aktivität von Nervenzellen im Gehirn sichtbar gemacht werden kann. Sie findet breite Anwendung in der neurowissenschaftlichen Forschung, aber auch in der Klinik, um mehr über die Funktionsweise des Gehirns zu erfahren.
Diffusionsgewichtete Bildgebung (DWI) und Diffusions Tensor Bildgebung (DTI)
Mit Hilfe von DWI (Diffusions Weighted Imaging) wird die Bewegung von Wassermolekülen im Gewebe abgebildet. In stark anisotropen Geweben wie der Weißen Substanz im Gehirn können durch weitere Berechnungen (DTI - Diffusion Tensor Imaging, HARDI - High Angular Diffusion Imaging) Nervenfaserverläufe dargestellt werden.
Magnetresonanzelastographie (MRE)
Die Magnetresonanzelastographie (MRE) ist ein bildgebendes Verfahren mit dem es möglich ist, die Eigenschaften des lebenden Gewebes quantitativ zu messen.
Echtzeit-fMRT und Neurofeedback
Echtzeit-fMRT basiert auf dem Nachweis von Hirnaktivität mit Hilfe der funktionellen MRT. Hierbei versucht man die funktionellen Daten schon während einer fMRT-Messung auszuwerten, und die Ergebnisse für die sofortige Verwendung aufzubereiten. Mit Echtzeit-MRT und Echtzeit-Patternanalyse der Hirnaktivität können Entscheidungsprozesse direkt beobachtet und ausgewertet werden. Man steuert einen Computer allein mit Hilfe der eigenen Hirnaktivierung.
Neuromorphe Computerarchitektur
In herkömmlichen Computern müssen kontinuierlich Daten zwischen Rechen- und Speichereinheiten übertragen werden - ein langsamer und energieintensiver Prozess, der die Gesamtleistung und Energieeffizienz stark einschränkt. Ein Team internationaler Wissenschaftler*innen entwickelt Schaltkreise, die Aspekte eines biologischen Nervensystems nachbilden. Diese kombiniert den Datenspeicher und die Datenverarbeitung. Dadurch verringert sich die benötigte Übertragungsmenge und die Daten können schneller verarbeitet werden.
Wirkstoffverabreichung bei Erkrankungen des zentralen Nervensystems (ZNS)
Ein Netzwerk aus Wissenschaft und Industrie forscht an einer effizienten Wirkstoffverabreichung bei Erkrankungen des zentralen Nervensystems (ZNS). Die große Herausforderung hierbei ist, dass das ZNS des menschlichen Körpers durch biologische Schutzmechanismen bestens abgeschirmt wird. Die Kehrseite ist jedoch, dass auch medizinische Wirkstoffe diese Barriere nur schwer überwinden können.
Neuronale Kommunikation im Detail
Das einzelne Neuron ist strukturell und funktional stark auf Kommunikation spezialisiert. Es trägt tausende sensibler Antennen rund um den Zellkörper, die Dendriten. Es funkt elektrische Signale über ein hocheffizientes Datenkabel, das Axon. Und es gibt seine Botschaften über spezialisierte Sendeknöpfchen an andere Zellen weiter.
Die Synapse: Schaltstelle der neuronalen Kommunikation
In einer typischen chemischen Synapse schüttet das präsynaptische Endknöpfchen eines Axons Neurotransmitter aus, die durch den synaptischen Spalt zum postsynaptischen Dendrit der Partnerzelle diffundieren und dort an Rezeptoren andocken. Die postsynaptischen Rezeptoren reagieren, indem sie Kanäle öffnen, die elektrisch geladene Teilchen (Ionen) aus der Zelle heraus oder in sie hinein lassen. Dadurch verändert sich die Spannung der postsynaptischen Zellmembran. Es entsteht ein postsynaptisches Potential, das erregend oder hemmend sein kann. Erreicht die Summe der Spannungsveränderungen der Synapsen einen bestimmten Wert, löst das postsynaptische Neuron ein Aktionspotential aus - ein elektrisches Signal, das entlang des Axons transportiert wird.
Aktionspotentiale und Signalübertragung
Im Ruhezustand herrscht ein negatives Membranpotential von ca. -70 mV vor, bei dem im Zellinneren weniger positiv geladene Teilchen vorhanden sind als außerhalb. Steigt das Membranpotential infolge der Gesamtschau der empfangenen Signale über einen bestimmten Schwellenwert (ca. -55 mV), öffnen sich weitere spannungsgesteuerte Ionenkanäle, die schlagartig viele positiv geladene Natriumionen in das Zellinnere strömen lassen. Dadurch schnellt das Membranpotential in diesem Bereich weiter nach oben. Es entsteht ein Aktionspotential, das sich nun in einer Kettenreaktion entlang des Axons fortpflanzt, bis es die präsynaptischen Endungen und das Signal über die dort liegenden Synapsen die nächsten Staffelmitglieder im neuronalen Netzwerk erreicht.
Synaptische Vesikel
Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Wenn ein elektrisches Signal im Nervenende eintrifft, werden Calcium-Kanäle in der Plasmamembran aktiviert, durch die Calcium-Ionen vom Außenraum in das Innere der Synapse strömen. Sie treffen auf eine molekulare Maschine, die sich zwischen der Membran der Vesikel und der Plasmamembran befindet und die durch die hereinströmenden Calcium-Ionen aktiviert wird. Diese Maschine bewirkt, dass die Membran der Vesikel, die sich in der Startposition befinden, mit der Plasmamembran verschmilzt. Auf der anderen Seite des synaptischen Spaltes treffen die Botenstoffe auf Andockstellen in der Membran des Empfänger-Neurons, die die elektrischen Eigenschaften dieser Membran regulieren. Dadurch ändert sich der Membranwiderstand.
Einfluss niederfrequenter Felder auf den menschlichen Körper
Niederfrequente Felder erzeugen im menschlichen Körper zusätzliche elektrische Felder und Ströme. Als Folge davon können Nerven- und Muskelzellen gereizt werden. Damit dies geschieht, müssen jedoch bestimmte frequenzspezifische Wirkungsschwellen überschritten werden. Die niedrigste nachgewiesene Wirkschwelle betrifft die Auslösung sogenannter "Phosphene". Das sind Lichtwahrnehmungen, die durch die Reizung empfindlicher Zellen in der Netzhaut des Auges entstehen. Da man die Schwellen für die nachgewiesenen Wirkungen kennt, können auf dieser Basis Empfehlungen zur Begrenzung niederfrequenter Felder gegeben werden.
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