Reiz Nervensystem: Definition und Funktionsweise

Jede unserer Bewegungen, Empfindungen und Entscheidungen beginnt mit einem Reiz. Stell dir vor, du sitzt in der Schule und hörst plötzlich den schrillen Ton der Schulglocke. Sofort stehst du auf, sammelst schnell deine Sachen zusammen und machst dich auf den Weg nach draußen. Dieser alltägliche Vorgang ist ein wunderbares Beispiel für das Reiz-Reaktions-Schema. Das Reiz-Reaktions-Schema beschreibt, wie Lebewesen auf Reize aus ihrer Umwelt reagieren. Es ist ein grundlegendes Konzept in der Biologie, das erklärt, wie Reize aufgenommen, verarbeitet und schließlich in Reaktionen umgesetzt werden.

Das Reiz-Reaktions-Schema: Ein Überblick

Das Reiz-Reaktions-Schema erklärt, wie Lebewesen Informationen aus ihrer Umwelt wahrnehmen und darauf reagieren. Es beschreibt den Weg vom Reiz bis zur Reaktion. Ein Reiz wird von einem Sinnesorgan (z. B. Auge, Ohr) aufgenommen. Der Reiz wird in Form von elektrischen Signalen über Nervenbahnen weitergeleitet. Im Gehirn oder Rückenmark wird der Reiz interpretiert und verarbeitet. Die entsprechende Reaktion wird z.B. durch Muskeln oder Drüsen ausgelöst.

Der Weg eines Reizes vom Empfang bis zur Reaktion ist eine faszinierende Reise durch das menschliche Nervensystem.

Die Hauptakteure im Reiz-Reaktions-Schema:

• Sinnesorgane (Rezeptoren): Sie sind die ersten Stationen im Reiz-Reaktions-Schema. Ohren, Augen, Nase, Haut und Zunge nehmen Reize aus der Umwelt auf.
• Zentrales Nervensystem: Hier erfolgt die Verarbeitung der Informationen.
• Muskeln und Drüsen (Effektoren): Im letzten Schritt wird die Reaktion ausgeführt.

Das Auge ist ein hervorragendes Beispiel, um das Reiz-Reaktions-Schema zu veranschaulichen. Das Reiz-Reaktions-Schema ist nicht nur eine theoretische Konstruktion, sondern findet täglich Anwendung in unserem Leben. Nachdem du das Reiz-Reaktions-Schema verstanden hast, kannst du dein Wissen über das Nervensystem vertiefen.

Definition des Reizes

Der Reiz, auch als Stimulus bezeichnet, ist eine Größe physikalischer oder chemischer Natur der Umwelt oder des Körperinneren, die auf lebende Systeme einwirkt. In der Regel werden Reize dort durch Sinneszellen integriert und wahrgenommen. Eine Sinneszelle nimmt als Rezeptor den Stimulus auf, setzt diesen in ein chemisches oder direkt in elektrisches Signal um, welches dann als Aktionspotential im Nervensystem weiterverarbeitet wird.

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Man unterscheidet zwischen folgenden Reiztypen:

• Unterschwellige Reize: Energiemenge führt nicht zu einem Aktionspotential (AP).
• Überschwellige Reize: Energiemenge löst ein AP aus.
• Adäquate Reize: Geringste Energiemenge führt zur Ausbildung eines AP.
• Inadäquate Reize: Hohe Energiemenge zur AP-Auslösung notwendig, Art des Stimulus entspricht nicht der Sinneszelle.

Die Reiz-Reaktionskette im Detail

Die Aufnahme von Reizen und die Beantwortung des Organismus auf Reize läuft in den sogenannten Reiz-Reaktionsketten ab. Die Reiz-Reaktionskette beschreibt, wie ein Reiz von deinem Körper aufgenommen und zu einer Reaktion verarbeitet wird. Du nennst den Ablauf auch Reiz-Reaktions-Kette.

Dabei nehmen Sinneszellen und freie Nervenendigungen Reize aus der Umwelt auf und wandeln sie in Erregungen um. Die Erregungen werden über Empfindungsnerven (sensible Nerven) zum Gehirn bzw. zum Rückenmark geleitet.

Die einzelnen Schritte der Reiz-Reaktionskette:

1. Reiz: Ein Reiz wirkt auf einen Rezeptor. Ein Reiz ist einfach gesagt jeder Umwelteinfluss, der auf deinen Körper einwirkt. Das kann Hitze, Licht, Geräusche oder sogar ein ekliger Geruch sein.
2. Rezeptor/Akzeptoren: Die Sinneszelle, oder Akzeptoren, die Sinnesorgane, wandeln den Reiz in ein Signal um. Die Sinneszellen der Sinnesorgane sind für die Wahrnehmung der Reize zuständig. Dabei nimmt jedes Sinnesorgan ganz bestimmte und unterschiedliche Reize auf.
3. Sensorische Neuronen: Durch sensorische Neuronen wird dieses Signal afferent zum ZNS geleitet und dort integriert verarbeitet. Diese Signale rasen dann über sensorische Nerven zu deinem Zentralnervensystem (ZNS) - also Gehirn und Rückenmark.
4. Zentralnervensystem (ZNS): Hier erfolgt die Verarbeitung der Informationen. Dort wird blitzschnell entschieden, was zu tun ist.
5. Efferente Fasern: Die Information wird dann über efferente Fasern zu dem Umsetzungsorgan weitergeleitet, z.B. motorische Neuronen für eine Muskelkontraktion, dem Erfolgsorgan.
6. Reaktion: Im letzten Schritt wird die Reaktion ausgeführt. Die Beantwortung eines Reizes durch einen Organismus oder durch eines seiner Teile, der Organe. Die entsprechende Reaktion wird z.B. durch Muskeln oder Drüsen ausgelöst.

Beispiele für Reaktionen auf Reize bei Tieren:

• Reaktion auf mechanische Reize: Der Süsswasserpolyp reagiert empfindlich auf Berührungen. Die einzelnen Nervenzellen des Hohltiers, die in der Stützschicht liegen, sind durch dünne Fortsätze zu einem einfachen Nervennetz verbunden. Der Berührungsreiz wird von einfachen Sinneszellen in der Außenhaut aufgenommen. Dadurch werden die Zellen erregt. Die Erregung wird auf die Nervenzellen übertragen.
• Reaktion auf Licht: Der Regenwurm kann mithilfe lichtempfindlicher Zellen, die über die gesamte Körperoberfläche verteilt sind, hell und dunkel unterscheiden.

Reizbarkeit und Erregungsleitung

Reizbarkeit ist eine Eigenschaft lebender Organismen, auf Einwirkungen, also Reize, aus der Umwelt und dem Inneren des Körpers mit bestimmten Reaktionen zu antworten. Die Reizaufnahme erfolgt durch einzelne Sinneszellen. Zum einen gibt es die, die in Sinnesorganen, wie z. B. Auge oder dem Ohr, konzentriert sein können, und zum anderen freie Nervenendigungen. Die Aufnahme von Reizen führt zu einer Veränderung der elektrischen Ladung oder Spannung der Zellmembran. Die lebende Sinnes-, Nerven-, Muskelzelle wird erregt.

Erregungsleitung ist die Weiterleitung der Erregung von den Sinneszellen durch Nerven zum Zentralnervensystem oder vom Zentralnervensystem durch Nerven zu den Erfolgsorganen.

Bewusste Handlungen vs. Reflexe

Bei der Wahrnehmung eines äußeren Reizes antwortet dein Körper mit einer Reaktion.

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• Bewusste Handlungen sind Reaktionen, die du mit deinem Willen steuerst. Du nimmst den Reiz also bewusst wahr und wählst daraufhin eine Handlungsoption aus. Stelle dir vor, ein Ball fliegt auf dich zu.
• Reflexe sind Reaktionen, die unbewusst passieren, ohne deine Steuerung, also automatisch, ablaufen. Sie sind viel schneller als bewusste Entscheidungen, weil sie teilweise gar nicht erst ins Gehirn müssen - das Rückenmark reicht schon aus! Wenn du beim Stolpern mit deinem Fuß hängen bleibst, dann schießt automatisch dein Unterschenkel nach vorne. Dieser Reflex schützt dich vorm Hinfallen.

Wichtig: Reflexe haben die Aufgabe, dich vor Gefahren zu schützen. Deshalb müssen sie möglichst schnell ausgelöst werden. Die Übertragung und Verschaltung vom Reiz zum Reflex darf also nicht zu lange dauern. Deswegen werden Reflexe im Vergleich zu den bewussten Handlungen nur im Rückenmark umgeschaltet.

Die Rolle des Nervensystems

Es gibt verschiedene Definitionen für das Nervensystem. So kann man zwischen dem peripheren und dem zentralen Nervensystem unterscheiden. Das periphere Nervensystem ist der Teil unseres Nervensystems, der unabhängig von Gehirn und Rückenmark ist. Diese Definition bezieht sich jedoch nur auf die Verortung der Systeme, während die Unterscheidung zwischen somatischem und vegetativem Nervensystem die funktionalen Unterschiede beschreibt. Über das somatische Nervensystem werden z.B. bewusst Sinneseindrücke wahrgenommen und die Skelettmuskulatur mit Reizen versorgt.

Die Nervenzellen, auch Neuronen genannt, bilden mit ihren Verbindungen die Basis des Nervensystems. Erst wenn ein bestimmter Schwellenwert erreicht ist - also genug Reiz vorhanden ist - wird der Impuls als Aktionspotenzial am Axon entlang weitergegeben. Dabei springt der Impuls zwischen den durch Helferzellen verdickten Teil entlang von Schnürring zu Schnürring bis zu den Endknöpfchen.

Die synaptische Übertragung

Die Endknöpfchen sind mit den nächsten Zellen verbunden. Allerdings liegt dazwischen ein winziger Spalt, der sogenannte synaptische Spalt.

Bei elektrischen Synapsen erfolgt die Übertragung des Aktionspotenzials durch den sehr engen Zellkontakt direkt von einer Nervenzelle zur anderen. Elektrische Synapsen kommen vor allem dort zum Einsatz, wo eine schnelle, verzögerungsfreie Reaktion notwendig ist.

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Bei chemischen Synapsen wird der elektrische Impuls in einen chemischen umgewandelt. Trifft der elektrische Impuls vom Axon auf die Nervenenden, werden dort Calziumkanäle aktiviert. Diese öffnen sich und lassen Calzium-Ionen von außen nach innen fließen. Diese Calzium-Ionen wiederum veranlassen die Vesikelzellen dazu, mit der Zellmembran zu verschmelzen, um nach außen zu gelangen. So werden von den Endknöpfen des sendenden Teils aus den Vesikelzellen Botenstoffe über den synaptischen Spalt ausgesendet und von Rezeptoren an den Dendriten der empfangenden Nervenzelle aufgenommen.

Reizüberflutung und Stress

Werden diese Vorgänge nicht irgendwann unterbrochen - also endet der Reiz nicht - kann es zu einer Reizüberflutung kommen. Die Folge: wir geraten in Stress. Dauerhafter Stress durch äußere Faktoren führt dann u. U. Zum Burnout muss es nicht kommen, denn Mutter Natur hält auch hier eine mögliche, bzw. die möglichen Antworten in Pflanzenform für uns parat. Dabei nutzen diese Heilpflanzen jedoch unterschiedliche Ansätze, um die Reizübertragung zu unterbrechen, bzw. zu hemmen. Man geht davon aus, dass die Inhaltsstoffe des Baldrians die Gamma-Aminobuttersäure bei der Hemmung der Reizweiterleitung der Zellen unterstützt.

Reizaufnahme und -umwandlung im Detail

Reize bilden die Grundlage jeglicher Sinneswahrnehmung und stellen physikalische oder chemische Einwirkungen dar, die von spezialisierten Sinneszellen registriert und in elektrische Signale umgewandelt werden. Die Signale werden in Form von Aktionspotenzialen über das Nervensystem weitergeleitet und im zentralen Nervensystem verarbeitet und lösen eine physiologische Reaktion aus. Ein Reiz ist eine Einwirkung, die zu einer Reizantwort an einem spezifischen Rezeptor oder einer Sinneszelle führt. In der Sinnesphysiologie werden sie durch periphere Sensoren wahrgenommen.

Die Aufnahme und Weitergabe eines Reizes verläuft in zwei Schritten. Zuerst werden sie über die Sensoren wahrgenommen und in ein Rezeptorpotenzial umgewandelt.

• Transduktion: Umwandlung des physikalischen Reizes.
• Transformation: Merkmale der Umwandlung der Rezeptorpotenziale in Aktionspotenziale, dass die Amplitude des Rezeptorpotenzials durch die Frequenz der Aktionspotenziale kodiert wird. Das bedeutet es kommt zu einer Umkodierung. Je größer das Rezeptorpotenzial ist, desto höher ist die Frequenz der Aktionspotenziale.

Schwellenwerte und Reizarten

• Alles-oder-nichts-Prinzip: Das Rezeptorpotenzial wird passiv weitergeleitet und wird dabei immer schwächer, je weiter es sich vom Entstehungsort entfernt.
• Adäquater Reiz: Ein adäquater Reiz beschreibt die passende Einwirkung, auf den ein Rezeptor maximal reagiert. Schon bei geringer Stärke löst er eine Erregung aus, beispielsweise ist Licht genau dies für die Lichtsinneszellen (Photorezeptoren) des Auges.
• Inadäquater Reiz: Ein inadäquater Reiz beschreibt wiederum einen nicht passenden Reiz, der keine oder nur bei sehr starker Einwirkung eine Erregung auslöst.
• Überschwelliger Reiz: Ein überschwelliger Reiz stellt eine Einwirkung dar, der stark genug ist, um in der Nervenzelle ein Aktionspotenzial auszulösen.
• Unterschwelliger Reiz: Der unterschwellige Reiz ist zu schwach ist, um allein schon eine Erregung auszulösen.

Bedeutung von Reizen für den Organismus

Reize sind die Grundlage der Sinneswahrnehmung, das heißt sie dienen dem Organismus zur Orientierung, Reaktion auf Umweltreize und zur Aufrechterhaltung der Homöostase. Außerdem lösen Schmerzreize Schutzreflexe aus, während visuelle oder akustische Reize das Verhalten steuern und die Aufmerksamkeit lenken.

Die Fähigkeit Reize aus der Umwelt wahrzunehmen und zu verarbeiten, beruht auf einem komplexen Zusammenspiel von Sinnesorganen, Nervenbahnen und zentralnervösen Strukturen.

Störungen der Signalweiterleitung

Störungen der Signalweiterleitung entstehen oft auf neuronaler Ebene. Beispiele sind periphere Neuropathien oder Rückenmarksläsionen. In solchen Fällen gelangen Signale nicht mehr korrekt zum Gehirn. Im zentralen Nervensystem kann eine gestörte Verarbeitung zu Wahrnehmungsstörungen führen. Ein Beispiel sind zentrale Schmerzsyndrome. Solche Dysfunktionen können sich zudem in Form einer Überempfindlichkeit gegenüber Reizen (Hyperästhesie) oder im Gegenteil, einer verminderten Empfindlichkeit (Hypästhesie) äußern. Beide Zustände sind Ausdruck einer gestörten Reizverarbeitung und können die Lebensqualität der Betroffenen erheblich beeinträchtigen.

Die Reizweiterleitung im Detail

Die Reizweiterleitung im Nervensystem ist ein komplexer Vorgang, bei dem elektrische sowie chemische Potenziale angewandt werden - und das im Bruchteil einer Sekunde. Denn nur so können wir schnell reagieren, beispielsweise im Straßenverkehr, wenn wir einem Auto ausweichen müssen. Ganz allgemein kann ein Reiz unterschiedlicher Natur sein: zum Beispiel das Wahrnehmen einer Temperaturveränderung, ein visueller Reiz oder Schmerz.

Die Reizaufnahme im Nervensystem geschieht über die Dendriten, dünne Fortsätze der Neuronen. Der Axonhügel sammelt die bei den Dendriten eingehenden elektrischen Potenziale. Nur wenn eine bestimmte Potenzialschwelle überschritten wird, gibt der Axonhügel das elektrische Potenzial an das Axon weiter. Dies ist eine Art Schutzmaßnahme des Nervensystems, um eine Reizüberflutung, die nicht verarbeitet werden kann, zu verhindern.

Viele Axone im peripheren Nervensystem (der Teil des Nervensystems, der nicht zu Gehirn und Rückenmark gehört) werden durch einen Mantel aus speziellen Zellen (Schwann-Zellen = Hüll- und Stützzellen) elektrisch isoliert. Dabei entsteht keine durchgängige Umhüllung. Die Abschnitte, an denen das Axon frei liegt, werden Ranviersche Schnürringe genannt und dienen einer schnelleren Übertragung von Nervensignalen - die Erregung wird hierbei in Sprüngen von einem Schnürring zum nächsten weitergegeben (saltatorische Erregungsleitung).

Wenn kein Reiz weitergegeben werden muss, zeigt das Neuron folgende Verteilung elektrischer Ladung: Im Zellinneren herrscht eine hohe Konzentration an Kaliumionen (K+) und organischen Anionen (zum Beispiel Eiweiß), während außerhalb überwiegend Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl-) anzutreffen sind.

Im Ruhezustand besteht ein Gleichgewicht zwischen der Zellinnen und -außenseite, das durch verschiedene Transportmechanismen (Kaliumkanäle und Natrium-Kalium-Pumpen) aufrechterhalten wird (Ruhepotential). Auf der Innenseite der Zellmembrane ist die Ladung zunächst negativ. Im Falle eines elektrischen Impulses, der durch einen Reiz ausgelöst wurde, öffnen sich unter anderem die Natrium-Kanäle der Zellmembran und Natriumionen strömen vermehrt ins Zellinnere. Dies bedeutet, dass abschnittsweise die Ladung an der Innen- und Außenseite des Neurons umgekehrt wird. Durch diese lokale Ladungsänderung wird der elektrische Impuls entlang des Axons bis zum Ende weitertransportiert.

Am synaptischen Endknöpfchen, was dem Ende des Axons entspricht, wird der elektrische Impuls in ein chemisches Signal umgewandelt. Das elektrische Potenzial, das dort ankommt, löst die Ausschüttung chemischer Botenstoffe (sogenannte Neurotransmitter) aus. Dort löst der Neurotransmitter erneut einen elektrischen Impuls aus, der wieder am Axon entlangwandert und so von Zelle zu Zelle weitergegeben wird.

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