Schemazeichnung Drei Nervenzellen: Aufbau, Funktion und Zusammenspiel

Wenn wir die Welt um uns herum erleben, sei es durch Berührung, Sehen oder andere Sinneswahrnehmungen, werden Reize erzeugt. Unser Körper ist in der Lage, diese Reize, auch Erregungen genannt, erfahrbar zu machen. Jede dieser Erregungen wird zum Gehirn geleitet, dort entschlüsselt und interpretiert. So können wir riechen, sehen, schmecken, hören und fühlen. Eine Schlüsselrolle in diesem Prozess spielen die Nervenzellen, auch Neuronen genannt. Sie sind verantwortlich für die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung aller Reize und der damit verbundenen Informationen.

Aufbau einer Nervenzelle (Neuron)

Eine Nervenzelle besteht aus mehreren Hauptbestandteilen, die jeweils spezifische Aufgaben erfüllen.

• Dendriten: Die Dendriten sind die verästelten Ausläufer des Zellkörpers (Soma). Sie dienen als Kontaktstellen zu anderen Zellen oder Neuronen und sind der primäre Ort, an dem ein Reiz ankommt. Ihre Aufgabe ist es, diese Erregungen an das Soma weiterzuleiten. Eine einzelne Nervenzelle kann mit Hunderten oder sogar Tausenden anderer Nervenzellen verbunden sein, was bedeutet, dass sich auf den Dendriten und dem Soma einer Nervenzelle Hunderte oder Tausende von synaptischen Endigungen anderer Nervenzellen befinden können.
• Soma: Der Zellkörper einer Nervenzelle wird als Soma bezeichnet. Er enthält den Zellkern und alle wichtigen Zellorganellen, die für die Aufrechterhaltung der Zellfunktionen notwendig sind, einschließlich Ribosomen, endoplasmatisches Retikulum und Mitochondrien.
• Axonhügel: Die Dendriten und das Soma werden an einer Stelle gebündelt, wo der Übergang zum Axon gebildet wird. An diesem Axonhügel werden die von den Dendriten aufgenommenen Erregungen gesammelt und an das Axon weitergeleitet. Dies geschieht jedoch nur, wenn die Summe der Reize ein bestimmtes elektrisches Potenzial überschreitet, das sogenannte Schwellenpotenzial. Dieser Mechanismus verhindert, dass unser Körper jedes kleinste Signal weiterleitet.
• Axon: Das Axon ist ein langer, unverzweigter Fortsatz, der die Erregungen weiterleitet. Es kann unterschiedliche Längen haben und im menschlichen Körper bis zu einem Meter lang sein. Bei Wirbeltieren werden die Axone häufig von sogenannten Schwannschen Zellen umgeben, einer speziellen Form von Gliazellen. Diese Zellen liegen hintereinander um das Axon und bilden eine lamellenartige Hülle, die Markscheide oder Myelinscheide. Die Erregungen werden an den unisolierten Stellen, den Ranvierschen Schnürringen, sprunghaft weitergegeben (saltatorische Erregungsleitung) bis zum Endknöpfchen (der Synapse). Da die Reizweitergabe nur an den unisolierten Stellen erfolgen muss, ergibt sich eine hohe Geschwindigkeit.
• Ranviersche Schnürringe: Die Myelinscheiden sind nicht durchgängig, sondern weisen Unterbrechungen auf, die als Ranviersche Schnürringe bezeichnet werden. Diese Unterbrechungen spielen eine wichtige Rolle bei der schnellen Weiterleitung von Nervenimpulsen.
• Endknöpfchen und Synapse: Am Ende des Axons befinden sich die Endknöpfchen, auch Synapsen genannt. Dies sind die Übergangsstellen zu anderen Neuronen oder Zielzellen. An den Synapsen werden die Erregungen in chemische Reaktionen übertragen, die ihre Weitergabe ermöglichen. Über die synaptischen Endknöpfchen werden chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, freigesetzt. Neurotransmitter bewirken an den Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle eine vorübergehende Öffnung von Ionenkanälen.

Funktion der Nervenzelle: Reizweiterleitung im Detail

Die Nervenzelle arbeitet in einem komplexen Prozess, um Reize aufzunehmen, zu verarbeiten und weiterzuleiten.

1. Reizaufnahme: Die Dendriten empfangen Signale von anderen Neuronen oder Rezeptorzellen. Diese Signale können erregend oder hemmend sein.
2. Integration: Die empfangenen Signale werden im Soma integriert. Wenn die Summe der erregenden Signale ein bestimmtes Schwellenpotenzial am Axonhügel überschreitet, wird ein Aktionspotenzial ausgelöst.
3. Weiterleitung: Das Aktionspotenzial wird entlang des Axons weitergeleitet. Die Myelinscheide und die Ranvierschen Schnürringe ermöglichen eine schnelle und effiziente Weiterleitung.
4. Signalübertragung: An den Synapsen wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Neurotransmitter werden freigesetzt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Zelle, wodurch ein neues elektrisches Signal ausgelöst wird.

Betrachten wir ein Beispiel: Jemand tippt uns auf die Schulter. Die Dendriten der Nervenzelle leiten den Reiz zum Zellkörper weiter. Wenn die Erregung durch das Antippen stark genug ist, entsteht am Axonhügel ein Aktionspotenzial. An der chemischen Synapse wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt, indem die synaptischen Endknöpfchen chemische Moleküle (Neurotransmitter) in den synaptischen Spalt freisetzen. Diese Moleküle binden an Rezeptoren auf der anderen Seite des Spalts, was zur Entstehung eines elektrischen Signals in der nächsten Zelle führt. Das Signal wird so über Nervenzellen bis ins Gehirn geleitet, wo es verarbeitet wird und die Information "Du wurdest berührt" entsteht.

Räumliche und zeitliche Summation

Nervenzellen integrieren Informationen aus verschiedenen Quellen, um zu entscheiden, ob ein Aktionspotenzial ausgelöst werden soll. Dies geschieht durch räumliche und zeitliche Summation.

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• Räumliche Summation: Eine Nervenzelle wird gleichzeitig von mehreren präsynaptischen Zellen beeinflusst. Die von den verschiedenen Synapsen gebildeten EPSPs und IPSPs werden am Zellkörper verrechnet. Synapsen, die nahe am Axonhügel liegen, haben dabei einen größeren Einfluss als weit vom Axonhügel entfernte Synapsen. Inhibitorische Synapsen kommen auf den Dendriten eines Neurons vor, etwas häufiger auf dem Soma, und ganz besonders oft auf dem Axonhügel. Der Axonhügel ist eine strategisch wichtige Position für hemmende Synapsen. Eine geringe AP-Frequenz reicht hier schon aus, um die erregenden Impulse vieler anderer Synapsen zu hemmen.
• Zeitliche Summation: Wenn ein Aktionspotenzial am synaptischen Endknöpfchen ankommt, wird eine bestimmte Menge von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Diese Neurotransmitter setzen sich an entsprechende Rezeptoren der postsynaptischen Membran und führen zum Öffnen von Ionenkanälen. Kommen in dieser Zeit aber weitere Aktionspotenziale am gleichen synaptischen Endknöpfchen an, so werden weitere Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt. Die Rezeptoren der postsynaptischen Membran werden also weiterhin durch Neurotransmitter besetzt, und bei einer erregenden Synapse fließen weitere Natrium-Ionen in die postsynaptische Zelle ein. Auf diese Weise dauert das erregende oder hemmende postsynaptische Potenzial (EPSP bzw. IPSP) länger an.

Vielfalt der Nervenzellen

Es gibt verschiedene Arten von Nervenzellen, die sich in ihrer Struktur und Funktion unterscheiden. 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. Man kann die Nervenzellen anhand von verschiedenen Kriterien in Gruppen einteilen. Alle Nervenzellen zusammen bilden in unserem Körper das Nervensystem.

Das Nervensystem: Eine komplexe Vernetzung

Das Nervensystem des Menschen wird in das zentrale und das periphere Nervensystem unterteilt. Darüber hinaus fungieren das sympathische, parasympathische und enterische Nervensystem als Teile des autonomen Nervensystems. Das periphere Nervensystem besteht aus neuronalen Komponenten, die sich aus dem ZNS fortsetzen. Rückenmark, die sich außerhalb des ZNS befinden. Das autonome Nervensystem (ANS) überwacht und steuert die Funktionen der inneren Organe. Das ANS besteht aus dem parasympathischen und sympathischen Nervensystem.

• Zentralnervensystem (ZNS): Das ZNS besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark und ist die zentrale Steuerungseinheit des Körpers. Das Gehirn sammelt, bewertet und verarbeitet alle ein- und ausgehenden Informationen. Das Rückenmark leitet die Informationen zwischen Gehirn und peripherem Nervensystem weiter und ist an Reflexen beteiligt.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Das PNS umfasst alle Nerven, die außerhalb des Gehirns und des Rückenmarks liegen. Es verbindet das ZNS mit den Organen, Muskeln und der Haut. Das PNS ist für die Übertragung von sensorischen Informationen zum ZNS und von motorischen Befehlen vom ZNS zu den Muskeln verantwortlich.
• Autonomes Nervensystem (ANS): Das ANS steuert unwillkürliche Körperfunktionen wie Herzschlag, Atmung, Verdauung und Stoffwechsel. Es besteht aus zwei Hauptteilen: dem Sympathikus und dem Parasympathikus. Der Sympathikus bereitet den Körper auf Aktivität und Stress vor (Fight-or-Flight-Reaktion), während der Parasympathikus für Entspannung und Erholung zuständig ist.

Klinische Bedeutung: Erkrankungen der Motoneurone

Erkrankungen der Motoneurone können zu schweren neurologischen Ausfällen führen.

• Läsion des ersten Motoneurons: Eine Schädigung eines ersten Motoneurons (z. B. Schlaganfall) kann zu einer Vielzahl von Defiziten führen, einschließlich Spastik und Klonus.
• Läsion des zweiten Motoneurons: Eine Schädigung eines zweiten Motoneurons (z. B. Trauma oder Impingement) kann zu Lähmung oder Parese, Muskelatrophie, Areflexie und Fibrillationen führen.
• Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): ALS ist eine neurodegenerative Erkrankung der ersten und zweiten Motoneurone, die zu fortschreitender Muskelschwäche und Lähmung führt.

Das Rückenmark: Schaltzentrale für Reflexe und Informationsweiterleitung

Das Rückenmark ist ein wichtiger Teil des zentralen Nervensystems und spielt eine entscheidende Rolle bei der Reizweiterleitung und der Auslösung von Reflexen.

• Aufbau: Das Rückenmark erstreckt sich vom Gehirn bis zum unteren Ende des Rückens und ist von den Wirbeln der Wirbelsäule geschützt. Es besteht aus grauer Substanz (Zellkörper der Nervenzellen) und weißer Substanz (Nervenfasern).
• Funktion: Das Rückenmark leitet sensorische Informationen vom Körper zum Gehirn und motorische Befehle vom Gehirn zu den Muskeln. Es ist auch für die Auslösung von Reflexen verantwortlich, die schnelle und unwillkürliche Reaktionen auf Reize ermöglichen.
• Reflexe: Manche Erregungen (Reize) werden von den aufsteigenden Bahnen im Rückenmark gar nicht erst zum Gehirn weitergeleitet, sondern unmittelbar auf derselben oder einer höher gelegenen Rückenmarksebene umgeschaltet. Diesen Weg der Erregungsübertragung nennt man Reflexbogen, und eine so ausgelöste Muskelreaktion nennt man Reflex. Reflexe werden bei jeder körperlichen Untersuchung geprüft.

Gliazellen: Unterstützende Zellen im Nervensystem

Neben den Nervenzellen gibt es im Gehirn auch Gliazellen, die viele verschiedene Funktionen übernehmen, wie Stütz- und Haltefunktion, Immunabwehr des Gehirns, Bildung der Bluthirnschranke, Beteiligung an der Signalweiterleitung und elektrische Isolation der Nervenzellen.

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Synapsen: Schaltstellen der Nervenzellen

Synapsen sind die Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, an denen die Signalübertragung stattfindet. Es gibt zwei Arten von Synapsen: elektrische und chemische Synapsen.

• Elektrische Synapsen: Bei elektrischen Synapsen werden die Signale direkt von einer Zelle zur nächsten übertragen.
• Chemische Synapsen: Bei chemischen Synapsen wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Neurotransmitter werden freigesetzt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Zelle, wodurch ein neues elektrisches Signal ausgelöst wird. Die meisten Neuronen sind über chemische Synapsen miteinander verbunden.

Signalumwandlung und Plastizität

Die Signalübertragung an den Synapsen ist nicht statisch, sondern kann sich im Laufe der Zeit verändern. Diese Veränderungen werden als Plastizität bezeichnet und bilden die Grundlage für Lernprozesse und Gedächtnisbildung.

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