Die Neurologie ist ein faszinierendes und komplexes Feld, das sich mit dem Nervensystem befasst. Für Schüler der 11. Klasse bietet die Einführung in die Neurologie eine spannende Möglichkeit, die Funktionsweise des menschlichen Körpers besser zu verstehen. Dieser Artikel bietet einen Überblick über wichtige Themen und Konzepte, die in einer solchen Einführung behandelt werden können.
Was ist Neurobiologie?
Die Neurobiologie ist ein Fachgebiet der Biologie, das die grundlegenden biologischen Prozesse im Nervensystem erforscht. Sie befasst sich mit der wissenschaftlichen Untersuchung des Nervensystems und dessen Funktionsweise. Im Fokus stehen die Struktur und Funktion von Nervenzellen, die Signalübertragung zwischen ihnen sowie komplexe neuronale Netzwerke. Die Forschung nutzt verschiedene Techniken wie Mikroskopie, Elektrophysiologie und bildgebende Verfahren.
Die Bedeutung der Neurobiologie
Alle Lebewesen müssen in der Lage sein, Informationen aus ihrer Umwelt aufzunehmen und zu verarbeiten. Dazu besitzen sie Nervenzellen, die miteinander verknüpft sind. Alle Nervenzellen in unserem Körper verknüpfen sich zum Nervensystem. Das Nervensystem ist für die neuronale Informationsverarbeitung zuständig. Daraufhin steuert es die Reaktionen des Körpers, um auf die wahrgenommenen Umweltreize zu reagieren. Außerdem ist es für das Denken und Fühlen verantwortlich.
Das Nervensystem: Eine Übersicht
Das Nervensystem umfasst alle Nervenzellen des Körpers. Es dient dazu, elektrische Signale im ganzen Körper weiterzuleiten. Dadurch ist es möglich, Reize aus der Umwelt (z.B. Geräusche, Farben) wahrzunehmen und entsprechend darauf zu reagieren. Das gesamte Nervensystem kann nach unterschiedlichen Kriterien unterteilt werden.
Zentrale und periphere Nervensystem
Nach seinem Aufbau kann man das Nervensystem in das zentrale (ZNS) und das periphere Nervensystem (PNS) gliedern. Zum Beispiel leiten periphere Nervenzellen ein Signal, das durch das Hupen eines Autos ausgelöst wurde, an das Gehirn (ZNS). Im Gehirn wird der Reiz dann verarbeitet. Daraufhin leiten andere periphere Nervenzellen ein Signal von dort an die Beine.
Lesen Sie auch: Einführung Nervensystem
Somatisches und autonomes Nervensystem
Das Nervensystem kann aber auch danach eingeteilt werden, ob Vorgänge bewusst oder unbewusst gesteuert werden. Das somatische Nervensystem ermöglicht, dass die Umwelt bewusst wahrgenommen wird. Das vegetative Nervensystem (VNS) reguliert dagegen alle Vorgänge, die im Körper unbewusst ablaufen. Der Sympathikus übernimmt die Regulation der Organfunktionen in Stresssituationen, während der Parasympathikus in Ruhe die Kontrolle hat.
Die Nervenzelle: Baustein des Nervensystems
Wenn man sich das Nervensystem genauer anschaut, sieht man, dass es aus vielen einzelnen Nervenzellen aufgebaut ist. Nervenzellen sind also die Bausteine der Nervensysteme.
Aufbau und Funktion der Nervenzelle
Die Nervenzelle (Neuron) ist die fundamentale Einheit des Nervensystems. Ihr Aufbau besteht aus mehreren wichtigen Komponenten:
- Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und die meisten Organellen.
- Dendriten: Empfangen Signale von anderen Nervenzellen. Ihre Funktion besteht im Empfang von Signalen anderer Nervenzellen.
- Axon: Leitet Signale an andere Nervenzellen weiter. Am Axonhügel wird entschieden, ob ein Signal weitergeleitet wird.
- Synapsen: Übertragen Signale auf andere Nervenzellen. An der Synapse findet die Übertragung der elektrischen Erregung in Form eines chemischen Signals statt.
Ruhepotential und Aktionspotential
Die Nervenzellen ermöglichen die Aufnahme von elektrischen Signalen. Das Ruhepotential bezeichnet den elektrischen Grundzustand einer Nervenzelle bei etwa -70mV. Die Zellmembran ist selektiv durchlässig für verschiedene Ionen.
Das Aktionspotential einfach erklärt: Es ist ein kurzzeitiger Spannungswechsel in der Nervenzelle. Der Schwellenwert Aktionspotential liegt bei etwa -30mV. Wird dieser erreicht, öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle.
Lesen Sie auch: Therapeutische Ansätze in der Neurobiologie
Refraktärzeit und Frequenzcodierung
Die Refraktärzeit ist ein essentieller Mechanismus in der neuronalen Informationsverarbeitung. Nach einem Aktionspotential benötigt die Nervenzelle eine kurze Erholungsphase, bevor sie wieder erregbar ist. In dieser Zeit müssen sich die Natriumkanäle regenerieren, was für die unidirektionale Reizweiterleitung vom Zellkörper zur Synapse entscheidend ist.
Die Frequenzcodierung beschreibt, wie die Stärke eines Reizes durch die Anzahl der Aktionspotentiale pro Zeiteinheit übermittelt wird. Bei der Reizverarbeitung ist besonders interessant, dass die Amplituden der Aktionspotentiale nicht von der Reizstärke abhängen - sie folgen dem Alles-oder-Nichts-Prinzip. Stattdessen wird die Intensität eines Reizes durch die Frequenz der Aktionspotentiale kodiert: Je stärker der Reiz, desto mehr Aktionspotentiale werden in kurzer Zeit generiert.
Die Synapse: Schaltstelle der Signalübertragung
An der Synapse findet die Übertragung der elektrischen Erregung in Form eines chemischen Signals statt. Wenn ein Aktionspotential am Endknöpfchen eintrifft, führt dies zur Öffnung spannungsgesteuerter Calciumkanäle. Die Acetylcholin-Moleküle binden an spezifische Rezeptoren der postsynaptischen Membran, was zur Öffnung von Natriumkanälen führt. Um eine Dauerreizung zu verhindern, wird das Acetylcholin durch das Enzym Acetylcholinesterase in Acetat und Cholin gespalten.
EPSP und IPSP
Das exzitatorische postsynaptische Potential (EPSP) entsteht durch die Aktivierung der neurotransmittergesteuerten Ionenkanäle an der postsynaptischen Membran. Diese Depolarisation kann bei ausreichender Stärke am Axonhügel ein neues Aktionspotential auslösen. Das inhibitorische postsynaptische Potential (IPSP) hingegen führt zu einer Hyperpolarisation der Zellmembran.
Neuronale Verrechnung: Zeitliche und räumliche Summation
Die neuronale Verrechnung erfolgt durch zwei grundlegende Mechanismen: Die zeitliche und die räumliche Summation. Bei der zeitlichen Summation werden mehrere Aktionspotentiale, die kurz nacheinander über dasselbe Axon eintreffen, im Soma addiert. Die räumliche Summation beschreibt die Addition von gleichzeitig eintreffenden Erregungen über verschiedene Synapsen. Ein Neuron erhält gleichzeitig erregende und hemmende Signale von verschiedenen Synapsen.
Lesen Sie auch: Nerven- und Sinnesphysiologie im Fokus: Ronacher und Hemminger
Konvergenz und Divergenz
Die neuronale Informationsverarbeitung in unserem Nervensystem folgt zwei grundlegenden Prinzipien: Konvergenz und Divergenz. Bei der Konvergenz laufen verschiedene Erregungen in einer Nervenzelle zusammen und werden im Soma (Zellkörper) verrechnet. Dies ermöglicht es dem Nervensystem, Informationen aus verschiedenen Quellen zu integrieren und zu verarbeiten. Die Divergenz hingegen beschreibt einen Prozess, bei dem ein einzelnes Aktionspotential, das am Axonhügel gebildet wird, sich über Verzweigungen des Axons auf mehrere nachfolgende Neuronen verteilt. Dabei bleibt das ursprüngliche Erregungsmuster erhalten.
Digitale und analoge Signalverarbeitung
Die Signalverarbeitung im Nervensystem erfolgt sowohl auf digitale als auch auf analoge Weise. Das Aktionspotential selbst ist ein digitales Signal - es folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip. Die analoge Signalverarbeitung findet hauptsächlich in den Dendriten und bei der synaptischen Übertragung statt. Hier können Signale graduell verstärkt oder abgeschwächt werden.
Hemmung und Erregung
Ein besonders wichtiger Aspekt der neuronalen Informationsverarbeitung ist die Fähigkeit zur Hemmung und Erregung. Während erregende Synapsen das Potential der Zielnervenzelle in Richtung Aktionspotential verschieben, wirken hemmende Synapsen dem entgegen. Diese Balance zwischen Hemmung und Erregung ist fundamental für die präzise Kontrolle neuronaler Netzwerke und damit für alle Gehirnfunktionen.
Reizwahrnehmung und Erregungsleitung
Reizwahrnehmung und Erregungsleitung sind grundlegende Prozesse des Nervensystems. Sinneszellen nehmen Reize wahr. Die Reize werden dann in Form von Erregungen (elektrischen Signalen) durch Nervenzellen an weitere Nervenzellen in Gehirn und Rückenmark übermittelt.
Ein Kollege (Helmich) erklärte ausführlich die Erregungsleitung am marklosen und markhaltigen Axon. Dabei ging er u.a. auf die klassischen Vorgänge an Synapsen mit AMPA- bzw. NMDA-Rezeptoren ein.
Lernen und Gedächtnis
In der fächerübergreifend verwendbaren Unterrichtseinheit setzen sich die Lernenden mit Fachwissen zur Informationsverarbeitung und zu Lernprozessen im Gehirn auseinander. Dabei werden Fachbegriffe wie neuronale Plastizität, deklaratives Gedächtnis, Bahnung und Komplettierung erläutert. In einem praktischen Selbstmanagementtraining auf Basis des Zürcher Ressourcen Modells wenden die Schülerinnen und Schüler die gelernten Inhalte an.
Gedächtnissportler verwenden verschiedene Methoden, um sich eine Abfolge von Gegenständen oder Fakten zu merken. Zwei dieser Methoden werden in dem Film „Das Gehirn“ vorgestellt. Mithilfe des Arbeitsblattes 5 „Wie viele Dinge kannst du dir merken? - Gedächtnissport im Klassenraum“ können die Schüler die Loci-Methode ausprobieren. Mit Hilfe des Films füllen die Schüler auch das Arbeitsblatt 6 „Wie merken sich Gedächtnissportler Fakten?“ aus.
Hirnerkrankungen
In der Reihe ʺHirnerkrankungen - Wo stehen wir?ʺ der Gemeinnützigen Hertie Stiftung bespricht Prof. Heinz Wiendl von der Klinik für Neurologie in Münster die Multiple Sklerose. Dazu erläutert er in dem ausführlichen Vortrag (15.03.2018; 47min) u.a. die Grundlagen der Erkrankung, aktuelle Therapieansätze und Forschungsperspektiven.
Das Gehirn im Unterricht
Um in das Thema einzusteigen, können die Schüler mit Schulbuch oder Internet in Partnerarbeit ihre Kenntnisse über das Nervensystem und dessen Funktion wiederholen und gegebenenfalls ergänzen. Ihre Ergebnisse können sie dann in das Arbeitsblatt 1 „Die Datenautobahn in unserem Körper - das Nervensystem“ eintragen. Im Film „Das Gehirn“ können die Schüler verfolgen, wie ein Gehirn - hier am Beispiel des Fahrradfahrens erklärt - funktioniert. Ob es möglich ist, mit der Kraft von Gedanken einen Computer zu steuern, wird in dem Film „Das Gehirn“ gezeigt.
In der Sendung erfahren die Schüler, was in ihrem Gehirn passiert, wenn sie schlafen. Mit Hilfe des Lückentextes auf dem Arbeitsblatt 8 „Was macht dein Gehirn, wenn du schläfst?“ und Arbeitsblatt 9 „Superhirne? Durch die Sendung wird den Schülern auch deutlich, dass man das Gehirn dazu benötigt, um ein Instrument zu erlernen. Mithilfe des passenden Arbeitsblattes 10 „Wie lernst du, über Jahre, ein Instrument?“ erstellen die Schüler ein Flussdiagramm zum Thema. Während der Arbeit mit dem Arbeitsblatt 11 „Pubertät: Umbau im Gehirn - warum die Pubertät so anstrengend ist…“ finden die Schüler heraus, dass Jugendliche so anstrengend sind, weil ihr Gehirn während der Pubertät umgebaut wird.
Unterrichtsplanung
Voraussetzung: Klassenraum mit einem PC für je zwei Schüler, Internetzugang, Laptop, Beamer, Aktivboxen für die Filmvorführung. Sollte es Probleme bei der Internetverbindung geben, sollte der Film als DVD zum Einsatz kommen. Der Film sollte auf allen Rechnern der Schüler auf der Festplatte vorliegen.
- Einführung:
- Nervenzellen
- Nervensystem
- Hinführung zum Film/Anmoderation:
- Im Film werden folgende Themen angesprochen:
- Informationen zur Gedächtnissportlerin Dorothea Seitz
- Informationen zu Nervenzellen
- Was macht das Gehirn beim Radfahren?
- Wie merkt sich Dorothea die Gegenstände auf dem Zug?
- Was passiert in Dorotheas Gehirn beim Training?
- Gruppeneinteilung:
- Gruppe 1: Informationen zur Gedächtnissportlerin Dorothea Seitz
- Gruppe 2: Informationen zu Nervenzellen
- Gruppe 3: Was macht das Gehirn beim Radfahren?
- Gruppe 4: Wie merkt sich Dorothea die Gegenstände auf dem Zug?
- Gruppe 5: Was passiert in Dorotheas Gehirn beim Training?
- Im Film werden folgende Themen angesprochen:
- Film: total phänomenal, „Das Gehirn“ (online abrufbar bei: www.planet-schule.de)
- Auswertung des Films:
- Die Schüler äußern sich allgemein zum Film.
- Inhalte/Fragen der Schüler werden im Lehrer-Schüler-Gespräch geklärt.
- Die Schüler werten den Film nach dem Thema ihrer Gruppe aus und erstellen eine Powerpoint-Präsentation unter Verwendung von Screenshots aus dem Film, welche sie kommentieren/beschreiben.
Drogen und das Nervensystem
Ein kurzes Referat zum Thema "Drogen und Aggression" kann den Zusammenhang dieser beiden Faktoren erläutern. Es gibt auch Unterrichtsmaterialien, die sich mit dem Einfluss von Drogen auf das Belohnungssystem (Dopamin) und die Synapsen beschäftigen.
tags: #einfuhrung #neurologie #klasse #11