Nervenzellen, die Spezialisten für Strom in unserem Körper, sind die kleinsten funktionellen Einheiten des Nervensystems. Sie leiten elektrische Signale aus dem Körper ins Gehirn und umgekehrt, geben sie Befehle des Gehirns in Form von elektrischen Impulsen an den jeweiligen Empfänger weiter. Gliazellen sind zwar selbst nicht direkt an der Reizweiterleitung beteiligt, erfüllen aber im menschlichen Nervensystem äußerst wichtige Funktionen. Als Stützzellen schützen sie die Neurone, indem sie sie elektrisch abschirmen und eingedrungenen Stoffen im Blut den Zugang zum Gehirn versperren. Zudem sind die Gliazellen für die Versorgung der Neurone mit Nährstoffen zuständig und steuern den Fluss der zerebrospinalen Flüssigkeit, die Gehirn und Rückenmark bei Erschütterungen abfedert.
Grundlagen der Nervenzellsteuerung
Alle Vorgänge innerhalb des Körpers werden von Nerven ausgelöst und gesteuert. Die Steuerung der Reizübertragung bedarf einer exakten Kontrolle und Koordination, die von spezialisierten Nervenzellen übernommen wird. Diese lagern sich in den zwei Schaltzentralen des Körpers zusammen: Gehirn und Rückenmark. Ausgeklügelte Schutzmechanismen wie der Schädel und die Wirbelsäule sollen Neurone vor gefährlichen, äußeren Einflüssen schützen.
Nervenzellen: Die Architekten der Kommunikation
Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die Hauptakteure der Höchstleistungen des Gehirns. Sie bestehen aus einem Zellkörper (Soma), der für die Energieversorgung zuständig ist, und zahlreichen Dendriten, die Informationen von anderen Neuronen empfangen. Das Axon, das am Axonhügel entspringt, trägt die Information des eigenen Neurons an andere Neurone weiter.
Gliazellen: Die unterschätzten Helfer
Gliazellen sind selbst nicht direkt an der Reizweiterleitung beteiligt, erfüllen aber im menschlichen Nervensystem äußerst wichtige Funktionen. Als Stützzellen schützen sie die Neurone (die eigentlichen Nervenzellen), indem sie sie elektrisch abschirmen (was für eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist) oder eingedrungenen Stoffen im Blut (zum Beispiel Medikamenten) den Zugang zum Gehirn versperren. Zudem sind die Gliazellen für die Versorgung der Neurone mit Nährstoffen zuständig. Sie steuern auch den Fluss der zerebrospinalen Flüssigkeit (auch Liquor oder Nervenwasser genannt), die Gehirn und Rückenmark bei Erschütterungen abfedert.
Synapsen: Die Schaltstellen der Informationsübertragung
Wo das Axon eines Neurons auf die Dendriten eines weiteren Neurons trifft, findet die Übertragung von Signalen statt. Diese Verbindungsstelle zweier Neurone nennt man Synapse, die aus einem synaptischen Spalt, der Präsynapse und der Postsynapse besteht. Die Synapsen sind die zentralen Schaltstellen der Informationsübertragung im Gehirn. Jede Nervenzelle hat bis zu 10.000 davon, im Extremfall sogar mehr als 100.000.
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Neurotransmitter: Die Botenmoleküle im Gehirn
Bei chemischen Synapsen fusionieren nach der Ankunft eines Aktionspotenzials die synaptischen Vesikel mit der Zellmembran und schütten Botenstoffe in den Spalt aus. Diese Neurotransmitter können den Spalt überqueren, der die präsynaptische von der postsynaptischen Zelle trennt. Am postsynaptischen Neuron gibt es kompetente Annahmestellen für die Information: die Rezeptormoleküle. Jeder Rezeptor ist auf einen bestimmten Neurotransmitter spezialisiert wie ein Schlüssel und ein passendes Schloss. Die Neurotransmitter erzeugen in der Empfängerzelle das postsynaptische Potenzial, eine Veränderung im Membranpotenzial des Neurons.
Das Aktionspotential: Der elektrische Impuls
Wenn die ankommenden Signale von anderen Nervenzellen stark genug sind, wird ein bestimmter Schwellenwert der Erregung überschritten und das Neuron feuert: Ein elektrischer Impuls, das Aktionspotenzial, schießt am Axon entlang in Richtung Synapse. Je nach Typ der Nervenzelle geht das langsam oder in schnellen Sprüngen: Im Extremfall kann die Erregungsleitung ein Tempo von 120 Metern pro Sekunde erreichen. Das Aktionspotential erreicht schließlich das Ende des Axons, das synaptische Endknöpfchen.
Alles-oder-Nichts-Prinzip
Das für die Weiterleitung ausschlaggebende Aktionspotenzial entsteht nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip: Bleibt der Reiz unterhalb des Schwellenwerts, feuert die Zelle gar keinen Impuls ab; überschreitet er ihn, entsteht das Aktionspotenzial, dessen Form und Größe aber immer gleich ist, egal wie stark der Schwellenwert überschritten wurde. Die Information über die Stärke einer Erregung ist in der Anzahl der Aktionspotenziale und ihrem zeitlichen Abstand zueinander, der Frequenz, codiert. Besonders starke Reize lösen besonders viele und dicht aufeinanderfolgende Aktionspotenziale aus. Pro Sekunde kann eine Nervenzelle bis zu 500mal feuern.
Elektrische Synapsen: Die schnellen Verbindungen
Neben den chemischen Synapsen gibt es auch elektrische Synapsen, die schneller funktionieren, weil keine Umwandlung elektrisch-chemisch-elektrisch stattfinden muss. Voraussetzung dafür ist aber, dass der synaptische Spalt um ein Vielfaches kleiner ist, damit die elektrische Erregung von einer Nervenzelle zur nächsten "springen" kann.
Die Schaltzentralen: Gehirn und Rückenmark
Die Steuerung der Reizübertragung bedarf einer exakten Kontrolle und Koordination, die von spezialisierten Nervenzellen übernommen wird. Diese lagern sich in den zwei Schaltzentralen des Körpers zusammen: Gehirn und Rückenmark. Ausgeklügelte Schutzmechanismen wie der Schädel und die Wirbelsäule sollen Neurone vor gefährlichen, äußeren Einflüssen schützen.
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Das Gehirn: Die Informationszentrale
Das Gehirn ist die Informationszentrale unseres Körpers. Hier werden Informationen aus der Umwelt und über den Zustand des Organismus zusammengetragen und zu Reaktionen weiterverarbeitet. Der am höchsten entwickelte Abschnitt des Gehirns ist das Großhirn mit der Großhirnrinde, wo die Verarbeitungszentren für Signale der Sinnesorgane liegen. Die weiteren Abschnitte des Gehirns sind Zwischenhirn, Mittelhirn, Kleinhirn und Nachhirn, die unterschiedliche Funktionen wie die Steuerung vegetativer Funktionen, des Wach-Schlaf-Rhythmus und der Körperbewegungen übernehmen.
Das Rückenmark: Die Verbindungsstraße
Mit dem Nachhirn grenzt das Gehirn an das Rückenmark. Hier werden die Atmung, der Kreislauf und viele Abläufe in den Organen gesteuert. Das Nachhirn ist auch für den Lidschlussreflex, den Tränenfluss, den Schluckreflex, die Speichelproduktion sowie für Niesen, Husten und Erbrechen zuständig. Zudem gibt es Reflexe, an denen nur das Rückenmark beteiligt ist.
Das Nervensystem: Sensorik und Motorik
Über das Nervensystem tritt der Mensch in Kontakt mit seiner Umwelt. Informationen über den Zustand des eigenen Organismus, wie z.B. die Stellung des Körpers oder Hunger und Durst, werden registriert. Dieser Teil des Nervensystems wird als sensorisches Nervensystem bezeichnet. Dem gegenüber steht das motorische Nervensystem, mit dem der Organismus auf Signale aus seiner Umgebung oder vom Körper selbst reagiert. So steuert das motorische Nervensystem die Muskulatur und ermöglicht uns damit, Handlungen auszuführen und sich in der Umwelt zu bewegen.
Vegetatives Nervensystem: Die unwillkürliche Steuerung
Das vegetative Nervensystem, auch als autonomes oder unwillkürliches Nervensystem bezeichnet, kontrolliert die Muskulatur aller Organe und regelt lebenswichtige Körperfunktionen wie Herztätigkeit, Atmung, Kreislauf, Stoffwechsel, Verdauung, Ausscheidung, Schweißbildung, Körpertemperatur und Fortpflanzung. Außerhalb von Gehirn und Rückenmark besteht es aus dem Sympathikus und seinem Gegenspieler, dem Parasympathikus.
Neuronale Netze: Die Basis für Lernen und Gedächtnis
Das neuronale Netz ist eine Gruppe von Neuronen, die miteinander kommunizieren und auf diese Weise eine bestimmte Funktion ausüben. Jedes Neuron gibt dabei Informationen an beliebig viele andere Neuronen weiter und erhält gleichzeitig Signale von beliebig vielen anderen Neuronen. Schnittstellen sind immer die Synapsen. Dieses neuronale Netz ist im Laufe des Lebens in ständiger Veränderung, ein Phänomen, das als neuronale Plastizität bezeichnet wird.
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Langzeitpotenzierung: Die Grundlage für Lernen
Wird eine Synapse sehr häufig benutzt, verändert sich ihre Struktur. Zum Beispiel werden mehr Rezeptoren an der postsynaptischen Membran eingebaut oder die Menge an ausgeschütteten Botenstoffen erhöht sich. Dadurch verbessert sich die synaptische Übertragung. Diesen Mechanismus bezeichnet man als Langzeitpotenzierung, die vermutlich die Grundlage dafür ist, dass wir Dinge erlernen oder langfristig im Gedächtnis abspeichern können, wenn wir sie in regelmäßigen Abständen wiederholen.
Adulte Neurogenese: Neubildung von Nervenzellen
Inzwischen ist man der Meinung, dass im Erwachsenenalter neue Neurone gebildet werden können. Das Phänomen nennt man adulte Neurogenese, die vor allem im Hippocampus, dem zentralen Ort für die Entstehung neuer Erinnerungen, stattfindet. Stress behindert die Neubildung eher, während Sport sie begünstigt.
Mitochondrien: Die Kraftwerke der Nervenzellen
Mitochondrien, die Kraftwerke der Zellen, spielen eine wichtige Rolle in der Steuerung von Stammzellen im Gehirn und in der Entstehung neuer Nervenzellen. Die Entstehung und die Ausreifung neugebildeter Neurone ist von der mitochondrialen Atmungskette und oxidativen Phosphorylierung abhängig und wird durch Fehlfunktion dieser Stoffwechselwege enorm beeinträchtigt. Eine Verbesserung der Mitochondrienfunktion kann zur Verbesserung der Gehirnleistung im Alter führen.
Erkrankungen des Nervensystems
Störungen der Nervenzellsteuerung können zu einer Vielzahl von neurologischen Erkrankungen führen, darunter Schlaganfall, Entzündungen des Nervensystems, Stoffwechselstörungen, Tumore, degenerative Erkrankungen und genetische Erkrankungen. Die Therapien in der Neurologie versuchen, die Schädigungsmechanismen zu beseitigen oder zumindest zu verringern.