Die Neurobiologie, das Studium unseres Nervensystems, ist ein komplexes Feld, das uns hilft, die komplizierten Vorgänge in unserem Körper zu verstehen. Das Nervensystem, das alle Nervenzellen des menschlichen Körpers umfasst, ermöglicht uns die Kommunikation mit der Umwelt und steuert gleichzeitig vielfältige Mechanismen im Inneren. Es nimmt Sinnesreize auf, verarbeitet sie und löst Reaktionen wie Muskelbewegungen oder Schmerzempfindungen aus. Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das in zwei Hauptbereiche unterteilt wird: das zentrale Nervensystem (ZNS) und das periphere Nervensystem (PNS). Ohne Beachtung einer Grenze ziehen die erregungsleitenden Nervenfasern vom zentralen zum peripheren Nervensystem und umgekehrt.
Das zentrale Nervensystem (ZNS)
Das zentrale Nervensystem (ZNS) besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark. Das Gehirn (lat. Cerebrum) ist durch den Schädel und das Rückenmark (lat. Medulla spinalis) durch die Wirbelsäule geschützt. Drei bindegewebige Hirn- und Rückenmarkshäute - die sogenannten Meningen - sorgen für ausreichend Schutz. Sie bestehen aus der Dura mater, Arachnoidea mater und Pia mater.
Das Gehirn lässt sich grob in das Großhirn, das Zwischenhirn, das Kleinhirn und den Hirnstamm einteilen. Das Großhirn macht 80% deines Hirnvolumens aus und besteht aus Milliarden Neuronen. Der Balken verbindet beide Hemisphären durch Nervenfasern. Das Kleinhirn koordiniert deine Motorik und speichert erlernte Bewegungsabläufe wie Fahrradfahren. Der Hypothalamus steuert dein autonomes Nervensystem und Hormonsystem. Der Hippocampus bildet Erinnerungen, der Mandelkern bewertet sie emotional. Zudem ist das ZNS Sitz der Auslösung der willkürlichen Motorik, die dem Menschen eine gezielte Reaktion auf die Umweltbedingungen ermöglicht, und der Ort des unbewussten und bewussten Denkens.
Das Großhirn (Cerebrum) ist aus Kerngebieten und Rindenbezirken aufgebaut. Es besteht aus einer linken und einer rechten Hemisphäre, die über den Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. Die Hirnrinde (Cortex) ist in fünf Lappen (Lobuli) eingeteilt, sogenannte Furchen (Sulci) trennen diese voneinander. Außerdem wird der Cortex in mehrere Areale (nach Brodmann) eingeteilt, denen auch meist verschiedene Funktionen zugeordnet werden können. Alle bewussten und viele unbewusste Handlungen gehen von der Hirnrinde aus, die auch als eine Art Sammelstation aller bewussten Sinneseindrücke gilt. Das Gehirn wird von einer Flüssigkeit (Liquor cerebrospinalis) umgeben, die man in äußere und innere Liquorräume (Ventrikel) unterteilen kann. Für die Liquorproduktion ist das Ventrikelsystem verantwortlich - dieses hat auch über den 4. Ventrikel eine Verbindung zum Zentralkanal des Rückenmarks. Die Hirnhäute, die das gesamte Gehirn umgeben, ziehen durch das Hinterhauptsloch (Foramen magnum) durch und setzen sich unterhalb davon als Rückenmarkshäute fort.
Das Rückenmark verläuft als Strang von kranial nach kaudal gut geschützt innerhalb des Wirbelkanals der Wirbelsäule. Wie das Gehirn wird auch das Rückenmark von mehreren Häuten umgeben, welche genau den Hirnhäuten entsprechen - aufgrund der Lage wird hier, wer hätte es gedacht, jedoch von den Rückenmarkshäuten gesprochen. Wie im Gehirn gibt es ebenfalls eine Unterteilung von grauer und weißer Substanz, d.h. Nervenzellkörpern und Nervenfasern.
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Der wichtigste Unterschied zwischen der grauen und weißen Substanz in Großhirn und Rückenmark ist die Aufteilung. Im Großhirn findet man die graue Substanz außen und die weiße Substanz innen, jedoch ist dies im Rückenmark umgekehrt. Die graue Substanz ist dort zentral schmetterlingsförmig angeordnet und enthält die Nervenzellkörper. Das Rückenmark hat mehrere Segmente, die jeweils für bestimmte Muskelgruppen zuständig sind. Zwischen je zwei Wirbeln entspringt beidseits ein Rückenmarksnerv (Spinalnerv), von dem jeder eine hintere und eine vordere Wurzel enthält. Die motorischen Neurone leiten Signale vom Gehirn weg in das jeweilige Rückenmarkssegment und werden als efferente Neurone bezeichnet. Die sensorischen Neurone leiten Impulse zum ZNS und werden auch afferente Neurone genannt. Diese vereinigen sich zu einem gemischten Rückenmarksnerv, der efferente und afferente Neuronen besitzt und versorgen je eine bestimmte Körperregion. Der Körper nimmt ständig Informationen durch sogenannte somatische Afferenzen auf, die unter anderem die Berührung der Haut durch Rezeptoren und die Stellung der Gelenke und Muskeln registrieren. Diese Informationen nehmen wir großteils bewusst wahr.
Das ZNS ist der Sitz der Auslösung der willkürlichen Motorik, die dem Menschen eine gezielte Reaktion auf die Umweltbedingungen ermöglicht, und der Ort des unbewussten und bewussten Denkens. Es verarbeitet verschiedene Arten von sensorischen Informationen.
Das periphere Nervensystem (PNS)
Alle Teile des Nervensystems außerhalb des zentralen Nervensystems bilden das periphere Nervensystem (PNS). Dazu gehören Hirnnerven und ihre Äste als auch das Rückenmark und ihre in die Peripherie verlaufenden Äste, die sogenannten Spinalnerven. Das PNS besteht überwiegend aus Nervenfasern mit stellenweise angehäuften Nervenzellen. Aus der Ansammlung von Nervenzellen mit den zugehörigen Nervenfasern resultiert eine Verdickung, die man als Ganglion bezeichnet. Die ersten beiden Hirnnerven Nervus olfactorius (I, Riechnerv) und Nervus opticus (II, Sehnerv) sind de facto keine peripheren Nerven, sondern Teile des Gehirns.
Das PNS ist aufgeteilt in das somatische Nervensystem, die Hirnnerven (als eine Art Spinalnerven des Kopfbereichs) und das autonome (viszerale) Nervensystem. Das somatische Nervensystem steuert bewusste Bewegungen und Sinneswahrnehmungen. Das autonome (viszerale) Nervensystem erhält Afferenzen von den inneren Organen (Eingeweiden = Viscera) und sendet wiederum Efferenzen an diese.
Das periphere Nervensystem (PNS) besteht aus allen Nervenbahnen, die außerhalb des Gehirns und des Rückenmarks liegen. Es koordiniert sowohl unsere willkürliche Motorik als auch den sensorischen Input, den es vom peripheren Nervensystem erhält.
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Funktionelle Unterteilung des Nervensystems
Die zweite, große Einteilung des Nervensystems erfolgt als funktionelle Einteilung - also eine Unterscheidung nach „was steuert was“. Das umfasst zum einen die bewusste Wahrnehmung von Sinnesreizen (z.B. Sehen, Hören, Fühlen), zum anderen natürlich auch die willentliche Steuerung von Bewegungen, z.B. der Skelettmuskulatur. Bei diesen Vorgängen ist letztendlich stets die Großhirnrinde die maßgebliche Steuerungszentrale - ggf. unter Beteiligung anderer Hirnareale.
Das Nervensystem kann man in einen anatomischen und in einen funktionellen Teil untergliedern, allerdings ist es untrennbar miteinander verflochten. Das Nervensystem führt eine Reihe unterschiedlicher Aufgaben aus und ermöglicht uns z.B. das Riechen oder das Sprechen. Aus der Umgebung und aus dem Körper selbst werden Reize durch Rezeptoren z.B. für Temperatur, Licht, usw.
Das Nervensystem kann eine entsprechende motorische Reaktion auslösen, wenn die sensorischen Informationen verarbeitet sind. Die motorische Funktion wird z.B. durch die anschließende Stimulation der Effektoren durch das Motoneuron führt zu Muskelkontraktionen und Drüsensekretionen. Bei der sensorischen Funktion erkennen bestimmte Sensoren bzw. Neuronen Reize (Rezeptor) im Körperinneren. Bei der integrativen Funktion des Nervensystems werden sensorische Informationen verarbeitet. Dabei analysiert und speichert dieses Informationen und bereitet eine entsprechende Reaktion vor. Die Wahrnehmung ist eine wichtige integrative Funktion mit dem bewussten Erkennen sensorischer Reize, die im Gehirn stattfindet. Besonders Interneuronen sind an der Integration beteiligt, die den größten Teil der Neuronen im Körper abbilden.
Somatisches Nervensystem
Das willkürliche Nervensystem (somatisches Nervensystem) steuert alle Vorgänge, die einem bewusst sind und die man willentlich beeinflussen kann. Dies sind zum Beispiel gezielte Bewegungen von Gesichtsmuskeln, Armen, Beinen und Rumpf.
Autonomes Nervensystem
Das vegetative Nervensystem (autonomes Nervensystem) regelt die Abläufe im Körper, die man nicht mit dem Willen steuern kann. Es ist ständig aktiv und reguliert beispielsweise Atmung, Herzschlag und Stoffwechsel. Hierzu empfängt es Signale aus dem Gehirn und sendet sie an den Körper. In der Gegenrichtung überträgt das vegetative Nervensystem Meldungen des Körpers zum Gehirn, zum Beispiel wie voll die Blase ist oder wie schnell das Herz schlägt. Das vegetative Nervensystem kann sehr rasch die Funktion des Körpers an andere Bedingungen anpassen. Ist einem Menschen beispielsweise warm, erhöht das System die Durchblutung der Haut und die Schweißbildung, um den Körper abzukühlen. Sowohl das zentrale als auch das periphere Nervensystem enthalten willkürliche und unwillkürliche Anteile. Es besteht aus dem sympathischen Nervensystem, dem parasympathischen Nervensystem und dem Eingeweide-Nervensystem (enterisches Nervensystem).
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Sympathikus und Parasympathikus
Das sympathische und parasympathische Nervensystem (Sympathikus und Parasympathikus) wirken im Körper meist als Gegenspieler: Der Sympathikus bereitet den Organismus auf körperliche und geistige Leistungen vor. Er sorgt dafür, dass das Herz schneller und kräftiger schlägt, erweitert die Atemwege, damit man besser atmen kann, und hemmt die Darmtätigkeit. Der Parasympathikus kümmert sich um die Körperfunktionen in Ruhe: Er aktiviert die Verdauung, kurbelt verschiedene Stoffwechselvorgänge an und sorgt für Entspannung.
Die Wirkung des Sympathikus ist dabei „anregend“, um eine „Fight oder Flight“-Reaktion vorzubereiten und aufrecht zu erhalten - also die Vorbereitung auf Kampf oder Flucht. Dementsprechend werden verstärkt die Körperfunktionen aktiviert, welche für eine große körperliche Leistungsfähigkeit notwendig sind. Das bedeutet, dass Herzfrequenz, Herzkraft und Blutdruck (Engstellung der peripheren Arteriolen) steigen, die Bronchien weiten sich; wohingegen die Speichelproduktion und die Peristaltik (Bewegung) des Magen-Darm-Traktes abnimmt. Beide Systeme arbeiten als Gegenspieler zusammen - wie Gas und Bremse in deinem biologischen Auto. Sympathikus ist dein "Stress-Modus" (ergotrop = leistungssteigernd): Herzschlag beschleunigen, Atmung vertiefen, Kampf-oder-Flucht-Reaktion.
Neuronale Grundlagen: Zellen und Signalübertragung
Nervenzellen verfügen über ein Axon als „Ausläufer“ zur Reizweiterleitung; entweder auf andere Nervenzellen oder auf ein „Zielorgan“, z.B. einen Muskel. Die Reize werden innerhalb des Neurons grundsätzlich elektrisch mittels Ionenfluss weitergeleitet - die Überleitung an Verbindungsstellen zu anderen Nervenzellen oder Zielorganen (Synapsen) erfolgt vorwiegend chemisch (d.h. mittels Neurotransmittern). Die Neuronen können dabei sowohl untereinander kommunizieren (elektrisch oder chemisch) als auch Reize von „Zielorganen“ empfangen (z.B. Rezeptoren in der Körperperipherie) und senden (z.B. an Muskelzellen). Für die Reizverarbeitung ist der Nervenzellkörper (Perikaryon oder Soma) zuständig, welcher der „eigentlichen“ Zelle entspricht. Im Nervenzellkörper wird entschieden, ob und wohin ein Reiz ausgelöst wird - sprich: ein Einstrom positiv geladener Ionen erfolgt. Die Nervenzellkörper selbst stellen sich, wegen ihrer gräulichen Färbung, als graue Substanz dar. Von den eigentlichen Nervenzellen werden die Gliazellen abgegrenzt.
Nervenzellen haben einen klaren Bauplan: Dendriten nehmen Informationen auf, der Zellkörper (Soma) verarbeitet sie, das Axon leitet sie weiter. Gliazellen und die Myelinscheide sorgen für schnellere Weiterleitung und elektrische Isolation. Das Ruhepotential von -70mV entsteht durch ungleiche Ionenverteilung. Kalium diffundiert durch die semipermeable Membran und erzeugt einen "Leckstrom". Beim Aktionspotential öffnen sich spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle bei Erreichen des Schwellenwerts. Die Hyperpolarisation macht die Zelle vorübergehend noch negativer als das Ruhepotential. Die saltatorische Erregungsleitung ist der Turbo-Modus deiner Nerven! Bei der kontinuierlichen Erregungsleitung wandert das Signal Stück für Stück mit nur 30 m/s.
An Synapsen werden elektrische Signale in chemische Transmitter und wieder zurück verwandelt - wie ein biologischer Übersetzer! Phase 1: Das Aktionspotential öffnet Ca²⁺-Kanäle, Vesikel verschmelzen mit der Membran und setzen Transmitter frei. Phase 2: Transmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt. Erregende Synapsen bewirken Depolarisation (EPSP) durch Na⁺-Einstrom. Phase 4: Das Signal wird weitergeleitet. Summation ist wie das Sammeln von Stimmen bei einer Abstimmung.
Damit Zellen überhaupt auf Reize entsprechend reagieren können (und letztendlich das tun, was sie tun sollen), braucht es eine entsprechende „Empfangseinrichtung“ und einen „Überträger der Information“. Rezeptoren selbst sind dreidimensionale Proteine, die mehr oder weniger selektiv bestimmte Liganden (Botenstoffe) binden können und damit aktiviert werden. Die „Wirkung“ hängt somit maßgeblich davon ab, an welchen Rezeptor der Neurotransmitter bindet. Synapsen sind nichts anderes als Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen - das können sowohl zwei verschiedene Nervenzellen sein, wie auch die Verbindung von Nervenzelle zur Zielzelle eines Organs. Die Präsynapse repräsentiert dabei das Axonende der Nervenzelle, von der der ursprüngliche Reiz ausgeht. Dort diffundieren die Neurotransmitter zur Postsynapse - also entweder einer weiteren Nervenzelle oder der Zielzelle - und binden an die dort befindlichen Rezeptoren, wodurch eine Reaktion ausgelöst wird (z.B. Fortleitung des Signals durch Ioneneinstrom, Aktivierung intrazellulärer Signalkaskaden).
Schutzmechanismen des ZNS
Die Blut-Hirn-Schranke ist eine im Gehirn vorhandene physiologische Barriere zwischen dem Blutkreislauf und dem Zentralnervensystem. Sie schützt das Gehirn vor im Blut zirkulierenden Krankheitserregern, Toxinen und Botenstoffen. Sie stellt einen hochselektiven Filter dar, über den die vom Gehirn benötigten Nährstoffe zugeführt und die entstandenen Stoffwechselprodukte abgeführt werden. Sie dient dazu, die Milieubedingungen (Homöostase) im Gehirn aufrechtzuerhalten und sie von denen des Blutes abzugrenzen. Der wesentliche Bestandteil dieser Barriere sind Endothelzellen und Gliazellen, genauer gesagt Astrozyten. Die Endothelzellen sind über Tight Junctions eng miteinander verknüpft, die Astrozyten über Zonulae adhaerentes.
Die Blut-Liquor-Schranke ist die physiologische Grenze zwischen dem Blutkreislauf und dem Liquorsystem des zentralen Nervensystems. Es basiert hauptsächlich auf der Barrierefunktion des Plexus choroideus, dessen Epithel mit Tight Junctions abgedichtet ist. Bis auf CO2, O2 und H2O ist der Stoffaustausch zwischen Blut und Gehirn bzw. Blut und Liquor mehr oder weniger stark beschränkt.
Reflexe: Automatische Reaktionen
Reflexe sind automatische Reaktionen ohne bewusstes Nachdenken. Eigenreflexe wie der Kniereflex passieren im selben Organ, Fremdreflexe wie Husten zwischen verschiedenen Organen. Beim Eigenreflex befinden sich Sensor (Rezeptor) und Effektor im gleichen Organ. Ein Beispiel ist der Patellarsehnenreflex. Dabei werden Muskelspindeln bei Dehnung des Muskels erregt. Die Reizweiterleitung erfolgt über das Rückenmark, wo die Erregung monosynaptisch auf das Motoneuron übertragen wird. Beim Fremdreflex liegen Rezeptor und Effektor in unterschiedlichen Organen. Diese Reflexe verlaufen über mehrere hintereinandergeschaltete Neurone und werden daher als polysynaptisch bezeichnet. Ein Beispiel ist der Lidschlussreflex. Da mehrere Neurone beteiligt sind, kann die Reizschwelle durch Summation unterschwelliger Reize überschritten werden, wodurch eine Anpassung der Reflexantwort möglich ist. Die Reflexverschaltung erfolgt primär im Rückenmark oder Hirnstamm, sodass Reflexe auch dann noch funktionieren, wenn das Großhirn ausfällt.
Psychobiologische Aspekte
Eine wesentliche Aufgabe des Nervensystems ist es, Verhalten und Erleben hervorzurufen und zu kontrollieren und - umgekehrt - wirken Erleben und Verhalten auf das Nervensystem und tragen damit wesentlich dazu bei, dass sich das Nervensystem durch diese Erfahrungen verändert. Diese Eigenschaft des Nervensystems wird als Neuroplastizität bezeichnet. Daraus ergibt sich die Bedeutung der Biopsychologie bzw. einer psychobiologischen Perspektive: Ziel ist es, die (neuro)biologischen Korrelate und - je nach Untersuchungsdesign - die Ursachen von psychologischen Prozessen (wie Wahrnehmung, Lernen, Emotion, Motivation, Gedächtnis, soziales Verhalten) zu ermitteln. Umgekehrt werden die Wirkungen von psychologischen Variablen auf (neuro)biologische Prozesse untersucht.
Schlussfolgerung
Das Verständnis der Grenze zwischen ZNS und PNS ist entscheidend, um die komplexen Funktionen des Nervensystems zu verstehen. Das ZNS, bestehend aus Gehirn und Rückenmark, ist die zentrale Steuereinheit, während das PNS die Verbindung zwischen dem ZNS und dem Rest des Körpers darstellt. Beide Systeme arbeiten zusammen, um unsere bewussten und unbewussten Handlungen zu steuern und unsere Interaktion mit der Umwelt zu ermöglichen.