Das Nervensystem ist das Kommunikationsnetzwerk des Körpers, vergleichbar mit Stromkabeln, Telefonleitungen und Internetverbindungen in der Gesellschaft. Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die Bausteine dieses Systems und ermöglichen die Übertragung von Signalen, die für Sinneswahrnehmungen, Muskelkontraktionen und Denkprozesse unerlässlich sind. Das Nervensystem besteht aus einem zentralen (Gehirn und Rückenmark) und einem peripheren Anteil (Nervenbahnen, die in alle Körperregionen ziehen). Das periphere Nervensystem wird in das vegetative (autonome) und das somatische Nervensystem unterteilt.
Das Neuron: Die Grundeinheit des Nervensystems
Neuronen bestehen aus einem Zellkörper (Soma) mit Fortsätzen: mehreren kurzen Dendriten und einem Axon. Der Zellkörper, mit einem Durchmesser von maximal 150 Mikrometern, enthält den Zellkern und die Nissl-Schollen (stark von Ribosomen besetzte endoplasmatische Retikulen). Die Dendriten sind wie Empfangsantennen, die elektrische Signale von Nachbarzellen aufnehmen. Das Axon hingegen fungiert als "Sendemast" und kann Impulse an andere Zellen weiterleiten, wobei es über einen Meter lang sein kann.
Zellkörper mit Fortsätzen
Vom Zellkörper (Soma) einer Nervenzelle gehen in der Regel verschiedene Fortsätze aus: mehrere kurze Dendriten und ein mehr oder weniger langes Axon. Die Dendriten nehmen elektrische Signale von Nachbarzellen auf. Umgekehrt können über das Axon Impulse an andere Zellen weitergeleitet werden.
Der Zellkern im Neuron
Der Zellkern, zentral im Zellkörper gelegen, ist das Steuerzentrum des Neurons. Hier werden die genetischen Informationen gespeichert und Prozesse gesteuert, die für das Überleben und die Funktion der Zelle notwendig sind. Eingehende Signale, die von den Dendriten aufgenommen werden, werden im Zellkern verarbeitet und führen zu Veränderungen des Zellpotentials.
Die Markhaltige Nervenfaser: Schnelle Signalübertragung
Axone können entweder von einer Myelinscheide umgeben sein (markhaltige Nervenfasern) oder nicht (marklose Nervenfasern). Die Myelinscheide besteht aus spezialisierten Zellen, den Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem und den Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem, die das Axon mehrfach umwickeln und es elektrisch isolieren. Axon und Hülle bilden zusammen eine markhaltige Nervenfaser.
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Aufbau der Myelinscheide
Die Myelinscheide ist nicht durchgängig, sondern wird in regelmäßigen Abständen von den Ranvierschen Schnürringen unterbrochen. Diese Lücken sind entscheidend für die saltatorische Erregungsleitung, bei der die elektrischen Impulse von Schnürring zu Schnürring "springen".
Ranviersche Schnürringe
Die nicht isolierten schmalen Lücken zwischen den einzelnen Myelinscheiden eines Axons werden Ranviersche Schnürringe genannt. Bei der Reizweiterleitung entlang des Axons "springen" die elektrischen Impulse von Schnürring zu Schnürring (die Bereiche dazwischen sind, wie erwähnt, durch die Myelinscheiden elektrisch isoliert).
Saltatorische Erregungsleitung
Bei der Reizweiterleitung entlang des Axons "springen" die elektrischen Impulse von Schnürring zu Schnürring. Die Erregungsleitung wird dadurch deutlich beschleunigt, sie liegt bei etwa 100 Metern pro Sekunde - im Vergleich zu 10 Metern pro Sekunde bei Nervenzellen ohne Myelinschicht. Die Myelinscheide ermöglicht eine bis zu zehnmal schnellere Erregungsleitung im Vergleich zu marklosen Nervenfasern.
Funktion der Myelinscheide
Die Myelinscheide isoliert das Axon elektrisch und ermöglicht so eine sprunghafte, schnelle Weiterleitung der Nervenimpulse von einem Ranvierschen Schnürring zum nächsten. Dies wird als saltatorische Erregungsleitung bezeichnet und erhöht die Geschwindigkeit der Signalübertragung erheblich (bis zu 120 m/s).
Marklose Nervenfasern
Im Unterschied zu markhaltigen Nervenfasern sind bei marklosen Nervenfasern keine Gliazellen um das Axon gewickelt. Das Axon ist sozusagen nackt, was zu einer langsameren Reizweiterleitung führt.
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Reizweiterleitung in marklosen Nervenfasern
Bei marklosen Axonen ist es ja so, dass ein Aktionspotenzial an einer bestimmten Stelle des Axons ein neues Aktionspotenzial in der benachbarten Region induziert. Dieses ruft dann wiederum ein Aktionspotenzial in der nächsten Region hervor und so weiter.
Vorkommen von marklosen Nervenfasern
Marklose Nervenfasern kommen vorwiegend in wirbellosen Tieren vor. Bei uns Menschen finden wir marklose Nervenfasern zum Beispiel in Magen und Darm.
Synapsen: Die Kommunikationsschnittstellen
Die Kontaktstellen zwischen den einzelnen Neuronen nennt man Synapsen. Sie übertragen die Informationsreize von einer Zelle auf die nächste. Synapsen gibt es übrigens auch zwischen Nervenzellen und Muskelzellen. So können Nervenimpulse beispielsweise dem Bizeps im Oberarm "befehlen", sich zu kontrahieren - damit die Hand den Kaffeebecher zum Mund führen kann.
Geschwindigkeit der Erregungsleitung
Die Geschwindigkeit der Erregungsleitung in Nervenfasern hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter der Durchmesser des Axons und das Vorhandensein einer Myelinscheide.
Einfluss des Axondurchmessers
Je dicker das Axon, desto größer die Geschwindigkeit. Genauer gesagt, die Geschwindigkeit der Erregungsleitung ist dem Durchmesser des Axons proportional. Doppelter Durchmesser = doppelte Geschwindigkeit.
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Vergleich von Wirbeltieren und Wirbellosen
Bei Wirbeltieren liegen Axone von peripheren Nervenzellen (das sind Nervenzelle außerhalb des Gehirns) in der Regel nicht "nackt" vor, sondern sie sind von einer Markscheide umgeben. Es ist kein Zufall, dass die Axone der Wirbeltiere so dünn sind und trotzdem die Erregung ungleich schneller weiterleiten als die teils sehr dicken Axone der Wirbellosen.
Messung der Nervenleitgeschwindigkeit
Ende des 19. Jahrhunderts konstruierte Hermann von Helmholtz eine Versuchsanordnung, mit der er die Geschwindigkeit der Erregungsleitung ziemlich genau bestimmen konnte. Er isolierte dazu einen Froschmuskel samt zuleitendem motorischen Nerv. Diesen Nerv reizte von Helmholtz elektrisch und maß dann die Zeit, die bis zum Zusammenzucken des Muskels verging.
Klinische Bedeutung: Multiple Sklerose
Erkrankungen, die die Myelinscheide betreffen, können zu erheblichen neurologischen Störungen führen. Ein Beispiel ist die Multiple Sklerose (MS), eine Autoimmunerkrankung, bei der das Immunsystem die Myelinscheiden angreift und zerstört. Dies führt zu einer verlangsamten oder blockierten Signalübertragung, was sich in Symptomen wie Lähmungen, Gefühls- und Sehstörungen äußern kann.
Auswirkungen auf die Signalweiterleitung
In der Folge klappt die Informationsweiterleitung entlang des betroffenen Axons nicht mehr reibungslos - es kommt zu Symptomen wie Lähmungen, Gefühls- und Sehstörungen.
Verschiedene Typen von Neuronen
Die Neuronen im Nervensystem können sich in ihrem Aufbau unterscheiden. Es gibt unipolare, bipolare, multipolare und pseudounipolare Nervenzellen.
Unipolare Nervenzellen
Dem Zellkörper entspringt nur eine einzige Nervenfaser, der gleichzeitig als Dendrit und Axon agiert (Informationseingang- und ausgang). Meistens sind das sensorische Neuronen, die Ereignisse wie Berührungen und Temperaturveränderungen aus Haut, Gelenken und Muskeln empfangen.
Bipolare Nervenzellen
Eine bipolare Nervenzelle oder Bipolarzelle ist ein Neuron mit zwei an den gegenüberliegenden Polen des Somas ausgebildeten Fortsätzen einen Dendriten und ein Axon. Bipolare Zellen sind hochspezialisierte Sensorneuronen, die die Rezeptorzellen des Geruchssinns (Riechzellen) und des Sehsinns (Retina) bilden.
Multipolare Nervenzellen
Die multipolaren Nervenzellen kommen am häufigsten im Nervensystem von Wirbeltieren vor. Sie besitzen zahlreiche Dendriten und ein Axon.
Pseudounipolare Nervenzellen
Eine pseudounipolare Nervenzelle ist eine Nervenzelle, deren Dendrit und Axon in der Nähe des Somas zu einem Nervenzellfortsatz verschmolzen sind, der sich bald danach aufspaltet.
Axonale Schädigung
Die Durchtrennung von Axonen führt zur Degeneration (Abbau) von Teilen der betroffenen Neuronen. Sie können nur teilweise wieder nachwachsen, was zu Problemen in der Signalweiterleitung führen kann.
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