Ständig gereizt? Diese Frage würden unsere Nervenzellen wohl eindeutig bejahen. Doch auch wenn sie dauernd unter Strom stehen, ist von Chaos im Nervensystem keine Spur. Mit höchster Präzision und Schnelligkeit arbeiten Milliarden von Nervenzellen koordiniert zusammen, um Informationen auszutauschen und uns so Handlungen, Gedanken und Emotionen zu ermöglichen. Um die komplexen Funktionen des Nervensystems zu verstehen, ist es wichtig, die grundlegenden Unterschiede zwischen dem Nervensystem als Ganzes und den einzelnen Nervenzellen (Neuronen) zu kennen. Dieser Artikel beleuchtet die wesentlichen Aspekte beider Komponenten und erklärt ihre jeweiligen Rollen und Funktionen.
Einführung in das Nervensystem und Neuronen
Das Nervensystem ist das übergeordnete Koordinations- und Steuerungssystem des Organismus. Es ermöglicht uns, mit der Umwelt zu kommunizieren und steuert gleichzeitig vielfältige Mechanismen im Inneren unseres Körpers. Es nimmt Sinnesreize auf, verarbeitet sie und löst Reaktionen wie Muskelbewegungen oder Schmerzempfindungen aus. Wenn wir beispielsweise eine rote Ampel sehen und stehen bleiben, spielen Nervenzellen eine große Rolle.
Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist eine hochspezialisierte Zelle, die für die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Nervenimpulsen zuständig ist. Damit die Nervenzellen ihre Funktion als Kommunikationsspezialisten gut erfüllen können, sind sie zu einem großen Netzwerk, dem Nervensystem, zusammengeschaltet. Allein in unserem Gehirn, dem Schalt- und Kontrollzentrum des Nervensystems, sind rund 100 Milliarden Nervenzellen im Einsatz.
Der Aufbau einer Nervenzelle (Neuron)
Der Aufbau einer Nervenzelle ist komplex und faszinierend zugleich. Jedes Neuron hat einen relativ großen Zellkörper (Soma). Der deutlichste Unterschied zu anderen Zellen sind aber die langen Fortsätze, die dem Zellkörper entspringen: die Dendriten und Axone. Die Dendriten empfangen Signale von anderen Zellen und leiten sie zum Zellkörper weiter. Das Signal, das von den Dendriten über den Zellkörper und das Axon zu den Endknöpfchen einer Nervenzelle gelangt, wird in Form eines elektrischen Impulses weitergeleitet.
Zellkörper (Soma)
Der Zellkörper der Nervenzelle, auch Soma genannt, enthält den Zellkern sowie alle Zellorganellen, die für die Funktionsfähigkeit der Zelle wichtig sind, darunter Nissl-Schollen, Golgi-Apparat und Mitochondrien. Von letzteren ist das Neuron aufgrund seines hohen Energiebedarfs in besonderem Maße abhängig.
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Dendriten
Dendriten sind feine Verästelungen des Zellkörpers (sog. Zellfortsätze), die über Synapsen mit anderen Nervenzellen in Kontakt stehen. Sie empfangen deren Signale und leiten sie anschließend an den Zellkörper weiter. Dendriten stellen also gewissermaßen die Antennenregion der Nervenzelle dar.
Axon (Neurit)
Als Axon bzw. Neurit wird der Neuron Fortsatz bezeichnet, der aus dem Axonhügel hervorgeht und die elektrischen Impulse vom Zellkörper zum Ende der Nervenzelle leitet. Im Gegensatz zu den kürzeren Dendriten kann die Länge des Axons je nach Funktion und Lokalisation der Nervenzelle bis zu einem Meter und mehr betragen.
Axonhügel
Der Axonhügel bildet den Ursprung des Axons am Zellkörper der Nervenzelle. Hier werden die einkommenden elektrischen Impulse gesammelt und verrechnet, bis sie eine bestimmte Schwelle überschreiten. Haben sie das sogenannte Schwellenpotenzial erreicht, wird der Reiz (Aktionspotenzial) über das Axon zur nächsten Zelle weitergeschickt.
Schwannsche Zellen und Myelinscheide
Schwannsche Zellen sind Stütz- und Hüllzellen der Neuronen im peripheren Nervensystem. Sie sind nicht direkt an der Reizweiterleitung beteiligt, sondern haben die Aufgabe, die Nervenzelle zu stabilisieren und zu ernähren. Als Myelinscheide oder Markscheide wird die von Schwannschen Zellen gebildete elektrische Isolationsschicht bezeichnet. Wie ein Verband legt sie sich um das Axon der Neuronen des peripheren Nervensystems herum und sorgt so nicht nur für deren Schutz, sondern auch für die Beschleunigung der Erregungsleitung. Im zentralen Nervensystem (ZNS), also dem Gehirn und Rückenmark, werden die Nervenzellen ebenfalls von einer Myelinscheide umgeben.
Ranviersche Schnürringe
Entlang des Axons ist die Myelinscheide immer wieder durch freiliegende Axonbereiche, die sogenannten Ranvierschen Schnürringe, unterbrochen. Diese Unterbrechungen ermöglichen es dem elektrischen Impuls, über längere umhüllte Bereiche zu springen und so eine höhere Geschwindigkeit zu erlangen.
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Synaptische Endknöpfchen und Synapsen
Synaptische Endknöpfchen bilden das Ende der Nervenzelle, an dem mithilfe von Synapsen ankommende elektrische Signale zur nächsten Nervenzelle oder einer anderen Zelle (z. B. Muskelzelle) weitergeleitet werden. Meist wird das elektrische Potenzial dazu in sogenannten Neurotransmitter (Nervenbotenstoffe) „umgewandelt“. Zu den Neurotransmittern gehören eine Reihe chemischer Botenstoffe wie z. B. Acetylcholin, Noradrenalin, Dopamin oder Glutamat. Diese werden in chemischen Synapsen in kleinen Bläschen, den synaptischen Vesikeln, gelagert.
Die Funktion der Nervenzelle: Reizweiterleitung und Kommunikation
Zahlreiche Antennen (Dendriten) und ein leistungsstarkes Datenkabel (Axon) machen es möglich, dass Nervenzellen in Windeseile untereinander und mit anderen Körperzellen kommunizieren. Wichtige Schaltstellen bilden hierbei die Synapsen, deren Anzahl je nach Zelltyp zwischen genau einer und über 100.000 variieren kann.
Trifft nun ein elektrisches Signal über das Axon am Nervenende ein, erhöht sich die elektrische Spannung an der präsynaptischen Membran, d. h. der Membran des sendenden Neurons. In der Folge bewegen sich mit Neurotransmittern gefüllte synaptische Vesikel in Richtung der Membran und verschmelzen mit ihr. Dabei werden die Botenstoffe in den synaptischen Spalt abgegeben und „wandern“ zur Empfängerzelle.
An der Zellmembran der Empfängerzelle sitzen spezielle Andockstellen (Rezeptormoleküle) für die Botenstoffe. Wenn ein Transmitter an ein Rezeptormolekül bindet, wird in der Empfängerzelle wieder ein elektrisches Signal ausgelöst, das sich entlang der Zelle fortpflanzen kann. So werden Nervenimpulse von Zelle zu Zelle weitergegeben.
Alles-oder-Nichts-Gesetz und Frequenz der Impulse
Nach dem Alles-oder-nichts-Gesetz lässt eine Erregung bei Überschreitung des Schwellenpotenzials immer ein Aktionspotenzial in gleicher Form, Größe und Dauer entstehen. Daher ist nicht die Größe des Aktionspotenzials für die Kommunikation der Nervenzellen entscheidend, sondern die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit (Frequenz). Dabei ist es wichtig, dass nach jeder Depolarisation mithilfe der Natrium-Kalium-Pumpe das Ruhepotenzial wieder hergestellt wird.
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Einteilung der Nervenzellen
In der Neurobiologie können Nervenzellen nach verschiedenen Charakteristika eingeteilt werden. Einige Beispiele sind:
- Unipolare Nervenzelle: Neuron mit einem Fortsatz (Axon); lange wurden die Sinneszellen der Augen dazu gezählt.
- Bipolare Nervenzelle: Neuron mit zwei separaten Fortsätzen (Axon und Dendrit); dient der Vermittlung bestimmter Sinne (z. B. Riechen).
- Pseudounipolare Nervenzelle: Neuron, bei dem Dendrit und Axon aus einem gemeinsamen Fortsatz in der Nähe des Zellkörpers entspringen (z. B. sensible Neuronen).
- Multipolare Nervenzelle: Neuron mit vielen Dendriten und einem Axon; multipolare Nervenzellen gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nervenzellen (z. B. Motoneuronen).
Das Nervensystem: Organisation und Funktion
Das Nervensystem umfasst alle Nervenzellen des menschlichen Körpers. Es ist ein komplexes Netzwerk, das für die Kommunikation mit der Umwelt und die Steuerung vielfältiger Mechanismen im Inneren des Körpers verantwortlich ist. Es besteht aus dem zentralen Nervensystem (ZNS) und dem peripheren Nervensystem (PNS).
Zentrales Nervensystem (ZNS)
Das zentrale Nervensystem (ZNS) besteht aus Gehirn und Rückenmark. Es stellt die Kommandozentrale dar, interpretiert die ankommenden Sinnesempfindungen (sensorische Informationen) und sendet spezifische Befehlssignale aus, die bestimmen, wie unsere Muskeln und Organe funktionieren.
Peripheres Nervensystem (PNS)
Das periphere Nervensystem (PNS) besteht aus sensorischen und motorischen Nerven, die das ZNS mit den Organen und Gliedmaßen verbinden. Es lässt sich in das somatische und das autonome Nervensystem unterteilen.
Somatisches Nervensystem: Steuert willkürliche Bewegungen und bewusste Wahrnehmungen.
Autonomes Nervensystem: Reguliert unwillkürliche Körperfunktionen wie Atmung, Herzschlag und Verdauung. Es besteht aus dem Sympathikus und dem Parasympathikus, die oft als Gegenspieler wirken.
- Sympathikus: Bereitet den Körper auf Aktivität und Stress vor ("Kampf-oder-Flucht"-Reaktion).
- Parasympathikus: Fördert Ruhe und Erholung ("Ruhe-und-Verdau"-Reaktion).
Unterschiede zwischen Nervensystem und Neuron
| Merkmal | Nervensystem | Neuron (Nervenzelle) |
|---|---|---|
| Definition | Das gesamte Netzwerk von Nervenzellen im Körper, das für die Koordination und Steuerung von Funktionen zuständig ist. | Eine einzelne Zelle, die elektrische und chemische Signale empfängt, verarbeitet und weiterleitet. |
| Funktion | Aufnahme, Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen; Steuerung von Muskelbewegungen, Organfunktionen und Denkprozessen. | Empfang von Signalen über Dendriten, Weiterleitung von Signalen über das Axon, Übertragung von Signalen an andere Zellen über Synapsen. |
| Struktur | Umfasst Gehirn, Rückenmark, Nerven und Ganglien. | Besteht aus Zellkörper (Soma), Dendriten, Axon, Axonhügel, Myelinscheide (bei einigen Neuronen) und synaptischen Endknöpfchen. |
| Anzahl | Umfasst viele Milliarden von Neuronen. | Einzelne Einheit innerhalb des Nervensystems. |
| Arbeitsteilung | Das Nervensystem besteht aus Nervenzellen, die untereinander vernetzt sind und dadurch zu komplexen Rechenleistungen in der Lage sind. | Die Nervenzellen besitzen eine Antennenregion, die durch den Zellkörper und deren Fortsätze (Dendriten) gebildet wird. Die Signale werden dann verrechnet und durch ein „Kabel“, das Axon, in Form von elektrischen Impulsen weitergeleitet. In der Senderregion verzweigt sich das Axon und bildet Kontaktstellen aus, die Synapsen, an denen die Signale auf andere Nervenzellen übertragen werden. Dort werden die aus dem Axon eintreffenden elektrischen Impulse in chemische Signale umgewandelt. |
| Beispiel | Wenn Sie zum Beispiel etwas sehen oder berührst, erfährt dein Körper einen Reiz. | Die Dendriten der Nervenzelle leiten den Reiz zum Zellkörper weiter. Die Erregung durch das Antippen ist stark genug, dass am Axonhügel ein Aktionspotential entsteht. An der chemischen Synapse wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Dazu setzen die synaptischen Endknöpfchen chemische Moleküle (Neurotransmitter) in den synaptischen Spalt frei. Die Moleküle binden an Rezeptoren auf der anderen Seite des Spalts. Das führt zur Entstehung eines elektrischen Signals in der nächsten Zelle. Das Signal wird so über Nervenzellen bis in dein Gehirn geleitet. Dort wird es verarbeitet und das Gehirn erhält das Signal „Du wurdest berührt“. |
Bedeutung für die Medizin
Das Verständnis der Funktionen und Unterschiede zwischen Nervensystem und Neuronen ist entscheidend für die Diagnose und Behandlung verschiedener neurologischer Erkrankungen. Viele psychische Erkrankungen sind auf Störungen im Zusammenspiel der Neuronen und ihrer Neurotransmitter im Gehirn zurückzuführen.
Erkrankungen des Nervensystems
- Multiple Sklerose (MS): Eine Autoimmunerkrankung, die die Myelinscheiden im ZNS angreift und die Signalübertragung beeinträchtigt.
- Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Eine neurodegenerative Erkrankung, die Motoneuronen betrifft und zu Muskelschwäche und Lähmung führt.
- Parkinson-Krankheit: Eine Erkrankung, die durch den Verlust von Dopamin-produzierenden Neuronen in den Basalganglien verursacht wird und zu Bewegungsstörungen führt.
- Guillain-Barré-Syndrom (GBS): Eine immunvermittelte Erkrankung, die die Myelinscheide im PNS angreift und zu Muskelschwäche und Lähmung führen kann.
Therapieansätze
Psychopharmaka versuchen, das Neurotransmittergleichgewicht im Gehirn wiederherzustellen. Therapieansätze können sein:
- Erhöhung der Konzentration von Neurotransmittern durch Hemmung des Abbaus oder der Wiederaufnahme.
- Gabe von Agonisten, die an Rezeptoren binden und diese aktivieren.
- Gabe von Antagonisten, die Rezeptoren blockieren und deren Aktivierung verhindern.
Neuroplastizität und Lernen
Eine der vielleicht wichtigsten Funktionen der Nervenzellen für unser Selbstverständnis ist die Fähigkeit zu lernen. Auch dabei spielen die Synapsen eine entscheidende Rolle. Unser Gedächtnis wird einem bestimmten Hirnareal zugeschrieben, dem Hippocampus. Bei Lernvorgängen kommt es hier zu funktionellen Veränderungen an bestimmten Synapsen, die dazu führen, dass die elektrischen Antworten in den Empfängerzellen stärker werden.
Man kann sich das wie einen Trampelpfad durch den Wald vorstellen: Je häufiger er benutzt wird, desto leichter zugänglich wird er - man kann ihn leichter wiederfinden und sich immer besser auf ihm fortbewegen. Genauso kann er aber wieder zuwuchern, wenn er nicht gebraucht wird. Das passiert auch im Gehirn - Neues lernen lässt neue Verbindungen entstehen, werden sie nicht gebraucht, werden sie auch wieder abgebaut.
Die Rolle der Gliazellen
Neben den Neuronen spielen auch Gliazellen eine wichtige Rolle im Nervensystem. Sie unterstützen die Neuronen in vielfältiger Weise und sind für die Aufrechterhaltung der Homöostase im Nervensystem unerlässlich.
Arten von Gliazellen
- Astrozyten: Versorgen Neuronen mit Nährstoffen, regulieren die extrazelluläre Ionenkonzentration und bilden die Blut-Hirn-Schranke.
- Oligodendrozyten: Bilden die Myelinscheide im ZNS.
- Schwann-Zellen: Bilden die Myelinscheide im PNS.
- Mikroglia: Immunzellen des Nervensystems, die Phagozytose betreiben und Entzündungsreaktionen modulieren.
- Ependymzellen: Kleiden die Ventrikel des Gehirns und den Zentralkanal des Rückenmarks aus und produzieren Liquor cerebrospinalis.
- Mantelzellen: Bedecken die Somata von Neuronen im PNS.
Forschung und zukünftige Perspektiven
Die Erforschung des Nervensystems und der Neuronen ist ein dynamisches Feld, das ständig neue Erkenntnisse liefert. Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten daran, die komplexen Prozesse im Nervensystem besser zu verstehen und neue Therapien für neurologische Erkrankungen zu entwickeln.
Ein wichtiger Schwerpunkt der Forschung liegt auf der Aufklärung der molekularen Mechanismen, die der synaptischen Übertragung zugrunde liegen. Das Verständnis, wie Neurotransmitter freigesetzt, erkannt und wieder aufgenommen werden, ist entscheidend für die Entwicklung von Medikamenten, die gezielt in diese Prozesse eingreifen können.
Auch die Erforschung der Neuroplastizität und der Mechanismen, die dem Lernen und der Gedächtnisbildung zugrunde liegen, ist von großer Bedeutung. Das Verständnis, wie Neuronen ihre Verbindungen verändern und neue Verbindungen bilden, könnte zu neuen Ansätzen zur Behandlung von Lernstörungen und neurodegenerativen Erkrankungen führen.