Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das es uns ermöglicht, Informationen zu empfangen, zu verarbeiten und zu speichern. Es steuert unsere Bewegungen, Gedanken und Gefühle. Die Grundlage dieses Systems bilden die Nervenzellen, auch Neuronen genannt. Sie sind spezialisierte Zellen, die für die Kommunikation im Körper zuständig sind. Dieser Artikel beleuchtet den Aufbau einer Nervenzelle detailliert und verständlich.
Was ist eine Nervenzelle?
Nervenzellen (auch Neuronen genannt) unterscheiden sich von anderen Zellen, insbesondere durch ihren Aufbau und ihre Funktion. Unser Körper besteht aus vielen verschiedenartigen Zellen mit bestimmten Funktionen. Nervenzellen sind spezialisierte Zellen, die Informationen aufnehmen, verarbeiten und weiterleiten können. Ein Mensch besitzt laut neuesten Schätzungen bis zu 1 Billion Nervenzellen. Wichtig: Eine Nervenzelle kann sich nicht teilen. Das bedeutet, dass bereits bei der Geburt die maximale Anzahl an Nervenzellen festgelegt ist.
Um diese Funktion zu erfüllen, sind unfassbar viele Nervenzellen zu großen Netzwerken verbunden. Allein in unserem Gehirn befinden sich beispielsweise bis zu 100 Milliarden Nervenzellen.
Die Hauptbestandteile einer Nervenzelle
Eine Nervenzelle besteht aus mehreren spezialisierten Strukturen, die gemeinsam die Informationsaufnahme, Verarbeitung und Weiterleitung ermöglichen:
Soma (Zellkörper): Das Soma enthält einen Zellkern und Mitochondrien. Wie jede Zelle besitzt auch die Nervenzelle einen Zellkern, die Steuerzentrale der Zelle. Hier werden wichtige Prozesse wie die Eiweißproduktion und die Zellaktivität reguliert. Das Soma, auch Zellkörper genannt, enthält den Zellkern und die meisten Organellen. Der Zellkörper (Zytosoma) enthält alles, was eine Zelle braucht, um leben zu können. Für die meisten Quellen gehört auch der Zellkern nicht zum Zellkörper.
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Dendriten: Dies sind verästelte Fortsätze, an denen Informationen von anderen Nervenzellen empfangen werden. Die Dendriten vergrößern enorm die Oberfläche einer Nervenzelle. Das schafft Platz für Tausende Synapsen, über die eine Nervenzelle Informationen von anderen Nervenzellen oder von Sinneszellen aufnehmen kann.
Axon: Diese Informationen werden über einen langen Fortsatz - das Axon - weitergeleitet. Bei einem Axon handelt es sich um einen langen, unverzweigten Fortsatz, der der Weiterleitung der Signale durch den Körper dient. Eine einzige Nervenzelle kann bis zu 10.000 Verbindungen mit anderen Zellen eingehen. Manche Axone können über einen Meter lang werden. Axon heißt der lange Zellfortsatz, durch den Nervenzellen ihre Signale schnell und über weite Strecken zu anderen Zellen abschicken.
Axonhügel: Am Übergang zwischen Soma und Axon befindet sich der Axonhügel. Der Axonhügel bezeichnet den Übergang vom Soma zum Axon, in dem Signale gesammelt und summiert werden, bis ein Schwellenwert überschritten ist, der ein sogenanntes Aktionspotential auslöst. Der Übergang vom Soma zum Axon wird Axonhügel genannt. Hier wird entschieden, ob ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Axonhügel heißt der noch relativ dicke Anfangsbereich eines Axons. Hier werden die Aktionspotentiale (wandernde elektrische Signale) erzeugt bzw. gestartet.
Myelinscheide (Markscheide): Um Informationen schnell und verlustfrei weiterzuleiten, ist das Axon bei vielen Nervenzellen von einer Myelinscheide (auch Markscheide) umgeben. Bei Wirbeltieren werden die Axone häufig zudem von einer speziellen Form von Gliazellen, den sogenannten schwannschen Zellen, umgeben. Diese Zellen liegen hintereinander um das jeweilige Axon, sodass es von einer lamellenartigen Hülle umgeben ist: der Markscheide, Myelinscheide oder auch schwannschen Scheide. Diese besteht aus Schwann’schen Zellen, einer Art von Gliazellen, die das isolierende Myelin produzieren. Die Myelinscheide ist nicht durchgängig, sondern wird regelmäßig von Ranvier’schen Schnürringen unterbrochen. Neuronen mit Myelinscheide nennt man markhaltig. Besonders die motorischen Nervenfasern der Wirbeltiere werden häufig von Hüllzellen umgeben.
Ranviersche Schnürringe: Ranvier-Schnürringe tauchen entlang des Axon in einem Abstand von etwa 0,2-2 mm auf. Sie sind für die schnelle Weiterleitung der Erregung zuständig.
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Synaptische Endigungen (Endknöpfchen): Am Ende des Axons befinden sich die synaptischen Endigungen. Dort wird eine Synapse gebildet - die Kontaktstelle zu einer anderen Zelle. Über diese werden mithilfe von chemischen Botenstoffen (den Neurotransmittern) Informationen an die nächste Nervenzelle weitergegeben. An den Enden der verzweigten Axone befinden sich kleine Verdickungen, die sogenannten Endknöpfchen. Über die synaptischen Endknöpfchen werden chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, freigesetzt. Endknöpfchen heißen die verdickten Enden der bei den Zielzellen verzweigten Axone und anderen (hüllenlosen) Neuriten.
Die Funktion der Nervenzelle: Reizweiterleitung
Du kennst nun den Aufbau und die Funktion der einzelnen Bestandteile einer Nervenzelle. Gehen wir einmal anhand eines Beispiels durch, wie die Nervenzelle in ihrer Funktion der Reizweiterleitung arbeitet. Vielleicht hast du schon einmal bemerkt, wie schnell du deine Hand von einer heißen Herdplatte zurückziehst, wenn du sie aus Versehen berührst. Diese schnelle Reaktion wird durch deine Nervenzellen ermöglicht. Die Nervenzellen leiten die Botschaft von deiner Hand über dein Rückenmark zu deinem Gehirn und zurück, um eine Reaktion auszulösen und dich zu schützen.
Es entsteht ein elektrisches Signal in der nächsten Nervenzelle und so geschieht die Reizweiterleitung über miteinander vernetzte Nervenzellen bis in dein Gehirn.
Der Grund: Über die Augen wurde ein Reiz wahrgenommen, etwa das Erblicken eines Balls, der über den Fahrradweg rollt. Das Gehirn „weiß“, dass dieser Ball dort nicht hingehört und eventuell eine Gefahr bedeuten könnte.
Die Synapse: Schaltstelle der Kommunikation
Synapse nennt man die Verbindungsstelle zwischen einem Endknöpfchen des Neuriten (Axons) und einer Zielzelle. Synapsen übertragen Signale zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und einer anderen Zielzelle (Drüsenzelle oder Muskelzelle). Die meisten Synapsen übertragen ihre Signale chemisch.
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Ein Endknöpfchen bildet den vorderen (präsynaptischen) Teil einer Synapse. Erreicht ein elektrisches Signal (Aktionspotential) das Endknöpfchen, dann verschmelzen in ihm winzige Bläschen mit seiner Zellmembran und entlassen ihren Inhalt (Neurotransmitter) in den synaptischen Spalt. Die Neurotransmitter-Moleküle durchqueren den synaptischen Spalt und verbinden sich auf der anderen (postsynaptischen) Seite des synaptischen Spalts mit Rezeptor-Molekülen in der Zellmembran der Zielzelle. Jeder Transmitter passt (wie ein Schlüssel in ein Schloss) zu genau einer Sorte von Rezeptoren. Die beiden bleiben normalerweise nur für sehr kurze Zeit miteinander verbunden und trennen sich dann wieder. Während dieser Verbindung reagiert der Rezeptor mit einer Formveränderung, die seine spezifische Funktion auslöst. Es gibt Dutzende Sorten von Neurotransmittern und Cotransmittern. Und für jeden Typ von Transmitter gibt es einen eigenen Rezeptor-Typ. Deshalb können die vielen Synapsen auf den Dendriten und dem Zellkörper einer Nervenzelle auch nicht nur aktivierend oder hemmend wirken.
Präsynaptische und postsynaptische Zelle
Man unterscheidet dabei:
- präsynaptische Zelle (die sendende Zelle)
- postsynaptische Zelle (die empfangende Zelle)
(lat. „prä“ = vor, „post“ = nach)
Neurotransmitter und ihre Funktion
Über die synaptischen Endknöpfchen werden chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, freigesetzt. Neurotransmitter bewirken an den Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle eine vorübergehende Öffnung von Ionenkanälen.
Im synaptischen Spalt werden die Neurotransmitter-Moleküle meistens rasch von Enzymen zerlegt. Die Bruchstücke oder auch ganze Neurotransmitter werden in eine der Zellen (meistens in das Endknöpfchen) wieder aufgenommen.
Wenn sich an den postsynaptischen Membranen der Dendriten einer Nervenzelle Neurotransmitter nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip zeitweise mit zu ihnen passenden Rezeptoren verbinden, verändern die Rezeptoren ihre Form und werden durchlässig für bestimmte Ionen. Dadurch kommt es lokal zu geringfügigen Änderungen der elektrischen Spannungen an der Zellmembran des Nervenzellkörpers. Diese Spannungänderungen breiten sich aus, addieren sich und erreichen den Axonhügel.
Das Aktionspotential: Die elektrische Weiterleitung
Die folgende Animation zeigt, wie ein Axon ein elektrisches Signal weiterleitet. Man nennt das ein Aktionspotential. Das elektrische Signal ist eine vorübergehende Ladungsumkehr, die neben sich eine weitere Ladungsumkehr verursacht. Dadurch kommt es zu einer Art Kettenreaktion.
Das Aktionspotenzial wird entlang der Axone immer weitergeleitet, ohne an Stärke zu verlieren. Wenn das Aktionspotential die Synapsen erreicht, kommt es zur Ausschüttung der Botenstoffe in den synaptischen Spalt. Die Erregungsleitung erfolgt blitzschnell und kann eine Höchstgeschwindigkeit von bis zu etwa 150 m/s, also 540 km/h, erreichen.
Die Rolle der Natrium-Kalium-Pumpe
Zwischen den Aktionspotentialen pumpt eine sogenannte Natrium-Kalium-Pumpe durch die Zellmembran jeweils 3 Natrium-Ionen aus der Zelle hinaus und nur 2 Kalium-Ionen in die Zelle hinein. Dadurch wird die Außenseite der Membran elektrisch positiver und die Membran-Innenseite negativer. An der liegend rotierenden Natrium-Kalium-Pumpe ist deutlich erkennbar, dass es in ihr keinen Kanal gibt, durch den die Ionen diffundieren könnten.
Spannungsabhängige Ionenkanäle
Kommt es zu an einer Stelle der Zellmembran zu einer Ladungsumkehr, dann öffnen sich in der Nachbarschaft zwei Arten von Protein-Kanälen. Zuerst öffnet sich ein Kanal, der nur Natrium-Ionen ins Zellinnere passieren lässt, nachdem er sie aus ihren Hüllen aus Wasser-Molekülen gelöst hat. Der zweite spannungsabhängige Kanaltyp lässt nur Kalium-Ionen aus dem Zellinneren nach draußen fließen. Er ist viel träger als der Natrium-Kanal.
Vielfalt der Nervenzellen
Ein verbreiteter Irrtum ist anzunehmen, dass alle Nervenzellen die gleiche Struktur haben. Unipolare Nervenzellen haben nur einen kurzen Fortsatz (Axon) und keine Dendriten. Multipolare Nervenzellen kommen sehr häufig vor. Interneuronen haben eine Vermittlerfunktion. Es gibt für verschiedene Aufgaben unterschiedliche Nervenzellen. Der normalerweise in Biologiebüchern dargestellte Nervenzell-Typ ist das im Folgenden genauer beschriebene multipolare Neuron.
Das Nervensystem: Mehr als nur Nervenzellen
Ein Nervensystem ist erstmal ein System. Und ein System ist ein aus mehreren Teilen bestehendes Ganzes, das mehr ist als die Summe seiner Teile, weil diese Teile (meistens räumlich und zeitlich) koordiniert zusammenwirken wirken können. Durch das Zusammenwirken aller Teile bekommt das System Eigenschaften, die sofort verschwinden, wenn auch nur eines der unverzichtbaren Teile fehlt. So ist beispielsweise ein Auto kein funktionsfähiges Auto mehr und kann nicht mehr fahren, wenn das Lenkrad oder der Motor fehlt oder wenn es nur noch 2 Räder hat. Auch ein Fahrrad ist ein einfaches System, in dem jedes Teil am richtig Platz sein und mit anderen korrekt verbunden sein muss. Aber es war immer noch mein Liegerad, wenn ich seine Sommerreifen durch Winterreifen ersetzt habe. Auch natürliche Systeme können weiter bzw. wieder funktionieren, wenn einzelne Teile passend ersetzt werden. Wichtig ist in einem System nicht das Einzelne, sondern das Ganze. Die in einem Nervensystem geordnet zusammen arbeitenden Elemente heißen Nervenzellen und zumindest in höher entwickelten Tieren auch Gliazellen. Im einfachsten Fall bilden sie ein Netzwerk. Nervenzellen können sich zu Ganglien oder Gehirnen und ihre Axone können sich zu Nerven zusammenschließen. Ähnlich wie beim System Flugzeug ist auch in Nervensystemen keine einzelne Nervenzelle unersetzlich. Man spricht sogar vom plastischen menschlichen Gehirn, weil es bei der Erfüllung seiner Aufgaben extrem flexibel ist und sich selbst in hohem Maße reparieren kann. Zwar müssen unverzichtbare Leistungen auch in einem Nervensystem erbracht werden, aber nicht mehr funktionierende Nervenzellen können durch andere ersetzt werden.
Zentrales und peripheres Nervensystem
Man unterscheidet zwischen zentralem und peripherem Nervensystem. Verschiedene Quellen gliedern unsere Nervensysteme unterschiedlich. Zum zentralen Nervensystem zählen das Gehirn im Schädel und das Rückenmark in der Wirbelsäule.
Willkürliches und autonomes Nervensystem
Man unterscheidet außerdem zwischen dem willkürlichen (auch somatisch oder cerebrospinal genannten) und dem autonomen (auch vegetativ oder viszeral genannten) Nervensystem. Zum willkürlichen (somatischen) Nervensystem zählen alle Nervenzellen, die der bewussten Wahrnehmung mittels Sinnesorganen (sensorische Nervenzellen) oder der bewussten Steuerung unserer Muskeln (motorische Nervenzellen) dienen. motorisch = Bewegung betreffend (z.B. somatisch = körperlich, das Soma (den Körper) betreffend (Somatische Zellen heißen alle Körperzellen außer den Geschlechtszellen. Zum vegetativen Nervensystem zählen alle Nervenzellen, die der unbewussten Wahrnehmung innerer Körperzustände sowie der automatischen Steuerung innerkörperlicher Vorgänge (z.B.: Atmung, Herzschlag und Schweißbildung) und der inneren Organe (z.B. Der Begriff vegetativ ist einer von vielen, die in verschiedenen Teildisziplinen der Biologie unterschiedlich verstanden werden. Botaniker sprechen von vegetativer Vermehrung, wenn sich Pflanzen nicht sexuell, also ungeschlechtlich fortpflanzen. Innerhalb des autonomen Nervensystems unterscheidet man zwischen dem sympathischen, dem parasympathischen und dem enterischen Nervensystem. Das enterische Nervensystem ist das Nervensystem des Verdauungstrakts. Es funktioniert auch ohne Einwirkung des Kopf-Gehirns, steht mit diesem aber in einem regen Informationsaustausch. Die Gegenspieler Sympathikus (Leistungsnerv) und Parasympathikus (Ruhenerv) unterliegen stärker der Regulation durch das Zentralnervensystem. Dabei macht der durch Stress und Angst aktivierte Sympathikus den Körper flucht- oder kampfbereit, während der durch Ruhe und Entspannung aktivierte Parasympathikus den Körper auf Erholung und Regeneration einstellt. Der Parasympathikus reduziert die Durchmesser von Pupillen und Bronchienn sowie die Aktivitäten von Herz und Leber. Der Sympathikus vergrößert die Durchmesser von Pupillen und Bronchienn sowie die Aktivitäten von Herz und Leber. Der Sympathikus wird reguliert durch das Zentralnervensystem. Er vergrößert die Durchmesser von Pupillen und Bronchienn sowie die Aktivitäten von Herz und Leber. Der Parasympathikus wird reguliert durch das Zentralnervensystem. Er reduziert die Durchmesser von Pupillen und Bronchienn sowie die Aktivitäten von Herz und Leber.
Das Gehirn als zentrale Steuereinheit
Geschützt vom Hirnschädel befindet sich in der Schädelhöhle das menschliche Kopf-Gehirn. Unser Kopf-Gehirn ist zuständig unser Gedächtnis, das Fühlen und Denken sowie für unsere bewusste Wahrnehmung. Dazu verarbeitet es Informationen von den Sinnesorganen. Es ist aber auch zuständig für einen Teil unserer unbewussten Wahrnehmung. Dazu verarbeitet es Informationen von Sensoren (speziellen Sinneszellen) überall im Körper. Es steuert unsere bewussten Bewegungen und kontrolliert unsere Hormonsysteme sowie grundlegende Lebensprozesse. Das folgende Schema zeigt, wie das Zentralnervensystem durch die Axone sensorischer Nerven Informationen von Sensoren und Sinnesorganen erhält, diese verarbeitet und durch die Axone in motorischen Nerven Befehle an Muskeln übermittelt. Bei uns Menschen und sehr wahrscheinlich zumindest auch bei den höher entwickelten Tieren haben sich Nervensysteme sozusagen verselbständigt und ein Bewußtsein geschaffen, das über sich selbst und die Welt nachdenken kann.
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