Die Neurobiologie ist ein wesentlicher Bestandteil der Biologie und umfasst die grundlegenden Vorgänge im menschlichen Gehirn und Körper. Dabei geht es um Abläufe, Wirkmechanismen, Zusammenhänge und Prinzipien des Nervensystems. Im Zentrum der Informationsverarbeitung steht das Gehirn, da sich hier der Großteil der Neuronen, auch Nervenzellen genannt, befindet. Dieser Artikel beleuchtet den Aufbau und die Funktion markhaltiger Nervenfasern im peripheren Nervensystem (PNS).
Grundlagen des Nervensystems
Das Nervensystem lässt sich anatomisch in das zentrale Nervensystem (ZNS), bestehend aus Gehirn und Rückenmark, und das periphere Nervensystem (PNS) unterteilen. Funktionell wird es in das vegetative Nervensystem, das unbewusste Vorgänge steuert, und das somatische Nervensystem, das für bewusste Handlungen zuständig ist, unterteilt.
Der Aufbau von Nervenzellen
Das Nervensystem besteht aus Nervenzellen, den Neuronen. Die Aufgabe einer Nervenzelle liegt in der Informationsverarbeitung, also in der Aufnahme, der Verarbeitung und der Weitergabe einer Information. Ein Neuron besteht grundsätzlich aus dem Zellkörper (Soma), Dendriten und Axon. Die baumartigen Dendriten sowie das Axon sind dafür zuständig, Informationen aufzunehmen oder an umliegende Nerven- oder Muskelzellen weiterzugeben.
Axone: Die Informationsautobahnen
Ein Axon, auch Neurit genannt, ist ein langer, dünner Ausläufer einer Nervenzelle, der elektrische Impulse über weite Strecken im Körper überträgt. Diese Impulse, Aktionspotentiale genannt, wandern das Axon entlang und übertragen Informationen. Axone des peripheren Nervensystems können teilweise nach einer Verletzung regenerieren, wobei Schwannsche Zellen helfen, die Verbindung wiederherzustellen. Eine weitere wichtige Aufgabe des Axons ist der effektive axonale Transport von Stoffen.
Myelinscheiden: Isolation für schnelle Signale
Damit Informationen nicht verloren gehen und möglichst schnell weitergetragen werden können, verfügen viele Nervenzellen über eine Isolation in Form einer Ummantelung, der Myelinscheide oder Markscheide. Diese wird von Schwannschen Zellen im PNS und Oligodendrozyten im ZNS gebildet. Die Myelinscheide besteht aus Myelin, einer lipidreichen Struktur, die die Axone umwickelt.
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Bildung der Myelinscheide
Im PNS bilden Schwannzellen die Isolierschicht. Diese Zellen wickeln sich um das Axon herum und stellen das isolierende Myelin her. Diese Myelinisierung ist jedoch nicht durchgängig, sondern wird in regelmäßigen Abständen von Lücken unterbrochen, den Ranvierschen Schnürringen.
Markhaltige vs. marklose Nervenfasern
Nervenfasern werden als markhaltig bezeichnet, wenn ihre Axone von einer Myelinscheide umhüllt sind. Im Gegensatz dazu stehen marklose Nervenfasern, bei denen das Axon nicht von einer solchen Schicht umgeben ist. Marklose Nervenfasern findet man vor allem dort, wo eine Information nicht so schnell weitergeleitet werden muss.
Funktion der Myelinscheide
Die Myelinscheide ermöglicht eine schnelle und effiziente Erregungsweiterleitung. Durch die Myelinisierung werden die Erregungen in den Nervenzellen ohne große Verluste und mit hoher Geschwindigkeit übertragen. Diese schnelle Form der Erregungsweiterleitung wird als saltatorische Erregungsleitung bezeichnet. Hierbei "springt" die Erregung von Schnürring zu Schnürring und muss nicht die komplette Länge der Nervenfaser erregen. In jedem Schnürring wird dann das Aktionspotential gebildet und von Schnürring zu Schnürring weitergereicht.
Unterschiede zwischen markhaltigen und marklosen Nervenfasern
| Merkmal | Markhaltige Nervenfasern | Marklose Nervenfasern |
|---|---|---|
| Myelinscheide | Vorhanden | Nicht vorhanden |
| Erregungsleitung | Saltatorisch (schnell) | Kontinuierlich (langsam) |
| Vorkommen | Bereiche, in denen schnelle Informationsübertragung wichtig ist | Bereiche, in denen Geschwindigkeit nicht entscheidend ist |
| Beispiel | Motorische Neurone | Schmerz-Nervenfasern |
Peripheres Nervensystem (PNS) im Detail
Das periphere Nervensystem umfasst alle Nervenfasern, die außerhalb des ZNS liegen. Es besteht aus afferenten (sensorischen) und efferenten (motorischen) Nervenfasern.
Aufbau eines peripheren Nervs
Eine Nervenfaser ist ein Teil eines Nervs. Ein Nerv besteht aus mehreren Nervenfaserbündeln, die jeweils viele Nervenfasern enthalten. Jede Nervenfaser ist von einer Schutzschicht, dem Endoneurium, umgeben. Das Endoneurium besteht aus Bindegewebe und elastischen Fasern und versorgt die Schwann-Zellen und somit die Nervenfaser mit Nährstoffen. Mehrere Nervenfasern werden durch das Perineurium zu einem Nervenfaserbündel zusammengefasst.
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Plexusbildung
Im PNS bilden Nervenwurzeln Plexus, also makroskopisch erkennbare Verflechtungen von Leitungsbahnen. Durch die Plexusbildung wird erreicht, dass ein Muskel aus mehreren Segmenten innerviert wird. Dies hat den Vorteil, dass die Durchtrennung einer einzelnen Nervenwurzel nicht zu einer vollständigen Lähmung des Muskels führt.
Afferente und efferente Nervenfasern
Eine Nervenfaser hat die Funktion, Informationen, die am Axonhügel der Nervenzelle eingehen, bis in die Endknöpfchen weiterzuleiten, die eine synaptische Verbindung mit einer weiteren Nervenzelle oder direkt mit einer Muskel- oder Drüsenzelle darstellen. Eine Nervenfaser kann die Information vom Gehirn aus in die Peripherie des Körpers leiten (efferente Nervenfaser) oder die Information von der Peripherie zum Gehirn oder Rückenmark leiten (afferente Nervenfaser).
Beispiel zur Veranschaulichung
Wenn man einen Kugelschreiber berührt und mit den Fingern ertastet, passiert dies über die afferenten Nervenfasern, die die Tastinformation der Haut an das Gehirn weiterleiten. Wenn man hingegen mit dem Kugelschreiber schreiben möchte, steuert das Gehirn die Bewegung und gibt diesen Bewegungsplan an die efferenten Nervenfasern weiter, die die Information in die Handmuskeln leiten.
Geschwindigkeit der Informationsweiterleitung
Die Schnelligkeit der Informationsweiterleitung hängt von der Dicke und der Myelinisierung der Nervenfaser ab. Besonders dicke und markhaltige Nervenfasern leiten Informationen besonders schnell weiter. Am schnellsten leiten die sogenannten Aalpha-Fasern mit einer Leitungsgeschwindigkeit von bis zu 120 m/s. Am langsamsten leiten die dünnen und marklosen C-Fasern mit einer Geschwindigkeit von unter 2 m/s, die Auskunft über dumpfe Schmerzgefühle geben.
Nervenfaserqualität
Die Nervenfaserqualität beschreibt, von welchem Ort des Körpers aus Informationen weitergeleitet werden. Es gibt somatosensible (somatoafferente) Nervenfasern, die Informationen vom Körper zum Gehirn oder Rückenmark leiten, und somatomotorische (somatoefferente) Nervenfasern, die vom Gehirn aus die Information darüber leiten, wie sich der Körper zu verhalten hat. Des Weiteren gibt es viszerosensible Nervenfasern, die an das Gehirn die Information weiterleiten, wie es den Organen geht, und viszeromotorische Nervenfasern, die die Organe vom Gehirn direkt beeinflussen.
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Rezeptoren im peripheren Nervensystem
Reize aus der Umwelt werden von Sinneszellen (spezialisierte Nervenzellen) in elektrische Erregung umgewandelt. Diese Sinneszellen besitzen Rezeptoren, die auf bestimmte Reize spezialisiert sind.
Arten von Rezeptoren
Man unterscheidet verschiedene Arten von Rezeptoren, darunter:
- Mechanorezeptoren: Reagieren auf mechanische Reize wie Druck, Berührung und Vibration.
- Thermorezeptoren: Reagieren auf Temperaturänderungen.
- Chemorezeptoren: Reagieren auf chemische Substanzen.
- Nozizeptoren: Schmerzrezeptoren, die auf Gewebeschädigung reagieren.
- Propriozeptoren: Rezeptoren der Tiefensensibilität, die Informationen über die Lage und Bewegung des Körpers liefern.
Der adäquate Reiz
Die Reizart, auf die ein Rezeptor besonders empfindlich ist, wird als adäquater Reiz bezeichnet. Jeder Rezeptortyp ist auf einen bestimmten Ansprechbereich beschränkt. Die Erregung eines Rezeptors führt immer zum gleichen Ergebnis, unabhängig von der Art des Reizes (Gesetz der Projektion).
Aktionspotential und Ruhepotential
Nervenzellen kommunizieren über elektrische Signale, die man in zwei grundlegende Zustände unterteilen kann: das Ruhepotential und das Aktionspotential. Das Ruhepotential beschreibt den "normalen" Zustand einer Zelle, wenn sie nicht aktiv ist. In diesem Zustand ist das Innere der Zelle negativ geladen im Vergleich zur Außenseite. Das Aktionspotential entsteht, wenn die Nervenzelle auf einen Reiz reagiert. Dabei kehrt sich die Spannung kurzzeitig um - die Innenseite der Zelle wird positiv gegenüber der Außenseite. Diese schnelle, kurzzeitige Veränderung des Membranpotentials ermöglicht es der Zelle, Informationen weiterzuleiten.
Neurotransmitter: Chemische Botenstoffe
Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die dafür verantwortlich sind, dass Reize und Informationen von einer Zelle an die andere weitergeleitet werden. Sie kommen an chemischen Synapsen zum Einsatz und sind von hoher Bedeutung für die Erregungsübertragung. Gespeichert werden diese Transmitter in synaptischen Vesikeln, winzig kleinen Bläschen.
Wichtige Neurotransmitter
- Acetylcholin: Muskelsteuerung und Gedächtnis.
- Adrenalin: Stressreaktion und Energie.
- Dopamin: Motivation und Belohnung.
- Endorphin: Schmerzhemmung und Glücksgefühl.
- Serotonin: Stimmung und Schlafregulation.
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