Unser Körper ist ständig in Bewegung, eine Fähigkeit, die wir oft als selbstverständlich betrachten. Doch hinter jeder Bewegung, sei sie bewusst oder unbewusst, steckt ein komplexes Zusammenspiel von Gehirn, Rückenmark, Nerven und Muskeln. Die Motorik, die oft unterschätzt wird, ermöglicht es uns, Gedanken in Taten umzusetzen, auf die Umwelt zu reagieren und mit anderen in Kontakt zu treten.
Die Kommandozentrale für Bewegungen: Gehirn und Rückenmark
Geplante und initiierte Bewegungsabläufe werden von den motorischen Zentren im Gehirn. Diese Signale gelangen über das Rückenmark und die Motoneurone zu den Muskeln und werden dort in Bewegungen umgesetzt. Sensorische Rückmeldungen helfen dabei, die erfolgreiche Umsetzung der Bewegungen zu koordinieren. Ob Fahrradfahren oder Skilaufen - einmal erlernt laufen viele Bewegungen unbewusst und automatisch ab.
Das zentrale motorische System
Für willentliche Bewegungen ist das zentrale motorische System zuständig, das auch über unsere Körperhaltung wacht. Dazu gehören bestimmte Bahnen in Hirnstamm und Rückenmark, das Kleinhirn sowie ein erheblicher Teil der Hirnrinde - dem Sitz höherer Hirnfunktionen. Im motorischen Cortex befinden sich Zellkörper der zweiten Gruppe der motorischen Neurone, die oberen Motoneurone. Etwa eine Million an der Zahl entsenden sie von dort lange Axone in das Rückenmark.
Die Akteure der Bewegung: Neuronen und Motoneurone
Gesteuert wird eine Bewegung durch bestimmte Nervenzellen, die so genannten Neuronen, von denen man zwei Arten unterscheidet: sensorische und motorische. Neuronen regulieren die Muskelkontraktion und die Sekretion von Drüsen.
Motorische Nerven
Motorische Nerven spielen eine entscheidende Rolle im menschlichen Nervensystem. Sie sind dafür verantwortlich, Signale vom zentralen Nervensystem zu den Muskeln zu leiten und so Bewegungen zu steuern. Motorische Nerven ermöglichen es Bewegungen auszuführen, indem sie Signale zur Muskelkontraktion übertragen. Dieser Prozess beginnt im zentralen Nervensystem und führt dazu, dass die Muskeln gewünschte Bewegungen ausführen:
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- Freiwillige Bewegungen: Aktionen wie Laufen oder Sprechen.
- Unwillkürliche Reflexe: Reaktionen wie das Zurückziehen der Hand bei einer Berührung mit einer heißen Oberfläche.
Jeder motorische Nerv besteht aus spezifischen Strukturen, die seine Funktion erlauben:
- Neuronen: Nervenzellen, die elektrische Signale weiterleiten.
- Axone: Lange Nervenfasern, die die Signale von Neuronen übertragen.
- Myelinscheiden: Isolierende Hüllen um die Axone, die die Übertragungsgeschwindigkeit der Signale erhöhen.
Motorische Nerven sind teils für willkürliche, teils für unwillkürliche Bewegungen zuständig.
Motoneurone
Die unteren Motoneurone reizen über ihre Zellfortsätze - die Axone - die Muskelfasern der Skelettmuskulatur und sorgen so für deren Kontraktion. Ihre Zellkörper befinden sich im Rückenmark, der Medulla spinalis. Deshalb werden sie auch spinale Motoneurone genannt. Manche Reflexe werden direkt von den unteren Motoneuronen initiiert, so etwa der bekannte Patellarsehnenreflex, bei dem ein leichter Schlag auf die Sehne unterhalb der Kniescheibe das Hochschwingen des Unterschenkels auslöst. Weil die verantwortlichen Nervenzellimpulse gar nicht ins Gehirn gelangen müssen, sind sie besonders schnell und können Schutzfunktionen übernehmen.
Die oberen Motoneurone reizen niemals selbst einen Muskel. Im motorischen System herrscht eine gewisse Arbeitsteilung: Die oberste Kontrolle, sozusagen die Befehlsgewalt über das Vorziehen des Arms oder das Schwingen des Tanzbeins, haben die motorischen Assoziationsfelder, die sich vor allem im Parietal- und im Präfrontalcortex befinden. Hier wird das Bewegungsziel festgelegt, also zum Beispiel, dass man das Messer greifen und damit sein Gemüse klein schneiden möchte, und die am besten geeignete Bewegungsstrategie, um dieses Bewegungsziel zu erreichen. Nachdem das „Was“ geklärt ist, übernehmen Motorcortex und Kleinhirn (Cerebellum) das „Wie“ des Bewegungsablaufs. Diese beiden Hirnareale sind die Taktiker bei der Bewegungskontrolle, sie bestimmen, welche Muskeln in welcher Abfolge kontrahiert werden sollen. Mit der konkreten Ausführung des Plans werden dann der Hirnstamm und das Rückenmark betraut. Dort befinden sich die Motoneurone, von denen aus die Muskelzellen letztlich gereizt werden.
Strategie, Taktik, Ausführung - die Netzwerke der Bewegungskontrolle
Wie diffizil dies in der Praxis sein kann und wie viele Parameter dabei bedacht werden müssen, wird möglicherweise am besten in der modernen Robotik deutlich. Dort arbeiten Ingenieure oft monatelang daran, einem humanoiden Roboter genau die Bewegungsabläufe einzuprogrammieren, die wir innerhalb von Sekundenbruchteilen umsetzen. Vor allem das Bestimmen der nötigen Kraft und der Feinmotorik stellt sie vor Probleme: Wie fest darf ein Roboter zupacken, damit das Glas in seiner Hand nicht zerbricht, wie genau müssen die Finger einen Stift umfassen, damit der Automat eine Zeichnung anfertigen kann? Im menschlichen Körper bestimmen die Entladungsrate der Motoneuronen oder die Kombination der gereizten Muskelfasern diese Feinabstimmungen. Sie werden dabei maßgeblich von sensorischen Rückmeldungen beeinflusst und geleitet, die das zentrale Nervensystem vor und während der Bewegungsausführung erhält.
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Motorisches Lernen
Dass wir anders als die Robotik-Ingenieure darüber nicht weiter nachdenken müssen, verdanken wir unter anderem auch unserer Fähigkeit zum motorischen Lernen. Denn die meisten der täglichen Bewegungen laufen, wenn man sie sich einmal angeeignet hat, automatisch und unbewusst ab. Das Gehen zum Beispiel, oder die Kraulzüge im Schwimmbad. Auch der kurze Blick in den Rückspiegel oder das Schalten des Blinkers ist bei routinierten Autofahrern keinen Gedanken mehr wert - während Fahranfänger sich dabei noch konzentrieren müssen. Der Vorteil des motorischen Lernens liegt auf der Hand: Laufen die Bewegungen unbewusst ab, hat das Hirn mehr Kapazitäten, um sich mit anderen Dingen zu beschäftigen. Aus Sicht der Evolution macht das Sinn, weil es unseren Vorfahren half zu überleben: Sind Rennen und Klettern automatisiert, muss man sich nicht mehr darauf konzentrieren, wenn die Aufmerksamkeit besser auf anderes gerichtet wäre: einen wütenden Bären etwa, der uns nach dem Leben trachtet. Heute sind Begegnungen mit Bären zum Glück selten.
Der Aufbau einer Nervenzelle: Vom Soma bis zur Synapse
Das Neuron lässt sich in unterschiedliche Abschnitte gliedern:
- Soma (Zellkörper): Das runde beziehungsweise ovale Zentrum der Zelle, das den Zellkern enthält.
- Dendriten: Kurze, verästelte Fortsätze, die vom Soma ausgehen und Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren empfangen. Sie stellen die Antennenregion der Nervenzelle dar.
- Axonhügel: Der Bereich zwischen dem Soma und dem Axon, wo elektrische Signale gesammelt und summiert werden, bis eine bestimmte Schwelle überschritten wird.
- Axon (Neurit): Ein langer Fortsatz, der vom Soma ausgeht und Signale von diesem weg transportiert. Er dient als Übertragungskabel für elektrische Impulse.
- Myelinscheide: Eine Isolierschicht um das Axon, die aus Lipiden und Proteinen besteht und die Saltatorische Erregungsleitung ermöglicht. Sie wird von Schwannschen Zellen im peripheren Nervensystem und von Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem gebildet.
- Ranviersche Schnürringe: Freiliegende Axonbereiche entlang des Axons, die die Saltatorische Erregungsleitung ermöglichen.
- Synaptische Endknöpfchen: Das Ende der Nervenzelle, an dem ankommende elektrische Signale in chemische Signale (Neurotransmitter) umgewandelt und zur nächsten Nervenzelle oder Zelle übertragen werden.
Die Synapse: Schaltstelle der Nervenzellen
Trifft ein elektrisches Signal über das Axon am Nervenende ein, erhöht sich die elektrische Spannung an der präsynaptischen Membran. 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. Elektrisch geladene Teilchen strömen in die Zelle ein und verändern die Spannung der Empfänger Zelle (postsynaptisches Potenzial). Der entstehende Reiz wird anschließend über die Dendriten und dem Zellkörper zum Axonhügel weitergeleitet, wo bei einem ausreichend starken elektrischen Impuls ein Aktionspotenzial ausgelöst wird.
Klassifikation von Nervenzellen
In der Neurobiologie können Nervenzellen nach verschiedenen Charakteristika eingeteilt werden:
- Unipolare Nervenzelle: Neuron mit einem Fortsatz (Axon).
- Bipolare Nervenzelle: Neuron mit zwei separaten Fortsätzen (Axon und Dendrit); dient der Vermittlung bestimmter Sinne (z. B. Sehen, Riechen).
- Pseudounipolare Nervenzelle: Neuron, bei dem Dendrit und Axon aus einem gemeinsamen Fortsatz in der Nähe des Zellkörpers entspringen (z. B. sensible Nervenzellen).
- Multipolare Nervenzelle: Neuron mit vielen Dendriten und einem Axon; multipolare Nervenzellen gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nervenzellen (z. B. Motoneurone).
Das Nervensystem: Zentral und Peripher
Das komplizierte Zusammenspiel von Organen, Muskeln und Sinneswahrnehmungen unseres Körpers wird vom Nervensystem gesteuert. Das Nervensystem kann man in einen anatomischen und in einen funktionellen Teil untergliedern, allerdings ist es untrennbar miteinander verflochten. Ohne Beachtung einer Grenze ziehen die erregungs-leitenden Nervenfasern vom zentralen zum peripheren Nervensystem und umgekehrt.
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- Das zentrale Nervensystem (ZNS): Besteht aus Gehirn und Rückenmark. Es stellt die Kommandozentrale dar und interpretiert die ankommenden Sinnesempfindungen (sensorische Informationen).
- Das periphere Nervensystem (PNS): Besteht aus sensorischen und motorischen Nerven. Sensorische Nerven leiten Informationen, die man durch Sehen, Hören, Schmecken, Fühlen und Tasten aufnehmen kann, zum ZNS. Motorische Nerven leiten Befehle vom Gehirn an die Muskeln weiter, um Bewegungen zu steuern.
Funktionelle Aspekte des Nervensystems
- Somatisches Nervensystem: Der willkürlich steuerbare Anteil, mit dem Impulse an Muskeln gesendet und Bewegung in Gang gesetzt bzw. verhindert wird.
- Autonomes (vegetatives) Nervensystem: Steuert unwillkürliche Funktionen wie Atmung, Verdauung, Herzschlag und Stoffwechsel. Es besteht aus dem Sympathikus (aktivierend), dem Parasympathikus (beruhigend) und dem enterischen Nervensystem (Steuerung des Magen-Darm-Trakts).
Erkrankungen und Behandlungsmöglichkeiten
Erkrankungen, die motorische Nerven beeinträchtigen können, sind unter anderem Amyotrophe Lateralsklerose (ALS), Multiple Sklerose (MS), Guillain-Barré-Syndrom und Neuropathien wie diabetische Neuropathie. Motorische Nervenverletzungen können durch Physiotherapie zur Förderung der Muskelstärke und -koordination, Medikamente zur Schmerzlinderung und gegebenenfalls chirurgische Eingriffe zur Reparatur schwerer Verletzungen behandelt werden.