Das Nervensystem: Unterrichtsmaterial für die Sekundarstufe I (Klasse 7-10)

Einführung

Das Nervensystem ist ein komplexes und faszinierendes Thema, das für Schüler der Sekundarstufe I (Klasse 7-10) relevant und interessant ist. Es ermöglicht uns, Informationen zu empfangen, zu verarbeiten und darauf zu reagieren. Dieser Artikel bietet eine umfassende Grundlage für die Gestaltung von Unterrichtsmaterialien zum Thema Nervensystem, die sowohl grundlegende Konzepte als auch weiterführende Aspekte abdeckt. Das Ziel ist es, Schülern ein fundiertes Verständnis des Nervensystems zu vermitteln und ihr Interesse an naturwissenschaftlichen Themen zu fördern.

Grundlagen des Nervensystems

Organisation des Nervensystems

Das menschliche Nervensystem lässt sich grob in zwei Hauptbereiche unterteilen:

• Zentralnervensystem (ZNS): Bestehend aus Gehirn und Rückenmark. Das Gehirn ist das Steuerzentrum des Körpers, während das Rückenmark als Informationsautobahn zwischen Gehirn und peripherem Nervensystem fungiert.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Umfasst alle Nerven, die außerhalb des ZNS liegen. Es verbindet das ZNS mit den Organen, Muskeln und der Haut. Das PNS wird weiter unterteilt in das somatische und das autonome Nervensystem.

Die Nervenzelle (Neuron)

Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die grundlegende Baueinheit des Nervensystems. Neuronen sind spezialisierte Zellen, die elektrische und chemische Signale empfangen, verarbeiten und weiterleiten können.

Aufbau eines Neurons

Ein typisches Neuron besteht aus folgenden Teilen:

• Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und die meisten Organellen.
• Dendriten: Kurz, verzweigte Ausläufer, die Signale von anderen Neuronen empfangen.
• Axon: Langer, dünner Ausläufer, der Signale vom Zellkörper weg zu anderen Neuronen oder Zielzellen leitet.
• Axonhügel: Bereich am Zellkörper, an dem das Axon beginnt und Aktionspotentiale entstehen können.
• Myelinscheide: Isolierende Schicht um das Axon, die die Geschwindigkeit der Signalübertragung erhöht. Sie wird von Gliazellen gebildet (Schwann-Zellen im PNS, Oligodendrozyten im ZNS).
• Ranviersche Schnürringe: Unterbrechungen der Myelinscheide, an denen das Axon ungeschützt ist. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der saltatorischen Erregungsleitung.
• Synaptische Endigungen (Endknöpfchen): Verdickte Enden des Axons, die Kontakt zu anderen Neuronen oder Zielzellen herstellen.

Erregungsleitung im Neuron

Die Erregungsleitung innerhalb eines Neurons erfolgt elektrochemisch.

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1. Ruhepotential: Im Ruhezustand herrscht zwischen der Innen- und Außenseite der Zellmembran eine elektrische Spannung (ca. -70 mV). Diese Spannung wird durch unterschiedliche Ionenkonzentrationen (hauptsächlich Natrium und Kalium) und die selektive Permeabilität der Membran aufrechterhalten.
2. Depolarisation: Durch ein eintreffendes Signal (z.B. von einem anderen Neuron) öffnen sich Natriumkanäle, und Natriumionen strömen in die Zelle. Dadurch wird das Membranpotential positiver.
3. Aktionspotential: Wenn die Depolarisation einen Schwellenwert überschreitet, entsteht ein Aktionspotential. Dabei öffnen sich noch mehr Natriumkanäle, und das Membranpotential steigt kurzzeitig auf positive Werte an. Das Aktionspotential breitet sich entlang des Axons aus.
4. Repolarisation: Nach dem Erreichen des Maximums schließen sich die Natriumkanäle, und Kaliumkanäle öffnen sich. Kaliumionen strömen aus der Zelle, wodurch das Membranpotential wieder negativer wird.
5. Hyperpolarisation: Kurzzeitig kann das Membranpotential sogar negativer als das Ruhepotential werden, bevor es sich wieder stabilisiert.
6. Refraktärzeit: Nach einem Aktionspotential ist das Neuron für kurze Zeit nicht erregbar.

Das "Alles-oder-Nichts-Gesetz"

Das Aktionspotential folgt dem "Alles-oder-Nichts-Gesetz". Das bedeutet, dass ein Aktionspotential entweder vollständig ausgelöst wird, wenn der Schwellenwert erreicht ist, oder gar nicht. Die Stärke des Reizes hat keinen Einfluss auf die Amplitude des Aktionspotentials, sondern nur auf die Frequenz, mit der Aktionspotentiale ausgelöst werden.

Saltatorische Erregungsleitung

Bei myelinisierten Axonen springt das Aktionspotential von Ranvierschem Schnürring zu Ranvierschem Schnürring. Diese "saltatorische" (sprungartige) Erregungsleitung ist deutlich schneller als die kontinuierliche Erregungsleitung in unmyelinisierten Axonen.

Erregungsübertragung an der Synapse

Die Synapse ist die Kontaktstelle zwischen zwei Neuronen oder zwischen einem Neuron und einer Zielzelle (z.B. Muskelzelle). Die Erregungsübertragung an der Synapse erfolgt chemisch.

1. Präsynaptisches Neuron: Wenn ein Aktionspotential das synaptische Endknöpfchen erreicht, öffnen sich Calciumkanäle, und Calciumionen strömen in die Zelle.
2. Neurotransmitterfreisetzung: Der Calciumioneneinstrom führt dazu, dass Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind, mit der präsynaptischen Membran verschmelzen und die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freisetzen.
3. Rezeptorbindung: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
4. Postsynaptisches Potential: Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren löst in der postsynaptischen Zelle ein postsynaptisches Potential (PSP) aus. Es gibt zwei Arten von PSPs:
   • Exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP): Depolarisiert die postsynaptische Membran und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird.
   • Inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP): Hyperpolarisiert die postsynaptische Membran und verringert die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird.
5. Neurotransmitterabbau oder -wiederaufnahme: Um die Signalübertragung zu beenden, werden die Neurotransmitter entweder abgebaut (z.B. durch Enzyme) oder von der präsynaptischen Zelle wieder aufgenommen (Reuptake).

Elektrolyte und ihre Bedeutung

Elektrolyte, also in Körperflüssigkeiten gelöste Ionen wie Natrium-, Kalium-, Calcium-, Magnesium-, Chlorid- und Phosphat-Ionen, spielen eine entscheidende Rolle für die Funktion des Nervensystems. Sie sind essentiell für die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials, die Entstehung und Weiterleitung von Aktionspotentialen sowie die Erregungsübertragung an den Synapsen. Eine Störung des Elektrolythaushaltes kann zu vielfältigen neurologischen und psychischen Problemen führen.

Unterrichtsmaterialien und Methoden

Lerntheke zum Nervensystem

Eine Lerntheke bietet eine gute Möglichkeit, das Thema Nervensystem handlungsorientiert und differenziert zu erarbeiten. Folgende Materialien können in einer Lerntheke enthalten sein:

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• M 1: Das Nervensystem des Menschen: Eine Übersichtsdarstellung des Nervensystems mit seinen Hauptbestandteilen.
• M 2: Das Nervensystem - Was weißt du?: Ein Quiz oder eine Umfrage zur Aktivierung des Vorwissens.
• M 3: Aufbau und Eigenschaften unserer Nervenzellen: Informationstexte und Abbildungen zum Aufbau und den Funktionen von Neuronen.
• M 4: Aufbau eines Neurons: Arbeitsblatt zum Beschriften eines Neurons.
• M 5: Aufgaben der Bestandteile eines Neurons: Zuordnungsaufgabe, bei der die Schüler die Funktionen den einzelnen Bestandteilen des Neurons zuordnen.
• M 6: Das Neuron - Teste dein Wissen!: Ein Quiz oder eine Übung zur Überprüfung des Wissens über Neuronen.
• M 7: Das „Alles-oder-nichts-Gesetz“: Erläuterung des Alles-oder-Nichts-Gesetzes mit Beispielen.
• M 8: Die Erregungsleitung am Neuron: Darstellung der Erregungsleitung mit Fokus auf Depolarisation, Aktionspotential und Repolarisation.
• M 9: Die Erregungsweiterleitung - Teste dein Wissen!: Quiz zur Erregungsweiterleitung.
• M 10: Die Arbeit der Synapsen: Informationstexte und Abbildungen zur synaptischen Übertragung.
• M 11: Die Erregungsweiterleitung an der Synapse: Arbeitsblatt zur Darstellung der synaptischen Übertragung.
• M 12: Synapsen - Teste dein Wissen!: Quiz zu Synapsen.
• M 13: Vom Ruhepotenzial zum Aktionspotenzial: Detaillierte Beschreibung der Entstehung von Ruhe- und Aktionspotentialen.
• M 14: Neuronen und Synapsen - Kreuzworträtsel: Wiederholung und Festigung des Gelernten.

Interaktive Unterrichtseinheiten

• Online-Quiz: Auf Plattformen wie topteach.ch gibt es interaktive Quizze, mit denen Schüler ihr Wissen zum Nervensystem testen können.
• Filme und Animationen: Filme und Animationen, wie sie beispielsweise von Planet Schule oder im BR-Telekolleg angeboten werden, können komplexe Sachverhalte anschaulich darstellen.
• Simulationen: Interaktive Simulationen ermöglichen es den Schülern, die Farbwahrnehmung des Menschen oder die Wirkung von Drogen auf das Nervensystem zu erforschen.
• Lernplattformen: Selbstlernplattformen wie "Lern neuro!" bieten umfassende Lernmaterialien mit vielen Abbildungen und Übungen.

Experimente und Modelle

• Modellversuch zur saltatorischen Erregungsleitung: Mit einem abgewandelten Dominostein-Modellversuch kann die saltatorische Erregungsleitung veranschaulicht werden.
• Untersuchung des Tastsinns: Experimente zum Tastsinn, wie sie im Film "Tastsinn" von Planet Schule vorgestellt werden, ermöglichen es den Schülern, die Funktion der Rezeptoren in der Haut zu erforschen.

Gruppenarbeit und Präsentationen

• Filmanalyse: Die Schüler können in Gruppen einen Film zum Thema Nervensystem analysieren und eine Powerpoint-Präsentation erstellen.
• Rollenspiele: Die Schüler können die Erregungsübertragung an der Synapse in einem Rollenspiel darstellen.

Berücksichtigung verschiedener Lernniveaus

Es ist wichtig, die Unterrichtsmaterialien an die unterschiedlichen Lernniveaus der Schüler anzupassen. Für schwächere Schüler können einfachere Aufgaben und Erklärungen angeboten werden, während stärkere Schüler mit komplexeren Fragestellungen und weiterführenden Inhalten gefordert werden können.

Vertiefende Themen

Das Gehirn

Das Gehirn ist das komplexeste Organ des menschlichen Körpers und das Steuerzentrum des Nervensystems. Es ist für eine Vielzahl von Funktionen verantwortlich, darunter:

• Sensorische Wahrnehmung: Verarbeitung von Informationen aus den Sinnesorganen.
• Motorische Kontrolle: Steuerung von Bewegungen.
• Kognitive Funktionen: Denken, Lernen, Gedächtnis, Sprache, Entscheidungsfindung.
• Emotionen: Verarbeitung und Regulation von Gefühlen.

Bereiche des Gehirns

Das Gehirn lässt sich in verschiedene Bereiche unterteilen, die jeweils spezifische Funktionen haben:

• Großhirn (Cerebrum): Verantwortlich für höhere kognitive Funktionen, sensorische Wahrnehmung und motorische Kontrolle. Es besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch den Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind.
• Zwischenhirn (Diencephalon): Enthält Thalamus und Hypothalamus. Der Thalamus ist eine wichtige Schaltstation für sensorische Informationen, während der Hypothalamus unter anderem die Körpertemperatur, den Schlaf-Wach-Rhythmus und die Hormonproduktion reguliert.
• Kleinhirn (Cerebellum): Verantwortlich für die Koordination von Bewegungen und das Gleichgewicht.
• Hirnstamm (Brainstem): Verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark und steuert lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Herzfrequenz und Blutdruck.

Sinnesorgane

Die Sinnesorgane sind spezialisierte Organe, die Informationen aus der Umwelt aufnehmen und in neuronale Signale umwandeln. Zu den wichtigsten Sinnesorganen gehören:

• Auge: Ermöglicht das Sehen.
• Ohr: Ermöglicht das Hören und das Gleichgewicht.
• Nase: Ermöglicht das Riechen.
• Zunge: Ermöglicht das Schmecken.
• Haut: Ermöglicht das Tasten, die Wahrnehmung von Temperatur und Schmerz.

Reflexe

Reflexe sind automatische, unwillkürliche Reaktionen auf einen Reiz. Sie werden über den Reflexbogen vermittelt, der aus einem sensorischen Neuron, einem oder mehreren Interneuronen im Rückenmark und einem motorischen Neuron besteht. Reflexe dienen dem Schutz des Körpers vor Schäden.

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Einfluss von Drogen und Alkohol

Drogen und Alkohol können das Nervensystem auf vielfältige Weise beeinflussen. Sie können die Erregungsübertragung an den Synapsen verändern, die Freisetzung von Neurotransmittern beeinflussen oder die Rezeptoren blockieren. Dies kann zu Veränderungen in der Wahrnehmung, der Stimmung, dem Verhalten und den kognitiven Fähigkeiten führen. Regelmäßiger Alkoholkonsum schädigt die Leber.

Erkrankungen des Nervensystems

Es gibt eine Vielzahl von Erkrankungen, die das Nervensystem betreffen können, darunter:

• Multiple Sklerose (MS): Eine Autoimmunerkrankung, bei der die Myelinscheide der Nervenzellen im Gehirn und Rückenmark angegriffen wird.
• Parkinson-Krankheit: Eine neurodegenerative Erkrankung, bei der Dopamin-produzierende Neuronen im Gehirn absterben.
• Demenz: Ein Sammelbegriff für verschiedene Erkrankungen, die mit einem Verlust der kognitiven Fähigkeiten einhergehen.
• Schlaganfall: Eine plötzliche Unterbrechung der Blutversorgung des Gehirns, die zu Schäden an den Nervenzellen führt.

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