Das Nervensystem: Aufbau und Funktionsweise

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das die Grundlage für die Kommunikation und Steuerung im menschlichen Körper bildet. Es ermöglicht uns, Sinnesreize wahrzunehmen, zu verarbeiten und darauf zu reagieren, von einfachen Reflexen bis hin zu komplexen Denkprozessen. Es besteht aus Milliarden von Nervenzellen, den Neuronen, die über ein ausgeklügeltes System miteinander verbunden sind.

Die Bausteine des Nervensystems: Neuronen

Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die grundlegende Funktionseinheit des Nervensystems. Sie ist spezialisiert auf die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Nervenimpulsen. Ein typisches Neuron besteht aus:

• Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und andere Zellorganellen, die für die Funktion der Zelle notwendig sind.
• Dendriten: Kurze, verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen und zum Zellkörper weiterleiten. Sie wirken wie Antennen.
• Axon (Neurit): Ein langer, schlanker Fortsatz, der elektrische Impulse vom Zellkörper weg zu anderen Zellen leitet.
• Axonhügel: Der Ursprung des Axons am Zellkörper, wo eingehende Impulse gesammelt und verrechnet werden. Wenn ein bestimmtes Schwellenpotenzial überschritten wird, wird ein Aktionspotenzial ausgelöst.
• Myelinscheide (Markscheide): Eine isolierende Schicht, die das Axon umgibt und die Geschwindigkeit der Erregungsleitung erhöht. Sie wird von Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem und Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem gebildet.
• Ranviersche Schnürringe: Unterbrechungen in der Myelinscheide, an denen die elektrischen Impulse "springen" und so die Erregungsleitung beschleunigen.
• Synaptische Endknöpfchen: Die Enden des Axons, an denen die Signale über Synapsen an andere Nervenzellen oder Zielzellen (z.B. Muskelzellen) weitergegeben werden.

Die Kommunikation zwischen Nervenzellen: Synapsen

Die Synapsen sind die Kontaktstellen zwischen den Nervenzellen, an denen die Informationsübertragung stattfindet. Wenn ein elektrisches Signal (Aktionspotenzial) am synaptischen Endknöpfchen ankommt, werden Neurotransmitter freigesetzt.

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die im synaptischen Spalt zur Empfängerzelle (postsynaptische Zelle) wandern und dort an Rezeptoren binden. Durch die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren wird in der Empfängerzelle ein neues elektrisches Signal ausgelöst, das entweder erregend oder hemmend sein kann.

Gliederung des Nervensystems: Zentral und Peripher

Das Nervensystem lässt sich anatomisch in zwei Hauptbereiche unterteilen:

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• Zentralnervensystem (ZNS): Umfasst Gehirn und Rückenmark. Es ist das Kontrollzentrum des Körpers, das Informationen empfängt, verarbeitet und Befehle aussendet. Das ZNS ist durch den knöchernen Schädel und den Wirbelkanal geschützt.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Umfasst alle Nervenbahnen, die außerhalb von Gehirn und Rückenmark liegen. Es verbindet das ZNS mit den Organen, Muskeln und Sinnesrezeptoren des Körpers. Das PNS besteht aus 12 Hirnnerven und 31 Spinalnerven, die dem Rückenmark entspringen.

Funktionelle Gliederung: Somatisch und Vegetativ

Neben der anatomischen Einteilung gibt es auch eine funktionelle Einteilung des Nervensystems:

• Somatisches Nervensystem: Steuert willkürliche Bewegungen der Skelettmuskulatur. Es empfängt Sinnesinformationen über afferente Nervenbahnen und sendet Signale für die Steuerung der Skelettmuskeln über efferente Nervenbahnen aus. Es ist auch für die Aufrechterhaltung der Homöostase zuständig.
• Vegetatives (autonomes) Nervensystem: Reguliert unwillkürliche Körperfunktionen wie Atmung, Herzschlag, Verdauung und Stoffwechsel. Es besteht aus dem Sympathikus und dem Parasympathikus, die oft als Gegenspieler wirken.

Sympathikus und Parasympathikus

• Sympathikus: Bereitet den Körper auf Aktivität und Stress vor. Er erhöht Herzfrequenz und Atmung, erweitert die Atemwege und hemmt die Verdauung.
• Parasympathikus: Fördert Ruhe und Erholung. Er aktiviert die Verdauung, verlangsamt Herzfrequenz und Atmung und senkt den Blutdruck. Das System des Parasympathikus bewirkt Entspannung, Erholung und Konservierung von Energie. Sicherlich kann kein System dauerhaft in Anspannung und Stress sein, deshalb braucht es diese gegenteilige Wirkung des Parasympathikus, um die Energiereserven wieder aufzufüllen (Rest and Digest).

Enterisches Nervensystem

Das enterische Nervensystem (ENS), auch als "Bauchhirn" bezeichnet, ist ein komplexes Netzwerk von Neuronen im Verdauungstrakt. Es kann weitgehend autonom arbeiten und die Verdauungsprozesse steuern, wird aber auch vom autonomen Nervensystem beeinflusst.

Das Gehirn: Die Schaltzentrale des Nervensystems

Das Gehirn ist das komplexeste Organ des menschlichen Körpers und die zentrale Steuereinheit des Nervensystems. Es besteht aus etwa 100 Milliarden Neuronen und einer noch größeren Anzahl von Synapsen. Das Gehirn ist für eine Vielzahl von Funktionen verantwortlich, darunter:

• Sensorische Wahrnehmung: Verarbeitung von Informationen aus den Sinnesorganen
• Motorische Steuerung: Planung und Ausführung von Bewegungen
• Kognitive Funktionen: Denken, Lernen, Gedächtnis, Sprache, Problemlösung
• Emotionen: Verarbeitung und Regulation von Gefühlen
• Homöostase: Aufrechterhaltung des inneren Gleichgewichts des Körpers

Anatomische Gliederung des Gehirns

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

• Großhirn (Endhirn, Kortex): Der größte Teil des Gehirns, der in zwei Hemisphären unterteilt ist. Die Großhirnrinde (Kortex) ist für höhere kognitive Funktionen wie Denken, Sprache und Gedächtnis verantwortlich. Die Oberfläche wird Kortex genannt und ist stark gefaltet. Dies ermöglicht eine Oberflächenvergrößerung. Diese Großhirnrinde kann in funktionelle Felder eingeteilt werden, welche unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Aufgaben des Großhirns sind unter anderem: Visuelle Wahrnehmung, Verarbeitung akustischer Reize, Gedächtnis, Höhere Denkvorgänge und Instinkte.
• Zwischenhirn: Befindet sich zwischen Großhirn und Mittelhirn und besteht aus Thalamus, Hypothalamus, Subthalamus und Epithalamus. Der Thalamus ist eine wichtige Schaltstelle für sensorische Informationen, während der Hypothalamus das vegetative Nervensystem und das endokrine System steuert. Das Zwischenhirn ist für die Wahrnehmung verantwortlich. Es ist der Teil des Gehirns, welches die Gefühle steuert. Außerdem reguliert es Deine Grundbedürfnisse, wie Hunger und Durst. Zusätzlich spielt das Zwischenhirn bei der Schlaf-Wach-Steuerung eine Rolle.
• Kleinhirn (Cerebellum): Spielt eine wichtige Rolle bei der Koordination von Bewegungen und dem Gleichgewicht. Es unterstützt beim unbewussten und sozialen Lernen.
• Hirnstamm: Verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark und besteht aus Mittelhirn, Brücke (Pons) und verlängertem Mark (Medulla oblongata). Der Hirnstamm ist für lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Herzschlag und Blutdruck verantwortlich. Im Hirnstamm werden eingehende Sinneseindrücke und ausgehende Bewegungsabläufe verwertet. Zudem entstehen hier Reflexreaktionen.

Die Großhirnrinde (Kortex)

Die Großhirnrinde ist die äußere Schicht des Großhirns und der Sitz der höheren kognitiven Funktionen. Sie ist stark gefaltet, um die Oberfläche zu vergrößern. Die Großhirnrinde lässt sich in verschiedene funktionelle Bereiche unterteilen, die für spezifische Aufgaben zuständig sind:

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• Frontallappen: Planung, Entscheidungsfindung, Persönlichkeit, willkürliche Bewegungen
• Parietallappen: Sensorische Wahrnehmung, räumliche Orientierung
• Temporallappen: Hören, Gedächtnis, Sprache
• Okzipitallappen: Sehen

Neuroplastizität: Die Anpassungsfähigkeit des Gehirns

Das Gehirn ist keine statische Struktur, sondern ein dynamisches Organ, das sich ständig anpasst und verändert. Diese Fähigkeit wird als Neuroplastizität bezeichnet. Durch Neuroplastizität kann das Gehirn neue Verbindungen zwischen Nervenzellen bilden, bestehende Verbindungen stärken oder schwächen und sogar neue Nervenzellen bilden (Neurogenese).

Neuroplastizität ermöglicht es uns, zu lernen, uns an neue Situationen anzupassen und uns von Verletzungen zu erholen. Lernen findet an den Synapsen statt - also den Orten, an denen die elektrischen Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen werden. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als synaptische Plastizität. So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet. So wissen Neurowissenschaftler heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können. An wenigen Stellen wie zum Beispiel im Riechsystem können sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden.

Erkrankungen des Nervensystems

Erkrankungen des Nervensystems können vielfältige Ursachen haben und sich auf unterschiedliche Weise äußern. Einige Beispiele sind:

• Schlaganfall: Eine Unterbrechung der Blutversorgung des Gehirns, die zu Schäden an Nervenzellen führt.
• Neurodegenerative Erkrankungen: Progressive Schädigung von Nervenzellen, wie z.B. Alzheimer-Krankheit und Parkinson-Krankheit.
• Multiple Sklerose (MS): Eine Autoimmunerkrankung, bei der die Myelinscheiden der Nervenzellen im Gehirn und Rückenmark angegriffen werden.
• Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Eine neurodegenerative Erkrankung, die die motorischen Nervenzellen betrifft und zu Muskelschwäche und Lähmungen führt.

Forschung am Nervensystem

Die Erforschung des Nervensystems ist ein wichtiges Feld der modernen Wissenschaft. Wissenschaftler arbeiten daran, die komplexen Mechanismen des Gehirns und des Nervensystems besser zu verstehen, um neue Therapien für neurologische und psychiatrische Erkrankungen zu entwickeln. Ein wichtiges Forschungsfeld ist die Verschaltung innerhalb des Gehirns. Wissenschaftler untersuchen, welche Gehirngebiete miteinander verbunden sind, mithilfe der sogenannten Magnetresonanztomografie (MRT). Mit dieser Technik können sie die zu Fasersträngen gebündelten Fortsätze von Nervenzellen sichtbar machen, die die Areale der Großhirnrinde miteinander verbinden. An Max-Planck-Instituten arbeiten sie bereits heute daran, die Prinzipien der Informationsverarbeitung aufzuklären. Derzeit konzentrieren sie sich auf einfacher aufgebaute Gehirne, die weniger Nervenzellen und -fasern besitzen als das Gehirn des Menschen. Mäuse sind ein solcher Modellfall für Neurowissenschaftler. Sie besitzen als Säugetiere ein ähnlich aufgebautes und funktionierendes Gehirn wie der Mensch.

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