Nervensystem bei Tieren: Aufbau und Funktion

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das eine wesentliche Rolle für das Funktionieren und Verhalten von Tieren spielt. Es ermöglicht die Koordination von Bewegungen, die Sinneswahrnehmung und die Aufrechterhaltung der Homöostase. Das Nervensystem der Tiere weist verschiedene Entwicklungsstufen auf, von einfachen diffusen Netzen bis hin zu hochkomplexen Zentralnervensystemen. Betrachtet man die Nervenverbindungen und die ausgereifte Organisation des Wirbeltiernervensystems kann man dies gut erkennen. Gleichwohl findet man weit einfachere neuronale Organisationszusammenhänge wie z.B. das Nervennetz oder das Strickleiternervensystem.

Grundlagen des Nervensystems

Das Tiernervensystem besteht aus zwei Hauptteilen: dem zentralen Nervensystem (ZNS) und dem peripheren Nervensystem (PNS). Das ZNS beinhaltet Gehirn und Rückenmark und ist das Hauptsteuerzentrum. Das PNS umfasst alle anderen Nerven im Körper und verbindet das ZNS mit verschiedenen Körperteilen. Beide Teile arbeiten zusammen, um Signale zu verarbeiten und Reaktionen des Körpers zu steuern. Die Grundeinheit des Nervensystems ist das Neuron, das für den Empfang und die Signalübertragung von elektrischen Signalen verantwortlich ist. Neuronen spielen eine entscheidende Rolle im zentralen Nervensystem und sind essenziell für die Aufrechterhaltung der Homöostase biologischer Systeme. Sie ermöglichen die Kommunikation zwischen verschiedenen Körperteilen und sind entscheidend für die Reaktion auf Umweltreize.

Neurobiologie bei Tieren

Die Neurobiologie bei Tieren befasst sich mit dem Studium von Nervensystemen und wie diese das Verhalten und die physiologischen Prozesse beeinflussen. Sie spielt eine wesentliche Rolle im Verständnis von Tierverhalten und Anpassungen an unterschiedliche Umgebungen.

Neuronale Strukturen

Neuronen sind die Kommunikationswege in Nervensystemen. Neurotransmitter sind chemische Stoffe, die Signale zwischen Neuronen übertragen. Synapsen sind Verbindungsstellen zwischen Neuronen, die die Signalübertragung ermöglichen.

Forschung in der Neurobiologie

Die Forschung in der Neurobiologie bei Tieren ist ein spannendes Feld, das kontinuierlich neues Wissen bringt. Aktuelle Forschungsthemen beinhalten die Rolle von neuronalen Netzen beim Lernen und Gedächtnis, Verhaltensstudien, die den Einfluss von Neurobiologie auf Sozialisierung und Gemeinschaftsbildung untersuchen, und die Entwicklung neuer Technologien zur Erfassung und Analyse neuronaler Daten. Ein Beispiel für aktuelle Forschungsarbeiten ist die Untersuchung, wie Zugvögel mit Hilfe von Magnetfeldern navigieren. Diese Forschung hilft zu verstehen, wie spezielle Rezeptoren im Nervensystem als Kompass funktionieren.

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Tierneuroanatomie

In der Tierneuroanatomie geht es um den Aufbau und die Funktion des Nervensystems bei Tieren. Das Verstehen dieser Systeme ist entscheidend, um das Verhalten und die Reaktionen von Tieren besser einschätzen zu können.

Wichtige Strukturen

Die Tierneuroanatomie umfasst mehrere entscheidende Strukturen, die für die Funktionalität des Nervensystems wichtig sind:

• Gehirn: Das zentrale Steuerungsorgan, verantwortlich für die Verarbeitung von Informationen und Steuerung von Körperfunktionen.
• Rückenmark: Ein langer Strang von Nervengewebe, der als Übertragungsweg für Nachrichten zwischen Gehirn und Körper dient.
• Periphere Nerven: Diese Nerven erweitern das ZNS, um mit dem Körper zu kommunizieren.
• Zentrales Nervensystem (ZNS): Beinhaltet das Gehirn und das Rückenmark, das die Hauptaufgaben für Verarbeitung und Kontrolle übernimmt.

Vergleich von Tierneuroanatomie und menschlicher Neuroanatomie

Zwischen der Tierneuroanatomie und der menschlichen Neuroanatomie gibt es signifikante Ähnlichkeiten und Unterschiede. Strukturen wie das ZNS existieren in beiden. Die Gehirngröße im Verhältnis zum Körpergewicht variiert stark. Grundlegende neuronale Mechanismen sind gleich. Menschliche Gehirne haben komplexere Faltungen. Sinneswahrnehmung wird in beiden von speziellen Rezeptoren gesteuert. Tiere besitzen häufig spezifische Anpassungen, wie z.B. die Echoortung bei Fledermäusen.

Aufbau des Tiernervensystems

Der Aufbau des Nervensystems variiert erheblich zwischen verschiedenen Tierarten. Dennoch gibt es einige gemeinsame Strukturen:

• Gehirn: Die Schaltzentrale, die verschiedene sensorische Informationen interpretiert und auf sie reagiert.
• Rückenmark: Eine Verbindung zwischen dem Gehirn und dem restlichen Körper, die schnelle Reaktionen ermöglicht.
• Periphere Nerven: Diese Nerven erstrecken sich von Gehirn und Rückenmark zu den Extremitäten und Organen.

Funktionelle Komponenten

Die Hauptfunktionen umfassen Sensorik, Motorik und Homöostase. Durch die Koordination dieser Funktionen können Tiere Überlebenstechniken entwickeln und sich erfolgreich anpassen.

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Nervenkommunikation bei Tieren

Tierische Nervensysteme arbeiten durch ein Netzwerk von Neuronen, die elektrische Signale weiterleiten. Die Kommunikation erfolgt auf mehreren Ebenen: Sensory Input, Signalverarbeitung und motorischer Output. Diese Schritte ermöglichen eine präzise und schnelle Reaktion auf die sich ständig ändernden Bedingungen in der Umgebung.

Rolle im tierischen Verhalten

Die Nervenkommunikation spielt eine wesentliche Rolle im tierischen Verhalten und ist für komplexe Interaktionen verantwortlich. Wichtige Funktionen umfassen soziales Verhalten, Verteidigung und Angriff sowie Nahrungsverhalten.

Nervensysteme bei verschiedenen Tiergruppen

Nervensysteme können unterschiedlich komplex sein.

Nervennetz

Der einfachste Typ eines Nervensystems ist das Nervennetz. Es gibt kein „Oberzentrum" zur Koordination, wohl gibt es aber Anhäufungen von Nervenzellen (z.B. im Schlundbereich).

Strickleiternervensystem

Wie in einer Strickleiter sind die Holme (Konnektive) mit Sprossen (Kommissuren) verbunden. Man findet das Strickleiternervensystem in der Regel auf der Bauchseite (ventral), es wird daher als Bauchmark bezeichnet. Im Kopfbereich kommt es zur Verschmelzung von mehreren Ganglien zu einer Art Zentralisierung. Dieses sogenannte kann mit einer Art Gehirn gleichgesetzt werden (Gliederfüßler und Bärtierchen). Sehr effiziente Strickleiternervensysteme findet man bei Arthropoden wie z. B. Insekten oder Spinnentieren.

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Vegetatives Nervensystem (VNS)

Das vegetative Nervensystem (VNS) wird aus Sympathicus, Parasympathicus und dem Darmnervensystem gebildet. Das VNS steuert die inneren Organe, die für die Nährstoff- und Sauerstoffversorgung sowie für die Abfallentsorgung zuständig sind. Dabei arbeitet es autonom, also willkürlich, und ist nicht aktiv zu kontrollieren. Sympathicus und Parasympathicus wirken bei der Regulation vieler Prozesse antagonistisch, also gegeneinander. Während der Parasympathicus der Regeneration dient, ist der Sympathicus bei körperlicher Ertüchtigung besonders aktiv. Außerhalb des Tag-Nacht-Rhythmus wird der Sympathicus in Alarmsituationen aktiv, es kommt zur Ausschüttung von Stresshormonen (Adrenalin und Noradrenalin), die Herzschlagfrequenz wird beschleunigt, ebenso die Atemfrequenz, die Leber erhöht die Glucosefreisetzung, die Pupillen weiten sich. Für den Zustand höchster Leistungsfähigkeit werden dagegen Systeme gehemmt, die die Leistungsfähigkeit nicht steigern: Die Speichelproduktion wird gehemmt, ebenso wie Magen oder Bauchspeicheldrüse. Der Parasympathicus dient der Regeneration, der Erhaltung und dem Aufbau von Energie.

Neuron

Die Grundbausteine eines jeden Nervensystems, egal ob bei Tieren oder Menschen, ist die Nervenzelle oder das Neuron. "Neuron" ist der Fachbegriff für "Nervenzelle". Unter dem Soma versteht man den eigentlichen Zellkörper der Nervenzelle. Von diesem Zellkörper gehen nun viele mehr oder weniger dicke Fortsätze oder Auswüchse aus. Die kleinen, stark verzweigten Fortsätze werden als Dendriten bezeichnet (vom griechischen dendron = Baum). Der teils sehr lange und etwas dünnere Fortsatz wird Axon genannt, in älteren Büchern auch Neurit. Am Ende kann sich das Axon zu sogenannten Kollateralen verzweigen, deren Enden dann synaptische Endknöpfchen (auch synaptische Endigungen genannt) bilden. Das Soma (Perikaryon, Zellkörper) eines Neurons enthält den Zellkern, der von dem rauen ER umgeben ist, sehr viele Mitochondrien, dem Golgi-Apparat und alle anderen wichtigen Bestandteile einer jeden Zelle. Die vielen Mitochondrien sind für die für die Energieversorgung der Nervenzelle zuständig. Schließlich muss eine Nervenzelle "Schwerstarbeit" leisten, wie wir später noch sehen werden, und dafür wird viel Energie in Form von ATP benötigt, die ja von den Mitochondrien zur Verfügung gestellt wird. Raues ER und Golgi-Apparat sind ebenfalls sehr ausgeprägt, was auf eine sehr intensive Proteinbiosynthese deutet. Die Dendriten sind stark verästelte Ausläufer des Somas. Ihre Aufgabe ist die Informationsaufnahme. Die Dendriten sind die feinen baumartigen Verästelungen, die teils direkt vom Soma ausgehen (basale Dendriten), teils aus anderen Dendriten weiter entfernt vom Soma abzweigen (apikale Dendriten). Die Dendriten bilden Synapsen mit anderen vorgeschalteten Zellen aus, entweder mit Nervenzellen oder mit Sinneszellen (die ja auch zu den Nervenzellen gehören, aber auf die Wahrnehmung von Reizen spezialisiert sind). Eine einzelne Nervenzelle kann über ihre Dendriten mit über 1.000 anderen Nervenzellen verbunden sein und Informationen von diesen Zellen empfangen und verarbeiten. Der Axonhügel ist das Übergangsstück zwischen dem Soma und dem Axon. Der Axonhügel spielt eine wichtige Rolle bei der Informationsverarbeiter der Nervenzelle. Der "hintere" Teil der Nervenzelle besteht aus dem sehr langen, am Ende oft verzweigten Axon. Das Axon einer Nervenzelle kann bis zu 1 m lang sein. Oft sind die Axone von einer isolierenden Hülle umgeben, der Myelinscheide. Diese besteht aus einzelnen SCHWANNschen Zellen, die sich um das Axon wickeln und nur kurze Bereiche frei lassen, die RANVIERschen Schnürringe. Am Ende eines Axons bzw. Die Aufgabe des langen Axons ist die Informationsweiterleitung. Die Myelinscheide ist nicht nur ein mechanischer Schutz für das Axon sowie eine elektrische Isolierung, sondern hat vielfältigere Aufgaben. Nervenzellen, deren Axon von einer solchen Myelinscheide umgeben ist, werden auch als markhaltige Nervenzellen oder markhaltige Nervenfasern bezeichnet. Die Verbindungsstellen zwischen zwei Nervenzellen heißen Synapsen. Eine typische Synapse besteht aus dem synaptischen Endknöpfchen einer Nervenzelle, die an die Membran einer zweiten Nervenzelle, einer Muskelzelle oder einer Drüsenzelle angelagert ist. Zwischen der präsynaptischen Membran und der postsynaptischen Membran befindet sich der synaptische Spalt. Das synaptische Endknöpfchen ist gefüllt mit den synaptischen Vesikeln, das sind kleine membranumgebene Bläschen, die Neurotransmittern enthalten. Neurotransmitter sind chemische Substanzen, die in den synaptischen Spalt entlassen werden können und dann mit Proteinen der postsynaptischen Membran reagieren.

Entwicklung des Nervensystems im Tierreich

Hohltiere

Den einfachsten Typ eines NS findet man innerhalb der Hohltiere bei den Nesseltieren (Cnidarien). Sie besitzen ein diffuses (zerstreutes), netzartiges System von Nervenzellen, welches an der äußeren Zellschicht über den gesamten Körper verteilt ist. Die Informationsübertragung zwischen den Neuronen erfolgt an Synapsen - den Endstellen der langen Zellausläufer. Die Informationsleitung findet an diesen Synapsen solcher Nervennetze in beide Richtungen statt. Dadurch bedingt kann sich in so einem Netzwerk von jedem beliebigen Punkt aus Erregung gleichmäßig in alle Richtungen ausbreiten (Beispiel: Wird ein Süßwasserpolyp an einer beliebigen Körperstelle durch Licht, Wasserbewegung, Berührung etc. gereizt, so wird die Information im gesamten Nervennetz weitergeleitet und löst eine Antwortreaktion des gesamten Körpers aus.). Eine zentrale neuronale Verarbeitungsstelle existiert in diesem Nervennetz nicht, weshalb nur eine geringe oder keine zentrale Steuerung des Organismus möglich ist. Bei Quallen (Medusen) liegt bereits eine Konzentration von Nervenzellen in Form von Ringen im Schirmrand vor. Durch diese Nervenringe werden die Informationen zur Koordination des Körpers übertragen. Radial (strahlenförmig) von den Nervenringen weg führen Nervenstränge zu den Sinnesorganen und häufig kommt es an der Basis eines jeden Sinnesorgans zur Ganglionbildung.

Stachelhäuter

Seesterne (Asteroidea) gehören zu den Stachelhäutern, deren Nervensystem Ähnlichkeiten mit dem System der Quallen aufweist. Seesterne besitzen beispielsweise einen zentralen Nervenring um die Mundscheibe. Von diesem Ring ziehen radiäre Nervenstränge in die Arme. Seesterne besitzen ein radiärsymmetrisches NS.

Plattwürmer

Eine zunehmende Cephalisation findet man bei den Plattwürmern (Plathelminthes). Zu den Plattwürmern gehören Strudelwürmer, Saugwürmer und Bandwürmer. Das NS der niederen Strudelwürmer besteht aus einem diffusen Nervennetz ohne Stränge und Längsverdickungen, aber mit Verstärkungen im vorderen Körperende. Bei höheren Strudelwürmern kommt es zur Zentralisation des NS. Assoziations- und motorische Zellen vereinigen sich zu Längssträngen (Konnektiven), die durch Querstränge (Kommissuren) miteinander verbunden sind. Plattwürmer haben also bereits ein kleines Gehirn ausgebildet, von dem aus die Markstränge durch den Körper ziehen. Das PNS besteht aus einem Strickleiternetz. Das ZNS der Plattwürmer besteht aus dem kleinen Gehirn (Cerebralganglion) und insgesamt acht Marksträngen, welche längs durch den Körper ziehen. Die Markstränge sind quer durch Kommissuren miteinander verbunden. Das Gehirn am Kopfende versorgt vor allem die Lichtsinnesorgane (Augen) und ermöglicht so eine Hell-Dunkel-Unterscheidung und eine gerichtete Fortbewegung.

Schlauchwürmer

Typisch für Schlauchwürmer (Rund- und Fadenwürmer, Rädertiere u.a.) ist ein relativ niedriger Cephalisationsgrad: Im Bereich des Vorderendes besteht das NS lediglich aus einem Schlundring, über den die Nervenzellen zerstreut verteilt sind.

Ringelwürmer

Das NS der Ringelwürmer (Annelida) lässt sich schematisch aus dem der Plattwürmer herleiten. So gesehen erfolgte eine Verstärkung der beiden Bauchstränge und eine Reduktion der übrigen 6 Markstränge. Durch die Zusammenfassung der Nervenzellen in den einzelnen Segmentabschnitten der Ringelwürmer kommt es zur Ausbildung eines typischen Strickleiternervensystems. In diesem sind die pro Körpersegment zu Nervenknoten verschmolzenen 2 Bauchmarkganglien durch Kommissuren miteinander und durch Konnektive mit benachbarten Ganglien verbunden (Bauchmark). Das Gehirn befindet sich ebenfalls in der Kopfregion des Organismus. In jedem Körpersegment ist in der Regel ein Ganglienpaar ausgebildet. Den Ringelwürmern und allen Gliederfüßern fehlt ein diffuses Hautnervengeflecht.

Weichtiere

Zu den Weichtieren (Mollusken) gehören u. a. Schnecken, Muscheln und Tintenfische (Kopffüßer, Cephalopoda). Die Entwicklung der Nervensysteme in diesem Tierstamm reicht von sehr einfach (Polyplacophora) bis hoch entwickelt (Cephalopoda mit starker Cephalisation und hoch entwickelten Sinnesorganen). Viele Mollusken besitzen ein Zentralnervensystem aus paarigen Ganglien, welche in verschiedenen Körperteilen lokalisiert und durch Kommissuren oder Konnektive miteinander verbunden sind. Meist verlaufen vier Stränge durch den Organismus. Ursprünglich sind bei den Mollusken fünf Hauptganglienpaare vorhanden: Cerebralganglien, die v. a. Den höchsten Grad der Gehirnbildung in dieser Gruppe haben die Cephalopoden erreicht. Die sensorischen Zentren sind im Cerebralganglion lokalisiert. Die übrigen Ganglienpaare haben sich zu einem Unterschlundganglion zusammengeschlossen und enthalten die motorischen Zentren. Die Verbindungen zwischen den Ganglienpaaren sind zugunsten der Verschmelzung stark reduziert. Diese Organisation entspricht einem hoch entwickelten Gehirn und zeichnet sich zusätzlich durch Riesen-Axone (Axon = Nervenzellbahn) aus. Am Kopf befinden sich leistungsfähige Augen mit Linsen, welche von innen durch Knorpelgewebe umschlossen und geschützt werden. Beispielsweise gehören Kraken zu den intelligentesten wirbellosen Tieren. Sie sind in der Lage, gezielt Gegenstände aus verschlossenen Gläsern mit Schraubverschluss herauszuholen. Damit gelten sie als intelligenter als z. B. Reptilien. Aufgrund ihrer Riesen-Nervenzellen und -bahnen sind Kopffüßer und auch Schnecken wichtige Untersuchungsmodelle für die neurobiologische Forschung. Zum Beispiel wurden grundlegende Erkenntnisse über den Mechanismus der Entstehung eines Aktionspotenzials (AP) an den Riesen-Axonen des Tintenfischs gewonnen. Besonders wichtig war die Aufklärung der Grundlagen der Nervenleitung an Riesen-Nervenfasern von Kalmaren. Schnecken werden häufig für Untersuchungen zur Regeneration von Neuronen, der Funktion von Neurotransmittern sowie der Erforschung der Mechanismen des Lernens und Gedächtnisses eingesetzt. So besitzt die marin lebende Schnecke Aplysia sehr große Neuronen, die sich experimentell leicht manipulieren lassen. Das gesamte NS dieser Schnecke besteht aus ca. 20 000 Neuronen.

Gliederfüßer

Das Zentralnervensystem der Gliederfüßer ähnelt in der Grundkonstruktion dem Bauchmark der Ringelwürmer. Jedoch sind entsprechend den hoch entwickelten Sinnesleistungen und dem komplexen Verhaltensrepertoire übergeordnete Strukturen stärker ausgebildet. D. h. außer dem Gehirn (Verschmelzung von Ganglien im Kopfbereich) sind häufig auch die Ganglien des Brustabschnitts und des Hinterleibs zu großen Nervenknoten verschmolzen. Das typische Strickleiternervensystemmuster „ein Segment - ein Ganglienpaar“ kommt dadurch bei adulten Tieren nur selten zur Ausprägung. Es ergibt sich eher das Schema einer unpaaren Kette. Das Nervensystem besteht aus einem Gehirn, den Schlundkonnektiven (Längssträngen) und den ventralen Strängen (Strickleiternervensystem). Bei vielen Insekten kommt es durch das Zusammenschließen vieler einzelner Nervenpunkte zu mehreren größeren Knoten zur Tendenz einer Dezentralisierung. Dies äußert sich in dem relativ unabhängigen und eigenständigen Agieren der Brustganglien und des Gehirns im Kopfbereich. Eine Erklärung dafür ist die Steuerung der am Bruststück befestigten vielfältigen Lokomotionsorgane (3 Bein- und 2 Flügelpaare). Des Weiteren sind die Lokomotionsorgane noch mit zahlreichen Sinnesorganen ausgestattet, die bei anderen Tieren der Kopfregion angehören. Somit erscheint eine separate Kontrolle dieser Körperregion sinnvoll.

Wirbeltiere

Das NS der Wirbeltiere zeichnet sich durch die Verlagerung der nervösen Zentralorgane in das Körperinnere (Internation) und durch die Zentralisierung vieler Neuronengruppen zu einem Zentralorgan aus. Bei Wirbeltieren kommt es zu einer zunehmenden Zentralisierung in Form einer Schaltzentrale: das Gehirn. Es fungiert als übergeordnetes System und Verarbeitungsstelle. Das Rückenmark arbeitet dabei als Leitbahn und enthält Reflexbögen und Verschaltungen.

Das Gehirn der Wirbeltiere

Das Gehirn ist Teil des Zentralen Nervensystems. Es ermöglicht uns Menschen komplexe Denkprozesse und ist an der Steuerung der meisten Funktionen unseres Körper beteiligt. Sinneseindrücke werden bei Tier und Mensch im Gehirn interpretiert und fast gleichzeitig die Entscheidung zur Reaktion getroffen. Unser Gedächtnis ist die Fähigkeit unseres Nervensystems, aufgenommene Informationen und Eindrücke zu kodieren, zu speichern und abzurufen. All diese Funktionen des Gehirns, sind in verschiedenen Hirnregionen verortet. Das Nachhirn ist das Reflexzentrum unseres Körpers. Es steuert unter anderem die Atmung, den Blutdruck und den Kreislauf. Das Kleinhirn, das sich nach hinten auswölbt, koordiniert sämtliche Bewegungsabläufe und steht mit dem Gleichgewichtsorgan in Verbindung. Das Mittelhirn ist eine Zentralstelle für viele Reflexe und ermöglichen unter anderem die Bewegungen unserer Augen, die Adaption und Akkomodation. Im Zwischenhirn befindet sich die Schaltstation der Nerven, die aus dem Körper zum Gehirn und vom Gehirn in den Körper führen. Es reguliert die Körpertemperatur, sowie verschiedene Gefühle wie Hunger, Durst oder Aggression. Das Großhirn ist der größte der fünf Hirnabschnitte.

Das Rückenmark der Wirbeltiere

Das Rückenmark liegt im Wirbelkanal der Wirbelsäule und ist des Zentralnervensystems. Durch Nervenfasern steht das Rückenmark mit allen Teilen des Körpers und mit dem Gehirn in Verbindung. Es leitet nicht nur Signale weiter, sondern interpretiert auch Reize. So werden Reflexe wie der Kniesehnenreflex direkt im Rückenmark ausgelöst, um eine schnellere Reaktion zu ermöglichen. Der Aufbau des Rückenmarks unterteilt sich in die graue und die weiße Substanz. Um diese Unterscheidung zu verstehen, muss man wissen, dass Nervenzellen aus einem Zellkörper und einem stark verlängerten Abschnitt, dem Axon, bestehen. Die graue Substanz im Inneren des Rückenmarks enthält nämlich hauptsächlich die Nervenkörper, in denen Signale entstehen. Weitergeleitet werden die Signale über die Axons.

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