Nervenzelle der Wirbeltiere: Aufbau und Funktion

Nervenzellen, auch Neuronen genannt, bilden die Grundlage des Nervensystems der Wirbeltiere. Sie sind hochspezialisierte Zellen, die für die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Reizen aus der Umwelt verantwortlich sind. Diese Reize werden in elektrische Signale umgewandelt und über ein komplexes Netzwerk von Nervenzellen an verschiedene Stellen im Körper weitergeleitet.

Das Nervensystem: Eine Hierarchie der Steuerung

Das Nervensystem der Wirbeltiere ist hierarchisch aufgebaut und lässt sich in drei Hauptkomponenten unterteilen:

1. Zentralnervensystem (ZNS): Es besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark. Hier findet die zentrale Verarbeitung der einlaufenden sensorischen Reize statt. Das ZNS ist der Sitz willkürlicher Entscheidungen, wie z.B. der willkürlichen Motorik.
2. Peripheres Nervensystem (PNS): Es kann als eine Art "Filiale" des ZNS betrachtet werden. Es besteht aus sensorischen Nerven, die Sinneseindrücke zum ZNS leiten (Afferenz), und motorischen Nerven, die Impulse vom ZNS zu den Erfolgsorganen übertragen (Efferenz).
3. Vegetatives Nervensystem (VNS): Es steuert unwillkürliche Körperfunktionen wie Atmung, Verdauung und Herzschlag. Es besteht hauptsächlich aus den Nerven Sympathikus und Parasympathikus, die die inneren Organe steuern.

Funktionell bilden ZNS und PNS eine Einheit.

Aufbau einer Nervenzelle

Eine typische Nervenzelle besteht aus den folgenden Hauptbestandteilen:

• Zellkörper (Soma): Der Zellkörper enthält den Zellkern und andere Organellen, die für die Funktion der Zelle notwendig sind.
• Dendriten: Das sind die verzweigten Fortsätze des Zellkörpers, die Signale von anderen Nervenzellen oder Sinneszellen empfangen und zum Zellkörper weiterleiten. Sie bilden die Antennenregion der Nervenzelle.
• Axonhügel: Der Axonhügel ist der Übergangsbereich zwischen dem Zellkörper und dem Axon. Hier werden die eingehenden Signale verrechnet und summiert. Wenn ein bestimmter Schwellenwert überschritten wird, wird ein Aktionspotential ausgelöst.
• Axon (Neurit): Das Axon ist ein langer, dünner Fortsatz, der Aktionspotentiale vom Zellkörper weg zu anderen Nervenzellen oder zu Muskelzellen leitet. Es wird oft als "Kabel" bezeichnet.
• Myelinscheide: Bei vielen Nervenzellen ist das Axon von einer isolierenden Schicht, der Myelinscheide, umgeben. Diese wird von Gliazellen (im ZNS Oligodendrozyten, im PNS Schwann-Zellen) gebildet. Die Myelinscheide ermöglicht eine schnellere und effizientere Weiterleitung der elektrischen Signale.
• Ranviersche Schnürringe: Die Myelinscheide ist nicht durchgängig, sondern wird in regelmäßigen Abständen von unbedeckten Bereichen unterbrochen, den Ranvierschen Schnürringen. An diesen Stellen kann das Aktionspotential "springen", was die Leitungsgeschwindigkeit erhöht (saltatorische Erregungsleitung).
• Synaptische Endknöpfchen: Am Ende des Axons befinden sich die synaptischen Endknöpfchen. Hier wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt und an die nächste Zelle übertragen.

Die Funktion der Nervenzelle: Reizweiterleitung und Informationsverarbeitung

Die Hauptaufgabe der Nervenzelle ist die Reizweiterleitung und Informationsverarbeitung. Dieser Prozess lässt sich in mehrere Schritte unterteilen:

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1. Reizaufnahme: Dendriten empfangen Reize von anderen Nervenzellen oder Sinneszellen.
2. Signalverrechnung: Die empfangenen Signale werden am Axonhügel verrechnet.
3. Aktionspotentialauslösung: Wenn die Summe der Signale einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotential ausgelöst.
4. Signalweiterleitung: Das Aktionspotential wird entlang des Axons weitergeleitet. Bei myelinisierten Axonen erfolgt die Weiterleitung saltatorisch, d.h. von Schnürring zu Schnürring.
5. Signalübertragung an der Synapse: An den synaptischen Endknöpfchen wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Dazu werden Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt.
6. Rezeptorbindung: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der Membran der Zielzelle (z.B. einer anderen Nervenzelle oder einer Muskelzelle).
7. Auslösung eines neuen Signals: Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren löst in der Zielzelle ein neues elektrisches Signal aus (z.B. ein erregendes oder hemmendes postsynaptisches Potential).

Die Synapse: Schaltstelle der Informationsübertragung

Die Synapse ist die Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und einer anderen Zelle (z.B. einer Muskelzelle). An der Synapse wird das Signal von der sendenden (präsynaptischen) Zelle auf die empfangende (postsynaptischen) Zelle übertragen.

Die synaptische Übertragung erfolgt in der Regel chemisch:

1. Aktionspotential erreicht das Axonende: Wenn ein Aktionspotential das Axonende der präsynaptischen Zelle erreicht, öffnen sich spannungsabhängige Calciumkanäle.
2. Calciumionen Einstrom: Calciumionen strömen in das Axonende ein.
3. Vesikelverschmelzung: Der Calciumionen Einstrom löst die Verschmelzung von synaptischen Vesikeln mit der präsynaptischen Membran aus. Die Vesikel enthalten Neurotransmitter.
4. Neurotransmitter Freisetzung: Durch die Vesikelverschmelzung werden die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt.
5. Diffusion und Bindung: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
6. Ionenkanalöffnung: Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren führt zur Öffnung von Ionenkanälen in der postsynaptischen Membran.
7. ** postsynaptisches Potential Entstehung:** Durch den Ionenstrom ändert sich das Membranpotential der postsynaptischen Zelle. Es entsteht ein erregendes (EPSP) oder hemmendes (IPSP) postsynaptisches Potential.
8. Signalverarbeitung: Das postsynaptische Potential breitet sich zum Axonhügel der postsynaptischen Zelle aus. Dort wird es mit anderen postsynaptischen Potentialen verrechnet. Wenn der Schwellenwert überschritten wird, wird ein neues Aktionspotential ausgelöst.
9. Neurotransmitter Entfernung: Um die Signalübertragung zu beenden, müssen die Neurotransmitter aus dem synaptischen Spalt entfernt werden. Dies geschieht durch:
   • Wiederaufnahme: Die Neurotransmitter werden von der präsynaptischen Zelle wieder aufgenommen.
   • Enzymatischen Abbau: Die Neurotransmitter werden durch Enzyme im synaptischen Spalt abgebaut.
   • Diffusion: Die Neurotransmitter diffundieren aus dem synaptischen Spalt.

Die Funktionsweise der synaptischen Vesikel auf molekularer Ebene zu verstehen, ist eine aufwendige Arbeit. So stellte sich heraus, dass ein biologisches Transportvesikel in seiner Struktur viel stärker durch Proteine bestimmt wird als zuvor angenommen: Wenn man von außen auf das Vesikelmodell schaut, kann man die Lipidmembran (gelb) vor lauter Proteinen kaum erkennen, und dabei sind im Modell nur ca. Um zu verstehen, wie diese Zusammenlagerung die Verschmelzung der Membranen bewirkt, wurden die SNARE-Proteine in künstliche Membranen eingebaut, an denen man die Fusion mit hochauflösenden Methoden, darunter der Kryo-Elektronenmikroskopie, untersuchen konnte. Dabei wurden erstmalig Zwischenstufen der Fusionsreaktion identifiziert. Fortschritte sind ebenfalls bei der Frage erzielt worden, wie die einströmenden Calcium-Ionen die Fusionsmaschine aktivieren. Trotz großer Fortschritte sind die komplexen molekularen Prozesse immer noch nicht vollständig verstanden: Umso erstaunlicher ist es, wie reibungslos Nervenzellen miteinander kommunizieren, wie effektiv die Fusionsmaschinerie in der Synapse funktioniert, bei jeder unserer Bewegungen, in unserem Fühlen und Denken. Deshalb forschen Wissenschaftler auf der ganzen Welt weiterhin daran, diese Prozesse noch besser zu verstehen.

Ruhepotential und Aktionspotential: Die elektrischen Grundlagen der Reizweiterleitung

Nervenzellen sind in der Lage, elektrische Signale zu erzeugen und weiterzuleiten. Diese Fähigkeit beruht auf dem Vorhandensein eines Ruhepotentials und der Auslösung von Aktionspotentialen.

Ruhepotential

Das Ruhepotential ist die elektrische Spannung, die an der Zellmembran einer Nervenzelle herrscht, wenn sie sich nicht aktiv an der Signalübertragung beteiligt. Im Ruhezustand ist die Membran einer Nervenzelle im Wesentlichen nur für K+ Ionen permeabel. Es wird durch die unterschiedliche Verteilung von Ionen (hauptsächlich Natrium-, Kalium- und Chloridionen) innerhalb und außerhalb der Zelle aufrechterhalten. Die Innenseite der Zelle ist im Vergleich zur Außenseite negativ geladen. Das Ruhepotential beträgt typischerweise etwa -70 mV. K+Ionenkanäle sind dafür verantwortlich, die ständig geöffnet sind. K+Ionen folgen Konzentrationsgradienten und diffundieren nach außen. An der Außenseite entsteht ein Überschuss positiver Ladungen entgegensteht und diesen verhindert. Es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein. Sind beide Kräfte gleich groß, ergibt sich die Nernst´sche Gleichung: V = RT/zF (ln …). Wobei R die Gaskonstante, T die Temperatur (°K), z.B. Wertigkeit des Ions und F die Faraday-Konstante ist.

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Die Nernst-Gleichung erlaubt es, das Gleichgewichtspotential für ein einzelnes Ion zu berechnen. Um das Ruhepotential der Zelle zu berechnen, muss man die Beiträge aller permeablen Ionen berücksichtigen. Dies geschieht mit Hilfe der Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung, die die Permeabilität der Membran für die jeweilige Ionenart gewichtet.

Aktionspotential

Das Aktionspotential ist eine kurzzeitige Änderung des Membranpotentials, die auftritt, wenn eine Nervenzelle durch einen Reiz ausreichend depolarisiert wird. Es ist die Grundlage für die schnelle und weite Signalübertragung in Nervenzellen.

Der Ablauf eines Aktionspotentials lässt sich in folgende Phasen unterteilen:

1. Depolarisation: Durch einen Reiz wird die Membran depolarisiert, d.h. das Membranpotential wird positiver. Wenn das Membranpotential einen Schwellenwert überschreitet (ca. -55 mV), öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle.
2. Aufstrich: Natriumionen strömen in die Zelle ein, wodurch das Membranpotential sehr schnell bis auf etwa +30 mV ansteigt.
3. Repolarisation: Die Natriumkanäle schließen sich wieder, und spannungsabhängige Kaliumkanäle öffnen sich. Kaliumionen strömen aus der Zelle aus, wodurch das Membranpotential wieder sinkt.
4. Hyperpolarisation: Das Membranpotential sinkt kurzzeitig unter das Ruhepotential ab, da die Kaliumkanäle etwas verzögert schließen.
5. Wiederherstellung des Ruhepotentials: Das Membranpotential kehrt zum Ruhepotential zurück, indem die Ionenkonzentrationen durch die Natrium-Kalium-Pumpe wiederhergestellt werden.

Während des Aktionspotentials ist die Nervenzelle für kurze Zeit nicht erregbar (Refraktärzeit). Dies verhindert, dass sich das Aktionspotential in die falsche Richtung ausbreitet.

Die Leitungsgeschwindigkeit eines Axons hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter der Durchmesser des Axons und das Vorhandensein einer Myelinscheide. Myelinisierte Axone leiten Aktionspotentiale deutlich schneller als nicht-myelinisierte Axone (saltatorische Erregungsleitung). Die Erhöhung des spezifischen Widerstandes (durch Myelin) vergrößert die Längenkonstante.

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Vielfalt der Nervenzellen: Unterschiede in Struktur und Funktion

Es gibt eine große Vielfalt an Nervenzellen, die sich in ihrer Struktur und Funktion unterscheiden. Einige wichtige Unterscheidungsmerkmale sind:

• Anzahl der Fortsätze:
  • Unipolare Nervenzellen: Haben nur einen Fortsatz (Axon) und keine Dendriten.
  • Bipolare Nervenzellen: Haben ein Axon und einen Dendriten.
  • Multipolare Nervenzellen: Haben ein Axon und viele Dendriten. Dies ist der häufigste Typ von Nervenzellen.
• Funktion:
  • Sensorische Nervenzellen (afferente Neuronen): Leiten Signale von Sinnesorganen zum ZNS.
  • Motorische Nervenzellen (efferente Neuronen): Leiten Signale vom ZNS zu Muskeln oder Drüsen.
  • Interneuronen (Schaltneuronen): Vermitteln Signale zwischen anderen Nervenzellen im ZNS.
• Neurotransmitter: Nervenzellen können unterschiedliche Neurotransmitter verwenden, um Signale zu übertragen. Einige der wichtigsten Neurotransmitter sind Acetylcholin, Glutamat, GABA, Dopamin und Serotonin.

Nervensysteme im Vergleich: Wirbellose vs. Wirbeltiere

Die Nervensysteme von Wirbellosen und Wirbeltieren zeigen einige Gemeinsamkeiten, aber auch deutliche Unterschiede.

Gemeinsamkeiten:

• Beide Gruppen verwenden Nervenzellen zur Reizweiterleitung und Informationsverarbeitung.
• Beide Gruppen nutzen elektrische und chemische Signale zur Kommunikation zwischen Nervenzellen.
• In beiden Gruppen gibt es eine Tendenz zur Zentralisierung des Nervensystems.

Unterschiede:

• Aufbau des Nervensystems:
  • Wirbellose haben oft einfachere Nervensysteme, wie z.B. Nervennetze (Nesseltiere) oder Strickleiternervensysteme (Gliederfüßer, Ringelwürmer).
  • Wirbeltiere haben ein komplexes Nervensystem mit einem zentralen Gehirn und Rückenmark.
• Myelinisierung: Myelinisierte Nervenfasern kommen nur bei Wirbeltieren vor.
• Zentralisierung: Bei Wirbeltieren ist die Zentralisierung des Nervensystems stärker ausgeprägt als bei den meisten Wirbellosen. Das Gehirn fungiert als übergeordnetes System und Verarbeitungsstelle.
• Komplexität des Verhaltens: Wirbeltiere zeigen oft komplexere Verhaltensweisen als Wirbellose.

Das Gehirn: Die Schaltzentrale des Nervensystems

Das Gehirn ist die oberste Schaltzentrale im Nervensystem der Wirbeltiere. Es ist für die Steuerung aller wichtigen Körperfunktionen, die Verarbeitung von Informationen und die Generierung von Verhalten verantwortlich. Das Gehirn des Menschen wiegt durchschnittlich etwa 1330 g und benötigt täglich etwa 20% des gesamten Energiebedarfs des Körpers.

Das Gehirn lässt sich in verschiedene Bereiche unterteilen, die jeweils spezifische Aufgaben erfüllen:

• Großhirn (Cerebrum): Ist für höhere kognitive Funktionen wie Denken, Sprache, Gedächtnis und Bewusstsein verantwortlich.
• Zwischenhirn (Diencephalon): Enthält wichtige Steuerzentren für den Stoffwechsel, das Hormonsystem und die Schlaf-Wach-Regulation.
• Mittelhirn (Mesencephalon): Ist an der Steuerung von Augenbewegungen, Reflexen und der Schmerzwahrnehmung beteiligt.
• Kleinhirn (Cerebellum): Ist für die Koordination von Bewegungen und das Gleichgewicht zuständig.
• Hirnstamm: Verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark und enthält wichtige Steuerzentren für Atmung, Herzschlag und Blutdruck.

Nervenzellen und Verhalten: Ein komplexes Zusammenspiel

Das Verhalten eines Tieres wird durch das Zusammenspiel von Nervenzellen, Muskeln und Sinnesorganen gesteuert. Nervenzellen empfangen Informationen aus der Umwelt, verarbeiten diese und leiten sie an Muskeln weiter, die dann eine entsprechende Reaktion auslösen. Das Nervensystem ermöglicht es Tieren, sich an ihre Umwelt anzupassen und auf Veränderungen zu reagieren.

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