Das Nervenzellenmodell: Eine einfache Erklärung für Schüler

Das Nervensystem ermöglicht es uns, schnell auf Reize zu reagieren. Es empfängt, verarbeitet und speichert Informationen. Eine zentrale Rolle spielen dabei die Nervenzellen, auch Neuronen genannt. Sie sind die Bausteine unseres Nervensystems und ermöglichen die Reizweiterleitung im Körper. Dieser Artikel erklärt auf einfache Weise den Aufbau und die Funktion von Nervenzellen, angepasst an das Verständnis von Schülern.

Was ist eine Nervenzelle?

Unser Körper besteht aus vielen verschiedenen Zellen mit spezifischen Aufgaben. Nervenzellen unterscheiden sich von anderen Zellen hauptsächlich durch ihren Aufbau und ihre Funktion. Sie sind spezialisiert auf die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Reizen aus der Umwelt. Um diese Funktion zu erfüllen, sind viele Nervenzellen zu großen Netzwerken verbunden. Allein in unserem Gehirn befinden sich bis zu 100 Milliarden Nervenzellen. Die Nervenzelle (Neuron) ist der fundamentale Baustein unseres Nervensystems.

Der Aufbau einer Nervenzelle

Der Neuron-Aufbau gliedert sich in mehrere wichtige Bestandteile:

• Soma (Zellkörper): Das Soma enthält den Zellkern und Mitochondrien. Der Zellkern steuert alle Stoffwechselprozesse und das Zellwachstum.
• Dendriten: Die Dendriten sind Fortsätze des Somas, die wie kleine Antennen wirken. Sie nehmen Signale von anderen Nervenzellen auf und leiten sie zum Zellkörper weiter. Die Dendriten der Nervenzelle leiten den Reiz zum Zellkörper weiter.
• Axonhügel: Am Übergang zwischen Soma und Axon befindet sich der Axonhügel. Dort werden Informationen bzw. elektrische Signale gesammelt und summiert, bis ein Schwellenwert überschritten ist, der ein sogenanntes Aktionspotential auslöst. Der Axonhügel bildet den Übergang vom Soma zum Axon. Die elektrischen Signale werden hier solange gesammelt und summiert, bis eine bestimmte Schwelle oder ein Schwellenpotential überschritten wird. Erst dann wird ein Signal an das Axon weitergeleitet. Das verhindert, dass unser Körper jedes kleinste Signal weiterleitet.
• Axon (Neurit): Bei einem Axon handelt es sich um einen langen, unverzweigten Fortsatz, der der Weiterleitung der Signale durch den Körper dient. Der lange Fortsatz der Nervenzelle, der aus dem Axonhügel hervorgeht, heißt Axon oder Neurit. Die Aufgabe des Axons ist die Weiterleitung der Aktionspotentiale zu Nerven- oder Muskelzellen.
• Myelinscheide (Markscheide): Bei Wirbeltieren werden die Axone häufig zudem von einer speziellen Form von Gliazellen, den sogenannten Schwannschen Zellen, umgeben. Diese Zellen liegen hintereinander um das jeweilige Axon, sodass es von einer lamellenartigen Hülle umgeben wird: der Markscheide, Myelinscheide oder auch Schwannsche Scheide. Damit die Weiterleitung der elektrischen Signale möglichst schnell und ohne Verluste funktioniert, ist das Axon sozusagen wie ein elektrisches Kabel isoliert. Dazu wird der Fortsatz durch Stütz- oder Hüllzellen umhüllt. (außerhalb von Gehirn und Rückenmark) nennt man sie auch Schwann’sche Zellen. um die Axone. Die Umhüllung ist immer wieder durch freiliegende Axonbereiche unterbrochen.
• Ranviersche Schnürringe: Den nicht-umhüllten Bereich eines Axons nennst du Ranvierschen Schnürring. erhöht wird. Denn die Erregung kann auch von einem Schnürring zum nächsten „springend“ weitergeleitet werden.
• Synaptische Endknöpfchen: Über die synaptischen Endknöpfchen werden chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, freigesetzt. Die synaptischen Endknöpfchen bilden das Ende eines Neurons. Das elektrische Signal wird hier auf die nächste Nervenzelle oder zum Beispiel auf eine Sinnes- oder Muskelzelle übertragen. Dazu wird das elektrische Signal meist in ein chemisches Signal umgewandelt.

Wie funktioniert die Reizweiterleitung?

Du kennst nun den Aufbau und die Funktion der einzelnen Bestandteile einer Nervenzelle. Gehen wir einmal anhand eines Beispiels durch, wie die Nervenzelle in ihrer Funktion der Reizweiterleitung arbeitet.

1. Reizaufnahme: Nehmen wir an, jemand tippt dir von hinten auf die Schulter. Die Dendriten der Nervenzelle leiten den Reiz zum Zellkörper weiter.
2. Signalentstehung: Die Erregung durch das Antippen ist stark genug, dass am Axonhügel ein Aktionspotential entsteht.
3. Signalweiterleitung: Dieses Aktionspotential wird entlang der Axone immer weitergeleitet, ohne an Stärke zu verlieren. Die Erregungsleitung erfolgt blitzschnell und kann eine Höchstgeschwindigkeit von bis zu etwa 150 m/s, also 540 km/h, erreichen.
4. Signalübertragung: Wenn das Aktionspotential die Synapsen erreicht, kommt es zur Ausschüttung der Botenstoffe in den synaptischen Spalt. An der chemischen Synapse wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Dazu setzen die synaptischen Endknöpfchen chemische Moleküle (Neurotransmitter) in den synaptischen Spalt frei. Die Moleküle binden an Rezeptoren auf der anderen Seite des Spalts. Das führt zur Entstehung eines elektrischen Signals in der nächsten Zelle.
5. Weiterleitung zum Gehirn: Es entsteht ein elektrisches Signal in der nächsten Nervenzelle und so geschieht die Reizweiterleitung über miteinander vernetzte Nervenzellen bis in dein Gehirn. Dort wird es verarbeitet und das Gehirn erhält das Signal „Du wurdest berührt“.

Vielleicht hast du schon einmal bemerkt, wie schnell du deine Hand von einer heißen Herdplatte zurückziehst, wenn du sie aus Versehen berührst. Diese schnelle Reaktion wird durch deine Nervenzellen ermöglicht. Die Nervenzellen leiten die Botschaft von deiner Hand über dein Rückenmark zu deinem Gehirn und zurück, um eine Reaktion auszulösen und dich zu schützen.

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Ruhepotential und Aktionspotential

Die Nervenzelle Aufbau und Funktion basiert auf dem Fluid-Mosaik-Modell der Biomembran. Diese besteht aus einer flexiblen Lipiddoppelschicht mit eingelagerten Proteinen. Die Membran fungiert als selektive Barriere und kontrolliert den Ionentransport durch spezielle Kanalproteine.

• Ruhepotential: Das Ruhepotential ist die Grundlage für die Erregbarkeit der Nervenzelle. Es entsteht durch unterschiedliche Ionenkonzentrationen zwischen Innen- und Außenraum der Zelle. Das Ruhepotenzial einer tierischen Nervenzelle beträgt etwa -75 mV. Die Neuron - Aufbau und Funktion basiert auf der selektiven Permeabilität der Zellmembran für Natrium- und Kaliumionen. Im Ruhezustand sind mehr Kaliumkanäle geöffnet, was das negative Ruhepotential von -60 bis -90mV verursacht.
• Aktionspotential: Bei einem Reiz wird die Ionenverteilung im Axon aktiv verändert. Beginnend am Zellkörper werden zuerst die Natriumkanäle in der Membran geöffnet und Natriumionen strömen ein, wodurch die Ladung im Inneren positiv wird. Kurz darauf öffnen sich Kaliumkanäle und Kaliumionen strömen aus. Anschließend wird das Ruhepotenzial wieder hergestellt. Der Axonhügel Funktion ist dabei besonders wichtig, da hier Aktionspotentiale ausgelöst werden. Die Entstehung eines Aktionspotentials folgt dem "Alles-oder-Nichts-Prinzip" und durchläuft die Phasen der Depolarisation, Repolarisation und Hyperpolarisation.

Die Fortführung des Aktionspotenzials entlang des Axons kann nur in eine Richtung erfolgen, da die zurück liegende Membran nicht erregt werden kann. Die Axone mancher Neuronen sind von Hüllzellen umgeben. Sie übernehmen isolierende Funktion. In gewissen Abständen befinden sich Einschnürungen zwischen den Hüllzellen. Nur an diesen Einschnürungen kann es zum Aktionspotenzial beziehungsweise zum Ladungsausgleich zwischen den Schnürringen kommen. Die Weiterleitung ist an Axonen mit Hüllzellen springend und schnell.

Refraktärzeit

Die Nervenzelle Funktion wird maßgeblich durch die Refraktärzeit bestimmt. Diese unterteilt sich in die absolute und relative Refraktärzeit, die für die geordnete Weiterleitung von Nervenimpulsen essentiell sind.

• Absolute Refraktärzeit: Die absolute Refraktärzeit findet während der Depolarisation und Repolarisation statt und dauert etwa 1-2 Millisekunden. In dieser Phase werden die Natriumkanäle durch kugelförmige Proteinteile im Intrazellularraum inaktiviert, wodurch keine weiteren Natriumionen einströmen können.
• Relative Refraktärzeit: Die relative Refraktärzeit schließt sich an die absolute Refraktärzeit an und dauert etwa 2 Millisekunden. In dieser Phase strömen vermehrt Kaliumionen aus dem Axon aus, was zu einer Hyperpolarisation führt. Die Membranspannung wird dabei noch negativer als das Ruhepotential bis zu -90mV.

Arten von Nervenzellen

Es gibt verschiedene Arten von Nervenzellen, die sich in ihrer Struktur und Funktion unterscheiden. Ein verbreiteter Irrtum ist anzunehmen, dass alle Nervenzellen die gleiche Struktur haben.

• Unipolare Nervenzellen: Unipolare Nervenzellen haben nur einen kurzen Fortsatz (Axon) und keine Dendriten.
• Multipolare Nervenzellen: Multipolare Nervenzellen kommen sehr häufig vor.
• Interneuronen: Interneuronen haben eine Vermittlerfunktion. Im Rückenmark wird der Reiz durch Interneuronen verarbeitet, die als Regulatoren mit erregenden und hemmenden Synapsen fungieren.

Synapsen: Die Schaltstellen im Nervensystem

Nervenzellen sind miteinander durch Synapsen verbunden, an denen Signale in Form von Botenstoffen übertragen werden. Die Neuronen Synapsen spielen eine zentrale Rolle bei der Reflexverarbeitung.

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Die Nervenzellen besitzen eine Antennenregion, die durch den Zellkörper und deren Fortsätze (Dendriten) gebildet wird. Die Signale werden dann verrechnet und durch ein „Kabel“, das Axon, in Form von elektrischen Impulsen weitergeleitet. In der Senderregion verzweigt sich das Axon und bildet Kontaktstellen aus, die Synapsen, an denen die Signale auf andere Nervenzellen übertragen werden (Abb. 1). Dort werden die aus dem Axon eintreffenden elektrischen Impulse in chemische Signale umgewandelt. Die Information fließt dabei nur in einer Richtung: Eine Zelle redet, die andere hört zu.

Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Jedes Nervenende im zentralen Nervensystem enthält durchschnittlich mehrere 100 synaptische Vesikel. Dennoch gibt es hier große Unterschiede: So gibt es beispielsweise Spezialisten unter den Synapsen, die mehr als 100.000 Vesikel enthalten. Dazu zählen die Synapsen, die unsere Muskeln steuern.

Wenn ein elektrisches Signal im Nervenende eintrifft, werden Calcium-Kanäle in der Plasmamembran aktiviert, durch die Calcium-Ionen vom Außenraum in das Innere der Synapse strömen. Sie treffen auf eine molekulare Maschine, die sich zwischen der Membran der Vesikel und der Plasmamembran befindet und die durch die hereinströmenden Calcium-Ionen aktiviert wird. Diese Maschine bewirkt, dass die Membran der Vesikel, die sich in der Startposition befinden, mit der Plasmamembran verschmilzt. Auf der anderen Seite des synaptischen Spaltes treffen die Botenstoffe auf Andockstellen in der Membran des Empfänger-Neurons, die die elektrischen Eigenschaften dieser Membran regulieren. Dadurch ändert sich der Membranwiderstand. Die Empfängerzelle kann die Spannungsänderung, die dadurch entsteht, in einem rasanten Tempo verarbeiten Zwischen dem Eintreffen des Impulses bis zur Spannungsänderung auf der anderen Seite des synaptischen Spalts vergeht nur etwa eine tausendstel Sekunde. Damit stellt die synaptische Übertragung einen der schnellsten biologischen Vorgänge dar.

Die synaptischen Vesikel sind keineswegs nur eine Art membranumhüllte „Konservendose“ zur Speicherung der Botenstoffe. In ihrer Membran befindet sich eine ganze Reihe von Proteinen, die sich seit Millionen von Jahren durch die Evolution kaum verändert haben. Eine Gruppe dieser Proteine, die Neurotransmitter-Transporter, ist dafür verantwortlich, die Botenstoffe aus dem Zellplasma in die Vesikel hineinzupumpen und dort anzureichern. Dazu ist viel Energie erforderlich. Diese wird von einem weiteren Proteinmolekül bereitgestellt, einer Protonen-ATPase (V-ATPase), die unter Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) Protonen in die Vesikel hineinpumpt. Neben diesen für das „Auftanken“ erforderlichen Proteinen enthalten die Membranen synaptischer Vesikel weitere Komponenten, die dafür sorgen, dass die Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen können (darunter das SNARE-Protein Synaptobrevin und den Calcium-Sensor Synaptotagmin) und nach der Membranfusion wieder in das Nervenende zurücktransportiert werden. Die synaptische Vesikel werden anschließend im Nervenende über einige Zwischenschritte wieder recycelt und neu mit Botenstoffen befüllt.

Reflexe: Schnelle Reaktionen des Körpers

Der Neuron - Aufbau und Funktion ist grundlegend für das Verständnis des Reflexbogens. Ein Reflex beginnt mit der Aufnahme eines Reizes durch spezielle Rezeptoren. Die Reizweiterleitung erfolgt über das afferente Nervensystem zum Zentralnervensystem (ZNS).

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Bei der Klassifizierung unterscheiden wir zwischen Eigenreflexen und Fremdreflexen. Beim Eigenreflex liegen Rezeptor und Erfolgsorgan nah beieinander - wie beim Kniereflex. Eigenreflexe sind monosynaptisch aufgebaut, das heißt sie nutzen nur eine Synapse zwischen zwei Neuronen. Die Reflexzeit - also die Zeit zwischen Reiz und Reaktion - unterscheidet sich deutlich: Bei Eigenreflexen beträgt sie etwa 20 Millisekunden und ist konstant. Eine wichtige Eigenschaft von Reflexen ist ihre Anpassungsfähigkeit.

Die Bedeutung der Neuroplastizität

Die Neuroplastizität ermöglicht es dem Nervensystem, sich an neue Anforderungen anzupassen.

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