Nervenzelle und Nervensystem: Aufbau und Funktion

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das die Grundlage für unsere Wahrnehmung, unser Denken und unsere Handlungen bildet. Es ermöglicht uns, mit der Umwelt zu kommunizieren und vielfältige Mechanismen im Inneren unseres Körpers zu steuern. Dieser Artikel beleuchtet den Aufbau und die Funktion des Nervensystems, von den einzelnen Nervenzellen bis hin zu den komplexen Netzwerken, die unsere Körperfunktionen steuern.

Die Bausteine des Nervensystems: Nervenzellen (Neuronen)

Die Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die fundamentalen Bausteine des Nervensystems. Sie sind spezialisierte Zellen, die elektrische Signale empfangen, verarbeiten und weiterleiten können. Schätzungen zufolge befinden sich im menschlichen Gehirn etwa 86 Milliarden Neuronen.

Aufbau einer Nervenzelle

Ein Neuron besteht typischerweise aus drei Hauptbestandteilen:

• Zellkörper (Soma): Das Soma ist das zentrale Element der Nervenzelle und enthält den Zellkern. Es ist für die grundlegenden Stoffwechselprozesse der Zelle verantwortlich.
• Dendriten: Dendriten sind kurze, verästelte Fortsätze, die vom Soma ausgehen. Sie dienen als "Antennen", die Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren empfangen.
• Axon: Das Axon ist ein langer, schlanker Fortsatz, der vom Soma wegführt. Es leitet die Signale, die im Soma verarbeitet wurden, an andere Neuronen oder Zielzellen weiter. Die Länge der Axone kann von wenigen tausendstel Millimetern bis zu über einem Meter reichen. Der Bereich zwischen dem Soma und dem Axon wird als Axonhügel bezeichnet.

Das Axon und die Myelinscheide

Das Axon ist oft von einer Myelinscheide umgeben. Die Myelinscheide besteht überwiegend aus Lipiden und Proteinen und wirkt wie eine Isolierschicht um das Axon. Sie ermöglicht die saltatorische Erregungsleitung, bei der elektrische Signale in schnellen "Sprüngen" entlang des Axons weitergeleitet werden. Diese sprunghafte Weiterleitung erhöht die Geschwindigkeit der Signalübertragung erheblich. Die nicht isolierten schmalen Lücken zwischen den einzelnen Myelinscheiden eines Axons werden Ranviersche Schnürringe genannt.

Es gibt auch Axone ohne Myelinscheiden.

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Signalübertragung an den Synapsen

Am Ende des Axons befinden sich die synaptischen Endknöpfchen. Hier wird das elektrische Signal in der Regel in ein chemisches Signal umgewandelt, um die Information an die nächste Zelle zu übertragen. Die Verbindung zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und einer Muskelzelle wird als Synapse bezeichnet.

An der Synapse wird das elektrische Signal, das im Axon ankommt, in chemische Signale umgewandelt. Die präsynaptischen Nervenenden enthalten Neurotransmitter, die in kleinen, membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Wenn ein elektrisches Signal im Nervenende eintrifft, öffnen sich Calcium-Kanäle, und Calcium-Ionen strömen in die Synapse. Dies führt zur Freisetzung der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt, den Raum zwischen den beiden Zellen.

Die freigesetzten Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der Membran der Zielzelle. Diese Bindung löst eine Veränderung des Membranpotenzials der Zielzelle aus, wodurch das Signal weitergeleitet wird.

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.

Neuronale Plastizität

Ein bemerkenswerter Aspekt der Neuronen ist ihre Plastizität. Diese bezeichnet die Fähigkeit der Neuronen, sich an Veränderungen anzupassen. Plastizität ermöglicht es den Neuronen, sich durch wiederholte Aktivierung und Lernprozesse zu verändern und Verbindungen zu verstärken / abzuschwächen oder neue Verbindungen auszubilden.

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Klassifikation von Nervenzellen

Die Klassifikation von Nervenzellen erfolgt auf unterschiedliche Weise, basierend auf Beobachtungen einzelner Zellen oder den ihnen zugeordneten Eigenschaften in Zellverbänden. In Bezug auf die Morphologie werden Nervenzellen in verschiedene Typen unterteilt, abhängig von ihrer äußeren Form und Struktur. Hierzu gehören zum einen unipolare Nervenzellen, die in der Lage sind, sensorische Informationen von der Peripherie zum Zentralnervensystem zu leiten. Typisch für das periphere Nervensystem sind pseudounipolare Nervenzellen, die sensorische Signale von den Rezeptoren zum Zentralnervensystem weiterleiten. Der am häufigsten vorkommende Typ von Neuronen sind jedoch multipolare Nervenzellen. Diese sind für komplexe Verarbeitungsprozesse und motorische Steuerung verantwortlich. Apolare Nervenzellen hingegen weisen weder ein Axon noch Dendriten auf. Diese sind noch nicht entwickelt und haben daher noch keine Polarität.

Eine andere Möglichkeit zur Klassifikation ist die Betrachtung der Funktion der Neuronen. Motorische Nervenzellen sind für die Steuerung von Bewegungen verantwortlich, sowohl im somatomotorischen Bereich als auch im vegetativen Bereich, wo sie viszeromotorisch wirken und den sympathischen oder parasympathischen Zweig des autonomen Nervensystems regulieren.

Gliederung des Nervensystems

Das Nervensystem lässt sich in verschiedene Bereiche unterteilen, die unterschiedliche Funktionen erfüllen:

• Zentralnervensystem (ZNS): Das ZNS besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark. Es ist die Steuerzentrale des Körpers und für die Verarbeitung von Informationen, die Koordination von Bewegungen und die Regulation von Körperfunktionen zuständig.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Das PNS umfasst alle Nervenzellen, die außerhalb des Gehirns und des Rückenmarks liegen. Es verbindet das ZNS mit den Organen, Muskeln und der Haut und ermöglicht die Übertragung von Informationen zwischen dem ZNS und dem Rest des Körpers.

Zentralnervensystem (ZNS) im Detail

Das zentrale Nervensystem (ZNS) umfasst Nervenbahnen in Gehirn und Rückenmark. Es befindet sich sicher eingebettet im Schädel und dem Wirbelkanal in der Wirbelsäule. Das Gehirn wird orientierungsweise in 5 größere Abschnitte unterteilt. Dies sind das Großhirn, das Zwischenhirn, das Mittelhirn, das Kleinhirn und das Nachhirn. Umgeben ist das Gehirn von 3 Hautschichten. Die äußere Hülle (harte Hirnhaut) ist innen mit den Schädelknochen fest verbunden. Zwischen der inneren und der mittleren Haut befindet sich Flüssigkeit, die bei Erschütterungen wie eine Art Stoßdämpfer wirkt und somit zum Schutz des Gehirns beiträgt. Im Inneren des Gehirns befinden sich 4 Hohlräume (Hirnkammern), die mit Gehirnflüssigkeit gefüllt sind. Etwa 1.400 Gramm wiegt unser Gehirn. Dabei ist das Gehirn von Männern im Durchschnitt etwas größer und schwerer als das von Frauen, wobei dieser Größenunterschied keine unmittelbaren Rückschlüsse auf geistige Merkmale wie die Intelligenz zulässt. Das Älterwerden geht nicht spurlos an unserem Gehirn vorüber.

Das Großhirn, dessen Entwicklung den Menschen mit all seinen einzigartigen und vielfältigen Fähigkeiten erst ermöglicht, nimmt 80% der Hirnmasse ein. Es besteht aus einer rechten und einer linken Großhirnhälfte, die durch einen breiten und dicken Nervenstrang (den „Balken“) miteinander verbunden sind. Die äußere Schicht des Großhirns bildet die Großhirnrinde. Sie ist 2 bis 3 Millimeter dick und wird auch, wegen ihres Aussehens, als graue Substanz bezeichnet. Ihre graue Farbe erhält die Großhirnrinde von den Zellkörpern der Neurone. Unterhalb der Großhirnrinde befindet sich die weiße Substanz.

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Bei Betrachtung der Gewebestruktur ist zu erkennen, dass sowohl Gehirn als auch Rückenmark aus einer grauen und weißen Substanz bestehen. Die graue Substanz, die vor allem aus Nervenzellkörpern besteht, befindet sich in der Großhirnrinde (Kortex) und im schmetterlingsförmigen Teil des Rückenmarks. Sie dient der Reizaufnahme und Reizverarbeitung. Die weiße Substanz bildet im Gehirn das innenliegende Gewebe aus Nervenfasern (Axone). Hier sind Nervenzellen durch millionenfache Verbindungen verschaltet und für die Reizweiterleitung verantwortlich.

Als Kontroll- und Schaltzentrale ist das zentrale Nervensystem für uns lebenswichtig, denn es steuert die bewusste Koordination der Bewegung (Motorik), vermittelt Nachrichten aus der Umwelt oder unserem Körperinneren und reguliert das Zusammenspiel aller Körpersysteme (Atmung, Hormonhaushalt, vegetatives und peripheres Nervensystem, innere Organe, Herz-Kreislauf-System, Muskulatur). Darüber hinaus ermöglicht uns das zentrale Nervensystem komplexe Funktionen wie Gedächtnis (Lernen, Erinnerung), Bewusstsein, Gefühle, Verstand und Vernunft.

Peripheres Nervensystem (PNS) im Detail

Als peripheres Nervensystem werden all jene Nerven zusammengefasst, die nicht zum ZNS gehören. Die Hirnnerven verknüpfen unsere Sinnesorgane mit dem Gehirn und der Muskulatur im Kopf- und Rumpfbereich. Entsprechend der Reihenfolge, in der sie aus dem Gehirn austreten, werden sie mit römischen Zahlen nummeriert. Zu den Hirnnerven gehören beispielsweise unser Riechnerv (I. Hirnnerv; Nervus olfactorius), der Sehnerv (II. Hirnnerv; Nervus opticus) und unser Gesichtsnerv (VII. Hirnnerv; Nervus facialis). Rund die Hälfte der Hirnnerven sind sogenannte gemischte Nerven, d. h. sie enthalten sowohl motorische als auch sensorische Fasern. Die Spinalnerven sind ebenfalls gemischte Nerven. Sie bilden sich aus den Nervenwurzeln im Rückenmark und verzweigen sich nach ihrem Austritt aus dem Wirbelkanal in 3-4 Äste, um verschiedene Körperbereiche versorgen zu können. Der vordere Ast z. B.

Funktionelle Unterteilung des Nervensystems

Funktionell wird das Nervensystem in das somatische (willkürliche) und das vegetative (unwillkürliche) Nervensystem unterteilt.

• Somatisches Nervensystem: Das willkürliche Nervensystem (somatisches Nervensystem) steuert alle Vorgänge, die einem bewusst sind und die man willentlich beeinflussen kann. Dies sind zum Beispiel gezielte Bewegungen von Gesichtsmuskeln, Armen, Beinen und Rumpf.
• Vegetatives Nervensystem: Das vegetative Nervensystem (autonomes Nervensystem) regelt die Abläufe im Körper, die man nicht mit dem Willen steuern kann. Es ist ständig aktiv und reguliert beispielsweise Atmung, Herzschlag und Stoffwechsel. Hierzu empfängt es Signale aus dem Gehirn und sendet sie an den Körper. In der Gegenrichtung überträgt das vegetative Nervensystem Meldungen des Körpers zum Gehirn, zum Beispiel wie voll die Blase ist oder wie schnell das Herz schlägt. Das vegetative Nervensystem kann sehr rasch die Funktion des Körpers an andere Bedingungen anpassen. Ist einem Menschen beispielsweise warm, erhöht das System die Durchblutung der Haut und die Schweißbildung, um den Körper abzukühlen.

Sowohl das zentrale als auch das periphere Nervensystem enthalten willkürliche und unwillkürliche Anteile.

Das vegetative Nervensystem im Detail

Das vegetative Nervensystem besteht aus drei Teilen:

• Sympathisches Nervensystem (Sympathikus): Der Sympathikus bereitet den Organismus auf körperliche und geistige Leistungen vor. Er sorgt dafür, dass das Herz schneller und kräftiger schlägt, erweitert die Atemwege, damit man besser atmen kann, und hemmt die Darmtätigkeit.
• Parasympathisches Nervensystem (Parasympathikus): Der Parasympathikus kümmert sich um die Körperfunktionen in Ruhe: Er aktiviert die Verdauung, kurbelt verschiedene Stoffwechselvorgänge an und sorgt für Entspannung.
• Eingeweide-Nervensystem (enterisches Nervensystem): Das enterische Nervensystem ist der dritte Bereich des vegetativen Nervensystems, der als Geflecht von Nervenzellen den Verdauungstrakt durchzieht. Interessanterweise steuert das enterische Nervensystem nicht nur Verdauungsprozesse, sondern hat auch einen Einfluss auf unsere Gefühlswelt und unser Wohlbefinden. Umgekehrt scheinen aber auch Veränderungen im Magen-Darm-Trakt Auswirkungen auf Emotionen zu haben. Forschungsarbeiten der letzten Jahre deuten darauf hin, dass die Zusammensetzung der Darmflora hier eine Rolle spielt.

Das sympathische und parasympathische Nervensystem (Sympathikus und Parasympathikus) wirken im Körper meist als Gegenspieler.

Funktion des Nervensystems

Das Nervensystem hat vielfältige Funktionen:

• Reizaufnahme: Das Nervensystem nimmt Sinnesreize aus der Umwelt (z. B. Licht, Schall, Temperatur, Berührung) und aus dem Körperinneren (z. B. Schmerz, Hunger, Durst) auf.
• Reizverarbeitung: Die aufgenommenen Reize werden im Nervensystem verarbeitet und interpretiert.
• Reizweiterleitung: Die verarbeiteten Informationen werden über Nervenfasern an andere Teile des Nervensystems oder an andere Organe weitergeleitet.
• Reaktion: Das Nervensystem löst Reaktionen aus, wie z. B. Muskelbewegungen, die Ausschüttung von Hormonen oder Veränderungen der Herzfrequenz.

Erkrankungen des Nervensystems

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

• Multiple Sklerose (MS): Eine Autoimmunerkrankung, bei der die Myelinscheiden der Nervenfasern im Gehirn und Rückenmark zerstört werden.
• Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Eine neurodegenerative Erkrankung, die die motorischen Nervenzellen betrifft und zu Muskelschwäche und Lähmungen führt.
• Schlaganfall: Eine plötzliche Unterbrechung der Blutversorgung des Gehirns, die zu Schäden an den Nervenzellen führen kann.

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