Einführung in die Neurobiologie
Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das es uns ermöglicht, Informationen aus unserer Umwelt aufzunehmen, zu verarbeiten und darauf zu reagieren. Die grundlegende Baueinheit dieses Systems ist die Nervenzelle, auch Neuron genannt. Diese hochspezialisierten Zellen sind für die blitzschnelle Kommunikation im Körper verantwortlich. Der folgende Artikel bietet einen umfassenden Überblick über den Aufbau und die Funktion von Nervenzellen, ergänzt durch Anregungen für Arbeitsblätter und Übungen, die im Biologieunterricht eingesetzt werden können.
Aufbau einer Nervenzelle
Eine Nervenzelle ist eine spezialisierte Zelle, die Informationen aufnehmen, verarbeiten und weiterleiten kann. Ein Mensch besitzt laut neuesten Schätzungen bis zu 1 Billion Nervenzellen. Wichtig: Eine Nervenzelle kann sich nicht teilen. Das bedeutet, dass bereits bei der Geburt die maximale Anzahl an Nervenzellen festgelegt ist.
Zellkern (Nukleus)
Wie jede Zelle besitzt auch die Nervenzelle einen Zellkern, die Steuerzentrale der Zelle. Hier werden wichtige Prozesse wie die Eiweißproduktion und die Zellaktivität reguliert.
Soma (Zellkörper)
Das Soma, auch Zellkörper genannt, enthält den Zellkern und die meisten Organellen.
Dendriten
Dies sind verästelte Fortsätze, an denen Informationen von anderen Nervenzellen empfangen werden. Eine einzige Nervenzelle kann bis zu 10.000 Verbindungen mit anderen Zellen eingehen.
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Axon
Diese Informationen werden über einen langen Fortsatz - das Axon - weitergeleitet. Manche Axone können über einen Meter lang werden.
Axonhügel
Der Übergang vom Soma zum Axon wird Axonhügel genannt. Hier wird entschieden, ob ein Aktionspotenzial ausgelöst wird.
Synaptische Endigungen
Am Ende des Axons befinden sich die synaptischen Endigungen. Dort wird eine Synapse gebildet - die Kontaktstelle zu einer anderen Zelle. Über diese werden mithilfe von chemischen Botenstoffen (den Neurotransmittern) Informationen an die nächste Nervenzelle weitergegeben.
Man unterscheidet dabei:
- Präsynaptische Zelle: die sendende Zelle (lat. „prä“ = vor)
- Postsynaptische Zelle: die empfangende Zelle (lat. „post“ = nach)
Myelinscheide
Um Informationen schnell und verlustfrei weiterzuleiten, ist das Axon bei vielen Nervenzellen von einer Myelinscheide (auch Markscheide) umgeben. Diese besteht aus Schwann’schen Zellen, einer Art von Gliazellen, die das isolierende Myelin produzieren. Die Myelinscheide ist nicht durchgängig, sondern wird regelmäßig von Ranvier’schen Schnürringen unterbrochen. Neuronen mit Myelinscheide nennt man markhaltig.
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Die Funktion der Nervenzelle: Informationsaufnahme, -verarbeitung und -weiterleitung
Nervenzellen sind darauf spezialisiert, Informationen in Form von elektrischen und chemischen Signalen zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Dieser Prozess ermöglicht es dem Nervensystem, blitzschnell auf Reize zu reagieren und komplexe Funktionen wie Denken, Fühlen und Bewegung zu steuern.
Informationsaufnahme durch Dendriten
Die Dendriten einer Nervenzelle empfangen Signale von anderen Nervenzellen oder Sinneszellen. Diese Signale können erregend oder hemmend sein. Erregende Signale erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass die Nervenzelle ein Aktionspotenzial auslöst, während hemmende Signale diese Wahrscheinlichkeit verringern.
Verarbeitung im Soma und Axonhügel
Die empfangenen Signale werden im Soma integriert. Am Axonhügel, dem Übergang zwischen Soma und Axon, wird entschieden, ob ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Diese Entscheidung basiert auf der Summe der erregenden und hemmenden Signale.
Aktionspotenzial: Das elektrische Signal
Wenn die Summe der erregenden Signale einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotenzial ausgelöst. Das Aktionspotenzial ist eine kurzzeitige, aber starke Veränderung des elektrischen Potenzials der Zellmembran. Es breitet sich entlang des Axons aus und dient als elektrisches Signal, das Informationen über weite Strecken transportieren kann.
Weiterleitung an der Synapse
Am Ende des Axons, an den synaptischen Endigungen, wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Dies geschieht durch die Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt, den Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Zelle.
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Neurotransmitter: Chemische Botenstoffe
Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an Rezeptoren der postsynaptischen Zelle binden und dort eine Reaktion auslösen. Diese Reaktion kann erregend oder hemmend sein und beeinflusst die Wahrscheinlichkeit, dass die postsynaptische Zelle ein Aktionspotenzial auslöst.
Arbeitsblätter und Übungen für den Biologieunterricht
Um das Verständnis von Nervenzellen und Nervensystem zu fördern, können verschiedene Arbeitsblätter und Übungen im Biologieunterricht eingesetzt werden. Hier sind einige Vorschläge:
Beschriftungsübungen
- Aufbau einer Nervenzelle: Ein schematisches Bild einer Nervenzelle wird vorgegeben, und die Schüler müssen die einzelnen Bestandteile (Zellkern, Soma, Dendriten, Axon, Axonhügel, Myelinscheide, Ranviersche Schnürringe, synaptische Endigungen) beschriften.
- Synapse: Ein vergrößertes Bild einer Synapse wird vorgegeben, und die Schüler müssen die präsynaptische Zelle, den synaptischen Spalt, die postsynaptische Zelle, Neurotransmitter und Rezeptoren beschriften.
Lückentexte
Lückentexte können verwendet werden, um das Wissen über den Aufbau und die Funktion von Nervenzellen zu überprüfen. Zum Beispiel:
"Eine Nervenzelle besteht aus einem __, __, und . Informationen werden über die aufgenommen und über das weitergeleitet. Am Ende des Axons befinden sich die __, wo die Informationen an die nächste Zelle über __ weitergegeben werden."
Multiple-Choice-Fragen
Multiple-Choice-Fragen eignen sich gut, um das Verständnis von Schlüsselkonzepten zu testen. Zum Beispiel:
"Welche der folgenden Strukturen ist für die Isolierung des Axons verantwortlich?
a) Dendrit b) Soma c) Myelinscheide d) Synapse"
Zuordnungsaufgaben
Hier müssen Schüler Begriffe oder Beschreibungen den passenden Strukturen oder Funktionen zuordnen. Zum Beispiel:
Ordnen Sie die folgenden Begriffe den entsprechenden Funktionen zu:
- Dendrit
- Axon
- Synapse
- Myelinscheide
Funktionen:
- Empfängt Informationen
- Leitet Informationen weiter
- Überträgt Informationen auf die nächste Zelle
- Isoliert das Axon
Fallstudien
Fallstudien können verwendet werden, um die Anwendung des Wissens über Nervenzellen und Nervensystem in realen Situationen zu fördern. Zum Beispiel:
"Ein Patient leidet unter einer Krankheit, die die Myelinscheiden der Nervenzellen schädigt. Welche Auswirkungen hat dies auf die Funktion des Nervensystems?"
Interaktive Tafelbilder und Selbstlernkurse
Es gibt interaktive Tafelbilder und Selbstlernkurse, die den Aufbau einer Nervenzelle ohne Erklärungen kurz veranschaulichen. Die einzelnen Abschnitte sind durchnummeriert und können im Unterrichtsverlauf selbst beschriftet oder auch die vorgegebenen Beschriftungen einzeln eingeblendet werden. Es eignet sich etwa zur Ergebnissicherung an der interaktiven Tafel. In diesem Selbstlernkurs lernt man die einzelnen Teile einer Nervenzelle und ihre Aufgaben kennen. Anhand der physikalischen und chemischen Bedingungen um eine Nervenfaser werden Ruhepotenzial, Aktionspotenzial und dessen Fortleitung erklärt.
Experimente
Einfache Experimente können helfen, die Funktionsweise des Nervensystems zu veranschaulichen. Zum Beispiel:
- Reflexe: Testen von Eigen- und Fremdreflexen, um den Reflexbogen zu demonstrieren.
- Reaktionszeit: Messen der Reaktionszeit auf verschiedene Reize, um die Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung im Nervensystem zu verdeutlichen.
Einfluss von Substanzen auf das Nervensystem
Die interaktive Unterrichtseinheit macht nach einer eher kurzen Einführung den Nervenaufbau und die Entstehung von Aktionspotentialen die Einflüsse verschiedener Stoffe (wie Coffein, Opiate, Nicotin…) auf das Nervensystem deutlich.
Party machen und Drogen nehmen gehört für viele junge Leute zusammen. Sie gelten als experimentierfreudig und stehen einem sogenannten Mischkonsum unkritischer gegenüber als erwachsene Konsumenten. Vor allem der gleichzeitige Konsum von Alkohol, Cannabis, Ecstasy, Speed und Co. kann die Funktion des Nervensystems beeinträchtigen.
Das Nervensystem im Alltag: Ein Stich - ein Schmerz - und wir zucken zurück
Dass wir so schnell reagieren, verdanken wir unserem Nervensystem. Wie das funktioniert, erfahren Sie in Telekolleg Biologie. Im Quiz können Sie Ihr Wissen testen.
Ein Blick in das Innere des Körpers zeigt, wie das Wunderwerk Nervensystem funktioniert. Eine Stechmücke fliegt an und lässt sich auf deinem Oberschenkel nieder. Die Stechmücke (Licht) reizt die Sinneszellen meiner Augen und ihr Fluggeräusch (Schallwellen) reizen die Sinneszellen meines Ohrs. Diese werden über die Nervenzellen zum Gehirn geleitet. Im Gehirn werden die eingehenden Informationen ausgewertet und verarbeitet. Ich nehme die Stechmücke wahr. Nervenzellen leiten elektrische Erregungen vom Gehirn zu den Muskeln meines Arms und meiner Hand.
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