Die Neurobiologie ist ein faszinierendes und komplexes Feld, das sich mit der Struktur, Funktion, Entwicklung, Genetik, Biochemie, Physiologie und Pathologie des Nervensystems befasst. Sie ist ein integraler Bestandteil des Biologieunterrichts in der Oberstufe und bietet ein tiefes Verständnis der Prozesse, die unser Verhalten, unsere Wahrnehmung und unser Bewusstsein steuern.
Einführung in die Neurobiologie
Die Neurobiologie ist eine relativ junge Wissenschaft, die sich erst in den letzten 100 Jahren etabliert hat. Ihre Entstehung wurde durch technische Fortschritte ermöglicht, die die Erforschung des Gehirns und der Nervenzellen überhaupt erst möglich machten. Sie ist spannender, als man zunächst denken mag, denn es handelt sich um eine Wissenschaft, die grundlegende Vorgänge im menschlichen Gehirn und Körper erklärt. Kurz gesagt: Alle Abläufe, Wirkmechanismen, Zusammenhänge und Prinzipien des menschlichen (und tierischen) Nervensystems. Es handelt sich um einen bedeutenden Teilbereich der Biologie. Während sich Disziplinen wie beispielsweise die Ökologie eher mit externen Faktoren der Umwelt befassen, untersucht die Neurobiologie also Prozesse innerhalb des menschlichen Körpers.
Unterteilungsformen des Nervensystems
Es gibt zwei wesentliche Unterteilungsformen des Nervensystems. Eine Unterteilung kann auf anatomischer Basis erfolgen in das zentrale Nervensystem (im Rückenmark und Gehirn) sowie das periphere Nervensystem. Eine zweite Möglichkeit liegt in einer funktionalen Unterteilung in das vegetative Nervensystem, das unbewusste und unwillkürliche Vorgänge steuert, sowie das somatische Nervensystem, das sich um bewusste und willkürliche Vorgänge kümmert.
Die Nervenzelle (Neuron): Baustein des Nervensystems
Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die kleinste Einheit des Nervensystems und die physiologische Grundlage aller neurobiologischen Abläufe. Allein im Gehirn befinden sich etwa 100 Milliarden davon. Mit der Geburt ist übrigens bereits die maximale Anzahl an Nervenzellen vorhanden. Denn anders als andere Zellen können Neuronen sich nicht teilen und dadurch vermehren.
Aufbau einer Nervenzelle
Ein Neuron besteht grundsätzlich aus den drei Teilen: Zellkörper (Soma), Dendriten und Axon. Der Zellkörper (Soma) enthält den Zellkern, der für die Proteinsynthese und genetische Information verantwortlich ist. Die baumartigen Dendriten sowie das Axon - ein langer Fortsatz der Zelle - sind dafür zuständig, Informationen aufzunehmen oder an umliegende Nerven- oder Muskelzellen weiterzugeben. Ein Axon kann unter Umständen bis zu über einem Meter groß werden. Als Axonhügel bezeichnet man den Übergang zwischen Zellkörper und Axon. Das Axon, auch Nervenfaser genannt, ist eine lange Fortsetzung der Nervenzelle, die von der Markscheide (Myelin) umhüllt wird. Diese Isolationsschicht wird von Schwann-Zellen gebildet und ist durch die Ranvier-Schnürringe unterbrochen. Entlang des Axons befinden sich Mikrotubuli, die als "Transportbahnen" für verschiedene Zellbestandteile dienen.
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Funktion der Nervenzelle
Die Aufgabe einer Nervenzelle liegt in der Informationsverarbeitung, also in der Aufnahme, der Verarbeitung und der Weitergabe einer Information. Auch im restlichen Körper, vor allem im Rückenmark und den Sinnesorganen, befinden sich jede Menge weitere Neuronen.
Synapsen: Kommunikation zwischen Nervenzellen
Bei den Verbindungen zwischen den Zellen, von denen eine bis zu 10.000 besitzen kann, spricht man von Synapsen. Es gibt sowohl chemische als auch elektrische Synapsen. Während die elektrischen Synapsen mit elektrischen Reizen arbeiten, sind für die Übertragung über chemische Synapsen Transmitter, also chemische Botenstoffe notwendig. Im Rahmen der Informationsübertragung kann man präsynaptische und postsynaptische Neurone unterscheiden.
- Präsynaptische Zellen: Sie senden die Informationen aus.
- Postsynaptische Neuronen: Sie nehmen die gesendeten Informationen auf.
Die Signalübertragung zwischen Nervenzellen erfolgt an speziellen Kontaktstellen, den Synapsen. An einer chemischen Synapse wird das elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt. Die Funktionsweise einer Synapse umfasst mehrere Schritte: Ankunft des Aktionspotentials, Calcium-Einstrom, Vesikelfusion, Transmitterfreisetzung und Aktivierung der postsynaptischen Rezeptoren. Die Integration verschiedener Signale erfolgt durch zeitliche und räumliche Summation.
Isolation der Nervenzellen für schnelle Signale
Damit keine Informationen verloren gehen und diese zudem möglichst schnell weitergetragen werden können, verfügen viele Nervenzellen über eine gute Isolation in Form einer Ummantelung - ähnlich wie ein Stromkabel. Diese Ummantelung heißt Myelinscheide oder auch Markscheide. Die Zellen, die diese bilden, sind nach ihrem Entdecker benannt und heißen Schwannsche Zellen. Diese stellen das isolierende Myelin her und wickeln sich um das Axon herum. Dabei wird die Myelinscheide in regelmäßigen Abschnitten von Lücken, den Ranvierschen Schnürringen, unterbrochen. Solch isolierte Neuronen werden als markhaltige Neuronen eingesetzt und kommen insbesondere dort vor, wo Informationen in Form von elektrischer Spannung besonders schnell weitergegeben werden müssen. Diese erregte elektrische Spannung nennt man in der Neurobiologie auch Aktionspotential. Die Erregungsleitung erfolgt bei markhaltigen Nervenfasern saltatorisch, das heißt springend von einem Ranvier'schen Schnürring zum nächsten.
Aktionspotential und Ruhepotential: Die Grundlage der neuronalen Kommunikation
Nervenzellen kommunizieren über elektrische Signale, die man in zwei grundlegende Zustände unterteilen kann: das Ruhepotential und das Aktionspotential.
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Ruhepotential
Das Ruhepotential beschreibt den „normalen“ Zustand einer Zelle, wenn sie nicht aktiv ist. In diesem Zustand ist das Innere der Zelle negativ geladen im Vergleich zur Außenseite. Diese elektrische Spannung entsteht durch unterschiedliche Verteilungen von positiv geladenen Ionen (Kationen) und negativ geladenen Ionen (Anionen) auf beiden Seiten der Zellmembran. Besonders wichtig dafür ist die Natrium-Kalium-Pumpe, die aktiv Natriumionen aus der Zelle hinaus und Kaliumionen hinein transportiert - jeweils entgegen ihrem natürlichen Konzentrationsgefälle. Das Ruhepotential einer Nervenzelle liegt bei etwa -70 mV. Die Ionenverteilung wird durch die Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten, die unter ATP-Verbrauch drei Natrium-Ionen nach außen und zwei Kalium-Ionen nach innen transportiert. Die Zellmembran besitzt unterschiedliche Permeabilitäten für verschiedene Ionen, was durch Permeabilitätskoeffizienten ausgedrückt wird. Die Natrium-Kalium-Pumpe spielt eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung der Ionengradienten. Sie arbeitet kontinuierlich gegen die Konzentrationsgradienten und verhindert damit den Abbau des Ruhepotentials.
Aktionspotential
Das Aktionspotential ist das Gegenteil: Es entsteht, wenn die Nervenzelle auf einen Reiz reagiert. Dabei kehrt sich die Spannung kurzzeitig um - die Innenseite der Zelle wird positiv gegenüber der Außenseite. Diese schnelle, kurzzeitige Veränderung des Membranpotentials ermöglicht es der Zelle, Informationen weiterzuleiten. So können Reize an andere Nervenzellen, Sinneszellen oder Muskelzellen weitergegeben werden - und wir können beispielsweise Fahrrad fahren, einen Film schauen oder telefonieren.
Die erste Phase beginnt mit der Depolarisation. Sobald der Schwellenwert von etwa -50 mV überschritten wird, öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle. Der schlagartige Einstrom von Natrium-Ionen führt zu einer weiteren Depolarisation bis hin zum "Overshoot" bei etwa +30 mV. In der Repolarisationsphase schließen sich die Natriumkanäle wieder, während sich Kaliumkanäle öffnen. Der Ausstrom von Kalium-Ionen führt zur Wiederherstellung des negativen Membranpotentials. Die Refraktärzeit nach einem Aktionspotential verhindert eine sofortige erneute Erregung. Die Entstehung von Aktionspotentialen folgt dem "Alles-oder-Nichts-Prinzip": Wird der Schwellenwert überschritten, läuft immer ein vollständiges Aktionspotential ab. Die Amplitude ist dabei unabhängig von der Reizstärke. Die Refraktärzeit spielt eine zentrale Rolle im Aktionspotential und der Signalweiterleitung im Nervensystem.
Zusammenfassung
Kurz gesagt: Das Ruhepotential hält die Zelle im „Bereitschaftszustand“. Das Aktionspotential ist der kurze „Feuerblitz“, der die Information weiterleitet. Der Wechsel zwischen Ruhepotential und Aktionspotential ist also ausschlaggebend für die Reizübertragung in unserem Nervensystem.
Neurotransmitter: Die Botenstoffe des Nervensystems
Neurotransmitter sind die chemischen Botenstoffe bzw. Übertragungsstoffe, die dafür verantwortlich sind, dass Reize und Informationen von einer Zelle an die andere weitergeleitet werden. Diese kommen an chemischen Synapsen zum Einsatz und sind von hoher Bedeutung für die Erregungsübertragung. Gespeichert werden diese Transmitter in synaptischen Vesikeln, winzig kleine Bläschen. Die Moleküle eines Transmitters und die Rezeptoren - d.h. die Zellen der Sinnesorgane, die die externen Reize aufnehmen - passen wie Schlüssel und Schloss ineinander. Je nach Wirkung und Bedeutung kommen unterschiedliche Transmitter zum Einsatz. Grundsätzlich unterscheidet man außerdem zwischen Echten Transmittern (kurzlebig) und Neuro-Hormonen (langlebiger). Bei hemmenden Synapsen werden spezifische Transmitter ausgeschüttet, die zu einer Hyperpolarisation der nachgeschalteten Zelle führen.
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Wichtige Neurotransmitter im Überblick
- Acetylcholin: Muskelsteuerung und Gedächtnis. Als wichtigster Botenstoff wird Acetylcholin gewertet. Dieser ist verantwortlich für die Steuerung vegetativer Vorgänge bei Wirbeltieren. Er leitet Informationen zwischen dem Nervenzellenende und der Muskelfaser weiter und sorgt damit für Muskelkontraktion - sämtliche Muskelfunktionen basieren also auf diesem Neurotransmitter. Außerdem steuert Acetylcholin in weiten Teilen das vegetative Nervensystem und beeinflusst somit Blutdruck, Atmung, Verdauung, Stoffwechsel, Herzschlag und Gehirnaktivitäten.
- Adrenalin: Stressreaktion und Energie. Adrenalin bezeichnet ein bekanntes Stresshormon, das von der Nebennierenrinde produziert und in physischen wie psychischen Belastungssituationen ausgeschüttet wird. Dieser Prozess hat seinen evolutionsbiologischen Zweck noch im sogenannten Flucht-oder-Kampf-Modus: Der Mensch musste sich spontan an eine äußere Situation anpassen und schnell angemessen reagieren können. Heute löst zwar nicht mehr der Säbelzahntiger diesen Modus aus, sondern moderne Stressoren wie Druck auf der Arbeit, Stau oder Streit, das Prinzip hat sich aber in den letzten 30.000 Jahren nicht groß verändert. Die Ausschüttung von Adrenalin resultiert in: erhöhter Herzfrequenz und erhöhtem Blutdruck, angespannten Muskeln, verminderten Verdauungsprozessen und einer geringeren Schmerzempfindlichkeit. Zudem wird durch Glykolyse und Lipolyse Energie freigesetzt.
- Dopamin: Motivation und Belohnung. Dopamin sorgt für die Weiterleitung einer Erregung von der Nervenzelle an die Muskelzelle und steuert damit die allgemeine Motorik. Außerdem spielt dieser Botenstoff auch im Belohnungssystem eine Rolle und sorgt für Euphorie und Glücksgefühle.
- Endorphin: Schmerzhemmung und Glücksgefühl. Der Botenstoff Endorphin zählt zu den Opioden und senkt demzufolge die Schmerzempfindsamkeit des Menschen. Dazu hemmen bzw. blockieren sie die Übertragung gewisser Reize an das schmerzverarbeitende Zentrum im Gehirn.
- Serotonin: Stimmung und Schlafregulation. Das Hormon und Neurotransmitter Serotonin beeinflusst zahlreiche Prozesse im Körper. Es trägt unter anderem dazu bei, dass wir morgens wach werden, und spielt eine Rolle bei der Regulierung des Blutdrucks. Außerdem ist Serotonin entscheidend für unsere Stimmung, unser Wohlbefinden und unser Schmerzempfinden. Ein Mangel an Serotonin kann daher zu Angstzuständen, Depressionen oder Migräne führen. Auch Schlafstörungen und verminderte Konzentrationsfähigkeit können auftreten, wenn der Serotoninspiegel zu niedrig ist.
Das vegetative Nervensystem: Steuerung unwillkürlicher Körperfunktionen
Das vegetative Nervensystem kontrolliert die unwillkürlichen Körperfunktionen und besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Sympathikus und dem Parasympathikus. Der Parasympathikus, auch "Ruhenerv" genannt, ist für Erholung und Regeneration zuständig. Er verlangsamt den Herzschlag, fördert die Verdauung und reduziert den Energieverbrauch. Das vegetative Nervensystem steuert lebenswichtige Funktionen wie Herzschlag, Atmung, Verdauung und Stoffwechsel.
Sensorische Nervenzellen und Reizverarbeitung
Die Signalübertragung in Nervenzellen basiert auf komplexen elektrochemischen Prozessen. Die sensorische Nervenzelle im Riechepithel reagiert auf Geruchsmoleküle durch Bindung an spezifische Rezeptoren. Dies führt zur Entstehung eines Rezeptorpotentials, welches bei ausreichender Stärke ein Aktionspotential auslöst. Ein besonders interessanter Aspekt ist der Mechanismus der Geruchsgewöhnung, der durch inhibitorische Kreisschaltungen über Körnerzellen vermittelt wird. Diese Nervenzelle Funktion dient der Energieersparnis und dem Schutz vor Reizüberflutung.
Neurobiologie im Biologieunterricht der Oberstufe
Die Neurobiologie ist neben Themen wie Genetik und Evolution ein wesentlicher Bestandteil des Abiturfachs Biologie. Als Vorbereitung auf deine Abiturprüfung solltest du dir also genügend Zeit nehmen, dich mit den Grundlagen der Neurobiologie auseinanderzusetzen und dir die wichtigsten Begrifflichkeiten, Abläufe und Prinzipien zu merken. Ein gutes Verständnis des menschlichen Nervensystems hilft dir aber nicht nur im Abitur sondern auch dabei, dich und deinen Körper besser verstehen zu können. Wusstest du zum Beispiel, dass das Gehirn aus rund 100 Milliarden Neuronen und 100 Billionen Synapsen besteht? In dieser menschlichen Schaltzentrale finden die meisten Prozesse der Informationsverarbeitung statt.
Methoden der Neurobiologie
Die Patch-Clamp-Methode ermöglicht die Untersuchung einzelner Ionenkanäle.
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