Das neuronale Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das es Tieren ermöglicht, Reize aus ihrer Umwelt wahrzunehmen, diese Informationen zu verarbeiten und darauf zu reagieren. Es ist ein grundlegendes Merkmal vielzelliger Tiere und hat sich im Laufe der Evolution in vielfältiger Weise entwickelt.
Grundlagen des Nervensystems
Das Nervensystem besteht im Wesentlichen aus Nervenzellen, den Neuronen, und Gliazellen. Die Neuronen sind für die Erzeugung und Weiterleitung elektrischer Signale verantwortlich, während die Gliazellen die Neuronen unterstützen, ernähren und schützen.
Die Erregung von Neuronen basiert auf elektrischen Signalen, die durch Änderungen des Membranpotentials (Depolarisation) entstehen. Diese Aktionspotentiale entstehen, wenn ein Reiz eine bestimmte Schwelle überschreitet, und breiten sich entlang des Axons fort. Myelinisierte Axone leiten Signale durch saltatorische Erregungsleitung besonders schnell. An Synapsen wird das elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt. Botenstoffe wie Acetylcholin, Dopamin oder Serotonin überqueren den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren der Zielzelle, wo sie eine neue Erregung auslösen können.
Das Nervensystem ermöglicht es Tieren, auf ihre Umwelt zu reagieren, zu lernen und sich anzupassen. Es steuert eine Vielzahl von Körperfunktionen, von einfachen Reflexen bis hin zu komplexen Verhaltensweisen.
Entwicklung des Nervensystems im Tierreich
Die Entwicklung des Nervensystems bei Tieren zeigt eine faszinierende Vielfalt, von einfachen Nervennetzen bis hin zu hochkomplexen Gehirnen. Diese Entwicklung spiegelt die Anpassung der Tiere an ihre jeweiligen Lebensräume und die zunehmende Komplexität ihrer Verhaltensweisen wider.
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Nervennetze bei Nesseltieren
Einige der einfachsten Nervensysteme finden sich bei Nesseltieren wie Quallen und Seeanemonen. Diese Tiere besitzen ein Nervennetz, ein diffuses Netzwerk von Neuronen, das sich über den gesamten Körper erstreckt. Die Neurone sind gleichmäßig im gesamten Körper verteilt. Sie verlaufen kreuz und quer und bilden eine Art Netz. An Schnittpunkten bestehen synaptische Kontakte.
Ein zentrales Nervensystem fehlt, manche verfügen allerdings bereits über komplexe Augen und andere Sinnesorgane. Eine zentrale neuronale Verarbeitungsstelle existiert in diesem Nervennetz nicht, weshalb nur eine geringe oder keine zentrale Steuerung des Organismus möglich ist. Wird ein Süßwasserpolyp an einer beliebigen Körperstelle durch Licht, Wasserbewegung, Berührung etc. gereizt, so wird die Information im gesamten Nervennetz weitergeleitet und löst eine Antwortreaktion des gesamten Körpers aus.
Bei Quallen (Medusen) liegt bereits eine Konzentration von Nervenzellen in Form von Ringen im Schirmrand vor. Durch diese Nervenringe werden die Informationen zur Koordination des Körpers übertragen. Radial (strahlenförmig) von den Nervenringen weg führen Nervenstränge zu den Sinnesorganen und häufig kommt es an der Basis eines jeden Sinnesorgans zur Ganglionbildung.
Strickleiternervensystem bei Wirbellosen
Arthropoden oder Gliederfüßer (z.B. Insekten, Krebse, Spinnentiere), aber auch Ringelwürmern u.a. besitzen ein Strickleiternervensystem. Es besteht aus mehreren Ganglien, die über zwei Nervenstränge miteinander verbunden sind. Im Kopfbereich zeigt es oft eine Verschmelzung mehrerer Ganglien, das sogenannte Kopfganglion oder Oberschlundganglion. Die Ganglien der einzelnen Segmente sind über Konnektive verbunden, sodass das Bild einer Strickleiter entsteht. Die Neuronen arbeiten zunehmend unabhängig voneinander (z.B. Regenwurm ) und es zeigt sich eine zunehmende Gehirnbildung (Cephalisation). Die Ganglien koordinieren die einzelnen Segmente.
Das Strickleiternervensystem ermöglicht eine segmentale Steuerung des Körpers und eine schnellere Informationsübertragung als das Nervennetz.
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Zentralnervensystem bei Wirbeltieren
Bei Wirbeltieren kommt es zu einer zunehmenden Zentralisierung in Form einer Schaltzentrale: das Gehirn. Es fungiert als übergeordnetes System und Verarbeitungsstelle. Das Rückenmark arbeitet dabei als Leitbahn und enthält Reflexbögen und Verschaltungen. Das Gehirn stellt das oberste Steuerorgan dar und ist Sitz des Bewusstseins, der Sprache, der Emotionen, des Denkens, Lernens und Erinnerns.
Das zentrale Nervensystem ermöglicht eine komplexe Informationsverarbeitung und eine präzise Steuerung von Körperfunktionen.
Spezialisierungen des Nervensystems
Im Laufe der Evolution haben sich verschiedene Spezialisierungen des Nervensystems entwickelt, die es Tieren ermöglichen, sich an ihre spezifischen Lebensbedingungen anzupassen.
Sinnesorgane
Sinnesorgane sind spezialisierte Strukturen, die es Tieren ermöglichen, Reize aus ihrer Umwelt wahrzunehmen. Dazu gehören Augen, Ohren, Nase, Zunge und Haut. Die Sinnesorgane wandeln die Reize in elektrische Signale um, die dann vom Nervensystem verarbeitet werden.
Gehirn
Das Gehirn ist das zentrale Organ des Nervensystems und für die Verarbeitung von Informationen, die Steuerung von Verhaltensweisen und die Speicherung von Erinnerungen verantwortlich. Die Größe und Komplexität des Gehirns variieren stark zwischen den verschiedenen Tierarten.
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Neuronale Plastizität
Neuronale Plastizität ist die Fähigkeit des Nervensystems, sich im Laufe der Zeit zu verändern und anzupassen. Diese Fähigkeit ist wichtig für das Lernen, die Gedächtnisbildung und die Anpassung an veränderte Umweltbedingungen.
Das menschliche Nervensystem
Das menschliche Nervensystem ist eines der komplexesten und faszinierendsten Systeme des Körpers. Es steuert und koordiniert nahezu alle Körperfunktionen, von der Atmung und Verdauung über die Bewegung bis hin zum Denken, Fühlen und Erinnern. In seiner Komplexität und Leistungsfähigkeit übertrifft es jedes bisher entwickelte technische System. Es ist ein biologischer Supercomputer, der Tag und Nacht im Einsatz ist, ohne dass wir uns dessen immer bewusst sind. Ohne das Nervensystem wäre keine Interaktion mit der Umwelt möglich, kein Bewusstsein, keine gezielte Handlung, kurz gesagt: kein Leben, wie wir es kennen.
Das Nervensystem lässt sich nach verschiedenen Gesichtspunkten unterteilen, vor allem nach seiner Lage im Körper und seiner Funktion. Die bekannteste und grundlegendste Einteilung unterscheidet zwischen dem zentralen Nervensystem (ZNS) und dem peripheren Nervensystem (PNS). Das zentrale Nervensystem umfasst das Gehirn und das Rückenmark. Es ist verantwortlich für die zentrale Verarbeitung von Reizen, die aus der Körperperipherie eintreffen, und für die Koordination aller motorischen, sensorischen und vegetativen Funktionen.
Das periphere Nervensystem besteht aus sämtlichen Nerven, die außerhalb von Gehirn und Rückenmark liegen. Es verbindet das ZNS mit Organen, Muskeln, Haut und Sinnesorganen. Dazu zählen die Hirnnerven (mit Ursprung im Gehirn) und die Spinalnerven (mit Ursprung im Rückenmark). Auch im PNS gibt es Ansammlungen von Nervenzellkörpern, sogenannte Ganglien, die insbesondere im vegetativen Nervensystem eine wichtige Rolle spielen.
Das somatische Nervensystem ermöglicht bewusste Wahrnehmung und willkürliche Bewegungen. Es steuert die Skelettmuskulatur und ist für die Weiterleitung von sensorischen Informationen aus der Umwelt - wie etwa Berührung, Temperatur oder Schmerz - verantwortlich. Das vegetative Nervensystem reguliert die unwillkürlichen Körperfunktionen, wie Atmung, Verdauung, Stoffwechsel oder Herzschlag. Es agiert unabhängig vom bewussten Willen und funktioniert weitgehend autonom.
Erkrankungen des Nervensystems
Das Nervensystem kann von einer Vielzahl angeborener und erworbener Erkrankungen betroffen sein. Viele davon beeinträchtigen die Lebensqualität erheblich oder führen zu dauerhaften Behinderungen.
- Schlaganfall (Apoplex): Eine plötzliche Durchblutungsstörung im Gehirn führt zu neurologischen Ausfällen.
- Morbus Parkinson: Eine neurodegenerative Erkrankung mit Untergang dopaminerger Neurone in der Substantia nigra.
- Multiple Sklerose (MS): Eine chronisch-entzündliche Erkrankung des ZNS mit Entmarkung von Axonen.
Forschung zum Nervensystem
Die Erforschung des Nervensystems ist ein wichtiges Gebiet der biologischen Forschung. Ziel ist es, die komplexen Funktionen des Nervensystems besser zu verstehen und neue Therapien für neurologische Erkrankungen zu entwickeln.
Ein unerwartetes Ergebnis der vergleichenden Entwicklungsbiologie und Genomforschung ist, dass tierische Organismen offenbar schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Evolution über ein erstaunlich großes Repertoire von Genen verfügten, mit dem sie die Entwicklung des Körperbaus steuern. Auf der Suche nach solchen Genen haben wir die Nesseltiere als wichtigste Vertreter einfacher vielzelliger Organismen ausgewählt, deren gestaltbildenden Gene untersucht und mit denen höher entwickelter Tiere verglichen.
Eine Schlüsselrolle spielen die so genannten Wnt-Gene. Bei diesen Genen handelt es sich um eine Gruppe von Entwicklungsgenen, die bei allen Tieren dafür verantwortlich sind, dass sich eine Körperachse ausbildet und die jeweiligen Organe sowie das Nervensystem heranreifen. Die Gene liefern mit Zucker bestückte Signalmoleküle (Glykoproteine). Diese Moleküle beauftragen ihre Zielzellen, sich in eine bestimmte Richtung zu entwickeln.
Bei der Seeanemone Nematostella vectensis fanden wir zwölf Wnt-Genfamilien, was in mehrfacher Hinsicht erstaunlich ist: Die einfachen Nesseltiere besitzen damit mehr Wnt-Entwicklungsgene als manch höher entwickelte Tiere, etwa Insekten oder Fadenwürmer (Nematoden), die nur über sieben Gruppen dieser gestaltgebenden Erbanlagen verfügen. Anders als bisher angenommen, scheint es also keinen direkten Zusammenhang zwischen der Anzahl der Gene und der morphologischen Komplexität tierischer Organismen zu geben. Säugetiere, der Mensch eingeschlossen, besitzen wie die Nesseltiere zwölf Wnt-Gengruppen, wobei bei Säugern mindestens eines der Entwicklungsgene während der Evolution verlorengegangen und durch ein neues ersetzt worden ist. Bei Protozoen, die nur aus einer einzigen Zelle bestehen, und bei Organismen, die wie Schleimpilze zwar Zellkolonien bilden, sich aber nicht zu echten Vielzellern entwickeln, sind bisher kein Wnt-Gene nachgewiesen worden. Das Auftreten dieser Gene vor rund 650 Millionen Jahren dürfte die Voraussetzung für das Entstehen von Vielzellern gewesen sein.
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