Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das es uns ermöglicht, Informationen zu verarbeiten, zu reagieren und zu interagieren. Eine entscheidende Rolle spielen dabei die Nervenzellen (Neuronen) und ihre Fortsätze, die Nervenfasern. Diese Nervenfasern lassen sich in zwei Haupttypen unterteilen: markhaltige (myelinisierte) und marklose (nicht-myelinisierte) Nervenfasern. Beide Typen sind für die Signalübertragung im Körper unerlässlich, unterscheiden sich jedoch in ihrer Struktur und Funktionsweise.
Was ist eine Nervenfaser?
Eine Nervenfaser ist eine lange, schnurähnliche Bahn und Teil der Nervenzelle. Das Axon, auch Neurit genannt, ist ein schlauchartiger Fortsatz der Nervenzelle, der für die Weiterleitung elektrischer Signale zuständig ist. Ein Axon zusammen mit seiner Hüllstruktur wird als Nervenfaser bezeichnet. Das Axon sieht aus wie ein langer Schlauch und kann bei Menschen von wenigen Millimetern bis zu einem Meter lang sein und hat einen relativ gleichbleibenden Durchmesser. Der Ursprung des Axons liegt am Zellkörper der Nervenzelle und wird als Axonhügel bezeichnet. Von dort bildet das Axon einen langen Strang, der in bäumchenartigen Verzweigungen - den Endknöpfchen - endet. An den Endknöpfchen befindet sich dann die Verbindungsstelle von einer zur nächsten Nervenzelle.
Aufbau und Funktion von Neuronen
Neuronen sind für die Weiterleitung von elektrischen Signalen zuständig. Dafür besitzen sie das Axon. Du kannst zwischen zwei Arten von Fortsätzen unterscheiden: umhüllte und nicht-umhüllte Axone. Die wichtigste Aufgabe des Axons ist also die Weiterleitung elektrischer Erregungen vom Zellkörper an das Ende der Nervenzelle. Die Nervenfasern leiten Empfindungsreize zum Gehirn (sensible Nervenfasern) oder Reize an die Muskulatur (motorische Nervenfasern).
Markhaltige Nervenfasern (myelinisierte)
Struktur und Myelinscheide
Bei markhaltigen Nervenfasern umhüllen spezielle Zellen, sogenannte Schwann'sche Zellen (im peripheren Nervensystem) oder Oligodendrozyten (im zentralen Nervensystem), das Axon mehrmals. Diese Umhüllung bildet die Myelinscheide, eine isolierende Schicht, die hauptsächlich aus Fetten (Lipiden) und Proteinen besteht. Die Myelinscheide ist nicht durchgehend, sondern wird in regelmäßigen Abständen von den Ranvierschen Schnürringen unterbrochen.
Funktion und saltatorische Erregungsleitung
Die Myelinscheide wirkt wie eine elektrische Isolierung und ermöglicht eine deutlich schnellere Erregungsweiterleitung im Vergleich zu nicht-myelinisierten Neuriten. Die spannungsgesteuerten Natrium-Kanäle befinden sich nur in der Membran der Ranvierschen Schnürringe. Nur dort können Aktionspotenziale entstehen. An dem Schnürring, an dem gerade ein Aktionspotenzial herrscht, hat das Membranpotenzial einen Wert von +30 mV. Am rechts benachbarten "stromaufwärts" liegenden Schnürring kann man in diesem Augenblick ein Membranpotenzial von vielleicht -50 mV messen. Das Membranpotenzial liegt also deutlich über dem Wert im Ruhezustand. Diese überschwellige Depolarisierung am benachbarten Schnürring reicht zur Induktion eines neuen Aktionspotenzials völlig aus. Das Aktionspotenzial "springt" also quasi von dem einen Schnürring zum nächsten Schnürring. Diese sprunghafte Weiterleitung, auch saltatorische Erregungsleitung genannt, erhöht die Geschwindigkeit der Signalübertragung erheblich (bis zu 120 m/s).
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Bedeutung für den Menschen
Markhaltige Nervenfasern sind für schnelle Reaktionen und präzise Bewegungen unerlässlich. Sie kommen im ganzen Körper vor und sind nicht nur für schnelle Bewegungen, sondern auch im Straßenverkehr für die Achtsamkeit und insbesondere für Reaktionen auf Gefahrensituationen notwendig.
Marklose Nervenfasern (nicht-myelinisierte)
Struktur
Im Gegensatz zu markhaltigen Nervenfasern wickeln sich bei marklosen Nervenfasern die Schwann'schen Zellen nur einfach um das Axon herum, ohne eine Myelinscheide zu bilden. Es fehlt die isolierende Myelinschicht.
Funktion und kontinuierliche Erregungsleitung
Da keine Myelinscheide vorhanden ist, erfolgt die Erregungsleitung kontinuierlich entlang des Axons. Das bedeutet, dass das Aktionspotenzial sich Schritt für Schritt entlang der gesamten Nervenfaser ausbreiten muss. Dies führt zu einer deutlich langsameren Leitungsgeschwindigkeit.
Vorkommen und Bedeutung
Marklose Nervenfasern kommen vorwiegend in wirbellosen Tieren vor, wo eine schnelle Reizweiterleitung nicht immer entscheidend ist. Beim Menschen finden sie sich beispielsweise im Magen-Darm-Trakt, wo langsame und kontinuierliche Prozesse ablaufen.
Vergleich: Markhaltige vs. Marklose Nervenfasern
| Merkmal | Markhaltige Nervenfaser | Marklose Nervenfaser |
|---|---|---|
| Myelinscheide | Vorhanden (gebildet durch Schwann'sche Zellen/Oligodendrozyten) | Nicht vorhanden |
| Erregungsleitung | Saltatorisch (sprunghaft) | Kontinuierlich |
| Leitungsgeschwindigkeit | Hoch (bis zu 120 m/s) | Niedrig (wesentlich langsamer) |
| Vorkommen | Überall im Körper, besonders für schnelle Reaktionen | Magen-Darm-Trakt, vorwiegend bei Wirbellosen |
| Energieverbrauch | Geringer (da weniger Ionenpumpen benötigt werden) | Höher (da Ionenpumpen entlang des gesamten Axons aktiv) |
Einfluss des Axondurchmessers auf die Leitungsgeschwindigkeit
Die Geschwindigkeit der Erregungsleitung hängt stark vom Durchmesser des Axons ab. Je dicker das Axon, desto schneller wird die Erregung weitergeleitet. Das liegt an der zunehmenden Oberfläche des Axons. Bei marklosen Axonen ist die Geschwindigkeit der Erregungsleitung der Quadratwurzel des Axondurchmessers proportional. Bei markhaltigen Axonen ist die Geschwindigkeit der Erregungsleitung dem Durchmesser des Axons proportional. Doppelter Durchmesser = doppelte Geschwindigkeit.
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Historischer Kontext: Hermann von Helmholtz
Ende des 19. Jahrhunderts konstruierte Hermann von Helmholtz eine Versuchsanordnung, mit der er die Geschwindigkeit der Erregungsleitung ziemlich genau bestimmen konnte. Er isolierte dazu einen Froschmuskel samt zuleitendem motorischen Nerv. Diesen Nerv reizte von Helmholtz elektrisch und maß dann die Zeit, die bis zum Zusammenzucken des Muskels verging. Seine Ergebnisse waren für die damalige Zeit beeindruckend und trugen wesentlich zum Verständnis der Nervenleitungsgeschwindigkeit bei.
Axonaler Transport und Schädigung
Abgesehen vom elektrischen Transport kann auch ein Stofftransport im Axon stattfinden, der als axonaler Transport bezeichnet wird. Dabei können Stoffe (z.B. Proteine) transportiert werden. Es kann aber auch passieren, dass die Neuriten ihre Funktion nicht mehr ausführen können. Zum Beispiel kann es infolge eines Unfalls zu einer axonalen Schädigung kommen. Die Durchtrennung von Axonen führt zur Degeneration (Abbau) von Teilen der betroffenen Neuronen. Sie können nur teilweise wieder nachwachsen, was zu Problemen in der Signalweiterleitung führen kann.
Fazit
Markhaltige und marklose Nervenfasern sind essenzielle Bestandteile des Nervensystems, die jeweils an ihre spezifischen Funktionen angepasst sind. Markhaltige Nervenfasern ermöglichen durch ihre Myelinscheide eine schnelle und effiziente Signalübertragung, während marklose Nervenfasern in Bereichen eingesetzt werden, in denen eine hohe Geschwindigkeit nicht erforderlich ist. Das Verständnis der Unterschiede zwischen diesen beiden Typen von Nervenfasern ist entscheidend für das Verständnis der komplexen Funktionsweise des Nervensystems.
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