Reizweiterleitung im Auge, peripheren und zentralen Nervensystem: Ein umfassender Überblick

Das menschliche Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das für die Reizaufnahme, Reizverarbeitung und Reizweiterleitung zuständig ist. Es ist eines der wichtigsten Bestandteile des menschlichen Körpers. Stell dir vor, alle Nervenfasern des Menschen würden hintereinander aufgereiht - das ergäbe eine Strecke von etwa 780.000 Kilometern. Diese enorme Länge, fast identisch mit der Entfernung von der Erde zum Mond und zurück, verdeutlicht die Leistungsfähigkeit unseres Nervensystems. Das Gehirn fungiert als Schaltzentrale, die alle eingehenden und ausgehenden Informationen sammelt, bewertet und verarbeitet. Es ermöglicht uns, auf äußere Reize zu reagieren und steuert gleichzeitig unsere körpereigenen Funktionen.

Die Bestandteile des Nervensystems

Das Nervensystem lässt sich grob in zwei Hauptbereiche unterteilen:

• Zentrales Nervensystem (ZNS): Es besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Es umfasst alle Nervenbahnen, die vom Rückenmark in die verschiedenen Körperregionen ziehen.

Das periphere Nervensystem wird funktionell weiter untergliedert in das vegetative (autonome) und das somatische Nervensystem.

Zentrales Nervensystem (ZNS)

Das zentrale Nervensystem, bestehend aus Gehirn und Rückenmark, ist die Kommandozentrale des Körpers. Gehirn und Rückenmark werden von den afferenten (= hinführenden) Nerven mit Sinneseindrücken aus der Außenwelt oder Signalen von den inneren Organen versorgt. Im Normalfall werden diese vom Rückenmark zum Gehirn weitergeleitet, das als eine Art oberster Befehlshaber entscheidet, was nun zu tun ist. Im Gehirn werden Informationen ausgewertet, verknüpft und bei Bedarf Reaktionen ausgelöst. Es sendet elektrische Signale aus, um Körperbewegungen auszulösen oder die Funktion der inneren Organe zu regulieren. Denken, lachen, lesen und lernen - all diese Prozesse halten das Gehirn permanent auf Trab und bringen die Neuronen dazu, unzählige Impulse durch das Netzwerk zu schicken.

Das Gehirn besteht aus etwa 86 Milliarden Neuronen, manche Experten schätzen die Zahl auch auf bis zu 1 Billion. Die einzelnen Nervenzellkörper sind maximal 150 Mikrometer (µm) groß. Die komplexen Funktionen des Nervensystems, wie Wahrnehmung, Denken, Gedächtnis, Bewegungskoordination und viele andere kognitive und motorische Prozesse, werden durch Neuronen ermöglicht.

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Es gibt zwei Gehirnhälften, die gemeinsam arbeiten: Rechts steuert links und umgekehrt - die beiden Teile des Gehirns arbeiten gewissermaßen spiegelverkehrt. Die linke Hemisphäre ist für die rechte Körperhälfte zuständig, der rechte Hirnabschnitt für die linke Seite. Die beiden Hemisphären sind über eine Brücke (Corpus callosum) miteinander verbunden, über die Informationen ausgetauscht werden können. Dies ist absolut notwendig, denn keine Hirnhälfte kann vollkommen für sich allein agieren. Teamwork ist ein Muss!

Peripheres Nervensystem (PNS)

Das periphere Nervensystem (PNS) verbindet das zentrale Nervensystem (ZNS) mit den Organen, Muskeln und der Haut. Es besteht aus Nerven, die außerhalb des Gehirns und des Rückenmarks liegen. Das PNS ist für die Übertragung von sensorischen Informationen zum ZNS und für die Übertragung von motorischen Befehlen vom ZNS zu den Muskeln und Drüsen verantwortlich.

Das PNS lässt sich in zwei Haupttypen unterteilen:

• Somatisches Nervensystem: Dieser Teil des peripheren Nervensystems können wir bewusst steuern. Er hilft uns immer dort, wo Bewegung notwendig ist, also zum Beispiel beim Laufen oder bei komplexen Bewegungsabläufen wie sie unserem Körper beim Sport abverlangt werden (zum Beispiel der Aufschlag beim Tennis oder auch Yoga-Übungen). Dabei kommt es immer zu einem Zusammenspiel von sensorischen und motorischen Nerven. Das somatische Nervensystem steuert die willkürlichen Bewegungen des Körpers. Es besteht aus Nerven, die Skelettmuskeln aktivieren.

• Autonomes (vegetatives) Nervensystem: Das vegetative Nervensystem arbeitet unanhängig vom menschlichen Willen, also autonom. Es sorgt zum Beispiel dafür, dass Mahlzeiten verdaut und Hormone ausgeschüttet werden. Das vegetative Nervensystem steuert unwillkürliche Funktionen wie Herzschlag, Atmung, Verdauung und Stoffwechsel.

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  Zwei wichtige Teile des vegetativen Nervensystems sind die beiden Gegenspieler Sympathikus und Parasympathikus. Was beide gemeinsam haben, ist die Tatsache, dass wir sie nicht bewusst steuern können - die Reaktionen laufen unwillkürlich ab. Beide Systeme sind uralte Schutzmechanismen für unseren Körper, die uns helfen, in Gefahrensituationen schnell zu handeln. Nehmen wir das Beispiel eines unserer Vorfahren, der auf der Jagd von einem Säbelzahntiger überrascht wird. Er hat nun zwei Möglichkeiten: Entweder kämpft er gegen das Tier oder er flieht (Fight-or-Flight). In beiden Fällen muss der Körper rasch mit Energie versorgt werden. Dies ist die Aufgabe des Sympathikus, der beispielsweise unsere Atmung beschleunigt, sodass mehr Sauerstoff zu den Muskeln gelangt, und die Energiegewinnung antreibt. Hat der Ur-Mensch den Säbelzahntiger dann besiegt oder ist er erfolgreich geflüchtet, kann er sich anschließend ausruhen. Nun wird der Parasympathikus aktiv und sorgt dafür, dass der Körper sich entspannen kann. Auch in der heutigen Zeit greifen diese Mechanismen: Vor einem wichtigen beruflichen Termin oder einer Prüfung ist der Sympathikus aktiv, danach der Parasympathikus.

Neuronen: Die Bausteine des Nervensystems

Neuronen, auch Nervenzellen genannt, sind die grundlegenden Funktionseinheiten des Nervensystems. Sie sind spezialisierte Zellen, die elektrische Signale empfangen, verarbeiten und weiterleiten können. Neuronen ermöglichen die Kommunikation zwischen verschiedenen Teilen des Nervensystems und koordinieren so körperliche und geistige Prozesse.

Aufbau eines Neurons

Ein Neuron besteht typischerweise aus folgenden Teilen:

• Zellkörper (Soma): Das runde oder ovale Zentrum der Zelle, das den Zellkern enthält.
• Dendriten: Kurze, verzweigte Fortsätze, die vom Soma ausgehen und Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren empfangen. Sie sind vergleichbar mit Empfangsantennen.
• Axonhügel: Der Bereich zwischen dem Soma und dem Axon.
• Axon: Ein langer Fortsatz, der vom Soma ausgeht und Signale von diesem wegtransportiert. Es fungiert gewissermaßen als Sendemast und kann über einen Meter lang sein. Über das Axon können Impulse an andere Zellen weitergeleitet werden.
• Myelinscheide: Eine isolierende Schicht, die das Axon umgibt und die Geschwindigkeit der Signalübertragung erhöht. Sie besteht überwiegend aus Lipiden und Proteinen. Axon und Hülle zusammen bilden eine (markhaltige) Nervenfaser.Die nicht isolierten schmalen Lücken zwischen den einzelnen Myelinscheiden eines Axons werden Ranviersche Schnürringe genannt. Bei der Reizweiterleitung entlang des Axons "springen" die elektrischen Impulse von Schnürring zu Schnürring (die Bereiche dazwischen sind, wie erwähnt, durch die Myelinscheiden elektrisch isoliert). Die Erregungsleitung wird dadurch deutlich beschleunigt, sie liegt bei etwa 100 Metern pro Sekunde - im Vergleich zu 10 Metern pro Sekunde bei Nervenzellen ohne Myelinschicht.
• Synapsen: Kontaktstellen zwischen Neuronen oder zwischen Neuronen und Muskelzellen, an denen die Signalübertragung stattfindet. Die Kontaktstellen zwischen den einzelnen Neuronen nennt man Synapsen. Sie übertragen die Informationsreize von einer Zelle auf die nächste. So können Nervenimpulse beispielsweise dem Bizeps im Oberarm "befehlen", sich zu kontrahieren - damit die Hand den Kaffeebecher zum Mund führen kann.

Reizweiterleitung im Neuron

1. Empfang von Signalen: Dendriten empfangen elektrische Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren.
2. Informationsverarbeitung: Die eingehenden Signale werden im Soma analysiert und summiert.
3. Aktionspotenzial: Wenn die Summe der eingehenden Signale einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotenzial ausgelöst. Aktionspotenziale entstehen grob gesagt durch den Einstrom positiv geladener Ionen. Dies führt zu einer rapiden Umkehrung des Membranpotenzials, sodass die Innenseite der Zelle nun positiver geladen ist, als die Außenseite.
4. Weiterleitung des Aktionspotenzials: Das Aktionspotenzial wird entlang des Axons weitergeleitet.
5. Signalübertragung an der Synapse: An der Synapse wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Oft führt das Signal zur Ausschüttung von Neurotransmittern Diese Neurotransmitter werden anschließend in den synaptischen Spalt freigesetzt und binden an spezifische Rezeptoren auf der Membran der Zielzelle.

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.

Klassifikation von Neuronen

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.

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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.

Reiz-Reaktions-Schema

Das Reiz-Reaktions-Schema beschreibt, wie ein Reiz von deinem Körper aufgenommen und zu einer Reaktion verarbeitet wird. Du nennst den Ablauf auch Reiz-Reaktions-Kette.

1. Reiz: Ein Reiz ist eine Veränderung in der Umgebung, die von einem Sinnesorgan wahrgenommen wird (z.B. Licht, Schall, Wärme, Druck).
2. Reizaufnahme und -umwandlung: Die Sinneszellen der Sinnesorgane sind für die Wahrnehmung der Reize zuständig. Dabei nimmt jedes Sinnesorgan ganz bestimmte und unterschiedliche Reize auf. Bei der Reizumwandlung löst der Reiz ein elektrisches Signal aus.
3. Erregungsweiterleitung: Das Signal wird von den sensorischen Nerven weitergeleitet.
4. Erregungsverarbeitung: Die Informationen werden im Gehirn oder Rückenmark verarbeitet.
5. Erregungsweiterleitung: Das Signal wird von den motorischen Nerven zum Zielorgan (Muskel oder Drüse) weitergeleitet.
6. Reaktion: Im letzten Schritt erhält das Zielorgan (Muskel) seinen Befehl und reagiert.

Beispiele für das Reiz-Reaktions-Schema

• Beispiel 1: Dir wird ein Ball zugeworfen. Deine Augen (Sinnesorgane) nehmen den heranfliegenden Ball (Reiz) wahr. Die Information über den Ball löst ein elektrisches Signal aus. Daraufhin leiten die sensorischen Nerven das elektrische Signal weiter an dein Gehirn. Dein Gehirn verarbeitet die Information und sendet ein Signal, um eine Reaktion hervorzurufen. Das Signal gelangt über die motorischen Nerven weiter an die Muskeln (Zielorgane) in den Armen und Beinen.
• Beispiel 2: Du verbrennst dich an einer Herdplatte. Die Sinneszellen deiner Haut erfassen die Hitze (Reiz). Das Signal wird ausgelöst. Anschließend leiten deine sensorischen Nerven die Erregung weiter an dein Rückenmark. Dein Rückenmark verschaltet die Information. Die Antwortreaktion wird von den motorischen Nerven an deine Muskeln im Arm weitergegeben.
• Beispiel 3: Jemand ruft deinen Namen. Die Schallwellen des Rufs (Reiz) reizen die Sinneszellen in deinem Ohr. Daraufhin löst der Reiz ein elektrisches Signal aus. Die sensorischen Nerven leiten das Signal an dein Gehirn weiter. Nun kann dein Gehirn die Informationen verarbeiten. Danach geben deine motorischen Nerven die Antwort weiter.
• Beispiel 4: Dir fliegt ein Staubkorn ins Auge. Du blinzelst. Der Staubkorn reizt das Auge. Der Reiz löst ein elektrisches Signal aus, das über die sensorischen Nerven weitergeleitet. Die Informationen werden im Rückenmark verschaltet. Danach wird eine Reaktion als Signal über die motorischen Nerven an das Augenlid geleitet.

Reflexe vs. bewusste Handlungen

Bei der Wahrnehmung eines äußeren Reizes antwortet dein Körper mit einer Reaktion. Bewusste Handlungen sind Reaktionen, die du mit deinem Willen steuerst. Du nimmst den Reiz also bewusst wahr und wählst daraufhin eine Handlungsoption aus. Stelle dir vor, ein Ball fliegt auf dich zu.

Reflexe sind Reaktionen, die unbewusst passieren, also automatisch, ablaufen. Wenn du beim Stolpern mit deinem Fuß hängen bleibst, dann schießt automatisch dein Unterschenkel nach vorne. Dieser Reflex schützt dich vorm Hinfallen. Wichtig: Reflexe haben die Aufgabe, dich vor Gefahren zu schützen. Deshalb müssen sie möglichst schnell ausgelöst werden. Die Übertragung und Verschaltung vom Reiz zum Reflex darf also nicht zu lange dauern. Deswegen werden Reflexe im Vergleich zu den bewussten Handlungen nur im Rückenmark umgeschaltet.

Beispiele:

• Reflex: Du verbrennst dich an einer Herdplatte und ziehst deinen Arm zurück. Du stolperst und deine Beine machen dabei eine Bewegung nach vorne.
• Bewusste Handlung: Jemand ruft dich und du drehst dich um. Dir ist die Musik zu laut und du stellst sie leiser.

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