Reizweiterleitung in der Nervenzelle: Eine einfache Erklärung

Die Reizweiterleitung in Nervenzellen ist ein fundamentaler Prozess für die Funktion des Nervensystems. Sie ermöglicht es uns, schnell auf Reize zu reagieren, Informationen zu verarbeiten und Handlungen auszuführen. Dieser Artikel bietet eine verständliche Erklärung der Reizweiterleitung, von den Grundlagen der Nervenzellen bis zu den komplexen Mechanismen der Signalübertragung.

Grundlagen der Nervenzelle (Neuron)

Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die Bausteine des Nervensystems. Sie sind hochspezialisierte Zellen, die für die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Nervenimpulsen (Erregungsleitung) zuständig sind. Eine typische Nervenzelle besteht aus folgenden Hauptbestandteilen:

• Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und die Zellorganellen, die für die Funktion der Zelle notwendig sind.
• Dendriten: Feine, verzweigte Fortsätze des Zellkörpers, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen und zum Zellkörper weiterleiten. Sie bilden die Antennenregion der Nervenzelle.
• Axon (Neurit): Ein langer, dünner Fortsatz, der aus dem Axonhügel hervorgeht und elektrische Impulse (Aktionspotenziale) vom Zellkörper weg zu anderen Zellen leitet. Die Länge des Axons kann je nach Funktion variieren.
• Axonhügel: Der Übergang zwischen Zellkörper und Axon. Hier werden einkommende Signale gesammelt und verrechnet. Wenn ein bestimmter Schwellenwert überschritten wird, wird ein Aktionspotenzial ausgelöst.
• Schwannsche Zellen (oder Oligodendrozyten im ZNS): Hüll- und Stützzellen, die das Axon umgeben und eine isolierende Schicht bilden (Myelinscheide).
• Myelinscheide (Markscheide): Eine isolierende Schicht aus Schwannschen Zellen (im peripheren Nervensystem) oder Oligodendrozyten (im zentralen Nervensystem), die das Axon umgibt und die Geschwindigkeit der Erregungsleitung erhöht.
• Ranviersche Schnürringe: Unterbrechungen in der Myelinscheide, an denen das Axon frei liegt. Diese ermöglichen die saltatorische Erregungsleitung.
• Synaptische Endknöpfchen: Das Ende des Axons, wo das Signal auf die nächste Zelle übertragen wird. Hier erfolgt die Umwandlung des elektrischen Signals in ein chemisches Signal (Neurotransmitter).

Reizaufnahme und Weiterleitung innerhalb der Nervenzelle

Die Reizweiterleitung beginnt mit der Aufnahme eines Reizes durch die Dendriten. Ein Reiz kann unterschiedlicher Natur sein, z.B. eine Temperaturveränderung, ein visueller Reiz oder Schmerz. Die Dendriten stehen in Kontakt mit Sinneszellen oder anderen Nervenzellen und empfangen deren Signale.

Das Ruhepotential

Wenn kein Reiz anliegt, befindet sich die Nervenzelle im Ruhepotential. Das bedeutet, dass im Zellinneren eine negative elektrische Ladung herrscht, während außerhalb der Zelle eine positive Ladung vorherrscht. Diese Ladungsdifferenz wird durch die unterschiedliche Verteilung von Ionen (geladene Teilchen) innerhalb und außerhalb der Zelle aufrechterhalten.

• Kaliumionen (K+): Hohe Konzentration im Zellinneren. Kaliumkanäle ermöglichen den Ausstrom von K+-Ionen, wodurch das Zellinnere negativ geladen wird.
• Natriumionen (Na+): Hohe Konzentration außerhalb der Zelle.
• Chloridionen (Cl-): Hohe Konzentration außerhalb der Zelle.
• Organische Anionen (z.B. Eiweiße): Hohe Konzentration im Zellinneren. Diese können die Zellmembran nicht passieren und tragen zur negativen Ladung bei.

Das Ruhepotential wird durch verschiedene Transportmechanismen aufrechterhalten, insbesondere durch die Natrium-Kalium-Pumpe. Diese Pumpe transportiert Natriumionen aus der Zelle heraus und Kaliumionen in die Zelle hinein, wodurch die Ladungsdifferenz stabilisiert wird. Das Ruhepotential einer tierischen Nervenzelle beträgt etwa -75 mV.

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Das Aktionspotential

Wenn ein Reiz stark genug ist, um den Schwellenwert am Axonhügel zu überschreiten, wird ein Aktionspotential ausgelöst. Das Aktionspotential ist eine kurzzeitige, aber starke Veränderung des Membranpotentials, die sich entlang des Axons ausbreitet.

1. Depolarisation: Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, und Natriumionen strömen in die Zelle ein. Dadurch wird das Zellinnere positiv geladen.
2. Repolarisation: Kurz darauf schließen sich die Natriumkanäle, und Kaliumkanäle öffnen sich. Kaliumionen strömen aus der Zelle aus, wodurch das Zellinnere wieder negativ geladen wird.
3. Hyperpolarisation: Kurzzeitig kann das Membranpotential sogar negativer werden als das Ruhepotential.
4. Wiederherstellung des Ruhepotentials: Die Natrium-Kalium-Pumpe stellt die ursprüngliche Ionenverteilung wieder her.

Das Aktionspotential folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip: Wenn der Schwellenwert überschritten wird, läuft es immer in gleicher Weise ab, unabhängig von der Reizstärke. Die Frequenz der Aktionspotentiale (Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit) codiert die Stärke des Reizes.

Refraktärzeit

Nach einem Aktionspotential befindet sich die Nervenzelle in einer Refraktärzeit, in der sie nicht oder nur schwer erneut erregt werden kann.

• Absolute Refraktärzeit: Während dieser Zeit können sich die Natriumkanäle nicht erneut öffnen, unabhängig von der Stärke des Reizes.
• Relative Refraktärzeit: Während dieser Zeit ist ein stärkerer Reiz erforderlich, um ein Aktionspotential auszulösen.

Die Refraktärzeit verhindert, dass sich das Aktionspotential in die falsche Richtung ausbreitet und dass die Nervenzelle überlastet wird.

Reizweiterleitung entlang des Axons

Das Aktionspotential breitet sich entlang des Axons bis zu den synaptischen Endknöpfchen aus. Die Geschwindigkeit der Reizweiterleitung hängt von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere von der Myelinisierung des Axons.

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Kontinuierliche Erregungsleitung

In unmyelinisierten Axonen (marklose Nervenfasern) breitet sich das Aktionspotential kontinuierlich entlang des Axons aus. Die Depolarisation der Membran an einer Stelle führt zur Depolarisation der benachbarten Membranbereiche. Diese Art der Erregungsleitung ist relativ langsam und energieaufwendig. Sie findet sich vor allem in inneren Organen und Nozizeptoren (Schmerzrezeptoren).

Saltatorische Erregungsleitung

In myelinisierten Axonen springt das Aktionspotential von einem Ranvierschen Schnürring zum nächsten. Die Myelinscheide wirkt wie eine Isolierung und verhindert den Ionenfluss durch die Membran. An den Schnürringen ist das Axon unbedeckt, und hier können Aktionspotentiale entstehen. Diese Art der Erregungsleitung ist viel schneller und energieeffizienter als die kontinuierliche Erregungsleitung.

Die saltatorische Erregungsleitung ermöglicht eine rasche Signalübertragung über lange Strecken. Dies ist besonders wichtig für schnelle Reflexe und koordinierte Bewegungen.

Signalübertragung an der Synapse

An den synaptischen Endknöpfchen wird das elektrische Signal (Aktionspotential) in ein chemisches Signal umgewandelt. Die Synapsen sind spezialisierte Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, die der Signalübertragung dienen. Es gibt zwei Arten von Synapsen:

Elektrische Synapsen

Bei elektrischen Synapsen erfolgt die Signalübertragung direkt über Gap Junctions, kleine Proteinkanäle, die beide Zellen verbinden. Dies ermöglicht eine sehr schnelle, bidirektionale Signalübertragung. Der synaptische Spalt ist hier sehr klein (3,5 nm). Elektrische Synapsen finden sich vor allem dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist.

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Chemische Synapsen

Bei chemischen Synapsen wird das Signal über Neurotransmitter übertragen. Wenn ein Aktionspotential an den synaptischen Endknöpfchen ankommt, öffnen sich Calciumkanäle, und Calciumionen strömen in die Zelle ein. Dies löst die Freisetzung von Neurotransmittern aus synaptischen Vesikeln in den synaptischen Spalt aus.

Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran (der Membran der Empfängerzelle). Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren führt zu einer Veränderung des Membranpotentials der postsynaptischen Zelle.

• Erregende Synapsen (EPSP): Die Bindung des Neurotransmitters führt zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran, wodurch die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird.
• Hemmende Synapsen (IPSP): Die Bindung des Neurotransmitters führt zu einer Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird.

Die Neurotransmitter werden nach der Signalübertragung entweder abgebaut oder wieder in die präsynaptische Zelle aufgenommen (Reuptake), um den synaptischen Spalt zu säubern und die Signalübertragung zu beenden.

Neurotransmitter und ihre Funktion

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die für die Signalübertragung an den Synapsen verantwortlich sind. Es gibt eine Vielzahl von Neurotransmittern mit unterschiedlichen Funktionen. Einige Beispiele sind:

• Acetylcholin: Wichtig für Muskelkontraktion, Gedächtnis und Lernen.
• Noradrenalin: Beteiligt an Aufmerksamkeit, Wachheit und Stressreaktionen.
• Dopamin: Spielt eine Rolle bei Bewegung, Motivation und Belohnung.
• Glutamat: Der wichtigste erregende Neurotransmitter im Gehirn.
• GABA: Der wichtigste hemmende Neurotransmitter im Gehirn.

Synapsengifte

Synapsengifte können die Signalübertragung an den Synapsen erheblich beeinflussen. Sie wirken auf verschiedene molekulare Mechanismen und können die Funktion der Nervenzellen stören.

• Conotoxin: Blockiert Calciumkanäle und verhindert die Freisetzung von Neurotransmittern.
• Nicotin: Immitiert Acetylcholin und aktiviert bestimmte Rezeptoren dauerhaft.

Das Verständnis der Wirkmechanismen von Synapsengiften ist wichtig für die Entwicklung neuer Therapieansätze.

Das Reiz-Reaktions-Schema

Das Reiz-Reaktions-Schema beschreibt den Weg eines Reizes von der Aufnahme bis zur Reaktion.

1. Reizaufnahme: Ein Reiz wird über ein Sinnesorgan aufgenommen und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
2. Signalweiterleitung: Das elektrische Signal wird über sensorische Nerven zum Gehirn weitergeleitet.
3. Signalverarbeitung: Im Gehirn wird das Signal verarbeitet und ausgewertet.
4. Reaktionsauslösung: Das Gehirn sendet ein Signal über motorische Nerven zu den Muskeln oder Drüsen, um eine Reaktion auszulösen.

Gliazellen: Die Helfer der Nervenzellen

Gliazellen sind spezialisierte Zellen, die Nervenzellen umgeben, schützen und versorgen. Sie spielen eine entscheidende Rolle für die Funktion des Nervensystems.

• Astrozyten: Unterstützen die Nervenzellen, regulieren den Stofftransport und bilden die Blut-Hirn-Schranke.
• Oligodendrozyten (im ZNS) und Schwannsche Zellen (im peripheren Nervensystem): Bilden die Myelinscheide um die Axone.
• Mikroglia: Immunzellen des Gehirns, die Zelltrümmer und Krankheitserreger beseitigen.

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