Reizweiterleitung in der Nervenzelle: Eine einfache Erklärung

Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die fundamentalen Einheiten des Nervensystems und spielen eine entscheidende Rolle bei der Reizweiterleitung im Körper. Sie ermöglichen es uns, auf unsere Umwelt zu reagieren, Informationen zu verarbeiten und Bewegungen auszuführen. Wenn wir beispielsweise eine rote Ampel sehen, bleiben wir stehen. Dieser scheinbar einfache Vorgang beruht auf der komplexen Reizweiterleitung durch Nervenzellen.

Aufbau einer Nervenzelle

Eine Nervenzelle besteht aus verschiedenen Abschnitten, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen:

• Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und ist das Stoffwechselzentrum der Zelle.
• Dendriten: Verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen und zum Zellkörper weiterleiten. Die Dendriten der Nervenzelle leiten den Reiz zum Zellkörper weiter.
• Axonhügel: Übergangszone zwischen Zellkörper und Axon, in dem elektrische Signale gesammelt und summiert werden, bis ein Schwellenpotential erreicht ist. Erst dann wird ein Signal an das Axon weitergeleitet. Das verhindert, dass unser Körper jedes kleinste Signal weiterleitet.
• Axon (Neurit): Langer Fortsatz, der Aktionspotentiale zu anderen Nerven- oder Muskelzellen weiterleitet. Der lange Fortsatz der Nervenzelle, der aus dem Axonhügel hervorgeht, heißt Axon oder Neurit. Die Aufgabe des Axons ist die Weiterleitung der Aktionspotentiale zu Nerven- oder Muskelzellen.
• Myelinscheide: Isolierende Schicht um das Axon, die die Geschwindigkeit der Reizweiterleitung erhöht. Damit die Weiterleitung der elektrischen Signale möglichst schnell und ohne Verluste funktioniert, ist das Axon sozusagen wie ein elektrisches Kabel isoliert. Dazu wird der Fortsatz durch Stütz- oder Hüllzellen umhüllt.
• Ranviersche Schnürringe: Nicht-isolierte Bereiche des Axons zwischen den Myelinscheiden, an denen Aktionspotentiale entstehen. Den nicht-umhüllten Bereich eines Axons nennst du Ranvierschen Schnürring.
• Synaptische Endknöpfchen:Ende des Axons, an dem das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt und an die nächste Zelle übertragen wird. Das elektrische Signal wird hier auf die nächste Nervenzelle oder zum Beispiel auf eine Sinnes- oder Muskelzelle übertragen. Dazu wird das elektrische Signal meist in ein chemisches Signal umgewandelt.
• Synapse: Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und einer Muskel- oder Drüsenzelle. Die Verbindung am Ende einer Nervenzelle mit einer anderen Zelle nennst du Synapse. In den meisten Fällen sind das chemische Synapsen.

Reizweiterleitung: Vom Reiz zum Signal

Wenn wir beispielsweise etwas berühren, erfährt unser Körper einen Reiz. Dieser Reiz wird von den Dendriten der Nervenzelle aufgenommen und zum Zellkörper weitergeleitet. Ist die Erregung stark genug, entsteht am Axonhügel ein Aktionspotential.

Das Aktionspotential

Das Aktionspotential ist ein elektrisches Signal, das sich entlang des Axons ausbreitet. Es entsteht durch eine Veränderung des Membranpotentials der Nervenzelle.

1. Ruhepotential: Im Ruhezustand ist das Innere der Nervenzelle negativ geladen. Das Ruhepotential einer Nervenzelle ist ein grundlegender Zustand, bei dem eine Potenzialdifferenz zwischen dem Inneren und Äußeren der Zelle besteht. Die Membran der Nervenzelle ist selektiv permeabel, was bedeutet, dass sie für verschiedene Ionen unterschiedlich durchlässig ist. Das Ruhepotential entsteht durch die Wanderung bestimmter Ionen durch die Membran, was zu einer Ladungsdifferenz zwischen dem Innen- und Außenraum der Nervenzelle führt.
2. Depolarisation: Durch einen Reiz öffnen sich Natriumkanäle, und Natriumionen strömen in die Zelle ein. Dadurch wird das Innere der Zelle positiver. Das Membranpotential wird durch einen ankommenden Reiz positiver. Ist der Reiz stark genug, wird der Schwellenwert überschritten.
3. Repolarisation: Nach kurzer Zeit schließen sich die Natriumkanäle, und Kaliumkanäle öffnen sich. Kaliumionen strömen aus der Zelle heraus, wodurch das Innere wieder negativer wird. K+ Ionen diffundieren durch die Ionenkanäle in den Extrazellularraum. Auch die K+ Kanäle schließen sich wieder, jedoch dauert dies länger als das Schließen der Na+ Kanäle.
4. Hyperpolarisation: Kurzzeitig ist das Membranpotential negativer als im Ruhezustand.
5. Wiederherstellung des Ruhepotentials: Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert Natriumionen aus der Zelle und Kaliumionen in die Zelle, um das Ruhepotential wiederherzustellen. Die Natrium Kalium Pumpe sorgt dafür, dass die Na+ Ionen wieder in den Extrazellularraum befördert werden. Damit kehrt die Nervenzelle in den Zustand des Ruhepotentials zurück.

Die Stärke des Aktionspotentials hängt nicht von der Stärke des ursprünglichen Reizes ab. Jedes Aktionspotential läuft gleich ab, sobald der Schwellenwert erreicht ist (Alles-oder-Nichts-Prinzip). Dabei ist zu beachten, dass die Stärke des Aktionspotentials nicht von der Stärke des ursprünglichen Reizes abhängt.

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Refraktärzeit

Nach einem Aktionspotential kann für kurze Zeit kein neues Aktionspotential ausgelöst werden. Diese Zeit nennt man Refraktärzeit. Nach dem Erreichen des Schwellenpotentials kann für die Dauer des Aktionspotentials kein weiteres Aktionspotential ausgelöst werden. Diese Zeitperiode nennt man Refraktärzeit.

Erregungsleitung: Saltatorisch oder kontinuierlich

Die Geschwindigkeit, mit der sich ein Aktionspotential entlang des Axons ausbreitet, hängt von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere von der Myelinisierung des Axons.

• Saltatorische Erregungsleitung: Bei myelinisierten Axonen "springt" das Aktionspotential von einem Ranvierschen Schnürring zum nächsten. Das ermöglicht eine sehr schnelle Reizweiterleitung. Die isolierende Schicht an markhaltigen Nervenfasern wird von Ranvier’schen Schnürringen unterbrochen.
• Kontinuierliche Erregungsleitung: Bei nicht-myelinisierten Axonen breitet sich das Aktionspotential kontinuierlich entlang des Axons aus. Diese Art der Reizweiterleitung ist langsamer. Eine marklose Nervenfaser ist ein Axon ohne Myelinscheiden. Hier findet die kontinuierliche Erregungsleitung statt. Das bedeutet, dass die Erregung fortlaufend, am gesamten Axon entlang, weitergeleitet wird.

Synaptische Übertragung: Vom elektrischen zum chemischen Signal

Am Ende des Axons, an den synaptischen Endknöpfchen, wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Dazu setzen die Endknöpfchen Neurotransmitter in den synaptischen Spalt frei. Die Moleküle binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran der nächsten Zelle und lösen dort ein neues elektrisches Signal aus. An der chemischen Synapse wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Dazu setzen die synaptischen Endknöpfchen chemische Moleküle (Neurotransmitter) in den synaptischen Spalt frei. Die Moleküle binden an Rezeptoren auf der anderen Seite des Spalts. Das führt zur Entstehung eines elektrischen Signals in der nächsten Zelle.

Arten von Synapsen

Es gibt zwei Haupttypen von Synapsen:

• Chemische Synapsen: Die Übertragung der Erregung erfolgt durch Neurotransmitter. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Die Übertragung der Erregung erfolgt durch einen Neurotransmitter, einem chemischen Botenstoff. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor und wird in diesem Kapitel behandelt.
• Elektrische Synapsen: Die Übertragung der Erregung erfolgt direkt über Ionenkanäle. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Die Übertragung der Erregung erfolgt an zwei eng aneinanderliegenden Membranen über spezielle Ionenkanäle, den Konnexionen. Es findet ein direkter Austausch von Ladungsträgern statt, die zur Erzeugung eines Aktionspotentials führen. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Die Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist.

Neurotransmitter

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an den Synapsen freigesetzt werden und die Erregung von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen. Es gibt verschiedene Arten von Neurotransmittern, die unterschiedliche Wirkungen haben können. Zu den bekannten Neurotransmittern gehören zum Beispiel Noradrenalin, Acetylcholin, Dopamin und Serotonin.

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Funktion der Synapse

Synapsen sorgen für die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer in chemische Information erfolgt. Eine Synapse bildet das Verbindungsstück, über das eine Nervenzelle mit anderen Zellen (weitere Nervenzellen, aber auch Sinneszellen, Drüsenzellen, Muskelzellen) in Kontakt steht. Synapsen sorgen auch für die Reiz-/Erregungsweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer Informationen in chemische Information erfolgt.

Die Rolle von Gliazellen

Gliazellen sind spezielle Zellen, die die Nervenzellen umgeben, schützen und versorgen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Funktion des Nervensystems. Gliazellen spielen eine entscheidende Rolle im Nervensystem. Sie umgeben die Nervenzellen, schützen sie und vermitteln ihre Versorgung mit Nährstoffen und Sauerstoff.

Störungen der Reizweiterleitung

Störungen der Reizweiterleitung können zu verschiedenen neurologischen Erkrankungen führen. Ein Beispiel ist die Multiple Sklerose, bei der die Myelinscheiden der Nervenfasern abgebaut werden. Bei der Multiplen Sklerose werden die Myelinscheiden der Nervenfasern teilweise oder vollständig abgebaut. Diese sind in gesunden Fasern für die Isolierung der Axone zuständig. Wird diese verringert, erhöht sich zum einen die Gefahr von Leckströmen und zum anderen die Anziehung von Ionen zwischen dem Cytoplasma und der Zwischenzellflüssigkeit. Beide Faktoren führen zu einer Reduktion der Erregungsleitgeschwindigkeit. Multiple Sklerose ist eine Autoimmunerkrankung.

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