Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das es uns ermöglicht, mit unserer Umwelt in Kontakt zu treten und auf sie zu reagieren. Es besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem sensorischen und dem motorischen Nervensystem.
Sensorisches Nervensystem: Wahrnehmung der Umwelt
Das sensorische Nervensystem ist für die Aufnahme von Reizen aus der Umwelt und die Weiterleitung dieser Informationen an das Zentralnervensystem (ZNS) verantwortlich. Augen, Ohren, Nase, Zunge und Sensoren in der Haut (Temperatur- und Berührungssensoren) spielen hierbei eine zentrale Rolle. Auch Informationen über den Zustand des eigenen Körpers, wie Körperhaltung oder Hunger und Durst, werden registriert. Sensorische Nervenzellen leiten Informationen von Sinnesorganen zum Gehirn.
Sensorische Fasern
Sensorische Fasern leiten Wahrnehmungen wie Sehen, Hören, Geschmacks- und Geruchssinn sowie das Gleichgewicht weiter. Sensible Fasern hingegen leiten Wahrnehmungen des Tastens wie Druck, Berührung, Vibration, Schmerz und Temperatur.
Motorisches Nervensystem: Reaktion auf Reize
Das motorische Nervensystem ermöglicht es dem Organismus, auf Signale aus der Umwelt oder dem Körper selbst zu reagieren. Es steuert die Muskulatur und ermöglicht uns so, Handlungen auszuführen und uns in der Umwelt zu bewegen. Motorische Nervenzellen übertragen Signale vom Gehirn zu Muskeln und Drüsen, um Reaktionen auszulösen.
Motorische Fasern
Motorische Fasern sorgen für die Kontraktionen der Muskulatur und steuern die Bewegungen des Körpers. Die motorischen Nervenzellen liegen im ZNS, während sich ihre Zellfortsätze (Axone und Dendriten) im peripheren Nervensystem befinden.
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Das Zusammenspiel von Sensorik und Motorik
Ein einfaches Beispiel verdeutlicht das Zusammenspiel beider Systeme: Wenn wir uns auf ein Hindernis zubewegen, wird es vom Auge wahrgenommen. Das sensorische Nervensystem gibt diese Information an das Gehirn weiter. Hier wird die Information verarbeitet und die Entscheidung getroffen, dem Hindernis auszuweichen. Das motorische Nervensystem setzt diese Entscheidung dann in die Tat um, indem es die entsprechenden Muskeln ansteuert.
Willkürliche und unwillkürliche Steuerung
Viele Funktionen unseres Nervensystems laufen bewusst ab. Wir entscheiden, ob wir zuschauen oder wegschauen, fortgehen oder stehenbleiben, sprechen oder zuhören. Dieser Teil des Nervensystems unterliegt unserer willkürlichen Kontrolle.
Daneben hat das Nervensystem aber auch Aufgaben, die wir nicht bewusst steuern können. Jeder kennt die Situation: Beim Sport oder in Stresssituationen erhöht sich automatisch der Herzschlag, die Atmung wird schneller und man beginnt zu schwitzen. Verantwortlich dafür ist das vegetative Nervensystem, das auch als autonomes oder unwillkürliches Nervensystem bezeichnet wird, weil es nicht unserem Willen unterworfen ist.
Das vegetative Nervensystem
Das vegetative Nervensystem kontrolliert die Muskulatur aller Organe und regelt lebenswichtige Körperfunktionen wie Herztätigkeit, Atmung, Kreislauf, Stoffwechsel, Verdauung, Ausscheidung, Schweißbildung, Körpertemperatur und Fortpflanzung. Es besteht aus dem Sympathikus und seinem Gegenspieler, dem Parasympathikus.
- Sympathikus: Sorgt für eine Erhöhung des Herzschlages und der Atemtätigkeit, verbessert die Durchblutung in der Muskulatur und fördert das Schwitzen.
- Parasympathikus: Sorgt für einen langsameren Herzschlag, eine ruhigere Atmung und fördert die Verdauung.
Das Gehirn: Die zentrale Informationsverarbeitung
Das Gehirn ist die Informationszentrale unseres Körpers. Hier werden Informationen aus der Umwelt und über den Zustand des Organismus zusammengetragen und zu Reaktionen weiterverarbeitet.
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Das Großhirn
Der am höchsten entwickelte Abschnitt des Gehirns ist das Großhirn mit der Großhirnrinde. Hier liegen die Verarbeitungszentren für Signale, die von den Augen (Sehrinde), den Ohren (Hörzentrum) und anderen Sinnesorganen kommen. Durch die Sehrinde beispielsweise erkennen wir einen Gegenstand als Auto, d.h. erst durch sie erhält das Gesehene eine Bedeutung. Auch Informationen von der Körperoberfläche werden in der Großhirnrinde verarbeitet. Dabei ist der Bereich der Großhirnrinde, der für eine bestimmte Region der Körperoberfläche zuständig ist, umso grösser, je wichtiger er für die Wahrnehmung der Umwelt ist. So ist das „Wahrnehmungsfeld“ für Informationen, die von den Händen kommen, deutlich grösser als das für die Füsse. Auch das Wiedererkennen von Orten und Personen erfolgt in der Großhirnrinde. Andere Bereiche der Großhirnrinde sind für Sprache, Rechnen und Empfindungen zuständig. Der motorische Bereich der Großhirnrinde steuert und koordiniert Muskelbewegungen.
Weitere Abschnitte des Gehirns
Die weiteren Abschnitte des Gehirns sind Zwischenhirn, Mittelhirn, Kleinhirn und Nachhirn.
- Zwischenhirn: Steuert vegetative Funktionen wie Körpertemperatur, das Hunger- und Durstgefühl sowie das Sexualverhalten. Hier befindet sich auch die Hypophyse, eine wichtige Hormondrüse.
- Mittelhirn: Steuert u.a. den Wach-Schlaf-Rhythmus und kann die Aufmerksamkeit auf bestimmte Sinneseindrücke lenken.
- Kleinhirn: Verantwortlich für den richtigen Ablauf aller Körperbewegungen und massgeblich an der Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes beteiligt.
- Nachhirn: Steuert die Atmung, den Kreislauf und viele Abläufe in den Organen. Es ist auch für Reflexe wie den Lidschlussreflex, den Tränenfluss, den Schluckreflex, die Speichelproduktion sowie für Niesen, Husten und Erbrechen zuständig.
Die Nervenzelle: Grundeinheit des Nervensystems
Die Aufgabe der Nervenzellen besteht darin, Signale aufzunehmen und an andere Nervenzellen oder Muskel- und Drüsenzellen weiterzuleiten. Entlang einer Nervenzelle werden die Signale elektrisch fortgeleitet. Die Geschwindigkeit solcher Signale kann bis zu 360 km pro Stunde erreichen. Solche hohen Geschwindigkeiten sind notwendig, wenn man bedenkt, dass beispielsweise die Signale vom Gehirn bis zu der Muskulatur der Beine eine relativ große Strecke zurücklegen müssen.
Die Synapse: Kontaktstelle zwischen Nervenzellen
Die Kontaktstelle zwischen 2 Nervenzellen ist die Synapse. Hier erfolgt die Übertragung des elektrischen Signals von einer Nervenzelle zur nächsten mit Hilfe von Botenstoffen, die auch als Transmitter bezeichnet werden. Gelangt das elektrische Signal zum Axonende einer Nervenzelle, wird dort der jeweilige Botenstoff in den winzigen Spalt zwischen den beiden Zellen ausgeschüttet.
Biochemische Prozesse der Signalübertragung
Die Funktion von Gehirn und Nervensystem basiert somit nicht nur auf einer Weiterleitung von elektrischen Signale sondern auch biochemischen Prozessen, welche die Signalübertragung zwischen den Nervenzellen erst ermöglicht.
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Aufbau einer Nervenzelle im Detail
Eine Nervenzelle (Neuron) ist eine hochspezialisierte Zelle, die der Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Nervenimpulsen dient. Allein in unserem Gehirn sind rund 100 Milliarden Nervenzellen im Einsatz.
Bestandteile einer Nervenzelle
- Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern sowie alle Zellorganellen, die für die Funktionsfähigkeit der Zelle wichtig sind.
- Dendriten: Feine Verästelungen des Zellkörpers, die über Synapsen mit anderen Nervenzellen in Kontakt stehen. Sie empfangen deren Signale und leiten sie anschließend an den Zellkörper weiter.
- Axon (Neurit): Der Neuron Fortsatz, der aus dem Axonhügel hervorgeht und die elektrischen Impulse vom Zellkörper zum Ende der Nervenzelle leitet.
- Axonhügel: Bildet den Ursprung des Axons am Zellkörper der Nervenzelle. Hier werden die einkommenden elektrischen Impulse gesammelt und verrechnet, bis sie eine bestimmte Schwelle überschreiten.
- Schwannsche Zellen: Stütz- und Hüllzellen der Neuronen im peripheren Nervensystem. Sie stabilisieren und ernähren die Nervenzelle.
- Myelinscheide (Markscheide): Eine von Schwannschen Zellen gebildete elektrische Isolationsschicht, die sich um das Axon der Neuronen des peripheren Nervensystems legt und so nicht nur für deren Schutz, sondern auch für die Beschleunigung der Erregungsleitung sorgt.
- Ranviersche Schnürringe: Freiliegende Axonbereiche, die die Myelinscheide entlang des Axons unterbrechen und es dem elektrischen Impuls ermöglichen, über längere umhüllte Bereiche zu springen und so eine höhere Geschwindigkeit zu erlangen.
- Synaptische Endknöpfchen: Bilden das Ende der Nervenzelle, an dem mithilfe von Synapsen ankommende elektrische Signale zur nächsten Nervenzelle oder einer anderen Zelle übertragen werden.
Die Signalübertragung an der Synapse
Am Nervenende trifft ein elektrisches Signal über das Axon ein, wodurch sich die elektrische Spannung an der präsynaptischen Membran erhöht. In der Folge bewegen sich mit Neurotransmittern gefüllte synaptische Vesikel in Richtung der Membran und verschmelzen mit ihr. Dabei werden die Botenstoffe in den synaptischen Spalt abgegeben und „wandern“ zur Empfängerzelle. Elektrisch geladene Teilchen strömen in die Zelle ein und verändern die Spannung der Empfänger Zelle (postsynaptisches Potenzial).
Der entstehende Reiz wird anschließend über die Dendriten und dem Zellkörper zum Axonhügel weitergeleitet, wo bei einem ausreichend starken elektrischen Impuls ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Anschließend schließen sich die Natriumkanäle wieder. Die Spannung sinkt zurück auf das Ruhepotenzial (sogenannte Repolarisation).
Das Alles-oder-Nichts-Gesetz
Nach dem Alles-oder-nichts-Gesetz lässt eine Erregung bei Überschreitung des Schwellenpotenzials immer ein Aktionspotenzial in gleicher Form, Größe und Dauer entstehen. Daher ist nicht die Größe des Aktionspotenzials für die Kommunikation der Nervenzellen entscheidend, sondern die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit (Frequenz). Dabei ist es wichtig, dass nach jeder Depolarisation mithilfe der Natrium-Kalium-Pumpe das Ruhepotenzial wieder hergestellt wird.
Einteilung von Nervenzellen
In der Neurobiologie können Nervenzellen nach verschiedenen Charakteristika eingeteilt werden:
- Unipolare Nervenzelle: Neuron mit einem Fortsatz (Axon).
- Bipolare Nervenzelle: Neuron mit zwei separaten Fortsätzen (Axon und Dendrit).
- Pseudounipolare Nervenzelle: Neuron, bei dem Dendrit und Axon aus einem gemeinsamen Fortsatz in der Nähe des Zellkörpers entspringen.
- Multipolare Nervenzelle: Neuron mit vielen Dendriten und einem Axon.
Neuronale Strukturen und ihre Rolle
Neuronale Strukturen umfassen mehr als nur das einzelne Neuron. Jede Struktur hat eine spezifische Aufgabe, die zur Funktion des gesamten Nervensystems beiträgt. Die entscheidenden Abschnitte beinhalten den Dendrit, das Axon und den Synapsenendknopf.
- Dendriten: Empfangen Signale von anderen Neuronen.
- Axon: Leitet elektrische Impulse weiter.
- Synapsenendknopf: Gibt Neurotransmitter frei, um Signale zu übertragen.
Ein Beispiel für die Funktion neuronaler Strukturen zeigt sich in einem Reiz-Reaktionszyklus. Beispielsweise empfängt ein sensorisches Neuron einen Reiz über seine Dendriten, leitet den elektrischen Impuls über das Axon weiter und aktiviert schließlich ein motorisches Neuron an der Synapse, um eine Muskelbewegung auszulösen.
Synapsen und Neurotransmitter
Synapsen spielen eine entscheidende Rolle bei der Signalweiterleitung zwischen Nervenzellen. Sie nutzen Neurotransmitter als Botenstoffe, um Informationen von einem Neuron zum nächsten zu transportieren. Diese chemischen Substanzen sind maßgeblich daran beteiligt, die Richtung und Stärke der Signale zu regulieren.
- Erregend: Erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass das nächste Neuron einen Impuls auslöst.
- Hemmend: Reduzieren die Wahrscheinlichkeit eines nachfolgenden Impulses.
Nervenzelltypen in neuronalen Netzwerken
Nervenzellen sind die entscheidenden Bausteine neuronaler Netzwerke. Unterschiedliche Nervenzelltypen haben sich entwickelt, um spezifische Funktionen im Nervensystem zu erfüllen. Diese Netzwerke sind komplex und ermöglichen die Vielseitigkeit der biologischen Funktionen.
Sensorische Neuronen
Nehmen externe Reize auf und leiten Informationen an das zentrale Nervensystem weiter.
Motorische Neuronen
Übertragen Signale vom zentralen Nervensystem zu Muskeln und Drüsen, um Bewegungen oder Reaktionen auszulösen.
Interneuronen
Stellen Verbindungen zwischen verschiedenen Neuronen her, insbesondere innerhalb des Gehirns und Rückenmarks.
Motorische Nerven im Detail
Motorische Nerven sind essenziell für die Bewegungsfähigkeit des menschlichen Körpers. Sie sind verantwortlich für die Übertragung von Signalen vom zentralen Nervensystem zu den Muskeln.
Funktion motorischer Nerven
Die Hauptaufgabe der motorischen Nerven ist es, Signale zu senden, die die Muskeln veranlassen, sich zu bewegen. Diese Nerven ermöglichen freiwillige Bewegungen wie Gehen und Greifen, sowie unwillkürliche Muskeltätigkeiten, wie zum Beispiel Reflexe. Die Signalübertragung beginnt im zentralen Nervensystem, genauer gesagt im Gehirn oder Rückenmark. Von dort werden elektrische Impulse über die motorischen Neuronen an die Muskeln gesendet. Dadurch wird eine Muskelkontraktion ausgelöst, die die gewünschte Bewegung erzeugt.
Aufbau motorischer Nerven
Jeder motorische Nerv besteht aus spezifischen Strukturen, die seine Funktion erlauben:
- Neuronen: Nervenzellen, die elektrische Signale weiterleiten.
- Axone: Lange Nervenfasern, die die Signale von Neuronen übertragen.
- Myelinscheiden: Isolierende Hüllen um die Axone, die die Übertragungsgeschwindigkeit der Signale erhöhen.
Motorische Nerven und Feinmotorik
Motorische Nerven steuern die Feinmotorik, indem sie präzise Bewegungen der Muskeln koordinieren, die für Aufgaben wie Schreiben oder Schneiden erforderlich sind.
Erkrankungen der motorischen Nerven
Erkrankungen, die motorische Nerven beeinträchtigen können, sind unter anderem Amyotrophe Lateralsklerose (ALS), Multiple Sklerose (MS), Guillain-Barré-Syndrom und Neuropathien wie diabetische Neuropathie.
Behandlung von motorischen Nervenverletzungen
Motorische Nervenverletzungen können durch Physiotherapie zur Förderung der Muskelstärke und -koordination, Medikamente zur Schmerzlinderung und gegebenenfalls chirurgische Eingriffe zur Reparatur schwerer Verletzungen behandelt werden.
Entwicklung von Nervenzelltypen
Während der Embryonalentwicklung entwickeln sich Nervenzelltypen aus neuronalen Stammzellen im Neuralrohr. Diese Zellen durchlaufen Differenzierungsprozesse, die durch Signalmoleküle und genetische Faktoren gesteuert werden. Abhängig von ihrer Position und den Signalen entstehen verschiedene Nervenzelltypen wie Neuronen und Glia. Gliazellen unterstützen Nervenzellen, indem sie Nährstoffe bereitstellen, Abfallprodukte entfernen, die neuronale Erregbarkeit regulieren und Myelinscheiden bilden, die die Signalweiterleitung beschleunigen.
Methoden zur Identifizierung und Klassifizierung von Nervenzelltypen
Zur Identifizierung und Klassifizierung von Nervenzelltypen werden Methoden wie Elektrophysiologie, Genexpression-Analysen, Immunhistochemie, Einzelzellsequenzierung und bildgebende Verfahren wie konfokale oder Elektronenmikroskopie eingesetzt.
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