Wie das Nervensystem starke und schwache Signale unterscheidet

Das Nervensystem ist die komplexeste Steuerungs- und Kommunikationsstruktur des Körpers. Es dient dazu, Reize sowohl aus der Umwelt als auch aus dem Körperinneren wahrzunehmen, zu verarbeiten und schließlich bedarfsgerecht darauf zu reagieren. Um diese komplexen Funktionen auszuführen, muss das Nervensystem in der Lage sein, zwischen starken und schwachen Signalen zu unterscheiden. Dieser Artikel beleuchtet, wie das Nervensystem diese Unterscheidung trifft und welche Mechanismen dabei eine Rolle spielen.

Das Nervensystem: Eine Übersicht

Das Nervensystem lässt sich in verschiedene Bereiche unterteilen, die jeweils spezifische Aufgaben erfüllen:

• Zentrales Nervensystem (ZNS): Bestehend aus Gehirn und Rückenmark, liegt geschützt im Schädel und im Wirbelkanal der Wirbelsäule.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Umfasst alle anderen Nervenbahnen im Körper.
• Somatisches Nervensystem: Lenkt willkürliche Vorgänge im Körper, die wir bewusst über unseren Willen beeinflussen, wie Greifen, Laufen, Sprechen oder Lesen.
• Autonomes (vegetatives) Nervensystem: Verantwortlich für Prozesse, die unabhängig von unserem Willen ablaufen. Es kontrolliert Organfunktionen, die wir nicht bewusst steuern, etwa von Leber oder Darm.
• Sympathikus: Reguliert die Organfunktionen in Stresssituationen oder bei Aktivität.
• Parasympathikus: Reguliert die Organfunktionen in Entspannungsphasen.
• Enterisches Nervensystem: Nervensystem des Darms, das den Darm weitgehend unabhängig reguliert.

Nervenzellen (Neuronen)

Eine Nervenzelle (Neuron) ist die zentrale Baueinheit des Nervensystems. Sie empfängt Signale, verarbeitet diese und leitet sie weiter. Die Gesamtheit des Nervensystems besteht aus Abermilliarden Nervenzellen, den Neuronen. Allein im Gehirn gibt es davon rund 100 Milliarden. Jedes Neuron hat unterschiedliche faserartige Fortsätze: zum einen die Dendriten, mit denen die Nervenzelle Signale empfängt, und zum anderen das Axon, das Signale weiterleitet und auch mal über einen Meter lang sein kann. Die Kontaktpunkte zwischen Dendriten und Axonen sind die Synapsen.

Ein Neuron besteht aus:

• Dendriten: Zellfortsätze, die Reize aufnehmen und zum Soma weiterleiten.
• Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern mit DNA und allen wichtigen Organellen.
• Axon (Neurit): Leitet die Erregung vom Soma zur nächsten Nervenzelle. Axone sind von unterschiedlich stark ausgeprägten Markscheiden (Neuroglia, Myelinscheiden) umhüllt, die aus spezialisierten Gliazellen gebildet werden.
• Neuroglia (Gliazellen): Bildet Markscheiden, isoliert und ernährt die Nervenzellen und beschleunigt die Reizweiterleitung.

Synapsen

Synapsen sind hochspezialisierte Kontaktstellen, an denen Nervenzellen Informationen untereinander, sowie an weitere Körperzellen weitergeben. Sie ermöglichen die Übertragung elektrischer oder chemischer Signale und sind entscheidend für die Funktion des gesamten Nervensystems.

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Die Rolle der Nervenzellen bei der Signalübertragung

Nervenzellen wandeln Reize in elektrische Erregung um. Starke Reize erzeugen starke elektrische Signale, schwache Reize entsprechend schwächere. Stell dir eine Nervenzelle wie eine winzige Elektroanlage vor! Die Dendriten sind wie kleine Antennen, die Signale empfangen und zum Zellkörper weiterleiten. Am Ende des Axons findest du die Synapsenendknöpfchen - das sind die Verbindungsstellen zu anderen Nervenzellen oder Organen.

Das Ruhepotenzial

Jede Nervenzelle ist wie eine winzige Batterie mit einer elektrischen Spannung von etwa -70mV. Die selektiv permeable Membran lässt nur bestimmte Ionen durch. K+ und Cl- können gut passieren, Na+ und organische Ionen schlecht. Das funktioniert durch Diffusion - die Ionen bewegen sich entlang ihres Konzentrationsgefälles. K+ wandert nach außen, Cl- nach innen. Die Natrium-Kalium-Pumpe ist dein zellulärer Hausmeister - sie pumpt ständig Na+ nach außen und K+ nach innen, um das Ruhepotenzial aufrechtzuerhalten.

Das Aktionspotenzial

Ein Aktionspotenzial ist das Grundsignal für die Erregungsweiterleitung. Während der Depolarisation öffnen sich Na+-Kanäle und der Zellinnenraum wird positiv. Der ganze Prozess läuft in fünf Phasen ab, die du dir wie einen Dominoeffekt vorstellen kannst. Die erste Depolarisation bringt die Membran zum Schwellenwert - ausgelöst durch einen Reiz. Bei der Repolarisation machen die Na+-Kanäle zu und K+-Kanäle auf - der Zellinnenraum wird wieder negativ. Schließlich stellt die Natrium-Kalium-Pumpe das ursprüngliche Ruhepotenzial wieder her. Nach jedem Aktionspotenzial braucht die Membran eine Refraktärzeit - eine Art "Erholungspause".

Das "Alles-oder-Nichts"-Gesetz

Das "Alles-oder-Nichts"-Gesetz ist super wichtig: Jedes Aktionspotenzial hat immer die gleiche Form und Stärke, egal wie stark der auslösende Reiz war. Aber wie wird dann die Reizstärke übertragen? Ganz einfach: Durch die Frequenz! Die Weiterleitung funktioniert durch Ionenausgleichsströme zwischen erregten und unerregten Membranabschnitten. Bei myelinisierten Nervenfasern passiert etwas Geniales: Die saltatorische Erregungsleitung! Nicht-myelinisierte Nervenfasern müssen jeden Membranbereich einzeln erregen - das ist erheblich langsamer und verbraucht viel mehr Energie.

Die Rolle der Synapsen bei der Signalübertragung

An Synapsen werden elektrische Signale in chemische umgewandelt - hier passiert die Kommunikation zwischen Nervenzellen. Die präsynaptische Seite (Endknöpfchen) ist voller Vesikel mit Botenstoffen (Transmittern). ACh bindet an Rezeptoren der postsynaptischen Membran → Na+-Kanäle öffnen sich → postsynaptisches Potenzial entsteht. Nicht alle Synapsen wirken gleich! Hemmende Synapsen bewirken das Gegenteil: Sie erzeugen ein IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potenzial) und hyperpolarisieren die Membran.

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Wie das Nervensystem Reizstärke und -qualität codiert

Dein Nervensystem muss zwei wichtige Fragen beantworten: Was für ein Reiz (Qualität) und wie stark ist er (Quantität)? Die Reizstärke wird durch die Aktionspotenzial-Frequenz codiert - das ist Frequenzmodulation. Starke Reize = hohe Frequenz, schwache Reize = niedrige Frequenz. Die Reizqualität erkennt das Gehirn an der Nervenbahn, über die das Signal ankommt.

Frequenzmodulation

Die Frequenzmodulation ist ein entscheidender Mechanismus, durch den das Nervensystem die Intensität eines Reizes codiert. Ein starker Reiz führt zu einer höheren Frequenz von Aktionspotentialen, während ein schwacher Reiz eine niedrigere Frequenz erzeugt. Diese unterschiedlichen Frequenzen werden dann vom Gehirn interpretiert, um die Stärke des Reizes zu bestimmen.

Räumliche und zeitliche Summation

Am Zellkörper und den Dendriten findet die Verrechnung statt - hier werden alle eingehenden Signale miteinander verrechnet. Räumliche Summation: Gleichzeitig eintreffende Aktionspotenziale an verschiedenen Synapsen addieren sich ebenfalls. Die Verrechnung von EPSPs und IPSPs entscheidet am Axonhügel, ob ein neues Aktionspotenzial ausgelöst wird.

Es ist aber möglich, dass an den Dendriten einer Nervenzelle mehrere Synapsen aktiv sind oder dass eine Synapse in sehr kurzen Abständen immer wieder Impulse sendet. Mehrere schwache Signale können zusammen dann ein Aktionspotenzial auslösen. Eine räumliche Summation liegt vor, wenn mehrere Synapsen schwache Signale senden, die dann im Soma aufgerechnet werden. Von zeitliche Summation spricht man dann, wenn eine Synapse in kurzen Abständen schwache Signale sendet, die addiert werden. So ist es beispielsweise auch möglich sehr leise Töne überhaupt wahrzunehmen.

Beispiele für die Unterscheidung zwischen starken und schwachen Signalen

• Schmerzempfindung: Nozizeptoren, die Schmerzsinneszellen, weisen den Körper als eine Art „Frühwarnsystem“ auf potentiell schädliche Einflüsse hin. Sie liegen als freie Nervenendigungen in Haut, Organen und Muskeln. Wenn wir mit dem kleinen Zeh gegen die Bettkante stoßen (mechanischer Reiz), werden sie aktiviert. Aber auch andere von außen auf den Körper einwirkende Reize wie thermische Reize (Hitze, Kälte), chemische Reize (Säuren, Gifte) oder elektrische Reize stimulieren diese Nervenzellen. Die Intensität des Schmerzes wird durch die Frequenz der Aktionspotentiale codiert.
• Lautwahrnehmung: Wird ein Reiz von den Sinnesorganen aufgenommen, so verändert sich das Membranpotenzial an den Nervenzellen, die den entsprechende Sinneszellen nachgeschaltet sind. Die elektrische Spannung an der Membran der Nervenzelle wird verändert. Sie wird erregt. Töne, welche sehr leise sind, verursachen also im Soma der Nervenzelle keine ausreichende Potenzialverschiebung, sodass kein Aktionspotential wahrgenommen werden kann. Im Axon werden diese Aktionspotentiale dann weitergeleitet. Da es sich nun um Aktionspotentiale handelt, welche stets eine gleich große Amplitude aufweisen, kann die Codierung nun nicht mehr analog erfolgen. Die Abfolge der Aktionspotentiale erfolgt bei einem starken Reiz schneller. Die Frequenz ist also größer.

Medizinische Relevanz

Die Fähigkeit des Nervensystems, zwischen starken und schwachen Signalen zu unterscheiden, ist auch medizinisch von Interesse. Störungen in diesem System können zu verschiedenen Erkrankungen führen, wie z.B.:

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• Neuralgien: Nervenschmerzen, die durch dauerhafte Reizung oder Schädigung von Nerven ausgelöst werden. Die Nerven sind dann derart überempfindlich, dass selbst schwache Schmerzreize oder psychische Reize wie Stress oder starke Emotionen genügen, um starke Schmerzen auszulösen.
• Chronische Schmerzen: Starke und insbesondere chronische Schmerzen stellen eine enorme Belastung für die Betroffenen dar, die sogar zu Depressionen führen kann. Die damit verbundenen negativen Emotionen können wiederum zu einem verstärkten Schmerzempfinden führen.

Das vegetative Nervensystem und die Wahrnehmung

Unser Herz und unser Gehirn kommunizieren ständig miteinander. Geraten wir etwa in eine gefährliche Situation, sorgen Signale aus dem Gehirn dafür, dass der Puls steigt - und entsprechend wieder sinkt, wenn die Gefahr vorüber ist. Umgekehrt sendet auch das Herz Informationen ans Gehirn und beeinflusst darüber auch unsere Wahrnehmung.

Während der ersten Zyklusphase ist ein entscheidender Teil der Hirnaktivität unterdrückt, die sogenannte P300-Komponente. Bei der geht man davon aus, dass sie sonst den Übergang ins Bewusstsein kennzeichnet. Wird sie unterbunden, wird demnach die eintreffende Information nicht bewusst wahrgenommen. Das Gehirn scheint also zu erkennen, dass die durch den Puls hervorgerufenen Veränderungen im Körper nicht real als Reaktion auf eine veränderte Umgebung auftreten. Sie sind vielmehr nur eine Reaktion auf den regelmäßig wiederkehrenden Herzschlag. Dadurch stellt es sicher, dass wir uns nicht jedes Mal aufs Neue von unserem Puls stören lassen. Je stärker das Gehirn einer Person auf den Herzschlag reagiert, desto unwahrscheinlicher ist es, dass sie den äußeren Reiz wahrnimmt. „In dieser Zeit scheint sich die Aufmerksamkeit von Signalen, die von außen eintreffen, auf solche zu verschieben, die wir aus dem Inneren erhalten“, erklärt Esra Al, Erstautorin der Studie. Eine starke Reaktion des Gehirns auf den Herzschlag bedeute demnach, dass es sich in einem Zustand befindet, in dem es sich mehr auf Informationen aus dem Körper und den Organen konzentriere.

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