Das zentrale Nervensystem: Aufbau und Funktion

Das menschliche Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das für die gesamte Informationsverarbeitung im Körper verantwortlich ist. Es ermöglicht uns, Informationen zu empfangen, zu verarbeiten und zu speichern. Das System lässt sich in verschiedene funktionelle Einheiten gliedern, wobei das zentrale Nervensystem (ZNS) eine Schlüsselrolle spielt.

Gliederung des Nervensystems

Das Nervensystem lässt sich in drei Abschnitte gliedern:

1. Zentralnervensystem (ZNS): Besteht aus Gehirn und Rückenmark.
2. Peripheres Nervensystem (PNS): Umfasst alle Nervenstrukturen außerhalb von Rückenmark und Gehirn.
3. Vegetatives Nervensystem (autonomes Nervensystem): Steuert unbewusste Körperfunktionen.

Das periphere Nervensystem (PNS) verbindet das ZNS mit dem restlichen Körper durch afferente (sensorische) und efferente (motorische) Nervenbahnen. Das vegetative Nervensystem unterteilt sich in den Sympathikus (Leistungsnerv) und Parasympathikus (Erholungsnerv).

Das zentrale und das periphere Nervensystem sind räumlich getrennt, funktionieren aber nur zusammen. Das PNS leitet Signale von den Sinneszellen an das ZNS weiter, welches die Signale verarbeitet.

Das zentrale Nervensystem (ZNS)

Das zentrale Nervensystem (auch Zentralnervensystem, kurz: ZNS, engl. Central Nervous System) des Menschen setzt sich aus dem Gehirn und dem Rückenmark zusammen. Es liegt anatomisch betrachtet zentral im Körper. Das ZNS ist das Kontroll- und Steuerungszentrum deines Körpers. Es bildet das Nervensystem. Das ZNS ist verantwortlich für das Denken, Fühlen und Erinnern. Dazu verarbeitet es Informationen aus deinem Körper und deiner Umwelt.

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Aufgaben und Funktionen des ZNS

Das zentrale Nervensystem hat einige wichtige Aufgaben und Funktionen im Körper des Menschen:

• Integration: Zusammenbringen aller Reize, die der Organismus vom Körperinneren und von der Umwelt aufnimmt (Beispiel: Essen sehen und gleichzeitig Hungergefühl verspüren).
• Koordination: Abstimmung der motorischen Bewegungen des Organismus (Beispiel: Winken und gleichzeitig grüßen).
• Regulation: Anpassung der lebensnotwendigen Prozesse, die im Körper ablaufen (Beispiel: Hormone regulieren, Atmung beruhigen).

Das zentrale Nervensystem des Menschen ist außerdem für alle kognitiven Funktionen zuständig - also für die Sprache, das Bewusstsein, das Denken und Lernen, für Erinnerungen, für Aufmerksamkeit und für das Vorstellungsvermögen.

Bestandteile des ZNS

Das zentrale Nervensystem des Menschen besteht - wie du schon weißt - aus dem Gehirn und dem Rückenmark. Genauso ist das übrigens bei allen anderen Wirbeltieren wie bei Fischen, Fröschen, Vögeln, Schildkröten oder Hunden.

Grundsätzlich besteht das Nervensystem aus Milliarden von Nervenzellen - den sogenannten Neuronen.

Gehirn

Das Gehirn ist das wichtigste Organ des zentralen Nervensystems. Es ist für die Verarbeitung von Informationen, das Denken, Fühlen, Erinnern und die Steuerung von Bewegungen zuständig. Während du schläfst, bleibt dein Gehirn - ein Teil des zentralen Nervensystems - aktiv und verarbeitet riesige Mengen an Informationen. Es sortiert Erinnerungen und verbessert deine Fähigkeiten.

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Rückenmark

Das Rückenmark ist eine lange, dünne Struktur, die vom Gehirn bis zum unteren Rücken verläuft. Es leitet Informationen zwischen Gehirn und Körper weiter. Von den Sinnesorganen ausgehend gelangen Informationen über die somatischen Nervenzellen des peripheren Nervensystems ins zentrale Nervensystem.

Informationsverarbeitung im ZNS

Das ZNS bekommt seine Informationen vom peripheren Nervensystem, verarbeitet sie und schickt Befehle mit passenden Reaktionen an das periphere Nervensystem zurück. Die Informationen gelangen vom PNS zum ZNS (afferent). Wenn du auf der anderen Straßenseite zum Beispiel einen Freund siehst, verarbeitest du die Information in deinem zentralen Nervensystem. Als Beispiel stellen wir uns einen Menschen vor, der plötzlich vor einer Schlange steht. Die Sinneszellen des Auges nehmen die Schlange wahr. Die eingegangenen Informationen werden vom zentralen Nervensystem, meist dem Gehirn, ausgewertet. Bezogen auf unser Beispiel „Mensch sieht Schlange“ verarbeitet das Gehirn die Information und gleicht sie mit Erfahrungen und Situationen aus dem Gedächtnis ab. Von dem zentralen Nervensystem ausgehend werden Signale ins periphere Nervensystem gesendet, die unterschiedliche Reaktionen auslösen. Die Ausgabe umfasst in unserem Beispiel zum einen die Reaktion „Schreien“ durch das somatische Nervensystem, zum anderen die Aktivierung der Nerven des vegetativen Nervensystems, speziell des Sympathikus. Herzschlag und Atmung werden schneller, um den Körper auf eine Flucht vorzubereiten.

Vielleicht hast du schon einmal bemerkt, wie du beim Radfahren automatisch das Gleichgewicht hältst. Dein peripheres Nervensystem sendet ständig Informationen über deine Körperstellung und Bewegungen an dein zentrales Nervensystem. Das Gehirn verarbeitet diese Informationen und gibt Befehle zurück, um die Muskeln entsprechend zu steuern.

Funktionelle Einteilung des Nervensystems

Neben der anatomischen Einteilung gibt es auch eine funktionelle Einteilung des Nervensystems. Man unterscheidet zwischen dem somatischen Nervensystem und dem vegetativen Nervensystem.

Somatisches Nervensystem

Das somatische Nervensystem wird in der Biologie auch als das willkürliche Nervensystem bezeichnet. Es steuert all unsere bewussten Aktivitäten wie das Sprechen oder Laufen. Das somatische Nervensystem nennst du auch animalisches Nervensystem oder willkürliches Nervensystem. Es umfasst alle bewussten und willentlichen Prozesse in deinem Körper, also jene, die du absichtlich steuern und beeinflussen kannst.

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Vegetatives Nervensystem

Das vegetative Nervensystem hingegen steuert alle unbewussten Abläufe unseres Körpers und wird auch als autonomes oder unwillkürliches Nervensystem bezeichnet. Die Funktion der Organe, die Atmung sowie Verdauung und Stoffwechsel werden von den vegetativen Nerven gesteuert. Das vegetative Nervensystem kannst du auch als viszerales Nervensystem oder autonomes Nervensystem bezeichnen. Es steuert alle unwillkürlichen Prozesse deines Körpers, also jene, die außerhalb deines Bewusstseins sind und automatisch ablaufen.

Die Nerven des Sympathikus werden aktiv, wenn der Körper leistungsfähig sein muss. Das trifft zum Beispiel in Gefahren- und Stresssituationen zu, aber auch beim Sport. Es werden Herzschlag und Atmung erhöht, die Durchblutung der Muskulatur nimmt zu. Der Gegenspieler des Sympathikus ist der Parasympathikus. Die Nerven des Parasympathikus aktivieren in Ruhesituationen die Organe, die der Speicherung von Reservestoffen und der Erholung dienen. Die Durchblutung des Darms wird erhöht und damit wird die Verdauung gefördert. Der Herzschlag wird hingegen ebenso wie die Durchblutung der Muskulatur verringert.

Du fragst dich wie der Sympathikus, der Parasympathikus und das enterische Nervensystem zusammenhängen?

Die Nervenzelle (Neuron)

Die Nervenzelle (Neuron) ist der fundamentale Baustein des Nervensystems. Grundsätzlich besteht das Nervensystem aus Milliarden von Nervenzellen - den sogenannten Neuronen. Das Gehirn besteht aus etwa 100 Milliarden Neuronen.

Aufbau einer Nervenzelle

Unser Körper besteht aus vielen verschiedenartigen Zellen mit bestimmten Funktionen. Nervenzellen (auch: Neuronen) unterscheiden sich von anderen Zellen, insbesondere durch ihren Aufbau und ihre Funktion. Um diese Funktion zu erfüllen, sind unfassbar viele Nervenzellen zu großen Netzwerken verbunden. Allein in unserem Gehirn befinden sich beispielsweise bis zu 100 Milliarden Nervenzellen.

Die Nervenzelle besteht aus:

• Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und steuert die Stoffwechselprozesse. Das Soma enthält einen Zellkern und Mitochondrien.
• Dendriten: Kurze, baumartig verzweigte Fortsätze am Nervenzellkörper. Sie nehmen Signale aus dem Körper auf. Die Dendriten nehmen Signale aus dem Körper auf.
• Axon: Langer, unverzweigter Fortsatz, der der Weiterleitung der Signale durch den Körper dient. Das Axon leitet Signale zu einem anderen Axon, zu einer Drüsenzelle oder einer Muskelfaser weiter. Bei Wirbeltieren werden die Axone häufig zudem von einer speziellen Form von Gliazellen, den sogenannten schwannschen Zellen, umgeben. Diese Zellen liegen hintereinander um das jeweilige Axon, sodass es von einer lamellenartigen Hülle umgeben wird: der Markscheide, Myelinscheide oder auch schwannschen Scheide. Umgeben ist das Axon von Gliazellen.
• Axonhügel: Übergang vom Soma zum Axon, in dem Signale gesammelt und summiert werden, bis ein Schwellenwert überschritten ist, der ein sogenanntes Aktionspotential auslöst. Am Übergang zwischen Soma und Axon befindet sich der Axonhügel. Dort werden Informationen bzw.
• Synapsen: Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen. Am Ende ist der Neurit vielfach verzweigt und besitzt kleine Verdickungen, die Endknöpfchen oder Synapsen. Besonders wichtig sind die Synapsen, die Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen. An den Endknöpfchen werden Neurotransmitter ausgeschüttet, die das Signal zur nächsten Zelle übertragen. Die kurzen baum- oder strauchartig verzweigten Fortsätze am Nervenzellkörper werden Dendriten genannt. Sie stehen mit anderen Nervenzellen (über deren Synapsen) oder auch Sinneszellen in Verbindung. So sind die Nervenzellen durch ihren Bau für die Aufnahme, Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen (Nervenimpulsen, Erregungen) spezialisiert.

Funktion der Nervenzelle

Die Nervenzellen leiten die Botschaft von deiner Hand über dein Rückenmark zu deinem Gehirn und zurück, um eine Reaktion auszulösen und dich zu schützen.

Gehen wir einmal anhand eines Beispiels durch, wie die Nervenzelle in ihrer Funktion der Reizweiterleitung arbeitet. Es entsteht ein elektrisches Signal in der nächsten Nervenzelle und so geschieht die Reizweiterleitung über miteinander vernetzte Nervenzellen bis in dein Gehirn. Vielleicht hast du schon einmal bemerkt, wie schnell du deine Hand von einer heißen Herdplatte zurückziehst, wenn du sie aus Versehen berührst. Diese schnelle Reaktion wird durch deine Nervenzellen ermöglicht.

1. Reizaufnahme: Dendriten nehmen Reize auf.
2. Signalweiterleitung: Das Axon leitet Signale weiter. Die Erregungsleitung erfolgt blitzschnell und kann eine Höchstgeschwindigkeit von bis zu etwa 150 m/s, also 540 km/h, erreichen.
3. Signalübertragung: An den Synapsen werden Neurotransmitter ausgeschüttet, die das Signal zur nächsten Zelle übertragen. Über die synaptischen Endknöpfchen werden chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, freigesetzt. Neurotransmitter bewirken an den Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle eine vorübergehende Öffnung von Ionenkanälen.
4. Für die Weiterleitung eines Signals an der Synapse wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. - an die nächste Zelle.

Ruhepotential und Aktionspotential

Die Gliederung des Nervensystems Neurobiologie basiert auf der Fähigkeit der Nervenzellen, zwischen Ruhe- und Aktionspotenzial zu wechseln. Dieser Mechanismus ermöglicht die schnelle und präzise Weiterleitung von Nervenimpulsen über weite Strecken im Körper.

• Ruhepotential: Das Ruhepotenzial und elektrochemisches Gleichgewicht in Nervenzellen basiert auf einer präzisen Verteilung verschiedener Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle. Die Natrium-Kalium-Pumpe spielt eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung dieser Ionengradienten. Unter ATP-Verbrauch transportiert sie aktiv Natriumionen aus der Zelle heraus und Kaliumionen hinein. Die Entstehung des Ruhepotenzials basiert auf mehreren Faktoren: Erstens können Kaliumionen durch spezielle Kanäle nach außen diffundieren, während die großen organischen Anionen im Zellinneren verbleiben. Zweitens führt diese selektive Durchlässigkeit zu einer negativen Ladung im Zellinneren und einer positiven Ladung im Außenraum. Das Ruhepotenzial und elektrochemisches Gleichgewicht in Nervenzellen ist ein fundamentaler Prozess für die Funktionsfähigkeit unseres Nervensystems. Nach einem Aktionspotenzial muss die Nervenzelle wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehren, damit sie erneut Signale weiterleiten kann. Die Wiederherstellungsphase beginnt, wenn sich im Zellinneren ein Überschuss an Natrium-Ionen befindet, während gleichzeitig ein Mangel an Kalium-Ionen herrscht. Ein besonders wichtiges Transportprotein, die Natrium-Kalium-Pumpe, arbeitet aktiv daran, dieses Ungleichgewicht zu korrigieren. Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert pro Pumpvorgang drei Natrium-Ionen nach außen und zwei Kalium-Ionen nach innen. Sobald die ursprünglichen Ionenkonzentrationen wiederhergestellt sind, erreicht das Membranpotenzial wieder seinen Ruhewert von etwa -70 Millivolt. Dieser Zustand ist essentiell für die Funktionsfähigkeit der Nervenzelle, da nur aus dem Ruhezustand heraus ein neues Aktionspotenzial entstehen kann. Das Ruhepotenzial spielt eine zentrale Rolle im Aufbau und Funktion einer Nervenzelle. Es bildet die Grundlage für die elektrische Erregbarkeit der Nervenzelle und ist damit fundamental für die Informationsübertragung im Nervensystem. Die Bedeutung des Ruhepotenzials geht weit über die einzelne Nervenzelle hinaus. Es ist die Voraussetzung für die Funktion neuronaler Netzwerke und damit für alle höheren Hirnfunktionen wie Wahrnehmung, Denken und Bewegungssteuerung.
• Aktionspotential: Der Aufbau und Funktion einer Nervenzelle zeigt sich besonders deutlich während der Entstehung eines Aktionspotentials. Bei Überschreitung des Schwellenwerts etwa−55mVetwa -55 mV setzt eine positive Rückkopplung ein: Je mehr Natriumionen einströmen, desto mehr Kanäle öffnen sich, was zu einer vollständigen Ladungsumkehr führt. Die Repolarisationsphase wird durch das verzögerte Öffnen von Kaliumkanälen eingeleitet. Zwei Triebkräfte bewirken den Kaliumausstrom: der Konzentrationsgradient und die positive Ladung der Membraninnenseite. Am Übergang zwischen Soma und Axon befindet sich der Axonhügel. Dort werden Informationen bzw. Dieses Aktionspotenzial wird entlang der Axone immer weitergeleitet, ohne an Stärke zu verlieren. Wenn das Aktionspotential die Synapsen erreicht, kommt es zur Ausschüttung der Botenstoffe in den synaptischen Spalt.

Ionenkanäle

Die Gliederung des Nervensystems auf zellulärer Ebene zeigt sich in der komplexen Anordnung verschiedener Ionenkanäle. Die spannungsgesteuerten Natriumkanäle reagieren schnell auf Potentialänderungen und sind entscheidend für die Entstehung des Aktionspotentials. Die Kaliumkanäle zeigen ein komplexeres Verhalten: Neben den immer geöffneten Hintergrundkanälen existieren spannungsgesteuerte Kaliumkanäle, die sich langsamer öffnen als Natriumkanäle.

Elektrochemische Signalverarbeitung

Die elektrochemische Signalverarbeitung in Nervenzellen basiert auf dem präzisen Zusammenspiel verschiedener Ionenbewegungen. Die Depolarisationsphase wird durch den Einstrom von Natriumionen eingeleitet, während die Repolarisation durch den Ausstrom von Kaliumionen erfolgt. Besonders wichtig für die Signalweiterleitung ist die Refraktärzeit, während der die Nervenzelle nicht oder nur eingeschränkt erregbar ist.

Arten von Nervenzellen

Ein verbreiteter Irrtum ist anzunehmen, dass alle Nervenzellen die gleiche Struktur haben.

• Unipolare Nervenzellen haben nur einen kurzen Fortsatz (Axon) und keine Dendriten.
• Multipolare Nervenzellen kommen sehr häufig vor.
• Interneuronen haben eine Vermittlerfunktion.

Prozesse, die nicht bewusst gesteuert werden

In deinem Körper gibt es auch Prozesse, die zwar mit Bewegungen deines Körpers zusammenhängen und somit eine Reaktion auf deine Umwelt sind, die aber nicht bewusst gesteuert werden.

Neurologische Erkrankungen

Neurologische Erkrankungen sind Erkrankungen des Nervensystems. Sie sind entweder durch einen Gendefekt angeboren oder entstehen im Laufe des Lebens. Hierfür können zum Beispiel eine Infektion, ein Trauma oder eine Rückbildung (Degeneration) verantwortlich sein. Im zentralen Nervensystem können dabei einige Erkrankungen auftreten.

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