Das zentrale Nervensystem: Eine umfassende Zusammenfassung für das Abitur

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das die Grundlage für sämtliche Steuerungs- und Regelungsvorgänge im menschlichen Körper bildet. Es ermöglicht uns, Reize wahrzunehmen, Informationen zu verarbeiten und darauf mit entsprechenden Verhaltensweisen zu reagieren. Im Abiturfach Biologie ist die Neurobiologie, die sich mit den Grundlagen des Nervensystems befasst, ein wesentlicher Bestandteil.

Überblick über das Nervensystem

Das Nervensystem lässt sich in verschiedene Bereiche unterteilen, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen.

Anatomische Einteilung

• Zentralnervensystem (ZNS): Es besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark und dient der zentralen Reizverarbeitung aller einlaufenden sensorischen Reize. Im ZNS findet die Verarbeitung der Information statt. Das Gehirn ist die oberste Schaltzentrale, Sitz des Gedächtnisses, der Sprache, der Motivation und der Emotionen. Es ist stark vergrößert durch Windungen und Furchen und besteht aus zwei Hemisphären, die über den "Balken" verbunden sind. Das Rückenmark enthält Nervenbahnen, die Signale zwischen dem Gehirn und dem Rest des Körpers übertragen. Es ist auch an vielen wichtigen Reflexen beteiligt.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Es kann als Filiale des ZNS betrachtet werden und umfasst alle Nervenfasern, die zu- und ableitend sind. Das PNS verbindet das ZNS mit dem Rest des Körpers. Es enthält Nerven, die Informationen vom ZNS zu den Endorganen leiten oder umgekehrt von den Sinnesorganen zum ZNS. Die Nerven sind Fasern, die elektrische Signale zwischen dem Gehirn, dem Rückenmark und dem Rest des Körpers übertragen. Es gibt zwei Arten von Nerven: sensorische Nerven und motorische Nerven.

Funktionelle Einteilung

• Somatisches Nervensystem (SNS): Es wird auch als animalisches oder willkürliches Nervensystem bezeichnet und umfasst alle bewussten und willentlichen Prozesse im Körper. Das somatische Nervensystem ermöglicht, dass du deine Umwelt bewusst wahrnimmst.
• Vegetatives Nervensystem (VNS): Es wird auch als viszerales oder autonomes Nervensystem bezeichnet und steuert alle unwillkürlichen Prozesse des Körpers, die außerhalb des Bewusstseins ablaufen. Das vegetative Nervensystem reguliert alle Vorgänge, die in deinem Körper unbewusst ablaufen. Der Sympathikus übernimmt die Regulation deiner Organfunktionen in Stresssituationen, während der Parasympathikus in Ruhe die Kontrolle hat.

Das Neuron: Die Nervenzelle als Grundbaustein

Die Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die Grundbausteine des Nervensystems. Sie sind für die Aufnahme, Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen zuständig. Ein Neuron besteht aus:

• Zellkörper (Soma): Er enthält den Zellkern und die wichtigsten Organellen.
• Dendriten: Baumartige Verzweigungen, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen. Die Dendriten nehmen Signale aus dem Körper auf.
• Axon: Ein langer Fortsatz, der Signale an andere Nervenzellen, Muskelzellen oder Drüsenzellen weiterleitet. Das Axon leitet Signale zu einem anderen Axon, zu einer Drüsenzelle oder einer Muskelfaser weiter. Umgeben ist das Axon von Gliazellen. Als Axonhügel bezeichnet man den Übergang zwischen Zellkörper und Axon.

Gliazellen: Helfer der Neuronen

Neben den Neuronen gibt es im Nervensystem auch Gliazellen, die eine wichtige unterstützende Funktion haben. Sie umgeben die Nervenzellen und füllen die Räume zwischen ihnen aus. Gliazellen isolieren die Axone, versorgen die Neuronen mit Nährstoffen und entsorgen Abfallprodukte. Sie werden auch als "Nervenleim" bezeichnet.

Synapsen: Die Schaltstellen des Nervensystems

Die Verbindungen zwischen den Nervenzellen werden als Synapsen bezeichnet. An den Synapsen werden die Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen. Es gibt zwei Arten von Synapsen:

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• Chemische Synapsen: An chemischen Synapsen wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Die präsynaptische Zelle setzt Neurotransmitter frei, die an Rezeptoren der postsynaptischen Zelle binden und dort ein neues elektrisches Signal auslösen. Die Transmitter reizen dann eine zweite Zelle und lösen in ihr ein neues elektrisches Signal aus.
• Elektrische Synapsen: An elektrischen Synapsen wird das elektrische Signal direkt von einer Zelle zur nächsten übertragen.

Für die Weiterleitung eines Signals an der Synapse wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. - an die nächste Zelle.

Erregungsleitung im Neuron

Die Erregungsleitung im Neuron erfolgt in Form von elektrischen Signalen, die als Aktionspotentiale bezeichnet werden.

Ruhepotential

Im Ruhezustand hat eine Nervenzelle ein Ruhepotential von etwa -70 mV. Dieses Potential entsteht durch unterschiedliche Konzentrationen von Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle. Im Zellinneren schwimmen mehr Kaliumionen (K⁺), außerhalb mehr Natriumionen (Na⁺). Die Natrium-Kalium-Pumpe arbeitet ständig gegen diese Ionenwanderung an und verbraucht dabei viel Energie (ATP). Sie schafft Kalium zurück nach innen und Natrium nach außen.

Aktionspotential

Wenn ein Neuron ausreichend stimuliert wird, kommt es zur Ausbildung eines Aktionspotentials. Dabei ändert sich das Membranpotential kurzzeitig von negativ zu positiv. Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich lawinenartig und lassen massenhaft Na⁺-Ionen ins Zellinnere strömen. Nach nur 1-2 Millisekunden schließen sich die Natriumkanäle wieder, dafür öffnen sich die Kaliumkanäle. Kaliumionen strömen nach außen und drehen das Potenzial sogar unter den Ruhewert auf etwa -80 mV - die Hyperpolarisation. Nach einem Aktionspotenzial haben die Natrium-Kalium-Pumpen richtig zu tun: Sie müssen alle Ionen wieder an ihren Platz bringen. Diese Refraktärzeit ist genial, denn sie sorgt dafür, dass das Signal nur in eine Richtung läuft.

Saltatorische Erregungsleitung

Bei myelinisierten Nervenfasern erfolgt die Erregungsleitung deutlich schneller durch den sogenannten saltatorischen Mechanismus. Die Myelinscheide isoliert das Axon und ermöglicht eine sprunghafte Weiterleitung von Schnürring zu Schnürring. Das Signal "springt" von Schnürring zu Schnürring und ist dadurch bis zu 100-mal schneller!

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Neurotransmitter: Die Botenstoffe des Nervensystems

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an den Synapsen die Erregung von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen. Sie werden in synaptischen Vesikeln gespeichert und bei Ankunft eines Aktionspotentials in den synaptischen Spalt freigesetzt. Dort binden sie an Rezeptoren der postsynaptischen Zelle und lösen eine Reaktion aus.

Wichtige Neurotransmitter

Es gibt eine Vielzahl von Neurotransmittern, die unterschiedliche Funktionen im Körper erfüllen. Einige wichtige Neurotransmitter sind:

• Acetylcholin: Muskelsteuerung und Gedächtnis. Als wichtigster Botenstoff wird Acetylcholin gewertet. Dieser ist verantwortlich für die Steuerung vegetativer Vorgänge bei Wirbeltieren. Er leitet Informationen zwischen dem Nervenzellenende und der Muskelfaser weiter und sorgt damit für Muskelkontraktion - sämtliche Muskelfunktionen basieren also auf diesem Neurotransmitter. Außerdem steuert Acetylcholin in weiten Teilen das vegetative Nervensystem und beeinflusst somit Blutdruck, Atmung, Verdauung, Stoffwechsel, Herzschlag und Gehirnaktivitäten.
• Adrenalin: Stressreaktion und Energie. Adrenalin bezeichnet ein bekanntes Stresshormon, das von der Nebennierenrinde produziert und in physischen wie psychischen Belastungssituationen ausgeschüttet wird.
• Dopamin: Motivation und Belohnung. Dopamin sorgt für die Weiterleitung einer Erregung von der Nervenzelle an die Muskelzelle und steuert damit die allgemeine Motorik. Außerdem spielt dieser Botenstoff auch im Belohnungssystem eine Rolle und sorgt für Euphorie und Glücksgefühle.
• Endorphin: Schmerzhemmung und Glücksgefühl. Der Botenstoff Endorphin zählt zu den Opioden und senkt demzufolge die Schmerzempfindsamkeit des Menschen.
• Serotonin: Stimmung und Schlafregulation. Das Hormon und Neurotransmitter Serotonin beeinflusst zahlreiche Prozesse im Körper. Es trägt unter anderem dazu bei, dass wir morgens wach werden, und spielt eine Rolle bei der Regulierung des Blutdrucks. Außerdem ist Serotonin entscheidend für unsere Stimmung, unser Wohlbefinden und unser Schmerzempfinden.

Das vegetative Nervensystem: Steuerung unbewusster Prozesse

Das vegetative Nervensystem (VNS) steuert alle unbewussten Prozesse im Körper, wie Atmung, Herzschlag, Verdauung und Stoffwechsel. Es besteht aus zwei Hauptteilen:

• Sympathikus: Er ist für die Aktivierung des Körpers in Stresssituationen zuständig ("fight or flight"). Der Sympathikus arbeitet nach dem Prinzip "fight or flight". Dies bedeutet, dass er im Körper eine Stressreaktion auslöst, sodass dieser augenblicklich viel Energie zur Verfügung hat, welche er beispielsweise durch Muskelkraft einsetzen kann. Demzufolge ruft der Sympathikus eine Leistungssteigerung hervor.
• Parasympathikus: Er ist für die Entspannung und Regeneration des Körpers zuständig ("rest and digest"). Der Parasympathikus ist zuständig für das Entspannungssystem und arbeitet nach dem Prinzip "rest and digest". Er regt also die Verdauung an und sorgt dafür, dass der Körper sich nach einer Stressreaktion entspannen kann.

Reflexe: Automatische Reaktionen

Reflexe sind automatische Reaktionen des Körpers auf bestimmte Reize. Sie laufen ohne Beteiligung des Gehirns ab und ermöglichen eine schnelle Reaktion auf Gefahren. Ein Beispiel für einen Reflex ist der Kniesehnenreflex.

Der Reflexbogen

Der Reflexbogen ist ein fundamentaler Bestandteil des Nervensystems Aufbau und Funktion und ermöglicht unserem Körper blitzschnelle, automatische Reaktionen ohne Einbeziehung des Gehirns. Die Funktionsweise des Reflexbogens lässt sich am besten anhand des Kniesehnenreflexes erklären. Wenn der Arzt mit dem Reflexhammer unterhalb der Kniescheibe klopft, wird die Muskelspindel im Streckmuskel gedehnt. Diese Dehnung wird von speziellen Rezeptoren registriert und in ein elektrisches Signal (Rezeptorpotenzial) umgewandelt. Im Rückenmark erfolgt die entscheidende Umschaltung: Das ankommende Signal wird über Synapsen auf motorische Neuronen übertragen. Gleichzeitig werden über Interneuronen mit hemmenden Synapsen die antagonistischen Muskeln (hier: die Beugemuskeln) gehemmt. Dies verhindert, dass sich gegensätzlich wirkende Muskeln gleichzeitig anspannen.

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Erkrankungen des Nervensystems

Das Nervensystem kann durch verschiedene Erkrankungen beeinträchtigt werden, wie z.B. Multiple Sklerose, Parkinson-Krankheit und Schlaganfall. 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.

Das Nervensystem der Wirbellosen

Nervensysteme wirbelloser Tiere sind äußerst vielgestaltig. Mit der Evolution fand eine fortschreitende Zentralisation der NS und eine Cephalisierung (Kopfbildung) statt. Bei den meisten bilateralsymmetrisch (zweiseitig gleich) gebauten Tieren ist auch ein bilateralsymmetrisches NS ausgebildet.

Hohltiere

Den einfachsten Typ eines NS findet man innerhalb der Hohltiere bei den Nesseltieren (Cnidarien). Sie besitzen ein diffuses (zerstreutes), netzartiges System von Nervenzellen, welches an der äußeren Zellschicht über den gesamten Körper verteilt ist. Die Informationsübertragung zwischen den Neuronen erfolgt an Synapsen - den Endstellen der langen Zellausläufer. Die Informationsleitung findet an diesen Synapsen solcher Nervennetze in beide Richtungen statt. Eine zentrale neuronale Verarbeitungsstelle existiert in diesem Nervennetz nicht, weshalb nur eine geringe oder keine zentrale Steuerung des Organismus möglich ist.

Stachelhäuter

Seesterne (Asteroidea) gehören zu den Stachelhäutern, deren Nervensystem Ähnlichkeiten mit dem System der Quallen aufweist. Seesterne besitzen beispielsweise einen zentralen Nervenring um die Mundscheibe. Von diesem Ring ziehen radiäre Nervenstränge in die Arme. Sie besitzen ein radiärsymmetrisches NS.

Plattwürmer

Eine zunehmende Cephalisation findet man bei den Plattwürmern (Plathelminthes). Das NS der niederen Strudelwürmer besteht aus einem diffusen Nervennetz ohne Stränge und Längsverdickungen, aber mit Verstärkungen im vorderen Körperende. Bei höheren Strudelwürmern kommt es zur Zentralisation des NS. Plattwürmer haben also bereits ein kleines Gehirn ausgebildet, von dem aus die Markstränge durch den Körper ziehen. Das PNS besteht aus einem Strickleiternetz.

Ringelwürmer

Das NS der Ringelwürmer (Annelida) lässt sich schematisch aus dem der Plattwürmer herleiten. So gesehen erfolgte eine Verstärkung der beiden Bauchstränge und eine Reduktion der übrigen 6 Markstränge. Durch die Zusammenfassung der Nervenzellen in den einzelnen Segmentabschnitten der Ringelwürmer kommt es zur Ausbildung eines typischen Strickleiternervensystems. In diesem sind die pro Körpersegment zu Nervenknoten verschmolzenen 2 Bauchmarkganglien durch Kommissuren miteinander und durch Konnektive mit benachbarten Ganglien verbunden (Bauchmark). Das Gehirn befindet sich ebenfalls in der Kopfregion des Organismus.

Weichtiere

Zu den Weichtieren (Mollusken) gehören u. a. Schnecken, Muscheln und Tintenfische (Kopffüßer, Cephalopoda). Die Entwicklung der Nervensysteme in diesem Tierstamm reicht von sehr einfach (Polyplacophora) bis hoch entwickelt (Cephalopoda mit starker Cephalisation und hoch entwickelten Sinnesorganen). Viele Mollusken besitzen ein Zentralnervensystem aus paarigen Ganglien, welche in verschiedenen Körperteilen lokalisiert und durch Kommissuren oder Konnektive miteinander verbunden sind. Den höchsten Grad der Gehirnbildung haben die Cephalopoden erreicht. Am Kopf befinden sich leistungsfähige Augen mit Linsen, welche von innen durch Knorpelgewebe umschlossen und geschützt werden. Besonders Kraken gehören zu den intelligentesten wirbellosen Tieren.

Gliederfüßer

Das Zentralnervensystem der Gliederfüßer ähnelt in der Grundkonstruktion dem Bauchmark der Ringelwürmer. Jedoch sind entsprechend den hoch entwickelten Sinnesleistungen und dem komplexen Verhaltensrepertoire übergeordnete Strukturen stärker ausgebildet. Das Nervensystem besteht aus einem Gehirn, den Schlundkonnektiven (Längsstränge) und den ventralen Strängen (Strickleiternervensystem).

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