Grundlagen der Neurobiologie

Reize und Reaktionen bestimmen jeden Moment deines Lebens. Das Reiz-Reaktions-Schema zeigt dir den Weg: Reizaufnahme → Transformation → Transmission → Integration → Reaktion. Dieser Prozess läuft blitzschnell ab und ermöglicht dir, auf deine Umwelt zu reagieren.

Nervenzellen (Neuronen) sind die Stars deines Nervensystems. Sie bestehen aus Dendriten (empfangen Signale), dem Soma (Zellkörper), dem Axon (leitet Signale weiter) und den Axonterminalen. Gliazellen unterstützen die Neuronen – sie sind wie die Servicecrew, die alles am Laufen hält.

Das Membranpotential ist die elektrische Spannung an der Zellmembran. Im Ruhezustand liegt es bei etwa -70mV. Diese negative Ladung entsteht durch die ungleiche Verteilung von Ionen wie Natrium (Na⁺) und Kalium (K⁺).

Merktipp: Denk an afferente Bahnen als "ankommend" zum ZNS, efferente als "entfernend" vom ZNS!

Ruhepotential und Ionenverteilung

Warum spürst du Schmerz erst nach deiner Reaktion? Die Reflexreaktion läuft über das Rückenmark und ist viel schneller als die bewusste Schmerzwahrnehmung im Gehirn. Dein Körper schützt sich, bevor du merkst, was passiert ist.

Das Ruhepotential von -70mV entsteht durch clevere Biochemie. Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert aktiv 3 Na⁺-Ionen nach außen und 2 K⁺-Ionen nach innen. Gleichzeitig ist die Membran für K⁺ durchlässiger als für Na⁺.

Die Ionenverteilung schafft ein Gleichgewicht zwischen chemischem und elektrischem Potential. Chlorid-Ionen (Cl⁻) verstärken die negative Ladung im Zellinneren. Große Proteine können die Membran nicht durchdringen und bleiben negativ geladen im Inneren.

Wichtig: Die Natrium-Kalium-Pumpe arbeitet wie ein Akku – sie lädt deine Nervenzelle auf!

Aktionspotential

Das Aktionspotential ist dein körpereigenes WLAN – es überträgt Informationen blitzschnell durch deinen Körper. Es folgt dem "Alles-oder-Nichts"-Gesetz: Entweder wird der Schwellenwert von -55mV erreicht und ein vollständiges AP ausgelöst, oder gar nichts passiert.

Der Ablauf ist wie eine perfekte Choreografie: Depolarisation öffnet Na⁺-Kanäle, das Potential steigt auf +40mV. Dann öffnen sich K⁺-Kanäle, die Repolarisation beginnt. Die Hyperpolarisation bringt das Potential kurz unter -70mV, bevor es sich normalisiert.

Die Refraktärzeit verhindert, dass Signale rückwärts laufen. In der absoluten Refraktärzeit können Na⁺-Kanäle nicht öffnen, in der relativen braucht es einen stärkeren Reiz. Das sorgt für gerichtete Signalübertragung.

Eselsbrücke: Depolarisation = weniger negativ werden, Repolarisation = zurück zum Ruhepotential!

Erregungsleitung und Synapsen

Kontinuierliche Erregungsleitung bei marklosen Nervenfasern ist wie Dominosteine – das AP wandert Schritt für Schritt. Die Geschwindigkeit hängt vom Axondurchmesser ab: dicker = schneller.

Saltatorische Erregungsleitung ist der Turbo-Modus! Bei myelinisierten Fasern springt das AP von Schnürring zu Schnürring. Das spart Energie und ist bis zu 100-mal schneller. Die Myelinscheide isoliert wie ein Kabel.

Chemische Synapsen übersetzen elektrische in chemische Signale und zurück. Neurotransmitter wie Acetylcholin schwimmen durch den synaptischen Spalt und docken an Rezeptoren an. Danach werden sie abgebaut oder wieder aufgenommen.

Cool fact: Deine Nervenbahnen sind schneller als die meisten Internetverbindungen!

Informationsverarbeitung und Synapsengifte

EPSP (erregende postsynaptische Potentiale) machen die Zelle positiver und fördern Aktionspotentiale. IPSP (hemmende postsynaptische Potentiale) machen sie negativer und verhindern Erregung. Dein Gehirn rechnet ständig mit diesen Signalen.

Zeitliche Summation addiert schnell aufeinanderfolgende Signale einer Synapse. Räumliche Summation rechnet gleichzeitige Signale verschiedener Synapsen zusammen. So entstehen komplexe Entscheidungen aus einfachen Ja/Nein-Signalen.

Synapsengifte greifen an verschiedenen Stellen an: Sie blockieren Calciumkanäle, hemmen Enzyme oder wirken als falsche Neurotransmitter. Manche führen zu dauerhafter Erregung (Krämpfe), andere zu Lähmungen.

Achtung: Viele Drogen und Gifte wirken genau an den Synapsen – deshalb sind sie so gefährlich!

Das Auge als Sinnesorgan

Dein Auge ist eine perfekte biologische Kamera. Die Hornhaut und Linse bündeln Licht, die Iris reguliert die Lichtmenge wie eine Blende. Die Akkommodation schärft das Bild durch Veränderung der Linsenform.

Die Netzhaut ist dein biologischer Sensor mit 126 Millionen Fotorezeptoren. Stäbchen (120 Mio.) ermöglichen Sehen im Dunkeln, Zapfen (6 Mio.) das Farbsehen. Sie liegen paradoxerweise lichtabgewandt – das Licht muss erst durch andere Schichten.

Der gelbe Fleck ist dein Schärfe-Hotspot mit den meisten Zapfen. Am blinden Fleck verlässt der Sehnerv das Auge – hier siehst du nichts. Dein Gehirn füllt diese Lücke automatisch aus.

Faszinierend: Deine Augen bewegen sich 3-4 mal pro Sekunde – du merkst es nur nicht!

Phototransduktion

Phototransduktion verwandelt Licht in elektrische Signale – wie ein biologischer Solarpanel. Im Dunkeln sind Na⁺/Ca²⁺-Kanäle durch cGMP geöffnet, das Stäbchen ist bei -30mV depolarisiert und schüttet den Hemmstoff Glutamat aus.

Bei Belichtung ändert Retinal seine Form von 11-cis zu all-trans. Das aktiviert eine Enzymkaskade: Ein Rhodopsin aktiviert 500 Transducin-Moleküle, jedes davon eine Phosphodiesterase. Diese zerstört bis zu 2000 cGMP-Moleküle.

Sinkende cGMP-Spiegel schließen die Kanäle, die Zelle hyperpolarisiert. Die Glutamat-Ausschüttung stoppt, die nachgeschalteten Bipolarzellen werden aktiv. So wird aus einem Lichtquant ein Aktionspotential.

Farbwahrnehmung funktioniert durch drei Zapfentypen: S-Zapfen (blau), M-Zapfen (grün), L-Zapfen (rot). Dein Gehirn berechnet aus deren Aktivitätsmustern alle sichtbaren Farben.

Wow-Faktor: Ein einzelnes Lichtquant reicht aus, um ein Stäbchen zu aktivieren!

Nervensystem-Organisation

Das Zentralnervensystem $Gehirn + Rückenmark$ ist deine Kommandozentrale. Das periphere Nervensystem verbindet sie mit dem Rest des Körpers über afferente (zum ZNS) und efferente (vom ZNS weg) Bahnen.

Das vegetative Nervensystem läuft im Autopilot. Der Sympathikus $Adrenalin/Noradrenalin$ aktiviert dich für Stress und Leistung. Der Parasympathikus (Acetylcholin) entspannt und regeneriert. Sie arbeiten als Gegenspieler.

Das Rückenmark steuert Reflexe und leitet Informationen weiter. Graue Substanz (Zellkörper) liegt innen, weiße Substanz (Nervenfasern) außen – umgekehrt zum Gehirn.

Lebenswichtig: Ohne das vegetative Nervensystem würdest du vergessen zu atmen!

Gehirn und Gedächtnis

Das Großhirn steuert bewusstes Denken und Erinnern. Der Thalamus ist die Schaltstation für Sinnesinformationen, der Hypothalamus kontrolliert Hormone und vegetative Funktionen. Das Kleinhirn koordiniert Bewegungen.

Neuronale Plastizität ermöglicht Lernen durch Veränderung der Synapsen. Langzeitpotenzierung verstärkt häufig genutzte Verbindungen – so entstehen Erinnerungen und Fähigkeiten.

Moderne Bildgebungsverfahren machen das Gehirn sichtbar: fMRT zeigt Aktivität durch Durchblutung, PET durch Stoffwechsel. Die Patch-Clamp-Technik misst einzelne Ionenkanäle.

Motivation: Jedes Mal, wenn du lernst, veränderst du physisch dein Gehirn – du wirst buchstäblich schlauer!