Neurobiologie - Überblick

Die Neurobiologie beschäftigt sich mit allem, was in deinem Nervensystem abläuft. Hier geht es um die Grundlagen, wie Nervenzellen kommunizieren und wie komplexe Prozesse wie Lernen oder Krankheiten entstehen.

Die Themen reichen von der Biomembran über Aktionspotenziale bis hin zu Synapsen und synaptischer Plastizität. Du wirst auch verstehen, wie das Hormon-Nervensystem bei Stress reagiert und was bei Alzheimer passiert.

💡 Merkbox: Die Neurobiologie verbindet Zellbiologie mit Verhalten - perfekt für's Abitur!

Nervensystem Aufbau

Dein Nervensystem steuert alles - von der Atmung bis zur Reaktion auf den Wecker am Morgen. Es besteht aus Neuronen und Gliazellen im ganzen Körper.

Das zentrale Nervensystem (ZNS) umfasst Gehirn und Rückenmark, wo die wichtigsten Entscheidungen getroffen werden. Das periphere Nervensystem (PNS) verbindet alle Körperteile mit dem ZNS.

Das somatische Nervensystem kontrolliert deine bewussten Bewegungen, während das vegetative Nervensystem automatisch deine Organe steuert. Der Sympathikus aktiviert dich bei Stress, der Parasympathikus entspannt dich wieder.

Afferente Neuronen leiten Informationen zum Gehirn, efferente Neuronen transportieren Befehle zu den Muskeln. So funktioniert die Kommunikation in deinem Körper.

⚡ Wichtig: ZNS = Zentrale, PNS = Leitungen - wie bei einem Computer!

Bau und Funktion von Nervenzellen

Neuronen sind die Grundbausteine deines Nervensystems und haben einen typischen Aufbau. Dendriten empfangen Signale, der Zellkörper verarbeitet sie, und das Axon leitet sie weiter.

Das Axon ist oft von einer Myelinscheide umhüllt, die wie eine Isolierung wirkt. Die Ranvierschen Schnürringe unterbrechen diese Isolierung in regelmäßigen Abständen.

Am Ende des Axons befinden sich die Synapsen, wo die Übertragung auf andere Zellen stattfindet. Mikrotubuli und andere Strukturen sorgen für den Transport innerhalb der Zelle.

🔬 Tipp: Stell dir ein Neuron wie ein Kabel vor - Dendrit = Antenne, Axon = Leitung!

Biomembran

Die Biomembran ist eine doppelte Phospholipidschicht, die deine Zellen umhüllt. Die unpolaren Schwänze zeigen nach innen, die polaren Köpfe nach außen - das macht sie stabil und trotzdem beweglich.

Integrale Membranproteine durchziehen die ganze Membran und steuern den Transport von Stoffen. Periphere Proteine sitzen nur auf einer Seite und sind für die Erregungsweiterleitung weniger wichtig.

Passiver Transport läuft ohne Energie ab - Stoffe wandern von hoher zu niedriger Konzentration. Aktiver Transport braucht Energie und kann auch "bergauf" gegen das Gefälle arbeiten.

Ionenkanäle und Carrier transportieren größere Moleküle oder Ionen, die sonst nicht durch die Membran kommen. Unpolare Stoffe durchdringen die Membran dagegen problemlos.

💭 Merkregel: Passiv = bergab ohne Energie, aktiv = bergauf mit Energie!

Bioelektrizität

Jede tierische Zelle ist elektrisch geladen - das ist die Grundlage für alles, was in deinem Nervensystem passiert. Sinnes-, Muskel- und Nervenzellen reagieren besonders gut auf elektrische Erregung.

Da du zu 80% aus Wasser bestehst, wird Strom durch hydratisierte Ionen geleitet. Die Zellmembran wirkt als natürliche Barriere, weil ihre Doppellipidschicht hydrophob ist.

Durch die Ladungstrennung entsteht eine Potenzialdifferenz - das Membranpotenzial. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle öffnen sich bei Spannungsänderungen, ligandengesteuerte bei Bindung bestimmter Moleküle.

Die Patch-Clamp-Technik ermöglicht es Forschern, den Ionenfluss durch einzelne Kanäle zu messen. Dabei wird eine feine Kapillare auf die Membran gesetzt und der Stromfluss gemessen.

⚡ Aha-Moment: Dein Körper ist wie eine biologische Batterie!

Ruhepotenzial

Das Ruhepotenzial entsteht durch unterschiedliche Ionenkonzentrationen inside und außerhalb des Axons. K⁺-Kanäle sind ständig geöffnet, sodass Kalium nach außen strömt.

Dadurch wird das Axon innen negativer und außen positiver. Die entstehende elektrische Anziehung zieht K⁺ wieder ins Innere - es entsteht ein Gleichgewicht bei etwa -50 bis -100 mV.

Problem: Ionenleckströme lassen kleine Mengen Na⁺ nach innen und K⁺ nach außen diffundieren. Die Natrium-Kalium-Pumpe pumpt unter ATP-Verbrauch 3 Na⁺ nach außen und 2 K⁺ nach innen.

So wird das Ruhepotenzial konstant gehalten. Diese Potenzialdifferenz ist essentiell für spätere Aktionspotenziale - ohne sie funktioniert keine Erregungsweiterleitung.

🔋 Wichtig: Die Na⁺-K⁺-Pumpe ist wie ein Ladegerät für deine Nervenzelle!

Aktionspotenzial

Ein Aktionspotenzial startet, wenn das Schwellenpotenzial erreicht wird - etwa 5-10 mV positiver als das Ruhepotenzial. Dann öffnen sich spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle.

Na⁺ strömt massiv nach innen (Depolarisation), weil außen mehr Na⁺ ist und das negative Innere die positiven Ionen anzieht. Das Membranpotenzial springt auf +30 mV.

Nach etwa 1 ms schließen sich die Na⁺-Kanäle für einige Millisekunden (Refraktärzeit). Gleichzeitig öffnen sich K⁺-Kanäle, K⁺ strömt nach außen (Repolarisation).

Der K⁺-Ausstrom kann das Ruhepotenzial sogar unterschreiten (Hyperpolarisation). Die Natrium-Kalium-Pumpe stellt schließlich das normale Ruhepotenzial wieder her.

Die Refraktärzeit sorgt dafür, dass sich die Erregung nur in eine Richtung ausbreitet - sie kann nicht zurückspringen.

📈 Tipp: Depolarisation = nach oben, Repolarisation = nach unten!

Saltatorische und kontinuierliche Erregungsweiterleitung

Bei der kontinuierlichen Erregungsweiterleitung muss an jeder Stelle des Axons eine Depolarisation stattfinden. Das ist langsam, aber bei wirbellosen Tieren üblich.

Die saltatorische Erregungsweiterleitung ist viel cleverer: Myelinscheiden isolieren das Axon, nur an den Ranvierschen Schnürringen kann eine Depolarisation stattfinden.

Die Erregung springt von Schnürring zu Schnürring und überspringt die isolierten Bereiche. Das ist bis zu 100-mal schneller als die kontinuierliche Weiterleitung.

Nur die Schnürringe enthalten spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle. Wenn dort ein Aktionspotenzial entsteht, beeinflusst es durch die überschüssigen positiven Ionen den nächsten Schnürring.

Die Refraktärzeit verhindert, dass die Erregung zurückspringt - sie kann nur vorwärts weitergeleitet werden.

🦘 Merkregel: Saltatorisch = springen (lat. saltare) - wie ein Känguru!

Primäre und sekundäre Sinneszellen

Sinneszellen wandeln Reize in elektrische Signale um. Dieser Prozess läuft in drei Schritten ab: Transduktion, Transformation und Transmission.

Primäre Sinneszellen sind echte Neuronen und machen alle drei Schritte selbst. Du findest sie bei Hautsinnen, Schmerz, Temperatur und Geruch.

Sekundäre Sinneszellen können nur die Transduktion - sie wandeln den Reiz in ein Rezeptorpotenzial um. Ein nachgeschaltetes Neuron übernimmt dann Transformation und Transmission.

Beispiele für sekundäre Sinneszellen sind Haarsinneszellen für Gleichgewicht und Hören. Sie geben ihre Information über Synapsen an echte Neuronen weiter.

🔄 Tipp: Primär = alles selbst, sekundär = braucht Hilfe von einem Neuron!