Nervenzellen und Nervensysteme

Stell dir vor, dein Körper ist ein riesiges Kommunikationsnetzwerk - und Neuronen sind die Hauptakteure! Jede Nervenzelle hat vier wichtige Bereiche, die perfekt zusammenarbeiten.

Die Dendriten sind wie Antennen, die Signale von anderen Neuronen empfangen. Der Zellkörper (Soma) mit seinem Zellkern steuert alle wichtigen Stoffwechselprozesse und sammelt die eingehenden Signale.

Das Axon ist der lange "Kabelstrang" der Nervenzelle, der elektrische Signale blitzschnell weiterleitet. Am Axonhügel werden alle Signale verrechnet - hier entscheidet sich, ob ein Signal weitergeleitet wird oder nicht. Die Synapsen am Ende wandeln elektrische Signale in chemische um und übertragen sie auf die nächste Zelle.

Merktipp: Dendriten = empfangen, Soma = verarbeiten, Axon = weiterleiten, Synapsen = übertragen!

Das Ruhepotenzial

Warum ist eine ruhende Nervenzelle eigentlich negativ geladen? Das Ruhepotenzial von -70 mV ist wie eine gespannte Feder - voller Energie, die jederzeit genutzt werden kann!

Im Ruhezustand sind viele Kaliumionen $K+$ in der Zelle und viele Natriumionen $Na+$ außerhalb. Die Zellmembran ist für Natrium praktisch undurchlässig, aber Kalium kann durch spezielle Kanäle nach draußen wandern.

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist der Star hier: Sie pumpt aktiv 3 Natriumionen raus und 2 Kaliumionen rein. Da sie mehr positive Ladungen entfernt als hinzufügt, bleibt die Zelle negativ geladen.

Fun Fact: Ohne die Na-K-Pumpe würde dein Nervensystem nicht funktionieren - sie verbraucht etwa 20% deiner gesamten Körperenergie!

Das Aktionspotenzial

Jetzt wird's richtig spannend! Ein Aktionspotenzial ist wie ein elektrischer Blitz, der durch deine Nerven zuckt. Dabei kehrt sich die Ladung komplett um - von -70 mV auf +30 mV!

Der Ablauf folgt dem Alles-oder-nichts-Prinzip: Erreicht die Depolarisation den Schwellenwert von -50 mV, gibt's kein Zurück mehr. Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich schlagartig, Natrium strömt rein (positive Rückkopplung) und die Zelle wird positiv geladen.

Dann folgt die Repolarisation: Kaliumkanäle öffnen sich verzögert, K+ strömt raus und die Natriumkanäle schließen sich. Bei der Hyperpolarisation wird die Zelle sogar negativer als normal, bevor das Ruhepotenzial wiederhergestellt wird.

Wichtig: Die Refraktärzeit von 1-2 ms sorgt dafür, dass Signale nur in eine Richtung laufen!

Kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung

Wie schnell deine Nerven leiten, hängt von ihrer "Ausstattung" ab! Es gibt zwei völlig verschiedene Systeme der Erregungsleitung.

Bei der kontinuierlichen Erregungsleitung in marklosen Nervenfasern wandert das Aktionspotenzial wie eine Welle entlang der gesamten Membran. Das ist zwar sicher, aber ziemlich langsam.

Die saltatorische Erregungsleitung ist dagegen der Ferrari unter den Nervenleitungen! Die Myelinscheide isoliert das Axon wie ein Kabel. An den Ranvierschen Schnürringen (den Lücken in der Isolation) springt das Signal von Punkt zu Punkt.

Die Vorteile sind genial: Viel höhere Geschwindigkeit, dünnere Nervenfasern bei gleicher Leistung und enormer Energieverbrauch nur an den Schnürringen.

Vergleich: Stell dir vor, du läufst einmal jeden Schritt (kontinuierlich) oder springst von Stein zu Stein (saltatorisch)!

Informationsübertragung an Synapsen

An Synapsen wird's richtig chemisch! Hier verwandeln sich elektrische Signale in eine Art molekulare Post mit Neurotransmittern als Botenstoffe.

Der Ablauf ist wie ein perfekt choreografierter Tanz: Das Aktionspotenzial öffnet Calciumkanäle, Calcium strömt ein und löst die Freisetzung von Neurotransmitter-gefüllten Vesikeln aus. Die Botenstoffe diffundieren durch den synaptischen Spalt und docken an spezifische Rezeptoren an.

Je nach Neurotransmitter-Typ entstehen erregende (EPSP) oder hemmende (IPSP) Signale. Bei genügend Erregung wird ein neues Aktionspotenzial ausgelöst. Danach werden die Neurotransmitter wieder aufgenommen oder abgebaut.

Dieser Mechanismus ermöglicht nicht nur Signalübertragung, sondern auch Modulation - Synapsen können Signale verstärken, abschwächen oder komplett blockieren.

Faszinierend: Eine einzige Nervenzelle kann bis zu 10.000 synaptische Verbindungen haben!

EPSP und IPSP

Synapsen sind wie Wähler in einer Demokratie - sie können "Ja" (EPSP) oder "Nein" (IPSP) zu einem Signal sagen! Diese postsynaptischen Potenziale entscheiden über Erregung oder Hemmung.

Bei einem erregenden postsynaptischen Potenzial (EPSP) öffnen Neurotransmitter Natriumkanäle. Na+-Ionen strömen ein, die Zelle wird weniger negativ (depolarisiert) und die Erregungsweiterleitung wird gefördert.

Das inhibitorische postsynaptische Potenzial (IPSP) macht das Gegenteil: Kalium- und Chloridkanäle öffnen sich. K+ verlässt die Zelle, Cl- strömt ein - die Zelle wird noch negativer (hyperpolarisiert) und gehemmt.

Am Axonhügel werden alle EPSPs und IPSPs zusammengerechnet. Nur wenn der Schwellenwert von -50 mV überschritten wird, entsteht ein neues Aktionspotenzial.

Merkhilfe: EPSP = Erregend (positiver), IPSP = Inhibierend (noch negativer)!

Neuronale Verrechnung

Dein Gehirn ist ein Supercomputer, der ständig Signale verrechnet! Neuronale Verrechnung funktioniert über zwei clevere Mechanismen: räumliche und zeitliche Summation.

Bei der räumlichen Summation kommen gleichzeitig Signale von verschiedenen Synapsen an. Mehrere EPSPs addieren sich und können zusammen den Schwellenwert überschreiten - auch wenn jedes einzelne zu schwach wäre.

Die zeitliche Summation nutzt die Zeit: Kommen Signale an derselben Synapse schnell hintereinander an, überlappen sich die PSPs. Wie bei Wellen, die sich überlagern, entsteht ein stärkeres Gesamtsignal.

Diese Verrechnung am Axonhügel ist genial: EPSPs und IPSPs werden gegeneinander aufgewogen. So kann eine hemmende Synapse die Wirkung mehrerer erregender Synapsen blockieren.

Cool: Dein Gehirn führt Millionen solcher Berechnungen pro Sekunde durch!

Wirkung von Giften und Drogen an Synapsen

Neuroaktive Stoffe können dein Nervensystem massiv beeinflussen - von tödlichen Giften bis zu Suchtmitteln! Sie greifen an verschiedenen Punkten der Signalübertragung an.

Curare und Botulinumtoxin blockieren die Muskelkontraktion: Curare verdrängt Acetylcholin von den Rezeptoren, Botox verhindert die Transmitterfreisetzung. Beide führen zu Lähmungen bis hin zum Atemstillstand.

Alkylphosphate (wie Insektizide oder Nervengase) hemmen den Acetylcholin-Abbau. Das führt zu Dauererregung und tödlichen Krämpfen. Kokain blockiert die Dopamin-Wiederaufnahme und aktiviert das Belohnungssystem - macht aber süchtig und zerstört auf Dauer das Gehirn.

Opiate wie Heroin besetzen Endorphin-Rezeptoren und unterdrücken Schmerzsignale. Sie erzeugen Euphorie, aber langfristig schwere Organschäden.

Wichtig: Diese Stoffe zeigen, wie präzise und verletzlich unser Nervensystem ist!

Neuromuskuläre Synapse

Die neuromuskuläre Synapse ist deine Schnittstelle zwischen Gedanken und Bewegung! Hier wird aus einem Nervenimpuls echte Muskelkraft.

Der Ablauf ist blitzschnell: Ein Aktionspotenzial erreicht das Axonende, Calciumkanäle öffnen sich und Acetylcholin wird in den synaptischen Spalt freigesetzt. Das Acetylcholin bindet an spezielle Rezeptoren auf der Muskelmembran.

Diese Bindung öffnet Natriumkanäle in der Muskelfaser, es entsteht ein elektrisches Signal und der Muskel kontrahiert. Acetylcholinesterase baut danach das Acetylcholin ab und beendet die Kontraktion.

Dieser Prozess wiederholt sich bei jeder bewussten Bewegung - vom Augenzwinkern bis zum Sprint. Ohne funktionierende neuromuskuläre Synapsen wärst du vollständig gelähmt.

Faszinierend: Von deinem Bewegungswunsch bis zur Muskelkontraktion dauert es nur Millisekunden!

Beispiele neuronaler Verrechnung

Echte neuronale Verrechnung ist komplexer als die Theorie! In der Praxis überlappen sich zeitliche und räumliche Summation ständig.

Stell dir vor: An Synapse A kommen schnell aufeinanderfolgende Aktionspotenziale an (zeitliche Summation). Gleichzeitig sendet Synapse B ein länger anhaltendes EPSP und Synapse D ein kurzes IPSP (räumliche Summation).

Am Axonhügel werden alle Signale verrechnet: Solange das EPSP stark genug ist, entstehen Aktionspotenziale. Kommt das IPSP dazu, wird der Schwellenwert nicht mehr erreicht - es entsteht eine "Lücke" in der Aktionspotenzial-Kette.

Nach dem Abklingen des IPSP setzt die Erregungsweiterleitung wieder ein. So können hemmende Synapsen die Signalübertragung präzise steuern und modulieren.

Praxis-Tipp: Solche Verrechnung-Aufgaben kommen gerne im Abi vor - übe das Interpretieren von Kurven!