Grundlagen der Informationsverarbeitung

Das Nervensystem steuert und koordiniert alle Reize und Reaktionen im Körper.

Das Nervensystem

• Zentralnervensystem (ZNS): Besteht aus Gehirn und Rückenmark; verarbeitet alle Informationen.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Leitet Signale zwischen ZNS und Körper umher.
• Autonomes Nervensystem: Regelt unbewusste Funktionen über Sympathikus (Aktivierung) und Parasympathikus (Entspannung).

💡 Tipp: Merk dir den Sympathikus als "Stress-Modus" (Kampf/Flucht) und den Parasympathikus als "Chill-Modus" (Verdauung/Ruhe).

Bau einer Nervenzelle

Nervenzellen (Neuronen) sind die Bausteine der Signalweiterleitung.

Struktur und Funktion

• Dendriten: Nehmen Signale auf und leiten sie zum Soma (Zellkörper) weiter.
• Axonhügel: Verrechnet einlaufende Impulse und löst bei Schwellenüberschreitung ein Aktionspotential aus.
• Axon & Synapsen: Das Axon leitet Signale weiter; synaptische Endknöpfchen übertragen sie chemisch per Neurotransmitter.

💡 Tipp: Die Ranvier-Schnürringe am Axon wirken wie Katalysatoren: Die Erregung springt von Lücke zu Lücke, was die Weiterleitung extrem beschleunigt.

Das Reiz-Reaktions-Schema

Jede Reaktion unseres Körpers folgt einer festen Kette von Informationsschritten.

Der Weg vom Reiz zur Reaktion

• Afferente Neuronen: Sensorische Nervenbahnen leiten elektrische Impulse vom Sinnesorgan zum ZNS.
• Integration: Das ZNS verarbeitet und bewertet die Information.
• Efferente Neuronen: Motorische Nervenbahnen leiten die Antwort vom ZNS zum Effektor (z. B. Muskel).

Beispiel:

1. Reiz (heiße Herdplatte) $\rightarrow$ Afferente Bahn zum ZNS.
2. ZNS $\rightarrow$ Efferente Bahn zum Muskel $\rightarrow$ Hand wegziehen.

💡 Tipp: Merk dir Afferent für Ankommend (zum ZNS) und Efferent für Empfänger/Effektor (vom ZNS weg).

Das Ruhepotential

Unerregte Nervenzellen besitzen eine elektrische Grundspannung von ca. $-70\text{ mV}$.

Ionenverteilung und Erhalt

• Ladungsgefälle: Außen befinden sich viele $Na^+$-Ionen, innen dominieren $K^+$-Ionen und negative Proteine ($A^-$).
• Natrium-Leckströme: $Na^+$-Ionen diffundieren unerwünscht langsam nach innen.
• Natrium-Kalium-Pumpe: Transportiert aktiv unter ATP-Verbrauch $3\ Na^+$ nach außen und $2\ K^+$ nach innen.

💡 Tipp: Ohne die Natrium-Kalium-Pumpe würde das Ruhepotential durch die Leckströme zusammenbrechen – sie läuft daher im Dauerbetrieb.

Arten von Ionenkanälen

Kanäle in der Membran steuern den Ionenfluss und damit die Zellspannung.

Kanaltypen im Überblick

• Ruhende Kanäle: Sind dauerhaft offen (z. B. für den $K^+$-Hintergrundstrom beim Ruhepotential).
• Spannungsgesteuerte Kanäle: Öffnen sich nur bei bestimmten Membranpotentialen (wichtig fürs Aktionspotential).
• Transmittergesteuerte Kanäle: Reagieren auf chemische Botenstoffe wie Acetylcholin.

💡 Tipp: Spannungsgesteuerte Kanäle funktionieren wie elektrische Schleusen, transmittergesteuerte Kanäle wie ein Schloss, das nur mit dem passenden Schlüssel (Ligand) aufgeht.

Das Aktionspotential

Das Aktionspotential ist ein kurzes elektrisches Signal zur Reizweiterleitung.

Phasen des Aktionspotentials

• Schwellenpotential: Ein Reiz muss mindestens $-55\text{ mV}$ erreichen, damit das Signal feuert (Alles-oder-Nichts-Prinzip).
• Depolarisation: Schlagartiger Einstrom von $Na^+$ macht das Zellinnere positiv ($+30\text{ mV}$).
• Repolarisation & Hyperpolarisation: $Na^+$-Kanäle schließen, $K^+$ strömt aus; das Potential sinkt kurzzeitig unter das Ruheniveau.

💡 Tipp: In der Refraktärzeit direkt nach dem Impuls ist die Zelle kurzzeitig nicht erneut erregbar – das verhindert, dass Signale rückwärts laufen.

Primäre & sekundäre Sinneszellen

Rezeptoren wandeln Umweltreize in körpereigene elektrische Signale um.

Rezeptorpotential und Zelltypen

• Rezeptorpotential: Eine reizabhängige, graduelle Spannungsänderung an der Sinneszelle.
• Primäre Sinneszellen: Besitzen ein eigenes Axon und bilden selbst Aktionspotentiale (z. B. Riechzellen).
• Sekundäre Sinneszellen: Haben kein Axon; sie schütten Transmitter aus, um nachgeschaltete Neuronen zu erregen (z. B. Haarzellen im Ohr).

💡 Tipp: Nur primäre Sinneszellen können direkt "feuern" – sekundäre Sinneszellen brauchen immer einen Partner zur Signalweiterleitung.