Aufbau und Funktion der Nervenzelle

Nervenzellen $Neuronen$ sind die Grundbausteine unseres Nervensystems und für Informationsübertragung und -verarbeitung zuständig. Die Reizweiterleitung im Nervensystem folgt einem klaren Ablauf: Ein Reiz wird über spezialisierte Rezeptoren aufgenommen, dann in elektrische Signale umgewandelt (Transduktion) und schließlich im Nervensystem weitergeleitet und verarbeitet.

Der Nervenzelle Aufbau ist perfekt auf ihre Funktion abgestimmt. Sie besteht aus:

• Dendriten: Sie empfangen Signale von anderen Neuronen
• Soma (Zellkörper): Enthält den Zellkern und lebenswichtige Zellorganellen
• Axon: Leitet Aktionspotenziale vom Soma weg zu anderen Nervenzellen
• Synapsen: Spezielle Kontaktstellen am Ende des Axons, die Informationen an andere Zellen übertragen

Die Dendriten Funktion ist besonders wichtig für die Informationsaufnahme. Diese baumartig verzweigten Fortsätze vergrößern die Oberfläche der Nervenzelle enorm und können so viele Signale von anderen Nervenzellen empfangen.

💡 Merke: Die Nervenzelle arbeitet wie ein komplexes Kommunikationssystem – Dendriten nehmen Informationen auf, das Soma verarbeitet sie, und das Axon leitet sie weiter. Die richtige Zusammenarbeit aller Teile ist entscheidend für die Neuron Funktion!

Die Nervenzelle enthält zudem wichtige Strukturen wie Mikrotubuli (für den Transport von Substanzen), Mitochondrien (Energieversorgung) und das endoplasmatische Retikulum (Proteinsynthese). All diese Komponenten ermöglichen der Nervenzelle, ihre komplexen Aufgaben zu erfüllen.

Ruhepotential und Aktionspotential

Das Ruhepotential der Nervenzelle ist ein spannender elektrischer Zustand, in dem jede Nervenzelle in Ruhe verharrt. Bei etwa -70 mV ist das Zellinnere negativ geladen, während außen mehr positive Ladungen vorliegen. Dieses Ungleichgewicht entsteht durch eine spezifische Ionenverteilung:

• Innen: Vor allem K⁺-Ionen und negativ geladene Proteine
• Außen: Höhere Konzentrationen von Na⁺- und Cl⁻-Ionen
• K⁺-Kanäle sind offen, Na⁺- und Cl⁻-Kanäle geschlossen

Die Na⁺/K⁺-Pumpe sorgt unter ATP-Verbrauch dafür, dass dieses Ungleichgewicht bestehen bleibt, indem sie drei Na⁺-Ionen aus der Zelle und zwei K⁺-Ionen hinein transportiert.

Das Aktionspotential ist ein kurzer, aber entscheidender Prozess der Signalübertragung in Nervenzellen. Es folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip - entweder wird ein vollständiges Aktionspotential ausgelöst oder keines. Dieser Vorgang verläuft in mehreren Phasen:

1. Depolarisation: Spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle öffnen sich, Na⁺ strömt ein, die Membran wird positiv geladen $bis +30 mV$
2. Repolarisation: Na⁺-Kanäle schließen sich, K⁺-Kanäle öffnen sich verzögert, K⁺ strömt aus
3. Hyperpolarisation: Kurzzeitig sinkt das Potential unter den Ruhewert

💡 Wichtig für Klausuren: Das Aktionspotential und das Ruhepotential stellen Grundlagen für alle Signalübertragungen im Nervensystem dar! Die Ionenströme während des Aktionspotentials verändern die Ladungsverhältnisse an der Membran und ermöglichen so die Weiterleitung von Informationen.

Nach dem Aktionspotential benötigt die Zelle eine kurze Erholungsphase $Refraktärzeit$, in der die Na⁺-Kanäle inaktiviert sind, bevor ein neues Aktionspotential ausgelöst werden kann.

Erregungsleitung in Nervenzellen

Die Erregungsleitung in Nervenzellen erfolgt auf zwei unterschiedlichen Wegen: kontinuierlich oder saltatorisch. Beide Mechanismen dienen der Weiterleitung von Aktionspotentialen, haben aber verschiedene Eigenschaften.

Bei der kontinuierlichen Erregungsleitung breitet sich das Aktionspotential gleichmäßig entlang der Axonmembran aus:

• Das Aktionspotential wandert durch die Öffnung benachbarter Na⁺-Kanäle
• Ausgleichsströmchen sorgen für gerichtete Weiterleitung
• Leckströme verlangsamen die Depolarisation
• Die Refraktärzeit der Na⁺-Kanäle verhindert ein Zurücklaufen des Signals

Der Axondurchmesser beeinflusst dabei die Geschwindigkeit der Erregungsleitung. Bei dicken Axonen breitet sich die Erregung schneller aus, da weniger Ladungsverluste auftreten.

Die saltatorische Erregungsleitung ist deutlich schneller und energieeffizienter:

• Sie findet in myelinisierten Nervenfasern statt
• Aktionspotentiale entstehen nur an den Ranvier'schen Schnürringen
• Die Myelinscheide wirkt als elektrischer Isolator
• Das Signal "springt" von Schnürring zu Schnürring
• Erregungsgeschwindigkeiten bis zu 120 m/s sind möglich

💡 Prüfungstipp: Vergleiche die kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung anhand von Geschwindigkeit und Energieverbrauch! Die saltatorische Leitung ist bis zu 100-mal schneller und verbraucht weniger Energie, da weniger Aktionspotentiale für die gleiche Strecke benötigt werden.

Bei der Informationscodierung nutzen Nervenzellen die Frequenzcodierung: Die Stärke eines Reizes wird durch die Häufigkeit der Aktionspotentiale (Impulsfrequenz) übermittelt, nicht durch deren Amplitude, die immer gleich bleibt.

Synaptische Informationsübertragung

Die Synapse Funktion ist entscheidend für die Kommunikation zwischen Nervenzellen. Die meisten Synapsen im menschlichen Körper sind chemische Synapsen, die Informationen über Neurotransmitter übertragen. Der Aufbau einer chemischen Synapse ist perfekt auf ihre Aufgabe abgestimmt.

Der Synapse Aufbau besteht aus:

• Präsynaptischer Membran mit Vesikeln voller Neurotransmitter
• Synaptischem Spalt
• Postsynaptischer Membran mit Rezeptoren

Die Informationsübertragung an der Synapse läuft in folgenden Schritten ab:

1. Ein Aktionspotential erreicht die präsynaptische Endigung
2. Spannungsgesteuerte Ca²⁺-Kanäle öffnen sich
3. Calcium strömt ein und bewirkt die Fusion der Vesikel mit der Membran
4. Neurotransmitter (z.B. Acetylcholin) werden in den synaptischen Spalt freigesetzt
5. Die Transmitter binden an spezifische Rezeptoren der postsynaptischen Membran
6. Je nach Synapse entstehen erregende (EPSP) oder hemmende (IPSP) postsynaptische Potentiale

Nach der Übertragung wird der Neurotransmitter entweder durch Enzyme abgebaut oder wieder in die Präsynapse aufgenommen.

💡 Wichtig: Anders als Aktionspotentiale folgen postsynaptische Potentiale nicht dem Alles-oder-Nichts-Prinzip! Sie werden in ihrer Amplitude codiert und können sich summieren.

Die synaptische Übertragung markiert einen Codewechsel: Das elektrische Signal (Aktionspotential) wird in ein chemisches Signal (Neurotransmitter) und dann wieder in ein elektrisches Signal (postsynaptisches Potential) umgewandelt. So entsteht eine enorme Flexibilität in der Informationsverarbeitung des Nervensystems.

Verarbeitung an Synapsen

An Synapsen findet eine vielfältige Verarbeitung von Nervensignalen statt. Ein einzelnes postsynaptisches Potential (PSP) reicht meist nicht aus, um ein neues Aktionspotential auszulösen. Erst durch Summation werden Signale wirkungsvoll.

Bei der räumlichen Summation werden Signale aus verschiedenen Richtungen gleichzeitig verrechnet:

• Mehrere Synapsen aktivieren die gleiche Nervenzelle zeitgleich
• Na⁺-Ionen aus unterschiedlichen Quellen summieren sich
• Bei ausreichender Stärke wird der Schwellenwert erreicht

Bei der zeitlichen Summation treffen Signale schnell hintereinander an der gleichen Synapse ein:

• Die EPSPs überlagern sich zeitlich
• Die Membranspannung kann den Schwellenwert überschreiten
• Ein neues Aktionspotential entsteht

Erregende (EPSP) und hemmende (IPSP) Signale können sich gegenseitig überlagern:

• Hyperpolarisation und Depolarisation werden miteinander verrechnet
• Die Summe bestimmt, ob der Schwellenwert erreicht wird

Postsynaptische Potentiale unterscheiden sich grundlegend von Aktionspotentialen:

• Sie entstehen an Dendriten und Zellkörper (nicht am Axonhügel)
• Ihre Reizstärke wird durch die Amplitude codiert (nicht durch Frequenz)
• Sie haben keine Refraktärzeit
• Sie breiten sich über den gesamten Zellkörper aus und werden dabei abgeschwächt

💡 Klausurwissen: Die Verrechnung an Synapsen ist die Grundlage unserer Lernprozesse! Wenn bestimmte Synapsen wiederholt aktiviert werden, können sie ihre Übertragungseigenschaften langfristig verändern (synaptische Plastizität).

Synaptische Vorgänge können durch Synapsengifte gestört werden. Diese wirken an verschiedenen Stellen der synaptischen Übertragung. Beispielsweise blockiert Botox die Freisetzung von Neurotransmittern, während Curare die Acetylcholin-Rezeptoren blockiert.

Elektrische Synapsen und Sinneszellen

Elektrische Synapsen unterscheiden sich grundlegend von chemischen Synapsen und bieten besondere Vorteile für die Nervenfunktion:

• Die Membranen der verbundenen Zellen liegen sehr eng beieinander (≤ 1 nm)
• Gap Junctions (Proteinkanäle) verbinden das Zellplasma beider Zellen direkt
• Ionen und kleine Moleküle können direkt zwischen den Zellen fließen
• Die Übertragung erfolgt verzögerungsfrei und ist somit schneller
• Signale können in beide Richtungen fließen

Diese Art der Synapsen kommt dort vor, wo besonders schnelle Reizleitung nötig ist, etwa beim Lidschlussreflex. Der Nachteil ist die fehlende Möglichkeit zur Feinregulation der Signalübertragung.

Sinneszellen (Rezeptorzellen) sind spezialisierte Zellen, die auf bestimmte Reize reagieren. Es gibt verschiedene Typen von Rezeptoren:

1. Fotorezeptoren: Reagieren auf Licht (z.B. Stäbchen und Zapfen im Auge)
2. Thermorezeptoren: Empfindlich für Temperaturänderungen
3. Mechanorezeptoren: Registrieren mechanische Reize wie Druck oder Dehnung
4. Chemorezeptoren: Erkennen chemische Substanzen $z.B. Geschmacks- und Geruchsrezeptoren$

Jeder Reiz löst am Rezeptor ein Rezeptorpotential aus:

• Die Potentialänderung bildet in ihrer Amplitude die Intensität des Reizes ab
• Je stärker der Reiz, desto größer das Rezeptorpotential

💡 Merke dir: Bei primären Sinneszellen (wie Riechzellen) besitzt die Zelle selbst ein Axon zur Signalweiterleitung. Bei sekundären Sinneszellen (wie Fotorezeptoren) erfolgt die Weiterleitung über eine Synapse auf ein nachgeschaltetes Neuron.

Unsere Sinneswahrnehmung beginnt immer mit der Umwandlung von Reizenergie in elektrische Signale - ein faszinierender Prozess, der uns ermöglicht, die Welt um uns herum zu erfassen und zu verstehen.

Geruchssinn und Riechvorgang

Unser Geruchssinn ist ein faszinierend komplexes System, das uns erlaubt, tausende verschiedene Düfte zu unterscheiden. Der Aufbau der Nase und der Riechschleimhaut ist perfekt an diese Aufgabe angepasst.

Die Riechschleimhaut enthält Geruchsrezeptorzellen, die als primäre Sinneszellen fungieren. Diese besitzen:

• Cilien (feine Härchen), die in die Schleimschicht hineinragen
• Spezifische Rezeptorproteine zum Erkennen von Duftstoffen
• Eigene Axone, die durch die Siebplatte zum Gehirn ziehen

Der Riechvorgang basiert auf einem komplexen biochemischen Prozess:

1. Das Duftstoffmolekül bindet an den passenden Rezeptor $Schlüssel-Schloss-Prinzip$
2. Ein G-Protein wird aktiviert
3. Dies führt zur Aktivierung der Adenylatcyclase
4. cAMP wird gebildet $unter ATP-Verbrauch$
5. cAMP öffnet CNG-Kanäle, wodurch Na⁺ und Ca²⁺ einströmen
6. Es entsteht ein depolarisierendes Rezeptorpotential
7. Ca²⁺ verstärkt die Depolarisation durch Öffnung von Cl⁻-Kanälen

Bei ausreichender Stärke des Rezeptorpotentials entstehen Aktionspotentiale, die über den Riechnerv zum Riechkolben geleitet werden.

💡 Interessant: Der Geruchssinn hat eine direkte Verbindung zum limbischen System, dem emotionalen Zentrum unseres Gehirns. Deshalb können Gerüche so starke Erinnerungen und Gefühle auslösen!

Die weitere Verarbeitung der Geruchsinformationen erfolgt über die Riechbahn zur Riechrinde. Diese enge Verbindung zwischen Geruchssinn und emotionalem Gedächtnis erklärt, warum bestimmte Düfte so starke Erinnerungen wachrufen können.

Aufbau des Auges und Fototransduktion

Das Auge ist ein hochkomplexes Sinnesorgan, das Licht in elektrische Signale umwandelt. Es besteht aus mehreren wichtigen Schichten und Strukturen:

• Die äußere Lederhaut schützt das Auge
• Die mittlere Aderhaut versorgt es mit Nährstoffen
• Die Netzhaut (Retina) enthält die lichtempfindlichen Sinneszellen
• Der Gelbe Fleck (Makula) ist die Stelle des schärfsten Sehens
• Die Linse bündelt das einfallende Licht
• Die Iris reguliert den Lichteinfall durch Veränderung der Pupillengröße

In der Netzhaut befinden sich die Fotorezeptoren: Stäbchen für das Hell-Dunkel-Sehen und Zapfen für das Farbsehen. Die Verarbeitung der visuellen Signale beginnt bereits in der Netzhaut durch verschiedene Neuronentypen:

• Horizontalzellen bilden Querverbindungen zwischen Fotorezeptoren
• Bipolarzellen leiten Signale von Fotorezeptoren zu Ganglienzellen
• Amakrinzellen bilden Querverbindungen zwischen Bipolarzellen
• Ganglienzellen fassen Signale zusammen und leiten sie zum Gehirn

Der Prozess der Fototransduktion in den Stäbchen läuft wie folgt ab:

Bei Dunkelheit:

• Das Rhodopsin ist inaktiv
• Natrium-Kanäle sind geöffnet
• Die Zelle ist depolarisiert $-30 mV$
• Glutamat wird ständig ausgeschüttet
• Bipolarzellen werden gehemmt

💡 Verständnishilfe: Bei der Fototransduktion reagiert das Auge genau umgekehrt, als man erwarten würde: Licht führt zur Hyperpolarisation (Hemmung) der Fotorezeptoren, nicht zu ihrer Aktivierung!

Bei Licht:

• Licht führt zur Konformationsänderung des Retinals im Rhodopsin
• Eine Enzymkaskade führt zur Spaltung von cGMP
• Natrium-Kanäle schließen sich
• Die Zelle wird hyperpolarisiert $-70 mV$
• Die Glutamatausschüttung stoppt
• Bipolarzellen werden aktiviert (EPSP)

Farbsehen und visuelle Informationsverarbeitung

Unser Farbsehen basiert auf drei verschiedenen Zapfentypen in der Netzhaut. Jeder Zapfentyp reagiert unterschiedlich stark auf verschiedene Wellenlängen des Lichts:

• Blau-Zapfen: Empfindlich für kurzwelliges Licht (ca. 450 nm)
• Grün-Zapfen: Reagieren auf mittelwelliges Licht (ca. 530 nm)
• Rot-Zapfen: Sensitiv für langwelliges Licht (ca. 570 nm)

Die Absorptionskurven dieser Zapfentypen überlappen sich teilweise. Dadurch kann das Gehirn durch Vergleich der Erregungsmuster die wahrgenommene Farbe konstruieren.

Eine wichtige Rolle bei der Bildverarbeitung spielt die laterale Inhibition:

• Benachbarte Seh- und Nervenzellen hemmen sich gegenseitig
• Dadurch werden Kontraste verstärkt
• Unterschiede werden hervorgehoben

Jeder Fotorezeptor besitzt ein rezeptives Feld:

• Zapfen und Stäbchen im Zentrum wirken erregend
• In der Umgebung wirken sie hemmend
• Diese Anordnung ermöglicht eine präzise Wahrnehmung von Kanten und Übergängen

Die Farbinformation wird über spezielle Kanäle an das Gehirn weitergeleitet:

• Vier verschiedene Rot-Grün-Kanäle verarbeiten diese Farbkombination
• Ein Blau-Gelb-Kanal verrechnet Blau mit der Kombination aus Rot und Grün (Gelb)

💡 Wusstest du? Optische Täuschungen wie das Hermann-Gitter entstehen durch laterale Inhibition. Die dunklen Flecken an den Kreuzungen weißer Linien erscheinen, weil die Kontrastverarbeitung unserer Netzhaut die Ränder besonders hell erscheinen lässt.

Diese komplexe Verarbeitung visueller Informationen beginnt bereits in der Netzhaut und wird im visuellen Kortex des Gehirns weiter verfeinert. Dadurch können wir nicht nur Formen und Bewegungen, sondern auch feinste Farbunterschiede wahrnehmen.