Grundfunktionen der Nervenzelle

Die Funktion der Nervenzelle basiert auf ihrer Fähigkeit, elektrische Signale zu erzeugen und weiterzuleiten. Dies geschieht durch verschiedene elektrochemische Prozesse.

Hauptfunktionen der Nervenzellen

• Reizaufnahme: Nervenzellen empfangen Signale über ihre Dendriten
• Signalverarbeitung: Im Soma und am Axonhügel werden Signale integriert und verarbeitet
• Signalweiterleitung: Durch das Axon werden Aktionspotentiale weitergeleitet
• Signalübertragung: An den Synapsen erfolgt die Übertragung auf andere Zellen

Die Rolle des Zellkerns

Der Zellkern der Nervenzelle hat mehrere wichtige Funktionen:

• Steuerung des Zellstoffwechsels
• Speicherung der genetischen Information
• Regulation der Proteinsynthese, besonders wichtig für Signalmoleküle
• Steuerung der Regeneration und des Wachstums neuronaler Verbindungen

Wichtiger Hinweis: Nervenzellen sind postmitotische Zellen, d.h. sie teilen sich nach ihrer Entstehung in der Regel nicht mehr. Deshalb ist die Zellkern Nervenzelle Funktion besonders wichtig für die lebenslange Erhaltung und Anpassung dieser Zellen.

Kommunikation zwischen Nervenzellen

Die Kommunikation zwischen Neuronen über Synapsen ist ein mehrstufiger Prozess:

1. Ein Aktionspotential erreicht das präsynaptische Endknöpfchen
2. Calciumionen strömen ein und bewirken die Ausschüttung von Neurotransmittern
3. Die Neurotransmitter diffundieren zum postsynaptischen Neuron
4. Dort binden sie an spezifische Rezeptoren und lösen ein Signal aus

Diese Kommunikation ermöglicht die komplexe Informationsverarbeitung im Nervensystem und bildet die Grundlage für Lernen, Gedächtnis und alle höheren neurologischen Funktionen.

Die Ionengleichgewichte beim Ruhepotential

Das Ruhepotential der Nervenzelle basiert auf komplexen Ionengleichgewichten, die durch passive und aktive Transportmechanismen aufrechterhalten werden.

Chemische und elektrische Gradienten

Im Gleichgewichtszustand wirken zwei gegensätzliche Kräfte:

• Chemischer Gradient: Treibt Ionen entlang ihres Konzentrationsunterschieds

  • Natrium- und Chlorid-Ionen: nach innen
  • Kalium-Ionen und organische Anionen: nach außen

• Elektrischer Gradient: Treibt Ionen entsprechend ihrer Ladung

  • Positive Ionen (Na⁺, K⁺): werden vom negativen Zellinneren angezogen
  • Negative Ionen (Cl⁻, A⁻): werden vom negativen Zellinneren abgestoßen

Die Rolle der Natrium-Kalium-Pumpe

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist entscheidend für die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials:

• Transportiert aktiv unter ATP-Verbrauch Ionen gegen ihre Konzentrationsgradienten
• Pumpt pro Zyklus 3 Na⁺-Ionen nach außen und 2 K⁺-Ionen nach innen
• Erzeugt dadurch ein elektrochemisches Ungleichgewicht
• Sorgt für die hohe extrazelluläre Na⁺- und die hohe intrazelluläre K⁺-Konzentration

Wichtige Erkenntnis: Die Kombination aus Diffusionskräften, Ladungsunterschieden und selektiver Membranpermeabilität führt zur ungleichen Ionenverteilung und einer Ladungstrennung von -70 mV. Dies ist die Grundvoraussetzung für die Erregbarkeit der Nervenzelle und die Entstehung von Aktionspotentialen.

Die aktive Arbeit der Natrium-Kalium-Pumpe erklärt, warum das Nervensystem etwa 20% des gesamten Energieverbrauchs des Körpers ausmacht, obwohl es nur 2% der Körpermasse darstellt.

Aktionspotential und Reizcodierung

Das Aktionspotential simpleclub und andere Lehrquellen erklären, wie Nervenzellen Reize kodieren und weiterleiten.

Entstehung und Ablauf des Aktionspotentials

Ein Aktionspotential entsteht in folgenden Schritten:

1. Ausgangszustand $Ruhepotential bei -70 mV$:

   • Extrazellulär befinden sich hauptsächlich Na⁺- und Cl⁻-Ionen
   • Intrazellulär befinden sich K⁺-Ionen und organische Anionen
   • K⁺-Kanäle sind offen, spannungsabhängige Na⁺- und K⁺-Kanäle sind geschlossen

2. Reizaufnahme und Schwellenpotential:

   • Ein Reiz trifft am Axonhügel ein
   • Spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle öffnen sich
   • Na⁺-Ionen strömen ins Zellinnere
   • Bei Erreichen des Schwellenwerts $-50 mV$ wird das Aktionspotential ausgelöst

3. Vollständige Depolarisation:

   • Mehr Na⁺-Kanäle öffnen sich (positive Rückkopplung)
   • Die Membran wird bis auf +30 mV depolarisiert
   • Na⁺-Kanäle werden nach etwa 1 ms inaktiviert
   • K⁺-Kanäle öffnen sich zeitverzögert

Wichtiges Merkmal: Das Aktionspotential folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip - entweder wird es vollständig ausgelöst oder gar nicht. Die Stärke eines Reizes wird nicht durch die Amplitude des Aktionspotentials, sondern durch die Frequenz der Aktionspotentiale kodiert.

Reizcodierung im Nervensystem

Die Reizcodierung erfolgt durch:

• Frequenzmodulation: Stärkere Reize erzeugen höhere Frequenzen von Aktionspotentialen
• Populationscode: Die Anzahl der aktivierten Nervenzellen kodiert die Reizintensität
• Zeitliche Präzision: Der exakte Zeitpunkt der Aktionspotentiale kann Information tragen

Diese Mechanismen ermöglichen es dem Nervensystem, eine enorme Bandbreite an sensorischen Informationen zu verarbeiten und weiterzuleiten.

Vergleich der Erregungsleitungstypen

Eine kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung Tabelle zeigt die wichtigsten Unterschiede zwischen beiden Mechanismen.

Kontinuierliche Erregungsleitung

Die kontinuierliche Erregungsleitung ist gekennzeichnet durch:

• Vorkommen: Wirbellose und marklose Axone bei Wirbeltieren
• Mechanismus: Fortlaufende Bildung von Aktionspotentialen entlang des gesamten Axons
• Ionenkanäle: Gleichmäßig über die Membran verteilt
• Geschwindigkeit: Relativ langsam $0,5-2 m/s$
• Energieverbrauch: Hoch, da viele Ionenpumpen aktiv sind
• Axondurchmesser: Größerer Durchmesser erforderlich für höhere Geschwindigkeit

Der Ausgleichsstrom fließt bei dieser Form der Erregungsleitung seitlich in benachbarte Bereiche, depolarisiert diese und löst dort neue Aktionspotentiale aus, was zu einer kontinuierlichen Weiterleitung führt.

Anschauliches Beispiel: Als saltatorische Erregungsleitung Beispiel kann man sich vorstellen, wie ein Signal von einem Übertragungsmast zum nächsten springt, anstatt entlang eines durchgehenden Kabels zu fließen. Dies spart Energie und beschleunigt die Übertragung.

Saltatorische Erregungsleitung

Die saltatorische Erregungsleitung zeichnet sich aus durch:

• Vorkommen: Myelinisierte Axone bei Wirbeltieren
• Mechanismus: "Springende" Erregungsleitung von Schnürring zu Schnürring
• Ionenkanäle: Konzentriert an den Ranvierschen Schnürringen
• Geschwindigkeit: Sehr schnell $bis zu 120 m/s$
• Energieverbrauch: Geringer, da weniger Ionenpumpen aktiv sind
• Axondurchmesser: Auch dünne Axone können hohe Leitungsgeschwindigkeiten erreichen

Trotz der vielen Vorteile hat die saltatorische Erregungsleitung auch saltatorische Erregungsleitung Nachteile, insbesondere die Anfälligkeit für Demyelinisierungskrankheiten wie Multiple Sklerose, bei denen die Myelinscheide geschädigt wird und die Erregungsleitung stark beeinträchtigt sein kann.

Einwirkung von Neurotoxinen auf die synaptische Übertragung

Die synaptische Signalübertragung kann durch verschiedene Neurotoxine beeinflusst werden, die an unterschiedlichen Stellen der Synapse angreifen.

Wirkungsorte von Neurotoxinen

Neurotoxine können an drei Hauptstellen wirken:

1. Präsynapse:

   • Beeinflussung der spannungsgesteuerten Ca²⁺-Kanäle
   • Störung der Exocytose

2. Synaptischer Spalt:

   • Beeinflussung des Neurotransmitterabbaus

3. Postsynapse:

   • Blockierung oder Überaktivierung von Rezeptoren

Toxine an der Präsynapse

Präsynaptische Toxine können unterschiedlich wirken:

• Calcium-Kanal-Modulatoren:

  • Längeres Öffnen der Ca²⁺-Kanäle führt zu verstärkter Transmitterausschüttung
  • Resultat: Dauererregung und Verkrampfung (z.B. Gift der schwarzen Witwe)

• Exocytose-Hemmer:

  • Verhindern die Verschmelzung der Vesikel mit der Membran
  • Keine Neurotransmitter-Ausschüttung
  • Resultat: Keine neuronale Übertragung, Lähmung (z.B. Botulinumtoxin)

Anwendungsbeispiel: Die Wirkungsweise verschiedener Synapsengifte wird in der Medizin genutzt. So wird Botulinumtoxin (Botox) zur Behandlung von Muskelkrämpfen und in der ästhetischen Medizin eingesetzt, indem es gezielt die Acetylcholin-Ausschüttung blockiert.

Toxine im synaptischen Spalt

Toxine im synaptischen Spalt wirken oft auf Abbauenzyme:

• Acetylcholinesterase-Hemmer (z.B. E605):
  • Blockieren den Abbau des Neurotransmitters
  • Acetylcholin verbleibt länger im synaptischen Spalt
  • Rezeptorkanäle bleiben länger geöffnet
  • Resultat: Dauererregung, Verkrampfungen, Zuckungen

Weitere Aspekte der synaptischen Übertragung

Die synaptische Übertragung ist ein komplexer Prozess mit vielen Facetten, die für die Funktion des Nervensystems entscheidend sind.

Proportionalität und Kodierung

Die synaptische Signalübertragung hat mehrere wichtige Eigenschaften:

• Das postsynaptische Potenzial (PSP) ist proportional zur ausgeschütteten Transmittermenge
• Bei Acetylcholin handelt es sich um ein erregendes (exzitatorisches) postsynaptisches Potenzial (EPSP)
• Eine überschwellige Depolarisation führt zur Bildung eines Aktionspotentials in der postsynaptischen Zelle
• Die Stärke eines Reizes wird durch die Frequenz der Aktionspotentiale und die Menge des ausgeschütteten Neurotransmitters kodiert

Verschiedene Arten von Synapsen

Es gibt verschiedene Arten von Synapsen im Nervensystem:

• Chemische Synapsen: Nutzen Neurotransmitter zur Signalübertragung (wie hier beschrieben)
• Elektrische Synapsen: Direkte Übertragung elektrischer Signale durch Gap Junctions
• Erregende (exzitatorische) Synapsen: Lösen Depolarisation in der Postsynapse aus
• Hemmende (inhibitorische) Synapsen: Bewirken Hyperpolarisation in der Postsynapse

Praktische Anwendung: Das Verständnis der synaptischen Übertragung hat zur Entwicklung zahlreicher Medikamente geführt, die bei neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen eingesetzt werden. Diese Medikamente greifen in verschiedene Phasen der synaptischen Übertragung ein, um die Neurotransmitterkonzentration oder -wirkung zu modifizieren.

Der synaptische Energiekreislauf

Die synaptische Übertragung ist ein energieaufwendiger Prozess:

• ATP wird für die Natrium-Kalium-Pumpe benötigt
• Energie wird für die Synthese von Neurotransmittern verbraucht
• Die Exocytose und das Recycling der Vesikel erfordern Energie

Dies erklärt, warum das Gehirn, obwohl es nur etwa 2% der Körpermasse ausmacht, etwa 20% des Gesamtenergieverbrauchs des Körpers beansprucht.

Neurotoxine an verschiedenen Wirkorten

Neurotoxine greifen in die fein abgestimmten Prozesse der synaptischen Übertragung ein und können erhebliche Störungen verursachen.

Umfassender Überblick über Neurotoxine und ihre Wirkungsmechanismen

Präsynaptische Toxine:

1. Wirkung auf Calciumkanäle:

   • Bestimmte Gifte (z.B. Gift der schwarzen Witwe) halten Ca²⁺-Kanäle länger geöffnet
   • Erhöhter Calciumeinstrom führt zu verstärkter Neurotransmitterausschüttung
   • Übermäßige Stimulation der postsynaptischen Rezeptoren
   • Resultat: Dauererregung, Muskelkrämpfe

2. Wirkung auf die Exocytose:

   • Botulinumtoxin verhindert die Freisetzung von Acetylcholin
   • Es blockiert Proteine, die für die Verschmelzung der Vesikel mit der Membran notwendig sind
   • Keine Signalübertragung
   • Resultat: Schlaffe Lähmung

Wichtige Unterscheidung: Die Wirkung von Neurotoxinen kann entweder hemmend (inhibitorisch) oder erregend (exzitatorisch) sein, abhängig davon, ob sie die synaptische Übertragung blockieren oder verstärken.

Toxine im synaptischen Spalt:

• E605 und ähnliche Organophosphate hemmen die Acetylcholinesterase
• Der Abbau von Acetylcholin wird verhindert
• Anhaltende Aktivierung der Rezeptoren
• Resultat: Übererregung, Krämpfe, im schlimmsten Fall Tod durch Atemlähmung

Postsynaptische Toxine:

• Curare und verwandte Substanzen wirken als kompetitive Antagonisten
• Sie blockieren die Bindungsstellen für Acetylcholin, ohne die Rezeptoren zu aktivieren
• Die Signalübertragung wird unterbrochen
• Resultat: Muskellähmung

Das Verständnis dieser verschiedenen Wirkmechanismen ist nicht nur für die Toxikologie wichtig, sondern hat auch zur Entwicklung zahlreicher Medikamente beigetragen, die bei neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen eingesetzt werden.

Räumliche und zeitliche Summation

Die Summation von Signalen ist ein grundlegender Mechanismus zur Integration von Informationen im Nervensystem.

Arten der Summation

Räumliche Summation

Die räumliche Summation beschreibt die Addition von Signalen, die gleichzeitig von verschiedenen Synapsen eintreffen:

• EPSPs und IPSPs von verschiedenen Synapsen werden am Axonhügel zusammengerechnet
• Bei überwiegend exzitatorischen Einflüssen kann das Schwellenpotential überschritten werden
• Dies führt zur Auslösung eines Aktionspotentials
• Die räumliche Summation ermöglicht die Integration von Signalen aus verschiedenen Quellen

Zeitliche Summation

Die zeitliche Summation beschreibt die Addition von Signalen, die kurz nacheinander an derselben Synapse eintreffen:

• Wenn ein einzelnes EPSP unterschwellig ist, löst es kein Aktionspotential aus
• Treffen jedoch mehrere EPSPs kurz nacheinander ein, können sie sich zu einem überschwelligen Potenzial addieren
• Dies ermöglicht die Erkennung von Signalmustern und -sequenzen

Praxisrelevanz: Die Kombination aus räumlicher und zeitlicher Summation erlaubt es dem Nervensystem, komplexe Informationsmuster zu erkennen und zu verarbeiten. Dies ist die Grundlage für höhere kognitive Funktionen wie Lernen und Gedächtnis.

Abschwächung von Aktionspotentialen

Ein wichtiger Aspekt der Signalverarbeitung ist die Abschwächung von Signalen mit zunehmender Entfernung:

• Je weiter eine Synapse vom Axonhügel entfernt ist, desto schwächer ist das dort ankommende Signal
• Dies liegt daran, dass das postsynaptische Potenzial passiv (ohne spannungsabhängige Ionenkanäle) weitergeleitet wird
• Die passive Weiterleitung führt zu einer Abschwächung des Signals mit zunehmender Distanz
• Dieses Phänomen sorgt dafür, dass näher am Axonhügel gelegene Synapsen einen stärkeren Einfluss haben als weiter entfernte

Diese Mechanismen ermöglichen eine differenzierte und kontextabhängige Verarbeitung von Informationen im Nervensystem.

Der Weg des Lichts durch das Auge

Der Weg des Lichts durch das Auge und die Verarbeitung visueller Informationen erfolgt in mehreren Schritten.

Lichtweg und Bildprojektion

Das Licht durchläuft folgende Stationen:

1. Eintritt durch die Hornhaut (erste Lichtbrechung)
2. Passage durch die Pupille (Lichtmengenregulation)
3. Brechung durch die Linse (Fokussierung)
4. Durchquerung des Glaskörpers
5. Projektion auf die Netzhaut mit dem lichtempfindlichen gelben Fleck

Räumliche und zeitliche Summation im visuellen System

Ähnlich wie bei anderen neuronalen Prozessen spielt die Summation auch im visuellen System eine wichtige Rolle:

• Räumliche Summation: Signale von mehreren Fotorezeptoren werden auf eine Ganglienzelle verschaltet

  • In der Peripherie der Netzhaut werden viele Fotorezeptoren auf eine Ganglienzelle verschaltet (hohe Lichtempfindlichkeit, geringe Auflösung)
  • Im gelben Fleck bestehen oft 1:1-Verschaltungen (geringe Lichtempfindlichkeit, hohe Auflösung)

• Zeitliche Summation: Mehrere schnell aufeinanderfolgende Lichtreize können zu einem stärkeren Signal summiert werden

  • Ermöglicht Sehen bei schlechten Lichtverhältnissen
  • Kann aber die zeitliche Auflösung verringern

Wichtiger Hinweis: Die räumliche und zeitliche Summation im visuellen System ermöglicht einerseits eine hohe Empfindlichkeit bei schlechten Lichtverhältnissen, andererseits eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung bei guten Lichtverhältnissen. Dies ist ein Beispiel für die adaptive Funktion des Nervensystems.

Augenbewegungen und Blickstabilisierung

Die Lederhaut dient als Ansatzstelle für die Augenmuskeln, die für die Bewegung des Augapfels und die Blickstabilisierung wichtig sind:

• Sechs Augenmuskeln kontrollieren die Bewegung jedes Auges
• Sie ermöglichen das Verfolgen bewegter Objekte und schnelle Blickwechsel (Sakkaden)
• Die Koordination beider Augen ist entscheidend für das dreidimensionale Sehen

Die Spezialisierung der Netzhaut

Die funktionelle Spezialisierung verschiedener Netzhautregionen ist entscheidend für die visuelle Wahrnehmung.

Spezielle Regionen der Netzhaut

Fovea centralis (Zentrum des gelben Flecks)

• Bereich des schärfsten Sehens
• Höchste Dichte an Zapfen (etwa 150.000 pro mm²)
• Keine Stäbchen
• Die übrigen Netzhautschichten sind zur Seite verschoben, um die Lichtabsorption zu maximieren
• 1:1-Verschaltung von Zapfen und Ganglienzellen für höchste Auflösung

Peripherie der Netzhaut

• Hohe Dichte an Stäbchen
• Mehrere Stäbchen konvergieren auf eine Ganglienzelle (höhere Lichtempfindlichkeit, geringere Auflösung)
• Wichtig für Bewegungsdetektion und Sehen bei schlechten Lichtverhältnissen

Blinder Fleck (Papille)

• Austrittsstelle des Sehnervs
• Keine Fotorezeptoren vorhanden
• Wird im visuellen System durch Informationen aus der Umgebung "gefüllt"

Interessanter Fakt: Der blinde Fleck wird normalerweise nicht wahrgenommen, da das Gehirn die fehlende Information aus dem anderen Auge oder dem Kontext ergänzt. Dies ist ein Beispiel für die erstaunliche Verarbeitungsfähigkeit des visuellen Systems.

Die verschiedenen Zelltypen im Überblick

• Fotorezeptoren: Wandeln Licht in elektrische Signale um

  • Stäbchen: Hell-Dunkel-Sehen
  • Zapfen: Farbsehen

• Verarbeitende Zellen:

  • Horizontalzellen: Querverschaltung und Kontrastverstärkung
  • Bipolarzellen: Signalweiterleitung und erste Verarbeitung
  • Amakrinezellen: Informationsbündelung und Bewegungsdetektion
  • Ganglienzellen: Bildung von Aktionspotentialen und Weiterleitung zum Gehirn

• Pigmentzellen: Absorptionspigmente verhindern Streulicht und Reflexionen innerhalb des Auges