Grundlagen der Nervenphysiologie

Ein Reiz ist ein Umwelteinfluss, der in spezialisierten Sinneszellen Veränderungen auslöst. Die Reizschwelle bezeichnet die Mindestintensität, die nötig ist, um eine Erregung hervorzurufen - abhängig von Intensität und Dauer des Reizes.

Es gibt verschiedene Reizarten: optische (Falke zur Orientierung), mechanische (Katze erkennt Hindernisse), chemische, elektrische, thermische, magnetische und Schmerzreize (als Alarmsignal für den Menschen).

Der Aufbau einer Nervenzelle ist für ihre Funktion entscheidend: Dendriten nehmen Informationen auf, der Zellkörper (Soma) verarbeitet sie, und der Neurit leitet sie weiter. Die Markscheide isoliert den Neuriten, während an den Ranvierschen Schnürringen Aktionspotentiale erzeugt werden. Die Synapse überträgt schließlich die Information zur nächsten Nervenzelle.

💡 Wusstest du? Schmerzreize funktionieren als wichtiges Alarmsystem für deinen Körper und schützen dich vor Gefahren, indem sie schnelle Reaktionen auslösen.

Entwicklung der Nervenzellen

Nervenzellen verlieren ihre Teilungsfähigkeit sehr früh. Bereits 20 Wochen nach der Zeugung sind alle Neuronen des Großhirns gebildet - danach kommen keine weiteren dazu! Das anschließende Wachstum des Gehirns beruht nicht auf einer Vermehrung der Zellen, sondern auf ihrer Verzweigung und Verbindung.

Die Myelinisierung ist ein wichtiger Teil der Nervenentwicklung. Dabei umgreifen spezielle Schwannsche Zellen den Neuriten und wachsen mehrmals darum herum. Das Plasma zwischen den Membranen wird herausgequetscht, und es bleibt eine Hülle aus Zellmembranen - die Markscheide - übrig. Zwischen den Schwannschen Zellen entstehen Unterbrechungen, die Ranvierschen Schnürringe.

Dieser Prozess läuft über das letzte Drittel der Schwangerschaft und die ersten zwei Lebensjahre. Da sich Nervenzellen nach Abschluss der Entwicklung nicht mehr teilen können, sind Schädigungen des Gehirns kaum reparierbar. Verletzungen an Nervensträngen im Körper haben jedoch bessere Heilungschancen, da der vom Zellkörper abgetrennte Teil neu gebildet werden kann - allerdings ist dies ein langsamer Prozess, der bis zu einem halben Jahr dauern kann.

🧠 Merke dir: Die richtige Ernährung der Mutter ist entscheidend für die Nervenentwicklung ihres Kindes, da die Myelinisierung viele Nährstoffe benötigt.

Aufbau der Myelinscheide

Die Myelinscheide ist eine isolierende Hülle um den Neuriten (Axon) der Nervenzelle. Sie besteht aus mehreren Schichten von Zellmembranen, die von Schwannschen Zellen gebildet werden.

Die Myelinschicht ist nicht durchgehend, sondern wird in regelmäßigen Abständen durch die Ranvierschen Schnürringe unterbrochen. Diese Lücken in der Isolierung spielen eine entscheidende Rolle bei der Erregungsleitung.

In der Schwannschen Zelle befinden sich Mitochondrien, die als "Kraftwerke" der Zelle die nötige Energie für die Bildung und Erhaltung der Myelinschicht liefern. Die myelinisierten Schichten umgeben das Axon spiralförmig und bilden so eine elektrisch isolierende Hülle.

🔍 Wichtig zu wissen: Die Myelinscheide erhöht die Leitungsgeschwindigkeit der Nervenimpulse um das 50- bis 100-fache! Das ist ein entscheidender Vorteil für schnelle Reaktionen.

Elektrochemische Vorgänge an Nervenzellen

Das Membranpotential ist der elektrische Spannungsunterschied zwischen Innen- und Außenseite einer Nervenzelle. Im Ruhezustand liegt das Ruhepotential bei etwa -80 mV, wobei Kaliumionen nach außen diffundieren. Bei Erregung entsteht ein Aktionspotential von etwa +30 mV durch Natriumeinstrom.

Die Nervenzellmembran enthält spezielle Porenproteine, die bei Spannungsänderungen ihre Struktur verändern und so Ionenkanäle öffnen oder schließen können. Wenn ein Aktionspotential an einem Schnürring ankommt, öffnen sich zunächst die Natriumporen und Natriumionen strömen ein. Nach etwa 1,5 Millisekunden wird der Höhepunkt erreicht $+30 mV$.

Anschließend öffnen sich die Kaliumporen, und mehr Kaliumionen strömen aus als Natriumionen eingeströmt sind. Dies führt zu einer kurzzeitigen Überkompensation (Hyperpolarisation bei -90 mV), bevor das Ruhepotential wiederhergestellt wird.

⚡ Spannend: Ein Aktionspotential folgt dem "Alles-oder-Nichts-Prinzip" - entweder wird es vollständig ausgelöst oder gar nicht. Es gibt keine "halben" Aktionspotentiale!

Verlauf des Aktionspotentials

Der zeitliche Verlauf eines Aktionspotentials lässt sich in mehrere Phasen unterteilen: Ausgehend vom Ruhepotential $etwa -70 mV$ kommt es bei Reizung zunächst zu einem raschen Anstieg auf positive Werte (Depolarisation). Nach Erreichen des Natriumdiffusionspotentials $+30 mV$ folgt ein schneller Abfall, der sogar unter das Ausgangsniveau sinkt (Hyperpolarisation bei -90 mV).

Die Richtung der Erregungsleitung verläuft entlang des Neuriten von einem Ranvierschen Schnürring zum nächsten. An jedem Schnürring wiederholt sich der Prozess: Erst öffnen sich die Natriumporen, wodurch Natriumionen einströmen. Anschließend öffnen sich die Kaliumporen, und Kaliumionen strömen aus.

Die Nervenzellmembran enthält neben den Ionen (K⁺, Na⁺, Cl⁻) auch organische Anionen, die für die elektrische Ladungsverteilung mitverantwortlich sind. Der gesamte Vorgang des Aktionspotentials dauert nur wenige Millisekunden - daher ist unser Nervensystem so reaktionsschnell.

⏱️ Interessant: Ein Aktionspotential dauert nur etwa 2-4 Millisekunden - in dieser kurzen Zeit ändert sich die elektrische Spannung an der Membran um mehr als 100 mV!

Die Ionenpumpe

Die Ionenpumpe ist ein lebenswichtiger Transportmechanismus, der die ursprüngliche Ionenverteilung nach einem Aktionspotential wiederherstellt. An der Innenseite der Membran befindet sich ein Trägermolekül (A), das Natriumionen bindet und durch die Membran nach außen transportiert.

Nach dem Zerfall der Verbindung wird das Molekül durch ein Enzym verändert, sodass es nun Kaliumionen binden kann. Diese neue Verbindung (K⁺A') diffundiert nach innen und zerfällt. Unter Energieverbrauch (ATP) wird aus A' wieder A, und der Prozess beginnt von neuem.

Da für jedes nach außen transportierte Natriumion ein Kaliumion nach innen gelangt, spricht man von einer gekoppelten Natrium-Kalium-Pumpe. Diese Pumpe arbeitet ständig und verbraucht etwa 20-40% der gesamten Energie einer Nervenzelle.

Nach einem Aktionspotential tritt die Refraktärphase ein – eine Zeit, in der die Membran nicht erregbar ist. Erst wenn alle Ionen durch die Ionenpumpe in ihre Ausgangsposition zurückgekehrt sind, kann ein neues Aktionspotential gebildet werden.

🔋 Wichtig: Die Ionenpumpe benötigt ATP als Energiequelle. Deshalb sind Nervenzellen auf eine kontinuierliche Sauerstoff- und Glukoseversorgung angewiesen und reagieren sehr empfindlich auf deren Mangel!

Saltatorische Erregungsleitung

Bei markhaltigen Nervenfasern wandert das Aktionspotential nicht kontinuierlich, sondern "springt" von einem Ranvierschen Schnürring zum nächsten – die saltatorische Erregungsleitung. Dies ist viel schneller als bei marklosen Nervenfasern, wo an jeder Stelle ein Aktionspotential ausgebildet werden muss.

Der Prozess läuft in drei Phasen ab: Zunächst erreicht ein Aktionspotential den ersten Schnürring (A). Zwischen diesem und dem nächsten Schnürring entsteht eine Potentialdifferenz, wodurch ein elektrischer Strom in der Zellflüssigkeit fließt (B). Wenn die Spannung am zweiten Schnürring den Schwellenwert überschreitet, bildet sich dort ein neues Aktionspotential, während am ersten Schnürring bereits die Hyperpolarisation einsetzt (C).

Der Abstand zwischen den Schnürringen $1-5 mm$ ist ein Kompromiss: Größere Abstände verringern den Energieverbrauch, kleinere beschleunigen die Erregungsleitung. Die Evolution hat hier einen optimalen Mittelweg gefunden.

Die saltatorische Erregungsleitung folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip: Entweder wird der Schwellenwert überschritten und ein vollständiges Aktionspotential ausgelöst, oder es passiert gar nichts. Energie wird nur an den Schnürringen verbraucht, wo die Ionenpumpen die Ausgangslage wiederherstellen.

🏃 Leistungsstark: Durch die saltatorische Erregungsleitung können Nervensignale mit bis zu 120 m/s $430 km/h$ übertragen werden – so schnell wie ein Formel-1-Rennwagen!

Aufbau der Synapsen

Am Ende verzweigt sich der Neurit einer Nervenzelle in mehrere Ästchen, deren Enden zu Synapsenendknöpfchen anschwellen. Diese lagern sich an die Membran einer anderen Nervenzelle an. Die Kombination aus Synapsenendknöpfchen und unterliegender Membran nennt man Synapse.

Wichtig zu verstehen: Synapsenendknöpfchen und Zielmembran berühren sich nicht direkt, sondern sind durch den etwa 20 nm breiten synaptischen Spalt getrennt. Diese lockere Verbindung ermöglicht es, dass Synapsen gelöst und neu geknüpft werden können – die Grundlage für Lernvorgänge. Allerdings macht sie das System auch erschütterungsempfindlich, besonders im Kindesalter.

Die Synapsenendknöpfchen enthalten Mitochondrien und Vesikel. Die Mitochondrien stellen die nötige Energie (ATP) bereit, während die Vesikel Transmittersubstanzen speichern. Diese chemischen Botenstoffe werden im Knöpfchen und im Zellkörper synthetisiert und sind für die Informationsübertragung zur nächsten Nervenzelle verantwortlich.

🧠 Wusstest du? Dein Gehirn enthält etwa 100 Billionen Synapsen – das sind mehr Verbindungen als Sterne in unserer Galaxie! Diese Synapsen ermöglichen dein Denken, Fühlen und Handeln.

Funktion von Synapsen

Es gibt zwei Arten von Synapsen: erregende und hemmende. Bei einer erregenden Synapse führt die Aktivierung zu einem Aktionspotential in der Empfängerzelle, während eine hemmende Synapse die Auslösung eines Aktionspotentials erschwert.

Bei einer erregenden Synapse im Ruhezustand sind die Vesikel mit Transmitterstoffen gefüllt und die Natriumporen geschlossen. Wenn ein Aktionspotential ankommt, öffnen sich die Poren des Endknöpfchens. Die Vesikel wandern zum synaptischen Spalt und setzen ihren Transmitterstoff (meist Acetylcholin) frei. Dieser diffundiert zur Empfängermembran und öffnet dort die Natriumporen, wodurch Natriumionen einströmen und ein neues Aktionspotential entsteht.

Nach der Übertragung spaltet ein Enzym (Acetylcholinesterase) den Transmitter in seine Bestandteile (Cholin und Essigsäure). Diese werden zurück in die Vesikel transportiert und unter Energieaufwand wieder zu Acetylcholin zusammengesetzt.

Bei hemmenden Synapsen ist der Transmitterstoff Gammaaminobuttersäure. Dieser öffnet Kalium- und Chloridporen, was das Ruhepotential vertieft und die Auslösung eines Aktionspotentials erschwert. Wichtig: Eine Nervenzelle hat entweder nur hemmende oder nur erregende Synapsen!

🔄 Merke dir: Hemmende Synapsen sind genauso wichtig wie erregende! Sie können Aktionspotentiale von erregenden Synapsen "löschen" und sorgen so für die Feinregulation unserer Nervensignale.

Codierung von Informationen

Wenn alle Informationen über die gleichen Aktionspotentiale weitergeleitet werden, wie können wir dann unterschiedliche Wahrnehmungen (Geruch, Schmerz, Licht) und verschiedene Intensitäten empfinden?

Die Antwort liegt in der Kanalspezifität: Jedes Sinnesorgan und jeder Muskel meldet Informationen über eigene Nervenbahnen an das Gehirn. Das Gehirn weiß, woher ein Signal stammt und interpretiert es entsprechend. Zum Beispiel werden alle Signale vom Auge über den Sehnerv zum Sehzentrum geleitet und als visuelle Information interpretiert. Darum können amputierte Gliedmaßen noch "Phantomschmerzen" verursachen - der verbleibende Nerv sendet weiterhin Signale.

Die Reizstärke wird durch die Frequenz der Aktionspotentiale codiert: Je stärker der Reiz, desto schneller folgen Aktionspotentiale aufeinander (Frequenzmodulation). Bei geringerem Druck auf die Haut werden weniger und langsamere Aktionspotentiale erzeugt.

Ein weiteres Prinzip ist die Informationsverarbeitung an den Nervenzellen selbst: Erregende Synapsen (A, C) und hemmende Synapsen (B) wirken zusammen auf das Gesamtpotential einer Nervenzelle. Überschreitet dieses den Schwellenwert, wird ein Aktionspotential ausgelöst. Die Nervenzelle funktioniert somit wie ein komplexer Rechner, der eingehende Signale verarbeitet und entsprechend reagiert.

🤔 Spannend: Mit nur zwei Codierungsprinzipien – dem Ort der Erregung und der Frequenz der Aktionspotentiale – kann unser Nervensystem die unglaubliche Vielfalt unserer Sinneswahrnehmungen und Körperfunktionen steuern!