Das Periphere und Zentrale Nervensystem - Grundlagen und Funktionen

Das periphere Nervensystem und das zentrale Nervensystem bilden zusammen die Steuerungszentrale unseres Körpers. Das zentrale Nervensystem, bestehend aus Gehirn und Rückenmark, verarbeitet alle eingehenden Informationen und koordiniert die Reaktionen des Körpers. Die Funktion des zentralen Nervensystems umfasst dabei sowohl bewusste als auch unbewusste Prozesse.

Das periphere Nervensystem lässt sich in zwei Hauptkomponenten unterteilen: Das somatische Nervensystem, welches die willkürliche Bewegung steuert, und das vegetative Nervensystem, das automatische Körperfunktionen reguliert. Zu den peripheren Nerven gehören beispielsweise die Nerven der Extremitäten, die Gesichtsnerven und die Spinalnerven.

Definition: Das vegetative Nervensystem unterteilt sich in Sympathikus und Parasympathikus, die als Gegenspieler fungieren. Der Sympathikus aktiviert den Körper in Stresssituationen, während der Parasympathikus für Erholung und Regeneration sorgt.

Der Reflexbogen - Aufbau und Bedeutung

Der Reflexbogen stellt einen grundlegenden Mechanismus des Nervensystems dar. Eine Definition des Reflexbogens beschreibt ihn als neuronale Verschaltung, die eine automatische Reaktion auf einen Reiz ermöglicht. Der monosynaptische Reflex ist die einfachste Form, bei der nur ein Zwischenneuron beteiligt ist.

Ein klassisches Fremdreflex Beispiel ist der Kniesehnenreflex. Beim polysynaptischen Reflexbogen sind mehrere Synapsen und Nervenzellen beteiligt, was komplexere Reaktionen ermöglicht. Das Reflexbogen Schema zeigt den Weg vom Reiz über afferente Nervenfasern zum Rückenmark und über efferente Fasern zum Erfolgsorgan.

Beispiel: Beim Kniesehnenreflex führt ein Schlag auf die Patellarsehne zu einer unwillkürlichen Streckung des Unterschenkels. Dies ist ein wichtiger neurologischer Test zur Überprüfung der Nervenfunktion.

Neuronale Signalübertragung und Synapsen

Die Signalübertragung im Nervensystem erfolgt über spezialisierte Zellen, die Neuronen. Diese bestehen aus Dendriten, die Signale empfangen, einem Zellkörper $Soma$ zur Verarbeitung und einem Axon zur Weiterleitung. Die Myelinscheiden der Schwann'schen Zellen ermöglichen eine schnelle Signalweiterleitung.

An den Synapsen findet die Übertragung zwischen Neuronen statt. Hier wird das elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt und an die nächste Zelle weitergegeben. Die Ranvier'schen Schnürringe zwischen den Myelinscheiden ermöglichen die saltatorische Erregungsleitung.

Fachbegriff: Die Synapse ist die Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen. Hier werden Neurotransmitter ausgeschüttet, die das Signal an die nächste Zelle übertragen.

Membranpotential und Erregungsleitung

Das Ruhepotential einer Nervenzelle beträgt etwa -70 mV. Dieses Potential entsteht durch unterschiedliche Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle. Die Natrium-Kalium-Pumpe hält diese Konzentrationsunterschiede aufrecht.

Bei einer Erregung kommt es zur Depolarisation der Membran durch das Öffnen von Natriumkanälen. Nach der Erregungsweiterleitung wird das Ruhepotential durch aktiven Ionentransport wiederhergestellt. Dieser Mechanismus ermöglicht die zuverlässige Weiterleitung von Nervenimpulsen.

Highlight: Die Erregungsleitung in Nervenzellen basiert auf elektrochemischen Prozessen, die durch die selektiv permeable Membran und spezifische Ionenkanäle ermöglicht werden.

Das Aktionspotential und die Erregungsweiterleitung im Nervensystem

Das Peripheres Nervensystem und seine Funktionsweise lässt sich am besten durch das Aktionspotential verstehen. Der Prozess beginnt mit dem Ruhepotential bei etwa -70 mV und durchläuft dann verschiedene charakteristische Phasen.

Definition: Das Aktionspotential ist eine kurzzeitige, lokale Änderung des Membranpotentials einer erregbaren Zelle, bei der sich die Spannung über der Membran kurzzeitig umkehrt.

Die Depolarisation beginnt, wenn die Membran durch einen Reiz auf den Schwellenwert von etwa -55 mV gebracht wird. Dabei öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle, wodurch Natriumionen in die Zelle einströmen. Dies führt zu einer weiteren Depolarisation bis hin zur Potentialumkehr bei etwa +30 mV.

In der Repolarisationsphase schließen sich die Natriumkanäle wieder und Kaliumkanäle öffnen sich. Der Ausstrom von Kaliumionen führt zur Wiederherstellung des negativen Membranpotentials. Kurzzeitig wird das Ruhepotential sogar unterschritten $Hyperpolarisation$, bevor die Natrium-Kalium-Pumpe das ursprüngliche Ruhepotential wiederherstellt.

Highlight: Die Erregungsweiterleitung erfolgt bei Wirbeltieren über myelinisierte Nervenfasern deutlich schneller $über 100 m/s$ als bei wirbellosen Tieren mit nicht-myelinisierten Fasern $1-2,5 m/s$.

Synapsen und Signalübertragung im Somatisches Nervensystem

Die Signalübertragung zwischen Nervenzellen erfolgt an speziellen Kontaktstellen, den Synapsen. Diese sind essentiell für die Funktion des Zentrales Nervensystem.

Vokabular: Eine Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen einem Neuron und einer anderen Zelle $Neuron, Muskelzelle oder Drüsenzelle$.

Der synaptische Übertragungsprozess beginnt, wenn ein Aktionspotential das präsynaptische Endknöpfchen erreicht. Dies führt zur Öffnung spannungsgesteuerter Calciumkanäle. Der Calcium-Einstrom bewirkt die Freisetzung von Neurotransmittern $meist Acetylcholin$ in den synaptischen Spalt.

Die Neurotransmitter binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran, was zur Öffnung von Ionenkanälen führt. Je nach Synapsentyp kann dies eine erregende $EPSP$ oder hemmende $IPSP$ Wirkung haben. Um eine Dauererregung zu vermeiden, wird der Transmitter durch spezielle Enzyme abgebaut.

Beispiel: Der Reflexbogen ist ein klassisches Beispiel für die synaptische Übertragung. Beim Fremdreflex wie dem Kniesehnenreflex erfolgt die Signalübertragung über mehrere Synapsen.

Informationsverarbeitung im Peripheres Nervensystem vegetatives Nervensystem

Die Verarbeitung von Informationen im Nervensystem basiert auf komplexen Verschaltungsprinzipien und der Integration verschiedener synaptischer Signale.

Definition: Die synaptische Integration bezeichnet die Verrechnung erregender und hemmender Signale an den Synapsen eines Neurons.

Zeitliche und räumliche Summation spielen dabei eine wichtige Rolle. Bei der zeitlichen Summation addieren sich schnell aufeinanderfolgende Signale an einer Synapse, während bei der räumlichen Summation Signale von verschiedenen Synapsen zusammenwirken.

Die Codierung der Information erfolgt über die Frequenz der Aktionspotentiale $Frequenzmodulation$. Dabei unterscheidet man zwischen tonischen Nervenzellen, die ihre Frequenz entsprechend der Reizstärke verändern, und phasischen Nervenzellen, die hauptsächlich den Beginn einer Reizung signalisieren.

Highlight: Eine Peripheres Nervensystem Störung kann die Informationsverarbeitung erheblich beeinträchtigen und zu neurologischen Symptomen führen.

Aufbau und Funktion des Auges als Sinnesorgan

Das Auge als komplexes Sinnesorgan zeigt beispielhaft, wie das Zentrales Nervensystem Funktion mit der Peripherie verbunden ist.

Definition: Sinneszellen sind spezialisierte Zellen, die physikalische oder chemische Reize in elektrische Signale umwandeln.

Die Netzhaut enthält zwei Arten von Photorezeptoren: Stäbchen für das Dämmerungssehen und Zapfen für das Farbsehen. Die etwa 120 Millionen Stäbchen sind hauptsächlich in der Peripherie der Netzhaut zu finden, während die 6 Millionen Zapfen vor allem in der Fovea centralis konzentriert sind.

Die Verarbeitung der visuellen Information beginnt bereits in der Netzhaut, wo verschiedene Neuronentypen $Bipolar-, Horizontal-, Amakrin- und Ganglienzellen$ die Signale der Photorezeptoren verarbeiten und weiterleiten. Diese Verschaltung ermöglicht bereits eine erste Analyse der visuellen Information, bevor sie über den Sehnerv zum Gehirn weitergeleitet wird.

Beispiel: Ein Polysynaptischer Reflexbogen im visuellen System ermöglicht schnelle Reaktionen auf visuelle Reize, noch bevor diese bewusst wahrgenommen werden.

Die Funktionsweise der Fotorezeption im menschlichen Auge

Das Periphere Nervensystem und seine Sinneszellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Verarbeitung von Lichtreizen im Auge. Die Fotorezeption erfolgt durch spezialisierte Sinneszellen - die Stäbchen und Zapfen - die Teil des somatischen Nervensystems sind.

Definition: Die Fotorezeption beschreibt den Prozess der Umwandlung von Lichtreizen in elektrische Signale durch spezialisierte Sinneszellen in der Netzhaut.

Die Struktur der Lichtsinneszellen ist hochkomplex. Im Außensegment befinden sich die lichtempfindlichen Sehfarbstoffe $Rhodopsin$, die aus einem Protein $Opsin$ und einem Cofaktor $Retinal$ bestehen. Diese biochemische Einheit ermöglicht erst die Wahrnehmung von Licht. Durch einen monosynaptischen Reflex wird das Signal weitergeleitet.

Highlight: Die Fotorezeption ist eigentlich eine Dunkelwahrnehmung, da bei Lichteinfall Natrium-Kanäle geschlossen werden und das Membranpotential sich ändert.

Die Adaptionsfähigkeit des Auges basiert auf der komplexen Verschaltung der Sehzellen. In der zentralen Sehgrube erfolgt bei den Zapfen eine 1:1-Verschaltung für hohe Auflösung, während Stäbchen über horizontale Zellen, Bipolare und amakrine Zellen in einem Verhältnis von 1:100 verschaltet sind. Dies erklärt die unterschiedliche Empfindlichkeit bei Tag- und Nachtsicht.

Signalverarbeitung und Adaptation im visuellen System

Die Signalverarbeitung im Zentralen Nervensystem beginnt mit der Erregungskaskade der Fotorezeption. Ein einzelnes Photon kann durch die Spaltung von 100.000 cGMP-Molekülen zur Schließung von 100 Natrium-Kanälen führen - ein beeindruckendes Beispiel für biologische Verstärkung.

Beispiel: Der Reflexbogen der Pupillenreaktion zeigt, wie das visuelle System auf unterschiedliche Lichtintensitäten reagiert. Dies ist ein klassischer Fremdreflex.

Die Adaptation des Auges ermöglicht das Sehen unter verschiedenen Lichtbedingungen. Diese Anpassungsfähigkeit basiert auf dem polysynaptischen Reflexbogen und der unterschiedlichen Verschaltung von Stäbchen und Zapfen. Die Periphere Nerven der Netzhaut leiten diese Informationen zum Gehirn weiter.

Vokabular: Die Feinstruktur der Netzhaut besteht aus mehreren Schichten verschalteter Neuronen: Photorezeptoren, Bipolarzellen, Horizontalzellen, Amakrinzellen und Ganglienzellen.

Die Integration dieser verschiedenen Zelltypen und Verschaltungsmuster ermöglicht die erstaunliche Anpassungsfähigkeit unseres visuellen Systems. Das vegetative Nervensystem unterstützt dabei die automatische Regulation der Pupillenweite und anderer Adaptationsmechanismen.