Die Neurophysiologie erklärt, wie dein Nervensystem funktioniert - von der...
Grundlagen Neurophysiologie: Nervenzelle und Synapsen










Aufbau einer Nervenzelle
Stell dir eine Nervenzelle wie ein supermodernes Kommunikationssystem vor - jeder Teil hat eine ganz spezielle Aufgabe. Der Zellkörper (Soma) mit dem Zellkern ist das Kontrollzentrum, wo alle wichtigen Organellen sitzen und die Proteinherstellung läuft.
Die Dendriten sind wie kleine Antennen - diese kurzen, stark verzweigten Fortsätze nehmen Signale von anderen Neuronen auf. Das Axon hingegen ist der lange Fortsatz, der die Informationen weiterleitet und am Ende die Endknöpfchen hat.
Um viele Axone wickeln sich Schwannsche Zellen und bilden die Myelinscheide - das ist wie eine Isolierung um ein Elektrokabel. Die Ranvierschen Schnürringe sind die Lücken zwischen diesen "Isolierungen", wo das Axon frei liegt.
Merktipp: Dendriten = empfangen, Axon = senden!
Das Ruhepotential liegt bei etwa -70mV und zeigt, dass die Zelle bereit ist, ein Signal zu übertragen.

Zellstrukturen im Detail
Jede Nervenzelle ist ein Meisterwerk der Natur mit perfekt aufeinander abgestimmten Teilen. Im Zellkörper läuft die Proteinbiosynthese ab, während die Mitochondrien als Kraftwerke der Zelle ständig Energie produzieren.
Die Gliazellen (Hüllzellen) fungieren als elektrische Isolatoren um das Axon und ermöglichen dadurch eine viel schnellere Erregungsweiterleitung. Diese Zellen bilden zusammen die schützende Schicht um die Nervenfaser.
An den Synapsen - den Kontaktstellen zwischen Zellen - werden Erregungen von Neuron zu Neuron übertragen. Die Endknöpfchen geben hier Transmittermoleküle ab, die das Signal an die nächste Zelle weiterreichen.
Wichtig: Ohne Gliazellen wäre dein Nervensystem etwa 100-mal langsamer!
Die Dendriten ermöglichen den Kontakt mit anderen Nervenzellen und sorgen dafür, dass das Neuron Informationen empfangen kann.

Ionenverteilung und Ruhepotential
Das Ruhepotential von etwa -75mV entsteht durch eine clevere Ionenverteilung. Außerhalb der Zelle sind viel mehr Natriumionen (Na+, 120 mmol/l) als innen . Bei Kaliumionen ist es umgekehrt: innen 145 mmol/l, außen nur 15 mmol/l.
Diese Ungleichverteilung hält die Natrium-Kalium-Pumpe aufrecht, die aktiv 3 Natriumionen rausbefördert und 2 Kaliumionen reinpumpt. Das kostet Energie (ATP), aber ohne diese Pumpe würde das System zusammenbrechen.
Die selektiv permeable Membran lässt hauptsächlich Kaliumionen durch offene Kanäle diffundieren. Natriumkanäle sind im Ruhezustand geschlossen, aber ein kleiner "Leckstrom" sickert trotzdem durch.
Eselsbrücke: 3 raus, 2 rein - so arbeitet die Natrium-Kalium-Pumpe!
Elektrostatische Kräfte und Diffusionskräfte halten sich im Gleichgewicht und sorgen für das stabile Ruhepotential.

Das Aktionspotential
Das Aktionspotential funktioniert nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip: Entweder wird der Schwellenwert überschritten und es gibt eine volle Reaktion, oder gar nichts passiert. Halbherzige Signale gibt es nicht!
Bei der Depolarisation öffnen sich die Natriumkanäle und Na+-Ionen strömen massiv ins Axon - das Potential springt auf +20mV. Dann schließen sich diese Kanäle wieder und die Kaliumkanäle öffnen sich für die Repolarisation.
Die Hyperpolarisation entsteht, weil die Kaliumkanäle sich relativ langsam schließen und zu viele K+-Ionen ausströmen. Die Natrium-Kalium-Pumpe stellt dann das Ruhepotential wieder her.
Zeitfaktor: Das alles dauert nur etwa 2 Millisekunden - dein Nervensystem ist extrem schnell!
Nach jedem Aktionspotential folgt eine Refraktärzeit, in der das Neuron nicht erneut feuern kann.

Erregungsweiterleitung im Axon
Die Reizweiterleitung funktioniert wie eine Dominokette: Ein Aktionspotential depolarisiert die angrenzenden Membranabschnitte durch diffundierende Na+-Ionen. Das öffnet dort die Natriumkanäle und erzeugt das nächste Aktionspotential.
Dank der Refraktärzeit läuft die Erregung nur in eine Richtung - der bereits "gefeuerte" Bereich kann nicht sofort wieder aktiviert werden. Die Geschwindigkeit hängt vom Axondurchmesser ab: dickere Axone leiten schneller.
Schwannsche Zellen umgeben die Axone und bilden die isolierende Myelinscheide. Sie werden von den Ranvierschen Schnürringen alle 0,2-2mm unterbrochen - dort sitzen die spannungsabhängigen Ionenkanäle.
Effizienz: Myelinisierte Axone sind bis zu 100-mal schneller als unmyelinisierte!
Diese Struktur ermöglicht die saltatorische Erregungsleitung - das Signal "springt" von Schnürring zu Schnürring.

Saltatorische Erregungsleitung
Die saltatorische Erregungsleitung ist das Turbo-System deines Nervensystems. Das Aktionspotential springt von Ranvierschem Schnürring zu Schnürring, statt sich mühsam Millimeter für Millimeter voranzukämpfen.
Warum ist das so viel schneller? Ionen können durch die myelinisierte Membran gar nicht hindurch - nur an den Schnürringen ist das möglich. Zwischen den Ringen entstehen keine Aktionspotentiale, sondern die Na+-Ionen diffundieren einfach zum nächsten Ring.
Das spart massiv Energie: Die Natrium-Kalium-Pumpe muss nur an den Schnürringen arbeiten, nicht an der ganzen Axonlänge. Weniger Ion-Transport bedeutet weniger ATP-Verbrauch.
Grenzen beachten: Der Abstand zwischen Schnürringen ist begrenzt - wird er zu groß, reicht die Depolarisation nicht mehr aus!
Kontinuierliche Erregungsweiterleitung an unmyelinisierten Axonen ist langsamer, aber bei dicken Axonen durch das größere elektrische Feld trotzdem recht effizient.

Kanäle im Überblick
Die verschiedenen Ionenkanäle sind wie spezialisierte Türen in der Zellmembran. Kalium-Sickerkanäle sind immer offen und lassen K+-Ionen nach außen diffundieren - sie erzeugen das Ruhepotential von -70mV.
Die Natrium-Kalium-Pumpe arbeitet rund um die Uhr und tauscht 3 Na+-Ionen gegen 2 K+-Ionen aus. Sie gleicht den "Leckstrom" aus und stellt nach jedem Aktionspotential den Ausgangszustand wieder her - allerdings unter ATP-Verbrauch.
Spannungsabhängige Natriumkanäle öffnen sich bei Erreichen des Schwellenpotentials (-50 bis -35mV) und lassen Na+-Ionen schlagartig einströmen. Sie schließen automatisch bei +20 bis +30mV.
Timing ist alles: Kaliumkanäle öffnen sich später und schließen langsamer - das erklärt die Hyperpolarisation!
Spannungsabhängige Kaliumkanäle starten die Repolarisation und brauchen etwas Zeit zum Schließen, wodurch die kurze Hyperpolarisation entsteht.

Chemische Synapse - Aufbau
An der chemischen Synapse wird das elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt. Das ankommende Aktionspotential öffnet spannungsabhängige Calciumkanäle im synaptischen Endknöpfchen - Ca²+-Ionen strömen ein.
Die synaptischen Vesikel enthalten die Transmittermoleküle und docken mithilfe des SNARE-Komplexes an die präsynaptische Membran an. Das einströmende Calcium löst die Exozytose aus - die Transmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt.
Mitochondrien liefern die nötige Energie (ATP) für alle Prozesse. Die Transmitter diffundieren zum postsynaptischen Neuron und binden an rezeptorgesteuerte Ionenkanäle.
Recycling: Das Enzym Acetylcholinesterase baut verbrauchte Transmitter ab - die Einzelteile werden wiederverwendet!
Nach der Signalübertragung müssen die Transmitter schnell abgebaut oder wieder aufgenommen werden, damit die Synapse für das nächste Signal bereit ist.

Erregende und hemmende Synapsen
Erregende Synapsen erzeugen ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP). Die Transmitter öffnen Na+-Kanäle, das Membranpotential wird positiver (Depolarisation) und kann am Axonhügel ein neues Aktionspotential auslösen.
Hemmende Synapsen bewirken das Gegenteil: Sie erzeugen ein inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP). K+- und Cl--Kanäle öffnen sich, die Zellmembran hyperpolarisiert und die Auslösung eines Aktionspotentials wird erschwert.
Dein Gehirn verwendet beide Synapse-Typen gleichzeitig - manche Signale verstärken sich, andere hemmen sich. Nur wenn die Summe aller Signale den Schwellenwert überschreitet, feuert das Neuron.
Balance ist key: Ohne hemmende Synapsen würde dein Nervensystem permanent "überfeuern"!
Diese Integration von erregenden und hemmenden Signalen ermöglicht die komplexe Informationsverarbeitung in deinem Nervensystem.
Wir dachten schon, du fragst nie...
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