3: Nervensystem

Bausteine des Nervensystems

• Das Nervensystem ist das wichtigste und schnellste System zur Informationsverarbeitung im Körper.
• Informationen werden in Sekundenbruchteilen von der Peripherie zum Gehirn geleitet.
• 25 Milliarden Nervenzellen interagieren in einem Netzwerk, wobei jede Zelle bis zu 1000 Kontakte hat.
• Neurone (Nervenzellen) verarbeiten und ​​transportieren Signale.
• Gliazellen (ca. 84 Milliarden) unterstützen, schützen und versorgen Neuronen.

Neurone

• Neurone sind die kleinsten funktionellen Einheiten im Gehirn.
• Sie verarbeiten und übertragen Informationen.
• Ihr Aussehen variiert je nach Funktion.
• Das Gehirn enthält 10-100 Milliarden Neurone.
• Die Hauptbestandteile sind Soma, Dendriten und Axon.

Aufbau von Neuronen

• Der Nukleus (Zellkern) enthält Chromosomen mit Genen, koordiniert die Proteinsynthese und reguliert den Stoffwechsel.
• Der Nukleus ist durch eine Doppelmembran vom Zytoplasma abgegrenzt.
• Das Soma (Zellkörper) enthält den Zellkern, viele Organellen (z. B. Ribosomen) und ist das Integrationszentrum für eingehende Signale.
• Das Soma bewertet und verarbeitet Signale.
• Dendriten sind Verzweigungen, die Signale von anderen Zellen empfangen (bis zu 10 000).
• Das Axon leitet Informationen zu anderen Zellen (bis zu 1000) über oft grössere Entfernungen.
• Die Myelinisierung und der Axondurchmesser beeinflussen die Geschwindigkeit der Signalübertragung (bis zu 120 m/s oder 400 km/h im Rückenmark und Kleinhirn).
• Axone haben Kollateralen (Verzweigungen).
• Synapsen sind Verbindungsstellen mit anderen Zellen.

Formen von Neuronen

• Schaltneurone (Interneurone) sind Neurone, die sich im ZNS befinden.
• Sie leiten Informationen direkt an benachbarte Nervenzellen weiter und sind entscheidend für Bewegungssteuerung, sensorische Wahrnehmung, Emotionen und kognitive Prozesse.
• Pyramidenzellen sind grosse Nervenzellen, die im Grosshirn und der Amygdala gefunden werden.
• Lange, dicke Axone ermöglichen die Informationsübertragung über grosse Distanzen.
• Pyramidenzellen sind an der kognitiven Verarbeitung, motorischen Kontrolle und Emotionsregulation beteiligt.
• Purkinje-Zellen sind grosse Nervenzellen im Kleinhirn.
• Sie haben stark verzweigte Zellkörper.
• Sie sind an der Koordination und Feinabstimmung von Bewegungen beteiligt und modulieren motorische Lernprozesse.
• Pseudounipolare Nervenzellen haben ein einzelnes, sich verzweigendes Axon, wobei ein Ast zur Peripherie und ein anderer zum Gehirn zieht.
• Sie sind Teil des somatosensorischen Systems (z. B. Tastsinn) und sind an der Wahrnehmung von Berührung, Schmerz und Temperatur beteiligt.
• Unipolare Nervenzellen sind einfache Neurone mit einem Axon, das sich in eine Verzweigung ausdehnt.
• Sie kommen bei Wirbellosen vor.
• Sie sind an grundlegenden sensorischen und motorischen Reflexen beteiligt und ermöglichen schnelle Reaktionen auf Umweltreize.

Gliazellen

• Gliazellen sind unterstützende Zellen im ZNS (Gehirn).
• Grössere und komplexere Gehirne haben einen höheren Anteil an Gliazellen, was eine Rolle bei höheren kognitiven Funktionen spielt.
• Die Haupttypen von Gliazellen sind Astroglia (Astrozyten), Mikroglia und Oligodendroglia (Oligodendrozyten).
• Astroglia (Astrozyten) bieten strukturelle Unterstützung, regulieren den Nährstofftransport und erhalten das Gleichgewicht von Ionen und Neurotransmittern.
• Sie sind an Reparaturprozessen nach Verletzungen beteiligt.
• Mikroglia sind deutlich kleiner als andere Gliazellen.
• Sie sind für die Immunabwehr und die Beseitigung von Abfall verantwortlich (z. B. abgestorbene Neurone).
• Oligodendroglia (Oligodendrozyten) bilden Myelinscheiden, die für eine schnelle Signalübertragung unerlässlich sind.

Informationsverarbeitung im Nervensystem

• Der Informationsaustausch erfolgt durch kleine Potenzialänderungen (Erregungen), die schnell über grosse Entfernungen geleitet werden.
• Grundlage ist das Membranpotenzial, bei dem Ionen (geladene Teilchen) im Zellinneren in einer anderen Konzentration vorliegen als ausserhalb.
• Es entsteht eine Potenzialdifferenz über die Zellmembran.
• Sie liegt über dem gesamten Bereich der Zellmembran (inkl. Axon) vor.
• Das Zellinnere einer Nervenzelle ist gegenüber dem Extrazellulärraum negativ geladen.

Konzentrationsverhältnisse

• Das Ruhepotenzial basiert auf der unterschiedlichen Verteilung von Natrium-, Kalium-, Chlor- und Proteinionen (A-).
• Im Inneren befinden sich hauptsächlich Kalium- und Proteinionen.
• Aussen befinden sich hauptsächlich Natrium- und Chlorionen.
• Die Membran ist für verschiedene Ionentypen unterschiedlich durchlässig (Permeabilitätsunterschiede).

Passiver & aktiver Transport

• Ionenkanäle sind Proteine, die die Zellmembran durchziehen und eine Verbindung zwischen dem Zellinneren und dem -äusseren herstellen.
• Sie sind ionenspezifisch und können sich in einem geschlossenen oder offenen Zustand befinden.
• Im offenen Zustand folgen Ionen ihrem Konzentrationsgefälle und diffundieren durch die Kanäle in beide Richtungen.
• Die Natrium-Kalium-Pumpe hat auf der Innenseite drei Bindungsstellen für Natriumionen und auf der Aussenseite zwei für Kaliumionen.
• Natriumionen werden heraus und Kaliumionen hineintransportiert.
• Sie ist ein entscheidender Mechanismus, um das Ruhepotenzial aufrechtzuerhalten, da nur der Hinaustransport der Natriumionen dies ermöglicht.

Aktionspotenzial

• Neurone kommunizieren über Aktionspotenziale.
• Dies sind kurze elektrische Impulse als Träger der Information im Nervensystem.
• Die elektrische Erregung wird durch kurze Umkehrungen des Membranpotenzials weitergeleitet, wobei das Zellinnere gegenüber dem Zelläusseren positiv wird.
• Die Dauer beträgt je nach Zelltyp ca. 1 ms bei Nerven- und Skelettmuskulatur bis 200 ms bei Herzmuskelzellen.

Phasen des Aktionspotenzials

• Aufstrich: Ein Reizimpuls überschreitet die Schwelle, was zu einem sprunghaften Anstieg der Potenzialverschiebung der Membran führt.
• Die Natriumpermeabilität steigt steil an, wodurch Natriumionen in das Zellinnere einströmen.
• Im Überschuss wird das Membranpotenzial positiv (bis zu +30 mV).
• Repolarisierung: Die Natriumkanäle schliessen sich nach ca. 1 ms.
• Es kommt zu einem vermehrten Kaliumausstrom, wodurch das Zellinnere negativ wird.
• Nachpotenziale: Nachschwankungen des Membranpotenzials in negativer hyperpolarisierender oder positiver depolarisierender Richtung.
• Die Natrium-Kalium-Pumpe stellt das Ruhepotenzial wieder her.

Bedingungen für ein Aktionspotenzial

• Alles-oder-Nichts-Gesetz: Es gibt zwei Möglichkeiten:
• Der Reiz kann die Membran nicht bis zur Schwelle depolarisieren, daher wird kein Aktionspotenzial ausgelöst.
• Der Reiz ist stark genug, daher wird ein Aktionspotenzial ausgelöst.
• Erregbarkeit: Der überwiegende Teil der Neuronen ist erregbar und hat einen erregbaren Membranbereich (z. B. am Axonhügel).
• Refraktärphasen: Während der absoluten Refraktärphase (Aufstrich/frühe Repolarisationsphase) hat ein zweiter Reiz keine Wirkung.
• Während der relativen Refraktärphase (spätere Repolarisationsphase und Nachpotenziale) kann eine erhöhte Reizstärke ein zweites Aktionspotenzial herbeiführen.

Ausbreitung des Aktionspotenzials

• Die Ausbreitung erfolgt nur in eine Richtung und bewegt sich durch Aktivierung der benachbarten Bereiche vorwärts.
• Der übliche Ort ist der Axonhügel.
• Es entsteht ein elektrischer Spannungsunterschied zwischen erregter und unerregter Membranstelle.
• Die Nachbarstelle wird selbst bis zur Schwelle depolarisiert.
• Die Ausbreitung unterscheidet sich zwischen marklosen und markhaltigen Nervenfasern:
  • Marklose Nervenfasern leiten schneller, je dicker das Axon ist.
  • Markhaltige Nervenfasern leiten deutlich schneller durch saltatorische Erregungsleitung, bei der die Erregung von Schnürring zu Schnürring springt.