Grundlagen der Neurobiologie: Nervensystem und Synapsen

Neuronale Aktivierung

In der Zellmembran befinden sich Ionenkanäle. Im Ruhezustand sind die Natrium-Kanäle (Na+) geschlossen. Bei entsprechender Stimulation öffnen sie sich und Na+ strömt massiv in das Neuron ein. Dieser Einstrom ändert die Polarität der Membran: Das Innere wird positiv, das Äußere negativ. Diese Potentialdifferenz wird als Nervenimpuls bezeichnet, und die Membran gilt als depolarisiert. Nach kurzer Zeit schließen sich die Na+-Kanäle und K+-Kanäle öffnen sich, um die Membran durch Repolarisation wieder in den Ausgangszustand zu versetzen. Die Natrium-Kalium-Pumpe reguliert anschließend das Konzentrationsverhältnis der Ionen.

Die Synapse

Santiago Ramón y Cajal stellte fest, dass das Nervensystem aus einem Netzwerk einzelner Neuronen besteht, die durch kleine Räume getrennt sind. Die Übertragung von Nervenimpulsen erfolgt über Synapsen, die aus drei Elementen bestehen:

• Präsynaptisches Element: Teil des Axon-Terminals, in dem Vesikel mit Neurotransmittern (z. B. Acetylcholin, Serotonin) gespeichert sind, die erregend oder hemmend wirken können.
• Synaptischer Spalt: Der Raum zwischen dem prä- und postsynaptischen Element.
• Postsynaptisches Element: Der Teil des Neurons, der die entsprechenden Rezeptoren besitzt.

Synapsen bilden sich zwischen:

• Axon und Dendrit oder Axon und Zellkörper.
• Neuronen und Muskelfasern oder Neuronen und Drüsen.

Synaptische Übertragung

Die Ankunft eines Nervenimpulses am synaptischen Endknöpfchen bewirkt den Einstrom von Calcium. Dies führt dazu, dass die mit Neurotransmittern geladenen Vesikel freigesetzt werden und sich zu den Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran ausbreiten.

Nervöse Kommunikation

Für die Informationsverarbeitung sind folgende Elemente notwendig:

• Empfänger (Rezeptoren): Sensorische Strukturen, die Veränderungen der Umwelt erfassen und Impulse erzeugen.
• Neuronen: Strukturen, in denen sensible Nachrichten interpretiert und auf Basis früherer Erfahrungen verarbeitet werden.
• Effektor: Motorische (Muskeln) oder sekretorische (Drüsen) Strukturen, die Befehle ausführen.

Typen von Neuronen

• Sensorische Neuronen: Leiten Nachrichten von den Sinnesrezeptoren an das Nervensystem weiter.
• Interneurone: Verbinden sensorische Neuronen mit motorischen Neuronen.
• Motorneuronen: Leiten Nachrichten vom ZNS zu den Effektororganen. Ihre Axone sind oft von einer Myelinscheide (Schwann-Zellen) umgeben, die durch die Ranvier-Schnürringe unterbrochen ist, was eine saltatorische Erregungsleitung ermöglicht.

Der Reflexbogen: Der kürzeste Weg

Reaktionen auf einen Reiz können über das Gehirn oder das Rückenmark erfolgen (schnell, unwillkürlich und reflexartig). Die Kette der beteiligten Neuronen wird als Reflexbogen bezeichnet.

Komplexe Antworten und ZNS-Funktionen

Das ZNS steuert und koordiniert die motorische Aktivität:

• Einfache Bewegungen: Unwillkürlich und unbewusst, oft unter Beteiligung des Rückenmarks.
• Komplexe Bewegungen: Bewusste, freiwillige Handlungen, die durch gezielte Nervenimpulse an die Muskeln gesteuert werden.

Organisation von Gehirn und Rückenmark

Gehirn und Rückenmark werden durch den Schädel und die Wirbelsäule geschützt. Sie sind von den Hirnhäuten (Pia mater, Arachnoidea und Dura mater) umgeben. Zwischen den inneren Schichten befindet sich die Cerebrospinalflüssigkeit, die als Stoßdämpfer dient. Im Gehirn befinden sich vier miteinander verbundene Kammern (Ventrikel).

Funktionen des Rückenmarks

• Es ist das Zentrum vieler Reflexe.
• Es dient als Kommunikationskanal zwischen der Peripherie und dem Gehirn. Sensorische Neuronen treten über die dorsalen Wurzeln ein und bilden Synapsen in der grauen Substanz, bevor sie über die ventralen Wurzeln austreten.

Die Übertragung der Impulse zum Gehirn erfolgt über myelinisierte Axone. Die meisten Nervenbahnen kreuzen auf die jeweils andere Seite, sodass Reize der rechten Körperseite in der linken Gehirnhälfte verarbeitet werden und umgekehrt.