Neurobiologie

Neurobiologie

Hast du dich jemals gefragt, wie es möglich ist, dass du deine Hand blitzschnell von einer heißen Herdplatte zurückziehst, einen Witz verstehst oder dir eine lange Zahlenreihe merken kannst? All diese komplexen Vorgänge – von reflexartigen Bewegungen bis hin zu tiefgreifendem Lernen und Fühlen – werden von einem faszinierenden Netzwerk gesteuert: deinem Nervensystem. Die Neurobiologie ist das spannende Teilgebiet der Biologie, das sich mit der Funktionsweise und dem Aufbau dieses Netzwerks beschäftigt. In diesem Text lernst du, was Neurobiologie, in Abgrenzung zu Neurologie, ist und welche elektrischen und chemischen Prozesse den Funktionen des Nervensystems zugrunde liegen.

Neurobiologie – Definition

Die Neurobiologie erklärt, wie Informationen aufgenommen, verarbeitet und weitergeleitet werden, sodass dein Körper als komplexe Einheit funktionieren kann. Etwas präziser:

Abgrenzung: Neurobiologie und Neurologie

Obwohl die Begriffe ähnlich klingen, bezeichnen sie unterschiedliche Fachbereiche:

• Die Neurobiologie ist, wie gerade beschrieben, ein Teilgebiet der Biologie. Sie konzentriert sich auf die grundlegenden Mechanismen und Prozesse im Nervensystem von Lebewesen aus einer naturwissenschaftlich-experimentellen Perspektive.
• Die Neurologie hingegen ist eine medizinische Disziplin. Sie beschäftigt sich mit der Diagnose und Therapie von Erkrankungen des Nervensystems (z. B. Schlaganfall, Multiple Sklerose oder Epilepsie) beim Menschen.

Der Grundbaustein des Nervensystems: Das Neuron

Das Neuron – oder die Nervenzelle – ist die funktionelle Grundeinheit des Nervensystems. Milliarden dieser spezialisierten Zellen sind in deinem Körper miteinander verschaltet. Ihre Hauptaufgabe ist die Aufnahme, Weiterleitung und Übertragung von Erregungen (Signalen). Ein typisches Neuron ist in drei Hauptabschnitte gegliedert, die jeweils spezifische Aufgaben erfüllen:

• Dendriten: Hierbei handelt es sich um baumartig verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Nervenzellen oder Sinneszellen empfangen und zum Zellkörper leiten.
• Soma (Zellkörper): Hier befindet sich der Zellkern mit dem Erbgut und die meisten Organellen. Das Soma integriert die eintreffenden Informationen.
• Axon (Neurit): Das Axon ist ein langer Fortsatz, der elektrische Signale vom Soma weg und über weite Strecken weiterleitet. Es verzweigt sich in die synaptischen Endknöpfchen, die die Signale auf andere Zellen übertragen.

Je nach Funktion lassen sich Neuronen in sensorische (leiten Informationen von Sinnesorganen zum Gehirn), motorische (leiten Befehle vom Gehirn zu Muskeln und Drüsen) und Interneuronen (verbinden Neuronen innerhalb des Zentralnervensystems) unterteilen.

Informationsaustausch – Die elektrischen und chemischen Prozesse

Im Zentrum der Neurobiologie steht häufig das Verständnis, wie Neuronen elektrische Signale erzeugen und diese an ihren Enden auf die nächste Zelle übertragen. Diese Prozesse bilden die Grundlage für jede Reaktion und jeden Gedanken.

Die Grundlage: Das Ruhepotenzial

Selbst wenn eine Nervenzelle keine Information weiterleitet, herrscht über ihrer Zellmembran eine elektrische Spannung von etwa -70 mV. Man spricht vom Ruhepotenzial. Diese Spannung entsteht durch eine Ungleichverteilung elektrisch geladener Teilchen, den Ionen, auf der Innen- und Außenseite der Zelle.

• Die Natriumionen ($\ce{Na+}$) sind außen in hoher Konzentration vorhanden.
• Die Kaliumionen ($\ce{K+}$) sind innen in hoher Konzentration vorhanden.
• Im Zellinneren befinden sich zudem viele negativ geladene Proteine, die die negative Ladung verstärken.

Im Ruhezustand ist die Zellmembran nur für $\ce{K+}$-Ionen gut durchlässig (durch sogenannte Leckströme). Die Natrium-Kalium-Pumpe, ein Transportprotein, arbeitet ständig unter Energieverbrauch (ATP-Verbrauch), um die Ungleichverteilung aufrechtzuerhalten: Sie pumpt aktiv drei $\ce{Na+}$-Ionen nach außen und zwei $\ce{K+}$-Ionen nach innen. Dadurch wird das Innere der Zelle negativ gegenüber dem Äußeren.

Erregungsleitung: Das Aktionspotenzial

Erhält das Neuron von anderen Zellen ein ausreichend starkes Signal, öffnet sich eine Kaskade von Ionenkanälen, die eine kurzzeitige, explosionsartige Umpolung der Membranspannung auslöst – das Aktionspotenzial. Das Aktionspotenzial läuft nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip ab: nur wenn ein bestimmter Schwellenwert überschritten wird, wird es in voller Stärke ausgelöst.

Das Aktionspotenzial läuft in folgenden Phasen ab:

• Depolarisation: Durch einen Reiz öffnen sich spannungsgesteuerte $\ce{Na+}$-Kanäle. $\ce{Na+}$-Ionen strömen lawinenartig in die Zelle. Die Spannung steigt rasant von -70 mV bis auf einen positiven Wert (+30 mV).
• Repolarisation: Die $\ce{Na+}$-Kanäle schließen sich, und nun öffnen sich die spannungsgesteuerten $\ce{K+}$-Kanäle. $\ce{K+}$-Ionen strömen aus der Zelle heraus, wodurch die Membranspannung wieder sinkt und negativer wird.
• Hyperpolarisation: Durch die langsame Schließung der $\ce{K+}$-Kanäle sinkt die Spannung kurzzeitig unter das ursprüngliche Ruhepotenzial (z. B. auf -80 mV). Diese Zeit wird auch als Refraktärzeit bezeichnet, in der das Neuron nicht erneut erregbar ist.

Die ursprüngliche Ionenverteilung wird nach dem Aktionspotenzial wieder durch die Arbeit der Natrium-Kalium-Pumpe hergestellt.

Von Zelle zu Zelle: Die Synapse

Am Ende des Axons befindet sich die Synapse, die Kontaktstelle zu einer nachgeschalteten Zelle (einem anderen Neuron, einer Muskel- oder Drüsenzelle). Hier erfolgt die Übertragung der Information. Im Nervensystem des Menschen erfolgt dies meist chemisch.

1) Das Aktionspotenzial erreicht das synaptische Endknöpfchen.

2) Die Spannungsänderung führt zur Öffnung von spannungsgesteuerten $\ce{Ca^{2+}}$-Kanälen. $\ce{Ca^{2+}}$-Ionen strömen in das Endknöpfchen.

3) Der Anstieg der $\ce{Ca^{2+}}$-Konzentration bewirkt, dass mit Neurotransmittern gefüllte Vesikel mit der präsynaptischen Membran verschmelzen.

4) Die Neurotransmitter (chemische Botenstoffe wie Acetylcholin oder Dopamin) werden in den synaptischen Spalt freigesetzt.

5) Sie diffundieren durch den Spalt und binden an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Empfängerzelle.

6) Die Bindung der Neurotransmitter öffnet ligandengesteuerte Ionenkanäle in der postsynaptischen Zelle, was dort eine lokale Spannungsänderung (ein postsynaptisches Potenzial) auslöst.

Neurotransmitter können dabei entweder erregend (erzeugen ein exzitatorisches postsynaptisches Potenzial – EPSP) oder hemmend (erzeugen ein inhibitorisches postsynaptisches Potenzial – IPSP) wirken. Die postsynaptische Zelle verrechnet alle ankommenden EPSPs und IPSPs: Nur wenn die Summe den Schwellenwert erreicht, wird in der Empfängerzelle ein neues Aktionspotenzial ausgelöst.

Organisation des Nervensystems

Das menschliche Nervensystem ist hierarchisch aufgebaut und lässt sich nach Lage und Funktion gliedern.

Lage: Zentrales und Peripheres Nervensystem

Funktion: Somatisches und Vegetatives Nervensystem

Die Nerven des PNS werden nach ihrer Funktion in zwei Hauptsysteme unterteilt:

• Somatisches Nervensystem: Steuert bewusste Vorgänge wie die willkürliche Bewegung der Skelettmuskulatur und die Aufnahme von Umweltreizen über die Sinnesorgane. Du kannst es willentlich beeinflussen.
• Vegetatives (autonomes) Nervensystem: Regelt unbewusste und lebenswichtige Funktionen der inneren Organe (z. B. Herzschlag, Atmung, Verdauung, Stoffwechsel). Es gliedert sich weiter in Sympathikus (Aktivierung und Stressreaktion) und Parasympathikus (Erholung und Aufbau).

Ausblick – Das lernst du nach Neurobiologie

Aufbauend auf diesen Grundlagen kannst du dich mit weiteren großen Teilgebieten der Biologie auseinandersetzen, wie der Genetik oder Ökologie.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Neurobiologie