Reflexbogen und Nervenzellen

Einführung in die Neurobiologie

Der Reflexbogen ist ein grundlegendes Konzept in der Neurobiologie, das die Beziehung zwischen einem Reiz und der darauf folgenden Reaktion darstellt. Der Ablauf des Reflexbogens zeigt auf, wie die Nervenzellen (Neuronen) an der Informationsübertragung beteiligt sind und wie das zentrale Nervensystem (ZNS) mit dem peripheren Nervensystem (PNS) interagiert, um Bewegungen zu steuern. Der Ablauf lässt sich wie folgt zusammenfassen:

• Handlung (gewollt) – ZNS/Gehirn
• Reiz – D PNS/Rückenmark
• Beispiel: Fliegender Ball führt zur Wahrnehmung im Sinnesorgan (Auge)

Struktur und Funktion von Nervenzellen

Eine Nervenzelle oder auch Neuron bezeichnet die Zelle, die für die Aufnahme und Weiterleitung von Reizen innerhalb des Nervensystems verantwortlich ist. Der Aufbau einer typischen Nervenzelle umfasst mehrere Teile:

• Zellkörper (Soma): Beinhaltet den Zellkern sowie Mitochondrien, die für die Energieproduktion der Zelle zuständig sind.
• Dendriten: Diese sind für die Reizaufnahme zuständig; sie nehmen Informationen von anderen Neuronen auf.
• Axon: Es leitet die elektrischen Signale, die als Aktionspotenziale bezeichnet werden.
• Myelinscheide: Diese isoliert das Axon und erhöht die Geschwindigkeit der Signalübertragung.
• Schnürringe (Ranviersche Schnürringe): Diese sind die Stellen zwischen den Myelinscheiden, wo der Austausch von elektrischen Signalen geschieht.
• Synaptische Endknöpfchen: Diese sind die Enden der Axone, die die Übertragung von Signalen an andere Nervenzellen ermöglichen.

Ruhepotenzial

Im Ruhezustand zeigt eine Nervenzelle eine elektrische Spannung oder Potentialdifferenz von ungefähr -70 mV. In diesem Zustand ist das Innere der Zelle negativ geladen, während das Äußere positiv geladen ist. Die wichtigsten Ionen, die an der Entstehung des Ruhepotenzials beteiligt sind, umfassen:

• Natrium (Na+)
• Kalium (K+)
• Anionen (A-)

Ionenkanäle und Gradient

• Konzentrationsgradient: Dies bezieht sich auf den Ausgleich der Konzentration von zwei Stoffen an zwei Orten.
• Ladungsgradient: Dieser beschreibt den Ausgleich der elektrischen Spannung zwischen dem Zellinneren und dem Zellaus äußeren.

Entstehung des Aktionspotenzials

Das Aktionspotenzial ist ein entscheidender Prozess zur Signalübertragung in Neuronen und beginnt mit der Reizung der Nervenzelle und führt zu einer lokalen Depolarisation. Hierbei gibt es mehrere wichtige Schritte:

• Natrium-Einstrom: Dies geschieht durch die Öffnung von spannungsgesteuerten Natriumkanälen, wenn der Schwellenwert von ca. -55 mV erreicht wird. Dadurch steigt das Membranpotenzial auf etwa +30 mV.

Depolarisation

Die Depolarisation senkt das Membranpotenzial.

Repolarisation

Nach der Erreichung des maximalen Aktionspotenzial werden die Natriumkanäle geschlossen, woraufhin kaliumspezifische Kanäle geöffnet werden, durch die Kaliumionen aus der Zelle herausströmen. Dies führt zur Rückkehr des Membranpotenzials zum Ruhepotenzial.

Refraktärzeit

Die Refraktärzeit ist die Zeitspanne nach einem Aktionspotenzial, in der das Neuron nicht erneut erregt werden kann, weil die Natriumkanäle geschlossen und inaktiv sind.

Hyperpolarisation

Das Membranpotenzial kann kurzzeitig negativ genug werden, um als Hyperpolarisation zu gelten. Dies geschieht, wenn zu viele Kaliumionen aus der Zelle diffundiert sind, und die Kaliumkanäle schließen sich, was zu einem gestoppten Kaliumausstrom führt, während die Natrium-Kalium-Pumpe das Ruhepotenzial wiederherstellt.

Synapsen und Signalübertragung

Synapse

Die Synapse ist der Übergang zwischen zwei Neuronen, wo die Informationsübertragung stattfindet. Der Vorgang umfasst folgende Schritte:

1. Aktionspotenzial erreicht das Präsynaptische Endknöpfchen.
2. Depolarisation des Axonendes durch das eintreffende Aktionspotenzial.
3. Freisetzung von Neurotransmittern (z. B. Acetylcholin) in den synaptischen Spalt durch Vesikel, die verschmelzen.
4. Neurotransmitter binden an spezifische Rezeptoren an der postsynaptischen Membran, was zur Depolarisation der postsynaptischen Zelle führt und ein postsynaptisches Potenzial (PSP) erzeugt.

Arten von Postsynaptischen Potentialen

• EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potenzial): Fördert die Erzeugung eines Aktionspotenzials.
• IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potenzial): Hemmt die Erzeugung eines Aktionspotenzials und beeinflusst somit die Signalweiterleitung.

Unterschiede zwischen PSP und Aktionspotenzial

Erregungsleitung

Die Erregungsleitung beschreibt die Weitergabe des Aktionspotenzials entlang eines Axons.

• Kontinuierliche Erregungsleitung: Jedes benachbarte Membranabschnitt wird nacheinander depolarisiert. Wird normalerweise in marklosen Nervenfasern beobachtet und ist langsamer, da jeder Abschnitt depolarisiert werden muss.
• Saltatorische Erregungsleitung: Das Aktionspotenzial springt von einem Ranvierschen Schnürring zum nächsten, was die Geschwindigkeit der Signalübertragung erhöht, da die Erregung nur an den Schnürringen stattfinden kann. Diese tritt in myelinisierten Nervenfasern auf und benötigt weniger Energie durch die reduzierten Natrium-Kalium-Pumpen im Vergleich zu marklosen Nervenfasern.

Muskelkontraktion

Mechanik der Muskelkontraktion

Die Muskelkontraktion beruht auf dem Interagieren von Myosin- und Aktinfilamenten. Die Schritte sind wie folgt:

1. Aktivierung durch Nervensignal: Ein Nervensignal aktiviert Muskelzellen, was zu einer Ausschüttung von Calciumionen führt.
2. Querbrückenzyklus: Myosin und Aktin greifen ineinander und der Kopf des Myosins kippt und zieht das Aktinfilament. ATP wird gespalten, um die Energie für diese Bewegung zu gewinnen.
3. Rückkehr des Myosinhalses: Nachdem ATP am Myosin gebunden hat, geht der Kopf in einen 90° Winkel zurück.

Verbindungen zwischen Neuronen und Muskeln

Die Interaktion zwischen Alphamotorneuronen und Muskelfasern ist entscheidend für die Muskelkontraktion und somit für die Ausführung von Bewegungen.
Je nachdem, ob ATP verfügbar ist oder nicht, kann es zu einer Störung kommen, die als Totenstarre bezeichnet wird, was bedeutet, dass die Muskeln nicht mehr entspannen können, da keine neuen ATP-Moleküle zur Verfügung stehen.