Nervensystem im Detail
Wie eine Nervenzelle feuert, wie das Signal zur nächsten kommt, wie ein Reflex ohne Gehirn funktioniert und wie deine Sinne die Welt in Signale übersetzen. Mit ein paar Tests, die du an dir selbst machen kannst.
Zellen und Signale
1 Aktionspotential
Eine Nervenzelle ruht bei etwa −70 mV: innen ist sie negativer als außen. Reiz den Zellkörper. Hebt der Reiz die Spannung bis zur Schwelle bei etwa −55 mV, feuert die Zelle: Natrium strömt ein, die Spannung schießt auf etwa +30 mV und rast das Axon entlang. Mit der blauen Sonde misst du, wo du willst.
Echte Zellen, unterm Mikroskop vermessen
Rekonstruiert sind nur Zellkörper und Dendriten, nicht das Axon. Die Welle ist vereinfacht: Signale von den Synapsen fließen zum Zellkörper; nach einem Aktionspotential läuft eine schwächere Kopie zurück in die Dendriten (Rückpropagation).
Das Modell: Wie eine Nervenzelle feuert
Ruhe: −70 mV. Probier erst einen schwachen Reiz.
Alles oder nichts
Unter der Schwelle verpufft der Reiz einfach. Darüber ist das Aktionspotential immer gleich groß, egal wie stark der Reiz ist. Ein stärkerer Reiz lässt die Zelle öfter feuern, nicht größer.
Refraktärzeit
Direkt nach dem Feuern sind die Natriumkanäle etwa eine Millisekunde lang inaktiviert: kein neues Aktionspotential, egal wie stark der Reiz. Danach klappt es für ein paar ms nur mit stärkerem Reiz. Deshalb läuft das Signal auch nur in eine Richtung.
Myelin
Myelin umwickelt das Axon wie eine Isolierung. Das Signal muss nur an den Lücken, den Ranvier-Schnürringen, neu erzeugt werden und springt von einem zum nächsten. Dadurch sind dicke myelinisierte Fasern bis zu etwa 100-mal schneller. Bei Multipler Sklerose greift das Immunsystem das Myelin an, Signale werden langsam oder bleiben stecken.
Die Animation läuft in Zeitlupe (der Faktor steht am Oszilloskop), und die langsame Faser ist im Vergleich zur schnellen beschleunigt. In echt ist der Unterschied noch größer.
2 Synapse
Zwischen zwei Nervenzellen ist ein Spalt. Das elektrische Signal kann ihn nicht überspringen, also wird es chemisch: Das Endknöpfchen schüttet Transmitter aus (blau), die rüberdriften und auf der anderen Seite Rezeptoren öffnen. Schick ein Signal, dann mehrere schnell hintereinander, und probier die beiden Schalter.
Grüne Punkte: Calcium. Blau: Transmitter. Orange: Ionen, die in die nächste Zelle strömen.
Calcium ist der Auslöser
Kommt das Aktionspotential im Endknöpfchen an, öffnen Calciumkanäle. Einströmendes Calcium lässt die Vesikel mit der Membran verschmelzen und ihren Inhalt ausschütten. Das Ganze dauert weniger als eine Millisekunde.
Aufsummieren
Ein Signal allein gibt in der nächsten Zelle meist nur ein kleines Potential. Erst wenn mehrere schnell hintereinander (oder von vielen Synapsen gleichzeitig) ankommen, summieren sie sich bis zur Schwelle. Ein einziges Neuron kann Tausende Synapsen haben.
Wo Medikamente angreifen
Viele Wirkstoffe setzen genau hier an: Manche hemmen die Wiederaufnahme (SSRIs, aber auch Kokain beim Dopamin), andere setzen sich auf Rezeptoren und blockieren sie (Antagonisten) oder öffnen sie selbst (Agonisten, wie Nikotin an nikotinischen Rezeptoren).
Stark vereinfacht und verlangsamt: Ein echtes Vesikel enthält ein paar Tausend Transmitter-Moleküle, und das Ganze dauert etwa eine Millisekunde. Das hier ist eine erregende Synapse; hemmende (zum Beispiel mit GABA) schieben die nächste Zelle von der Schwelle weg.
Rückenmark und Reflex
3 Reflex und Rückenmark
Der Klopftest beim Arzt: ein Schlag unter die Kniescheibe, und das Bein kickt, ohne dass du etwas entscheidest. Der ganze Kreis läuft übers Rückenmark. Klopf aufs Knie und tipp dann die Teile des Querschnitts an.
Ein echtes Stück Rückenmark
Z-Anatomy, CC BY-SA 4.0
Der Reflexbogen
Blau: sensible Faser. Rot: motorische Faser. Lila: hemmendes Interneuron. Grün: Meldung ans Gehirn.
Warum Ärzte das testen
Der Patellarsehnenreflex läuft über die Segmente L2 bis L4 des Lendenmarks. Fehlt er, ist er zu schwach oder viel zu stark, sagt das etwas über Nerven, Muskeln oder die Verbindung zum Gehirn, das die Reflexe normalerweise etwas dämpft.
Eine einzige Synapse
Der Dehnungsreflex ist der einzige Reflex mit nur einer Synapse zwischen Sensor und Muskel (monosynaptisch). Deshalb ist er so schnell. Die Hand von der heißen Herdplatte wegziehen braucht schon ein paar Interneurone dazwischen.
Wofür das gut ist
Im Alltag hält der Dehnungsreflex deine Haltung: Gibt dein Knie beim Stehen ein bisschen nach, wird der Oberschenkelmuskel gedehnt und zieht sofort gegen, lange bevor du es merken würdest.
Sinne
4 Auge
Hornhaut und Linse brechen das Licht so, dass es sich in einem Punkt auf der Netzhaut trifft. Für Nahes muss sich die Linse stärker wölben (Akkommodation). Schieb den Gegenstand näher, nimm ein anderes Auge und setz eine Brille auf.
Rechtes Auge, aus einem anatomischen 3D-Atlas
BodyParts3D, © The Database Center for Life Science, CC BY-SA 2.1 JP
Ausprobieren: Scharfstellen und Brille
So siehst du
Test: dein blinder Fleck
Wo der Sehnerv das Auge verlässt, gibt es keine Lichtsinneszellen. Halt dir das linke Auge zu und schau mit dem rechten auf das Kreuz. Geh langsam näher an den Bildschirm (oder weiter weg). Am Bildschirm verschwindet der Punkt bei etwa 30 bis 50 cm, am Handy eher bei 15 bis 25 cm.
Mit Linie reißt die Linie dort, wo der Punkt verschwindet, nicht ab: Dein Gehirn füllt die Lücke mit dem auf, was drumherum ist. Deshalb merkst du den blinden Fleck nie, auch nicht mit einem Auge.
Kurz- und Weitsichtigkeit
Kurzsichtige Augen sind meist etwas zu lang: Licht von weit weg trifft sich vor der Netzhaut. Eine Zerstreuungslinse (konkav) gleicht das aus. Weitsichtige Augen sind zu kurz; junge Menschen gleichen das mit Akkommodation aus, was anstrengt.
Alter
Mit dem Alter wird die Linse steifer und kann sich weniger wölben. Um die 45 merken die meisten, dass sie das Handy weiter weghalten müssen. Eine Lesebrille hilft in der Nähe, macht aber Fernes unscharf.
Die Fovea
Richtig scharf sieht man nur in einer winzigen Grube in der Mitte der Netzhaut, dicht gepackt mit Zapfen. Deshalb springen deine Augen beim Lesen mehrmals pro Sekunde hin und her.
Das Auge ist schematisch gezeichnet und die Entfernung gestaucht; die Dioptrien sind typische Werte (das ganze Auge hat etwa 60 dpt, die Linse kann in jungen Jahren bis etwa 10 dpt dazugeben).
5 Sinneszellen
Jeder Sinn hat spezialisierte Zellen, die eine Art von Reiz in elektrische Signale übersetzen: Licht, Schall, Druck, Moleküle. Tipp einen Sinn an und mach danach die zwei Tests an dir selbst.
Test: Nachbild
Drück Start und schau 20 Sekunden lang auf den schwarzen Punkt, ohne die Augen zu bewegen. Dann verschwindet die Flagge.
Weiß, Türkis, Blau: eine komische Flagge. Oder?
Test: Wie hoch hörst du?
Am besten mit Kopfhörern. Fang leise an und dreh nur so weit auf, bis du den ersten Ton gut hörst, nie laut. Die Töne werden immer höher.
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Von 1 kHz bis 20 kHz.
Die Hüllen des Gehirns
6 Hirnhäute und Hirnwasser
Ein Schnitt oben durch den Kopf, genau da, wo die beiden Hirnhälften aneinanderstoßen. Zwischen Schädel und Gehirn liegen drei Hirnhäute und ein Polster aus Flüssigkeit. Tipp die Schichten an und schau, wo sich die drei typischen Blutungen ausbreiten.
Servier Medical Art, CC BY 4.0
Zeichnung: Servier Medical Art, CC BY 4.0; die Schichten sind viel dicker gezeichnet, als sie sind. Die blauen Punkte zeigen, wohin das Hirnwasser fließt, keine einzelnen Moleküle. Keine medizinische Beratung: Ein plötzlicher, extrem starker Kopfschmerz oder Verwirrtheit nach einem Schlag auf den Kopf gehören in die Notaufnahme.
Quellen
Die Texte sind in eigenen Worten geschrieben. Zahlen und Fakten sind gegen das offene Lehrbuch OpenStax Anatomy and Physiology 2e geprüft und, wo es nicht ins Detail geht, gegen die Quellen unten. Die eigenen Zeichnungen sind schematisch; die 3D-Modelle stammen aus vermessener oder modellierter Anatomie.
- Betts, J. G. et al. (2022). Anatomy and Physiology 2e. OpenStax, Rice University. Kapitel 12 bis 15, CC BY 4.0.
- Azevedo, F. A. C. et al. (2009). Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. Journal of Comparative Neurology, 513(5), 532–541.
- Goldberg, J. M., & Fernández, C. (1971). Physiology of peripheral neurons innervating semicircular canals of the squirrel monkey. Journal of Neurophysiology, 34(4), 635–660. (Ruherate des Gleichgewichtsnervs)
- Johnson, K. O. (2001). The roles and functions of cutaneous mechanoreceptors. Current Opinion in Neurobiology, 11(4), 455–461.
- Zeichnungen der Gewebe, des Rückenmarks und der Hirnhäute: Servier Medical Art, CC BY 4.0. Synapse, Bein, Axon und Linse in ihrem Stil nachgezeichnet.
- 3D-Neuronen: NeuroMorpho.Org, CC BY 4.0 (Watson et al. 2006; Vetter et al. 2001; Pyapali et al. 1998).
- 3D-Auge: BodyParts3D, © The Database Center for Life Science, CC BY-SA 2.1 JP. Rückenmarksscheibe: Z-Anatomy, CC BY-SA 4.0. LIZENZEN.txt
Gut zu wissen
- Eine Lernhilfe, keine medizinische Beratung. Die Animationen sind verlangsamt und vereinfacht; wo das eine Rolle spielt, steht es direkt darunter.