Thema 1.1.1.2:
Informationsverarbeitung an einer Nervenzelle
Wir betrachten eine Nervenzelle unter funktionellen Aspekten.
Abbildung 1 zeigt den Grundbauplan eines typischen Neurons (einer Nervenzelle). Grundsätzlich kann man vier verschiedene Funktionsabschnitte bei einer Nervenzelle unterscheiden:
1. Informationsaufnahme
Mit den Dendriten nimmt die Nervenzelle erregende oder auch hemmende Informationen aus ihrer Umwelt auf.
Eine Lichtsinneszelle kann zum Beispiel durch elektromagnetische Strahlung erregt werden, eine für die Schmerzweiterleitung verantwortliche Nervenzelle kann durch körpereigene Opiate stark gehemmt werden.
Damit möglichst viele Informationen aufgenommen werden können, hat die Nervenzelle viele stark verzweigte Dendriten (Prinzip der Oberflächenvergrößerung).
2. Informationsverarbeitung
Am Zellkörper findet die Informationsverarbeitung statt. Die von den Dendriten eintreffenden erregenden und hemmenden Informationen werden miteinander verrechnet. Vom Endergebnis hängt es nun ab, ob und in welcher Intensität am Axonhügel Aktionspotentiale entstehen.
Treffen beispielsweise viele erregende Informationen gleichzeitig ein, aber nur wenige hemmende, so ist es wahrscheinlich, dass auch am Axonhügel eine Erregung festzustellen ist. Wird die Nervenzelle aber insgesamt stärker gehemmt als erregt, so wird auch der Axonhügel eher gehemmt sein. Halten sich Erregungen und Hemmungen die Waage, so wird sich der Erregungszustand des Axonhügels kaum verändern.
3. Informationsweiterleitung
Wenn die Erregung am Axonhügel einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, so kommt es dort zur Bildung von Aktionspotenzialen.
Aktionspotentiale sind verhältnismäßig starke Spannungsschwankungen (zwischen ca. -100 mV und +40 mV), die mit hoher Geschwindigkeit (mehrere Meter pro Sekunde) vom Axonhügel bis zum synaptischen Endknöpfchen weitergeleitet werden.
Diese Weiterleitung erfolgt ohne Verluste nach dem "Alles-Oder-Nichts"-Prinzip. Hat das Aktionspotential am Axonhügel einen Wert von 40 Einheiten, so hat es, wenn es an dem synaptischen Endknöpchen angekommen ist, immer noch den gleichen Wert von 40 Einheiten.
Liegt die Erregung am Axonhügel nur knapp über dem Schwellenwert, so werden nur wenige Aktionspotenziale pro Sekunde gebildet, beispielsweise 50. Liegt die Erregung des Axonshügels aber weit über dem Schwellenwert, so steigt die Aktionspotenzialfrequenz stark an, zum Beispiel auf 170 Aktionspotenziale pro Sekunde.
4. Informationsübertragung
Wenn an dem synaptischen Endknöpchen Aktionspotentiale ankommen, führt das dazu, dass das Endknöpchen eine chemische Verbindung ausschüttet, die dann auf die Membran der Dendriten oder des Somas der nachfolgenden Nervenzelle einwirkt, so dass dort wieder eine neue Erregung entsteht. Die Information, die bisher also auf elektrischem Wege übermittelt wurde (Ruhepotenzial, Aktionspotenzial), wird nun auf chemischem Weg übertragen.
Die Verbindungen, die von den synaptischen Endknöpfchen zu diesem Zwecke ausgeschüttet werden, heißen Neurotransmitter. Der bekannteste Neurotransmitter ist wohl Acetylcholin.
Streng genommen stellt ein ausgeschütteter Neurotransmitter einen chemischen Reiz für die nachfolgende Nervenzelle dar. Die Membran dieser Nervenzelle kann durch den Neurotransmitter entweder erregt oder gehemmt werden. Auch Muskelzellen und manche Drüsenzellen können durch Neurotransmitter, die von Nervenzellen ausgeschüttet werden, erregt werden.
Grundstruktur einer Nervenzelle
(C) Ulrich Helmich 2005
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