Voll unter Strom - wie Nervenzellen sich verständigen

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Isolierte Nervenzelle (elektronenmikroskopische Aufnahme)

Nervenzellen oder Neuronen bilden den wichtigsten Bestandteil des Gehirns und sind in vieler Hinsicht die außergewöhnlichsten Zellen, die das Leben hervorgebracht hat. Die meisten Neuronen des Gehirns sind winzig klein, manche nicht größer als ein paar Millionstel Meter im Durchmesser, aber ihre Zahl ist ungeheuer groß. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, Information zu verarbeiten und an andere Neuronen weiterzuleiten. Damit bilden sie die Grundlage für alle Sinnes- und Verhaltensleistungen.

Soweit wir wissen, verwenden die Nervenzellen bei allen Tieren - von der Qualle bis zum Menschen - die gleichen elektrochemischen Mechanismen zur Informationsübertragung. Es sieht so aus, als hätte sich der primitive Mechanismus in der Nervenzelle der Qualle so gut bewährt, dass ihm ein fester Platz in der Evolution eingeräumt wurde. Um komplizierteres und anpassungsfähigeres Verhalten hervorzubringen, musste lediglich eine größere Zahl solcher Nervenzellen auf komplexere Weise zusammengefügt werden.

Nervenzellen verwenden zwei ganz verschiedene „Sprachen“, um sich miteinander zu verständigen. Eine von ihnen ist der Nervenimpuls, auch Aktionspotenzial genannt, ein elektrisches Signal, das sich entlang des Axons, der langen Nervenfaser, bis zur Nervenendigung, der Synapse, fortpflanzt. Wenn es die Endigungen erreicht, erlischt das Aktionspotenzial, löst aber gleichzeitig einen ganz anderen Prozeß aus: die Informationsübertragung über die Synapse auf das Empfängerneuron.

"Domino-Day" im Nervensystem

Die synaptische Übertragung ist die zweite „Sprache“ des Neurons. Dieser Prozess beruht auf der Freisetzung von chemischen Botenstoffen oder Neurotransmittern. Kleine membranumhüllte Bläschen, sogenannte Vesikel, nehmen die Botenstoffe wie Nachrichtenpakete auf und transportieren sie zur synaptischen Membran, wo sie in einen Spalt freigesetzt werden und zur Empfängerzelle diffundieren. Hunderte von „Transportern“ entlassen Tausende von Botenstoffmolekülen - das ist wie ein kurzer, örtlich begrenzter Regenschauer. Die Moleküle binden an sogenannte Rezeptoren – Signalempfänger nach Art einer „Antenne“ – in der Membran der nachgeschalteten Nervenzelle und bewirken dort einen elektrischen Strom durch die Zellmembran und eine Änderung des Membranpotenzials.

Während die synaptische Übertragung ein abgestufter Prozess ist, handelt es sich bei dem Aktionspotenzial um ein Alles-oder-nichts-Ereignis: Einmal in Gang gesetzt, kann es nicht mehr gestoppt werden und setzt sich bis zum Ende des Axons fort. Das Aktionspotenzial stellt eine Veränderung der elektrischen Spannung über der Zellmembran dar, die aus dem Einstrom von Natriumionen in die Zelle hinein und einem darauffolgenden Ausstrom von Kaliumionen aus der Zelle heraus resultiert; die Ionenbewegungen erfolgen dabei durch spezialisierte Poren in der Zellmembran, so genannte Ionenkanäle.

Benachbarte Ionenkanäle registrieren, dass sich die Spannung über der Zellmembran verändert hat und öffnen ihre Poren. Da die Kanäle entlang einer Nervenfaser dicht an dicht liegen, pflanzt sich das Signal als Kettenreaktion von Spannungsänderungen rasch fort. Ein Kanal wird quasi indirekt durch seine Vorgänger geschaltet – fast so wie bei einer Reihe nacheinander fallender Dominosteine. Zwischen einem und hundert Meter Zellfaser bewältigt das Signal mit dieser Kettenreaktion in jeder Sekunde. Die Amplitude des Aktionspotenzials von 100 bis 120 Millivolt bleibt über die volle Länge der Nervenfaser hinweg konstant, weil der Alles-oder-Nichts-Impuls bei seiner Wanderung von der Zellmembran ständig wieder aufgebaut wird.

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