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Die Bedeutung der Neurobiologie

Lebewesen besitzen die Fähigkeit mit ihrer Umwelt in Kontakt zu treten und auf sie zu reagieren. Tiere spüren ihre Beute auf und ergreifen sie, indem sie im richtigen Moment zugreifen. Auch wir Menschen zeigen blitzschnelle Reaktionen und ziehen beispielsweise unsere Hand bei einer Verbrennung sofort weg.

Mit dieser Informationsverarbeitung im Nervensystem und ihrem zellulären Aufbau beschäftigt sich die Neurobiologie. Unser Nervensystem ist aus zahlreichen Nervenzellen aufgebaut, mithilfe derer die Informationen aus der Umwelt aufgenommen, weitergeleitet und verarbeitet werden können.

Bioelektrizität als physiologische Grundvoraussetzung

Du denkst bei dem Begriff Elektrizität wahrscheinlich eher an Steckdosen als an Zellen, doch auch für einige Zellen spielt die Elektrizität eine große Rolle. Die Elektrizität im Zusammenhang mit Lebewesen wird als Bioelektrizität bezeichnet. Diese Eigenschaft ist vor allem für Sinnes- und Nervenzellen von großer Bedeutung, denn sie sind darauf spezialisiert, auf elektrische Reize zu reagieren.

Jede tierische Zelle ist gegenüber ihrer Umwelt elektrisch geladen. Diese elektrische Ladung kommt durch die ungleichmäßige Verteilung der Anionen und Kationen im Extra- und Intrazellulärraum zustande. Die Zellmembran stellt die Grenze zwischen diesen beiden Räumen dar. Da diese Zellmembran semipermeabel ist, also nicht gleichermaßen durchlässig für Ionen ist, bewirkt sie die Ungleichverteilung der Ionen.

Die Potenzialdifferenz an der Membran wird als Membranpotential bezeichnet. Das Membranpotential wird in Muskelzellen, Sinneszellen und Nervenzellen als Ruhepotential bezeichnet und bildet die Ausgangssituation der Erregungsleitung.

 Zellmembran mit Transmembranproteinen

Neuron – die kleinste Einheit des Nervensystems

Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist für die Aufnahme, Weiterleitung und Übertragung von Informationen im Nervensystem zuständig.

Aufbau der Nervenzelle

Jede Nervenzelle besteht aus dem Zellkörper (Soma), dem Axon und den Dendriten. Im Soma befindet sich der Zellkern der Nervenzelle. Als Dendriten werden kurze Fortsätze bezeichnet, die deren Ende als präsynaptische Strukturen oder Synapsen bezeichnet werden und für die Aufnahme und Übertragung der Erregung zu ständig sind. Das Axon wird auch als Nervenzellfaser bezeichnet. Es ist für die Erregungsleitung zuständig. Die Axone der Nervenzellen von Wirbeltieren sind von einer Myelinscheide umgeben.

Präsynaptische Endigung

Die Entstehung eines Aktionspotentials

Eine weitere wichtige physiologische Grundlage der Neurobiologie ist die Entstehung des Aktionspotentials. Sie erfolgt nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip.

Wenn ein elektrische Reiz auf eine Zelle trifft, die das Ruhepotential aufweist, kommt es zu einer Veränderung des Membranpotentials. Ist die elektrische Erregung stark genug, wird das Schwellenpotential erreicht.

Das führt dazu, dass die spannungsabhängigen Natriumkanäle geöffnet werden und Natriumionen in das Axon strömen. Zu dem Zeitpunkt sind die Kaliumkanäle weiterhin geschlossen, sodass es zur Depolarisation kommt. Durch den fortwährenden Einstrom der Natriumionen, weist das Zellinnere eine positive Spannung auf bis sich die Natriumkanäle wieder schließen.

Es kommt zur Öffnung der Kaliumkanäle, wodurch Kaliumionen aus dem Zellinneren in den Extrazellulärraum gelangen und die Spannung innerhalb der Zelle sinkt.Diese Phase wird als Repolarisation bezeichnet.

Bei vielen Zellen ist nach der Repolarisation, eine Phase zu beobachten, die als Hyperpolarisation bezeichnet wird. In dieser Phase strömen noch einige Kaliumionen aufgrund der hohen Leitfähigkeit der Zellmembran für Kalium und bewirken eine negativere Spannung als das Ruhepotential. Anschließend wird das Ruhepotential mithilfe der Natrium-Kalium-Pumpe hergestellt.

Phasen eines Aktionspotentials

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Arbeitsblätter zum Ausdrucken zum Thema Physiologische Grundlagen der Neurobiologie

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