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Nervensystem – Codierung von Informationen

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Bio-Team
Nervensystem – Codierung von Informationen
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Grundlagen zum Thema Nervensystem – Codierung von Informationen

Inhalt

Codierung von Informationen im Nervensystem

In der Biologie spricht man von Codierung von Reizen oder Reizcodierung, wenn Reize in Nervenzellen in elektrische Signale umgewandelt werden. Diese elektrischen Signale können dann von Nervenzelle zu Nervenzelle weitergegeben werden.

Wie werden Reize codiert?

Bei der Codierung von Informationen im Nervensystem werden Reize in elektrische Signale übersetzt. Man unterscheidet zwischen analoger und digitaler Codierung. Im Laufe der Übertragung elektrischer Signale in Nervenzellen wechseln sich die beiden Codierungsarten ab.

Was ist analoge Codierung?

Wenn ein Reiz von unseren Sinneszellen aufgenommen wird, wird er in eine elektrische Erregung umgewandelt und in dieser Form an die nächste Nervenzelle weitergegeben. Das passiert auf die folgende Weise: Über die Synapse kommt das elektrische Signal zuerst an den Dendriten des Zellkörpers (Soma) einer Nervenzelle an. Dort kommt es zu einer Veränderung oder auch Verschiebung des Membranpotenzials, also der Spannung an der Zellmembran. Man spricht von einer passiven Potenzialverschiebung. Diese Potenzialverschiebung wird analog codiert. Das bedeutet: Je stärker und länger der Reiz ist, desto stärker und länger ist auch die Potenzialverschiebung. Eine starke Potenzialverschiebung hat eine große Amplitude, die Auslenkung ist also groß.
Das Membranpotenzial wird nun über den Zellkörper bis zum Axonhügel weitergegeben. Wenn die Potenzialverschiebung stark genug ist, wird hier ein Aktionspotenzial ausgelöst. Die Amplitude der Potenzialverschiebung muss hierfür über einem gewissen Schwellenpotenzial liegen.
Kommt es zu einem Aktionspotenzial, wird das Signal überhaupt erst über das Axon der Nervenzelle weitergeleitet. Nun findet eine digitale Codierung statt. Entsteht kein Aktionspotenzial, endet die Weiterleitung an dieser Stelle.

Was ist digitale Codierung?

Im Axon kommt nun entweder ein Aktionspotenzial an oder nicht. Es gibt kein stärkeres oder schwächeres Aktionspotenzial, die Amplitude der Potenzialverschiebung ist beim Aktionspotenzial immer gleich groß. Ob ein Aktionspotenzial entsteht, entscheidet sich also nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip. Dieses Prinzip entspricht einer digitalen Codierung. Solange im Soma eine Potenzialverschiebung über dem Schwellenpotenzial vorliegt, kommen Aktionspotenziale im Axon an. Dies geschieht mit einer bestimmten Frequenz. Je stärker ein Reiz, desto höher ist diese Frequenz, das heißt, die Aktionspotenziale im Axon folgen schneller aufeinander. Da die Abfolge des weitergeleiteten Signals von der Stärke des Eingangssignals abhängt, sagt man auch, die Codierung sei frequenzmoduliert.

Reizcodierung – Beispiel akustischer Reiz

Ein Beispiel für einen Reiz, der von unseren Sinneszellen wahrgenommen wird, ist ein akustischer Reiz, also zum Beispiel ein Ton. Von der zugehörigen Sinneszelle aus wird ein elektrisches Signal auf eine Nervenzelle übertragen. Im Soma der Nervenzelle kommt es zunächst zu einer passiven Potenzialverschiebung. Je lauter der Ton, desto größer ist die Amplitude dieser Potenzialverschiebung.
Wenn die Amplitude der Potenzialverschiebung über das Schwellenpotenzial hinausgeht, kommt es zu einem Aktionspotenzial am Axonhügel, das zum Axon weitergeleitet wird. Je lauter der Ton, desto höher ist die Frequenz, in der Aktionspotenziale das Axon erreichen.
Ist der Ton sehr leise, kann es sein, dass die Potenzialverschiebung so schwach ist, dass am Axonhügel kein Aktionspotenzial entsteht. Ist das der Fall, hören wir auch nichts von dem Ton.
Es kann jedoch auch sein, dass es an der Nervenzelle zu einer räumlichen oder zeitlichen Summation kommt. Durch eine Summation (auch synaptische Integration) können auch sehr schwache Reize Aktionspotenziale verursachen. Bei einer räumlichen Summation senden mehrere Synapsen einer Nervenzelle gleichzeitig elektrische Signale. Bei einer zeitlichen Summation sendet eine einzige Synapse sehr oft und schnell hintereinander Signale. Diese elektrischen Signale werden jeweils zusammengerechnet (summiert) und führen so gemeinsam zu einer stärkeren Potenzialverschiebung. Codierung in Nervenzellen

Zusammenfassung – Reizweiterleitung

Im Nervensystem werden Reize als elektrische Signale codiert. Man unterscheidet zwischen analoger und digitaler Codierung. Die analoge Codierung findet im Soma einer Nervenzelle statt. Je stärker ein Reiz, desto höher ist die Amplitude der Membranpotenzialverschiebung. Die digitale Codierung findet am Axonhügel und im Axon der Zelle statt. Je stärker ein Reiz, desto höher ist die Frequenz, mit der Aktionspotenziale das Axon erreichen.
Auch zum Thema Codierung von Nervenreizen aus der Biologie gibt es interaktive Aufgaben und ein Arbeitsblatt – du kannst dein neu erworbenes Wissen also direkt testen!

Transkript Nervensystem – Codierung von Informationen

Hast du dich schon einmal gefragt, wieso du Geräusche nur ab einer bestimmten Lautstärke wahrnehmen kannst und wieso du überhaupt in der Lage bist laute und leise Töne wahrzunehmen?

Wie dein Nervensystem z.B. Informationen über die Lautstärke von Tönen und Geräuschen zwischen den Nervenzellen des Nervensystems weiterleitet lernst du in diesem Video. Ich zeige dir auch das Phänomen der Reizcodierung, denn die Informationen werden nicht konstant in gleicher Weise zwischen den Nervenzellen vermittelt.

Im Nervensystem werden ständig Informationen von den Sinnesorganen aufgenommen und in Form von elektrischer Erregung verschlüsselt, also codiert, und weitergeleitet.

Dabei kommt zu einem ständigen Wechsel zwischen der so genannten analogen und digitalen Codierung. Was das bedeutet, werde ich dir nun genauer erklären. Das möchte ich dir vor allem an der Lautwahrnehmung stark vereinfacht verdeutlichen. Beachte aber, dass die tatsächlichen Prozesse der Lautwahrnehmung sehr viel komplexer sind und von vielen Faktoren abhängen. Fangen wir an!

Wird ein Reiz von den Sinnesorganen aufgenommen, so verändert sich das Membranpotenzial an den Nervenzellen, die den entsprechende Sinneszellen nachgeschaltet sind. Die elektrische Spannung an der Membran der Nervenzelle wird verändert. Sie wird erregt. Die Erregung beginnt an den Dendriten des Zellkörpers, dem Soma, denn dort wird eine Nervenzelle von den Synapsen anderer Nervenzellen erreicht.

In den Dendriten und dem Zellkörper der Nervenzelle kommt es noch nicht zu einem Aktionspotenzial. Es kommt nur zu einer passiven Potenzialverschiebung. Das bedeutet, dass sich die an der Membran immer vorhandene elektrische Spannung verändert.

Die Information über den Reiz wird analog codiert: D.h. die Potenzialverschiebung bleibt so lange erhalten, wie der Reiz dauert: Eine Potenzialverschiebung besteht analog zur Reizdauer.

Die Reizstärke wird in Form der Amplitude der Potenzialverschiebung codiert. Die Reizstärke ist also analog zur Stärke der Potenzialverschiebung.

Diese Veränderung in der elektrischen Spannung setzt sich fort bis zum Axonhügel, welcher in das Axon übergeht. Erst hier kann ein Aktionspotenzial generiert werden.

Ein bestimmter Amplitudenwert muss dabei überschritten werden, damit der Reiz überhaupt wahr genommen wird, denn die Entstehung von Aktionspotentialen erfolgt nach dem “Alles oder Nichts Prinzip”. Der zu überschreitende Wert nennt sich Schwellenpotential. Töne, welche sehr leise sind verursachen also im Soma der Nervenzelle keine ausreichende Potenzialverschiebung, sodass kein Aktionspotential wahrgenommen werden kann. Du kannst Töne also nur ab einer bestimmten Lautstärke wahrnehmen.

Im Axon werden diese Aktionspotentiale dann weitergeleitet. Da es sich nun um Aktionspotentiale handelt, welche stets eine gleich große Amplitude aufweisen, kann die Codierung nun nicht mehr analog erfolgen. Hier ist die Information digital codiert: Die Dauer der Potenzialverschiebung entspricht dann der Sende-Dauer der Aktionspotenziale und die Reizstärke wird in eine Aktionspotenzialfolge bestimmter Frequenz übersetzt, man sagt, sie ist frequenzmoduliert.

In der Abbildung ist jeweils ein starker und ein schwacher Reiz dargestellt. Du kannst dir wieder unser Beispiel zur Hilfe nehmen, indem du dir vorstellst, dass du einen lauten und einen leisen Ton wahrnimmst. Beide Reize dauern gleich lange an.

In der Sinnezelle entsteht ein elektrisches Signal, welches auf die nachgeschaltete Nervenzelle übertragen wird. An den Synapsen wird das Signal auf die Dendriten der nächsten Nervenzelle übertragen. Die übermittelten Transmitter verursachen die passive Potentialverschiebung der nächsten Nervenzelle. Die Reizstärke wird nun über die Amplitude, also analog codiert. Je stärker der Reiz ist, desto größer ist die Amplitude der Potentialverschiebung.

Im Axon erfolgt die Codierung digital. Demnach erfolgt die Abfolge der Aktionspotentiale bei einem starken Reiz schneller. Die Frequenz ist also größer. Ein postsynaptisches Potenzial, also PSP, an einer Dendritenmembran kann, wie du bereits weißt, zu schwach sein, um am Axonhügel ein Aktionspotenzial auszulösen.

Es ist aber möglich, dass an den Dendriten einer Nervenzelle mehrere Synapsen aktiv sind oder dass eine Synapse in sehr kurzen Abständen immer wieder Impulse sendet. Mehrere schwache Signale können zusammen dann ein Aktionspotenzial auslösen. Es kommt dann zu einer Summation.

Eine räumliche Summation liegt vor, wenn mehrere Synapsen schwache Signale senden, die dann im Soma aufgerechnet werden. Von zeitliche Summation spricht man dann, wenn eine Synapse in kurzen Abständen schwache Signale sendet, die addiert werden. So ist es beispielsweise auch möglich sehr leise Töne überhaupt wahrzunehmen. Man nennt diesen Prozess auch synaptische Integration.

Zusammenfassung

Du hast in diesem Video gelernt, dass eine aufgenommene Information im Nervensystem mehrfach umcodiert wird. Eine Information wird zunächst von den Sinneszellen in elektrische Erregung umgewandelt. Danach wird die Information abwechselnd analog und digital codiert. Im Axon erfolgt die Codierung digital in Form von Aktionspotenzialen. An den Dendriten und im Soma der Nervenzelle erfolgt die Codierung analog.

So kann das Gehirn die Stärke eines Reizes ermitteln und die entsprechenden Signale für eine Reaktion senden. Jetzt weißt du wie wieso du leise und laute Töne wahrnehmen kannst und warum du sehr leise Geräusche garnicht wahrnehmen kannst.

3 Kommentare

3 Kommentare
  1. ePSPs und iPSPs sind wichtige biologische Regelmechanismen. Zum einen bestimmen sie die Empfindlichkeit einer Nervenzelle (stell dir mal vor, du würdest bei jedem Windhauch zusammenzucken) zudem ermöglichen sie diverse Effekte wie z.B. das Kontrastsehen.

    Von Marcel S., vor fast 8 Jahren
  2. Hallo :)

    Vom PSP spricht man in der Regel bei Nervenzellen, vom Rezeptorpotential spricht man in der Regel bei Sinneszellen (auch Rezeptoren genannt). Es meint einen ähnlichen Prozess, der Unterschied ist der, dass beim PSP eine Synapse der Auslöser ist. Also eine andere Nervenzelle leitet ein Aktionspotential in eine Synapse, dann werden Neurotransmitter übertragen und in der anderen Zelle entsteht das PSP durch das öffnen von Kanälen und einem Ioneneinstrom. Beim Reizpotential werden durch Rezeptoren (z.B. beim Riechen) Moleküle gebunden (z.B. Diuftstoffe aus der Luft) die in der Sinneszelle eine Kaskade auslösen woraufhin Ionenkanäle geöffnet werden und das Membranpotential verändert wird.

    Von Marcel S., vor fast 8 Jahren
  3. Sind PSPs und Rezeptorpotentiale das Gleiche?
    Was ist der Sinn von ePSPs und iPSPS? Senken sie das Risiko von Überreaktionen?

    Von Donishaeusle, vor fast 8 Jahren

Nervensystem – Codierung von Informationen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Nervensystem – Codierung von Informationen kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe, wie die Weiterleitung von Informationen im Nervensystem abläuft.

    Tipps

    Überlege dir, wie die Informationen ins Gehirn gelangen. Nimm als Beispiel die Musik des Gitarrenspielers. Wo beginnt die akustische Reizaufnahme und wie werden die Informationen danach weitergeleitet?

    Codierung bedeutet auch Verschlüsselung.

    Lösung

    Werden deine Sinnesorgane z.B. durch Töne oder Licht gereizt, geben sie diese Informationen über die Nervenzellen des Nervensystems an das Gehirn weiter. Diese Weiterleitung erfolgt verschlüsselt. Diese Verschlüsselung wird auch als Codierung bezeichnet. Die Codierung erfolgt sowohl analog als auch digital.

  • Beschrifte die Bestandteile der Nervenzelle.

    Tipps

    Der Zellkörper wird auch Soma genannt.

    Dendrit bedeutet im altgriechischen Baum.

    Lösung

    Die Synapsen befinden sich an den Schnittstellen von einer Nervenzelle zu einer anderen Zelle (Sinneszelle, Muskelzelle, Drüsenzelle oder andere Nervenzelle). Dabei treffen die Endknöpfchen einer Zelle auf die Dendriten der Nervenzelle. Der Zellkörper einer Nervenzelle wird auch Soma genannt. Der längliche Fortsatz wird als Axon bezeichnet, er beginnt im Axonhügel.

  • Untersuche, wie die Weiterleitung von Informationen im Nervensystem funktioniert.

    Tipps

    Der Reiz wird von den Sinneszellen aufgenommen.

    Lösung

    Deine Sinneszellen geben die Information in Form von elektrischer Erregung an die Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle weiter. An den Dendriten und im Soma erfolgt die Reizweiterleitung analog durch passive Potenzialverschiebung. Im Axonhügel entsteht dann das Aktionspotenzial, das über das Axon weitergeleitet wird. Dies ist die digitale Codierung.

  • Arbeite heraus, wie Informationen codiert werden.

    Tipps

    Bei der digitalen Codierung spielt die Frequenz eine wichtige Rolle.

    Zur Auslösung eines Aktionspotenzials muss ein bestimmter Wert überschritten werden.

    Lösung

    Die Begriffe Soma und Dendrit müssen der analogen Codierung zugeordnet werden, denn an diesen Orten erfolgt die Codierung auf diese Weise. PSP ist die Abkürzung für postsynaptisches Potenzial. Die analoge Codierung erfolgt über die Amplitude. Dagegen werden die Informationen am Axonhügel und am Axon digital codiert. Um ein Aktionspotenzial auszulösen, muss ein Schwellenpotenzial überschritten werden, denn es gilt das Alles-oder-nichts-Prinzip. Die Informationsweitergabe erfolgt frequenzmoduliert, das heißt, dass die Höhe der Frequenz über die Stärke des Reizes informiert.

  • Erkläre, warum man zu leise Töne nicht hört.

    Tipps

    Um einen Ton wahrzunehmen, muss ein Aktionspotenzial ausgelöst werden.

    Denke an das Alles-oder-nichts-Prinzip.

    Lösung

    Obwohl sehr leise Töne dein Ohr erreichen, kannst du sie nicht wahrnehmen. Damit ein Reiz überhaupt wahrgenommen wird und ein Aktionspotenzial ausgelöst wird, muss ein bestimmter Amplitudenwert überschritten werden. Die Entstehung von Aktionspotentialen erfolgt nämlich nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip. Der zu überschreitende Wert nennt sich Schwellenpotential.

  • Erläutere das Phänomen der synaptischen Integration.

    Tipps

    Überlege dir, wie es möglich sein könnte, sehr leise Töne zu hören.

    Mehrere Impulse gemeinsam können ein Aktionspotenzial auslösen.

    Lösung

    Wenn ein Ton zu leise ist, wird das Schwellenpotenzial nicht überschritten und kein Aktionspotenzial ausgelöst. Du hörst einen solchen Ton also nicht. Allerdings können mehrere schwache Signale zusammen ein Aktionspotenzial auslösen. Man bezeichnet dies als Summation. Eine räumliche Summation liegt vor, wenn mehrere Synapsen schwache Signale senden. Von zeitlicher Summation spricht man, wenn eine Synapse in kurzen Abständen schwache Signale sendet. Erst dadurch kann man sehr leise Töne überhaupt wahrnehmen. Man nennt diesen Prozess auch synaptische Integration.

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