Aufbau des zentralen und peripheren Nervensystems

Dein Nervensystem kann sehr komplexe Informationen und Prozesse verarbeiten und kann in unterteilt werden in:

Biologie; Nerven und Signalweiterleitung; 1. Gymi; Aufbau des zentralen und peripheren Nervensystems — Das **zentrale Nervensystem (ZNS)**: Gehirn und Rückenmark
Das **periphere Nervensystem**

Das zentrale Nervensystem

Im ZNS sind sehr viele Nervenzellen miteinander verschaltet und auch im Rückenmark finden Verrechnungen statt. Die Zellkörper liegen dabei im Zentrum des Rückenmarks (graue Substanz) und die Axone liegen im Randbereich des Rückenmarks (weisse Substanz). Es gibt einige Prozesse im Körper, wie zum Beispiel den Kniesehnenreflex, die allein vom Rückenmark und ohne Einfluss des Gehirns gesteuert werden.

Das periphere Nervensystem

Das periphere Nervensystem kann in zwei Systeme unterteilt werden, die beide sensorische und motorische Nerven umfassen:

Somatisches Nervensystem: für den bewussten Wahrnehmungsbereich und willentliche Beeinflussung
Autonomes oder vegetatives Nervensystem: für den nicht-willkürlichen Teil des peripheren Nervensystems und viele Grundfunktionen des menschlichen Körpers, wie die Darmtätigkeit zuständig.
Das autonome Nervensystem besteht wiederum aus zwei Teilen, die als Gegenspieler (Antagonisten) agieren:

Sympathicus (B): ist dieser aktiv, werden Puls und Atemfrequenz erhöht und dadurch wird die Durchblutung der Skelettmuskulatur gesteigert, die Ausschüttung an Adrenalin erhöht und Du schwitzt mehr.
Dieser Zustand bringt eine verstärkte Leistung Deines Körpers mit sich, wie es auch beim fight or flight Modus passiert. Die erhöhte Durchblutung in bestimmten Regionen Deines Gehirns kann auch die Denkleistung erhöhen, aber wenn der Symapthicus stark beansprucht ist, werden anderen Gehirnfunktionen, wie zum Beispiel kreatives Denken, eingeschränkt.
Parasympathicus (A): ist dieser aktiv, wird der Puls und die Atemfrequenz gesenkt, die Durchblutung der Skelettmuskulatur gemindert und dafür die Darmmuskulatur besser durchblutet, sodass Du in Ruhe Dein Essen verdauen kannst.

Biologie; Nerven und Signalweiterleitung; 1. Gymi; Aufbau des zentralen und peripheren Nervensystems — **A: Parasympathicus**
1. **Augen**; wichtig für die Pupillenverengung
2. **Speicheldrüsen**; um den Speichelfluss anzuregen
3. **Herz**; wichtig für Verminderung der Herzfrequenz
4. **Bronchien**; zur Engstellung
5. **Blutgefässe**; um die Durchblutung der Darmmuskulatur zu regulieren (Darmmuskulatur stark durchblutet, Skelettmuskulatur wenig durchblutet)
6. **Magen-Darm-Trakt**; dort findet die Verdauung statt
7. **Leber**; dort wird die Gallenblase entleert
8. **Harnblase**; zur Regulierung des Harndrangs und Blasenentleerung

**B: Sympathicus**
9. **Augen**; wichtig für die Pupillenerweiterung
10. **Speicheldrüsen**; um den Speichelfluss zu vermindern
11. **Herz**; wichtig für Erhöhung der Herzfrequenz
12. **Bronchien**; zur Erweiterung
13. **Blutgefässe**; um die Durchblutung der Darmmuskulatur zu regulieren (Darmmuskulatur wenig durchblutet, Skelettmuskulatur stark durchblutet)
14. **Magen-Darm-Trakt**; Verdauung im Ruhezustand
15. **Leber**; dort wird die Gallenblase entleert
16. **Harnblase**; zur Regulierung des Harndrangs und Blasenentleerung
17. **Nebennierenmark**; zur Sekretion/Abgabe (Adrenalin, Noradrenalin)
18. **Harnblase**; Harnblase füllt sich

Das menschliche Gehirn

Um die unterschiedlichen Bereiche des menschlichen Gehirns zu veranschaulichen, wird oft die Geschichte des Bauarbeiters Phineas Gage ( $1823-1860$ ) hergenommen. Bei einer Sprengung wurde sein Kopf von einer Eisenstange durchschlagen und das zerstörte sein linkes Auge und die Gehirnregionen, die hinter der Stirn liegen. Er überlebte den Unfall, aber seine Mitmenschen stellten fest, dass sich sein Wesen nach dem Unfall sehr veränderte. Seine Intelligenz und die Wahrnehmung waren unverändert, aber er war impulsiver und unzuverlässiger. Dann wurden viele Studien durchgeführt, um herauszufinden, was passiert war, welche Schädigungen (Läsionen) er erlitt und wie es zu dieser Veränderung gekommen war. Es wurde entdeckt, dass der vordere Bereich der Grosshirnrinde, das Stirnhirn, wichtig für die Persönlichkeit und unser Sozialverhalten ist. Durch solche Studien der Läsionen konnten die Funktionen einzelner Gehirnregionen erfasst werden.

Aufbau

Das Gehirn lässt sich in diese Gehirnbereiche unterteilen:

Nachhirn,
Hinterhirn,
Mittelhirn,
Zwischenhirn,
Endhirn.

Biologie; Nerven und Signalweiterleitung; 1. Gymi; Aufbau des zentralen und peripheren Nervensystems — 1. Nachhirn: zur Steuerung wichtiger Körperfunktionen (Puls, Blutdruck, ...), verschiedene Reflexe (Schlucken, Niesen)
2. Grosshirnrinde mit Zwischenhirn, Mittelhirn und Endhirn
3. Kleinhirn mit Hinterhirn
4. Nachhirn

Zusammenarbeit der Gehirnregionen

Die Grosshirnrinde (Cortex) des Endhirns ist der grösste Bereich des Gehirns und überdeckt viele Teile, sie ist stark gefaltet und überdeckt viele Zellkörper. In der äusseren Schicht sind diese Zellkörper von Nervenzellen, die über Synapsen verbunden sind. In dieser gibt es verschiedene Gehirnregionen mit unterschiedlichen Funktionen. Die Funktionen der verschiedenen Gehirnregionen konnten allerdings erst durch deren Beeinträchtigungen erforscht werden, wie zum Beispiel durch fehlende Durchblutung wegen eines Schlaganfalls. Die Gehirnregionen sind jedoch auch untereinander sehr vernetzt. Wenn Du redest, sind Teile der linken Hirnhälfte aktiv, aber wenn Du jemandem zuhörst, verarbeitet das eine andere Region (Hörregion), die Wernicke-Region. Um dann wiederum eine Antwort zu formulieren, braucht es die Broca-Region, die durch den motorischen Cortex Deine Worte in koordinierte Muskelbewegungen der Lippe, Zunge und Stimmbänder umsetzt.

Sehwahrnehmung im Gehirn

Kontrastverstärkung: Zuerst werden Erregungen durch Stäbchen und Zapfen auf der Netzhaut verrechnet und dann im Gehirn verarbeitet.
Sehnervkreuzung und Thalamus: Diese Erregungen werden über den Sehnerv zur Sehnervkreuzung gebracht. Dort wechseln die Axone und die Erregungen vom rechten Sehfeld in die linke Seite und umgekehrt. Sie durchlaufen sechs Schichten mit Nervenzellen und rezeptiven Feldern. Zudem kann der Thalamus unwichtige Erregungen unterdrücken. Die übrigen Erregungen gelangen dann über den Sehnerv weiter zur primären Sehrinde.
Konturen und Farben: Die primäre Sehrinde ist etwa $3\, mm$ dick und verarbeitet die Erregungen von $200 \,Millionen$ Nervenzellen und $2\, Millionen$ Ganglienzellen der Netzhaut. In dieser Region des Körpers beginnt die Verarbeitung von Linien und Kanten. Die sechs Schichten gibt es im Thalamus und der primären Sehrinde, welche beide säulenartig von rezeptiven Feldern durchzogen sind. Jede Säule ist für eine bestimmte Bildinformation zuständig. Die primäre Sehrinde ist in Modulen organisiert und von dort aus gehen Erregungen an weitere Regionen im Gehirn, wo durch grössere rezeptive Felder weitere Aspekte analysiert werden.
Raumorientierung: Raum und Bewegungen werden von Regionen des dorsalen Pfads analysiert. Dort gibt es spezifische Zellen, die zum Beispiel auf geradlinige Bewegungen oder auf Drehungen reagieren. Wenn jemand in dieser Region eine Schädigung erlitten hat, fällt es dieser Person schwer, Wasser in ein Glas einzugiessen, weil das Wahrnehmen von Objekten und wo sie sich befinden geschädigt ist.
Objekterkennung: In den Regionen des ventralen Pfads werden Formen und Farben eines Objektes analysiert und mithilfe mit Erinnerungen verglichen. Wenn diese Region durch einen Schlaganfall beschädigt ist, dann kann diese Person beispielsweise einen Stuhl im Raum erkennen oder zeichnen, aber nicht erkennen, dass es sich um einen Stuhl handelt.

Zusammenfassend:

Primäre Sehrinde: Umrisse und Farben
Dorsaler Pfad: Raumorientierung
Ventraler Pfad: Objekterkennung

Neurodegenerative und neurologische Erkrankungen

Da Menschen im Durchschnitt immer älter werden, nehmen auch typische Alterskrankheiten wie Parkinson- und Alzheimer-Erkrankungen zu. Beide Erkrankungen führen zum Absterben von Nervenzellen im Gehirn und werden deswegen als neurodegenerative Erkrankungen bezeichnet.

Alzheimer und Demenz: Diese Erkrankungen machen sich vor allem in der Beeinträchtigung des Kurzzeitgedächtnisses bemerkbar, da Patienten sich gut an Ereignis vor vielen Jahren erinnern können, aber nicht mehr wissen, was sie morgens zum Frühstück hatten. Trotz vieler Forschungsstudien, gibt es derzeit keine Möglichkeit, die Erkrankungen zu heilen oder aufzuhalten. Es wurde allerdings festgestellt, dass im Gehirn von Alzheimer-Patienten Ablagerungen aus veränderten B-Amyloid-Proteinen (Plaques) vorliegen, welche die Funktion der Nervenzellen beeinflussen. Inzwischen ist auch bekannt, dass es spezifische Gene gibt, welche die Entstehung der Alzheimer-Erkrankung begünstigen können sowie Lebensstil-Faktoren, wie Ernährung und Stress.
Parkinson: Typische Symptome sind Muskelstarre, verlangsamte Bewegungen oder ein Zittern im Ruhezustand. Im Gehirn der Betroffenen leiden Nervenzellen im Bereich der Substantia nigra im Mittelhirn unter Degeneration (Verfall, Absterben). Dabei wird die Bewegungskontrolle für Patienten immer schwieriger und Nervenzellen sterben ab. Die genauen Ursachen sind unbekannt, allerdings könnten auch Umwelteinflüsse, wie Reinigungsmittel, Pestizide oder Bewegungsmangel einen Einfluss haben. Parkinson ist noch nicht heilbar, aber es gibt Therapien, wenn die Krankheit früh genug entdeckt wird und noch nicht zu fortgeschritten ist, also zu viele Nervenzellen abgestorben sind.
Epilepsie: ist eine neurologische Erkrankung und betrifft die Nervenzellen im Gehirn. Bei Menschen mit Epilepsie kann ohne erkennbare Ursachen ein Krampfanfall auftreten, welcher epileptischer Anfall genannt wird. So ein Anfall dauert nicht mal fünf Minuten, ist aber sehr anstrengend und auch manchmal gefährlich für die betroffene Person sein. In Mitteleuropa sind ca. $0{,}7\,\%$ der Bevölkerung betroffen. Die Ursache liegt im Zentralnervensystem, wo eine Gruppe von Neuronen krampfartige Muskelkontraktionen auslösen. Diese Ursache kann mit Medikamenten vermindert werden und somit die Anfallshäufigkeit um bis zu zwei Drittel vermindert werden.

Emotionen

Unter Emotionen werden Gefühle und komplexe Gemütszustände, wie Trauer oder Wut, verstanden. Sie entstehen durch das Zusammenarbeiten vieler Gehirnregionen. Emotionen beeinflussen unser Handeln und die soziale Kommunikation. Das Limbische System ist ein Teil des Gehirns, in dem zum einen Gerüche verarbeitet werden, allerdings auch Erinnerungen und Emotionen.

Die Amygdala (der Mandelkern): ist vor allem für die Entstehung von Ängsten verantwortlich und erhält Informationen von allen Sinnesorganen.
Der Hippocampus: ist wichtig fürs Abspeichern und Abrufen von Gedächtnisinhalten, wobei Erinnerungen mit Emotionen verknüpft werden, um sie sich besser merken zu können.

Das Belohnungszentrum

Das Limbische System bildet zusammen mit dem ventralen tegmentalen Areal (VTA) und dem Nucleus accumbens das Belohnungszentrum, durch welches zum Beispiel Glücksgefühle entstehen. Alle Teile sind über Nervenbahnen verbunden und verwenden Dopamin als Transmitter. Auch Drogen, wie Nikotin und Zucker, aber auch harte Drogen, wie Heroin, führen zur verstärkten Ausschüttung von Dopamin. Wenn diese Wirkung dann nachlässt, fehlt Dopamin, was zu einem erneuten Verlangen danach führen kann (Suchtverhalten).

Gehirndoping & Neuroenhancement: Leistungssteigerung oder Suchtgefahr?

Um die Müdigkeit am Morgen zu verteiben, greifen viele Menschen zu einem Kaffee. Durch die Einnahme bestimmter Substanzen, wie Koffein (in Kaffee und Schwarztee), kann die Leistungsfähigkeit des Gehirns verändert oder verbessert werden. Transmitter, wie Glutamat und Dopamin, wirken im Gehirn anregend und wenn deren Konzentration sinkt, fühlst Du Dich müde. Da Stoffe, wie Koffein, Zucker oder Alkohol zu einer erhöhten Auschüttung von Dopamin führen, steigern sie das Verlangen nach mehr und können süchtig machen.

Lernen

Beim Lernen werden neue neuronale Verschaltungen geknüpft (neuronale Plastizität). Dabei kann die Effektivität von Synapsen verändert werden oder auch neue Synapsen gebildet oder abgebaut werden,

Kurzzeitplastizität: Dein Kurzzeitgedächtnis beruht auf einer vorübergehenden Verstärkung oder Abschwächung der synaptischen Effektivität.
Langzeitplastizität: Unser Langzeitgedächtnis baut sich durch dauerhafte Veränderungen der synaptischen Effektivität und durch Ausbildung neuer Synapsen auf.

Das Gedächtnis verändert sich ständig und passt sich den aktuellen Erfordernissen an. Wenn Du Inhalte lange nicht mehr abgerufen hast, fällt es Deinem Gehirn viel schwerer, sie abzurufen. Das Abspeichern und das Abrufen von Erinnerungen erfolgt über den Hippocampus. Im Hippocampus werden auch Zellen durch starke Stimulation angeregt, Fortsätze auszubilden (Dendriten, dendritische Dornenfortsätze).
Während Du schläfst, werden Informationen an die Grosshirnrinde weitergegeben und somit können Gedächtnisinhalte gefestigt werden. Der Mensch baut ständig neue Synapsen auf und alte ab. Bei einem Neugeborenen sind die Neuronen mit $25\,000$ anderen Nervenzellen verschaltet; bei Erwachsenen mit über $100\,000$ .