Das Gehirn macht nur 2 % des Körpergewichts aus. Wie steuert es die Körperaktivitäten?

Die größte Neugier des Menschen besteht darin, das weite Universum da draußen und das wunderbare Gehirn darin zu erforschen.

Obwohl dieses mysteriöse Gewebe in der Schädelhöhle nur 2 % des Körpergewichts ausmacht, verbraucht es 20 % des Sauerstoffs und 25 % der Glukose des Körpers. Es besteht zu etwa 80 % aus Wasser und neben Wasser ist Fett die am häufigsten vorkommende Substanz im Gehirn. In diesem kleinen Raum befinden sich fast 86 Milliarden Neuronen und 84,6 Milliarden Gliazellen ...

Es scheint einfach, das Gehirn mit einer solchen Zahlenreihe zu beschreiben, aber einfache Zahlen können uns nicht sagen, wie es ständig so viele unserer täglichen Aktivitäten reguliert: unsere Atmung, unsere Wahrnehmung der Welt und unser gesamtes Denken.

Was ist ein Neuron?

Der antike griechische Arzt Galen glaubte, dass das Gehirn und das Rückenmark den gesamten Körper durch chemische Sekrete steuern. Erst im 19. Jahrhundert ermöglichte die vom italienischen Wissenschaftler Camillo Golgi erfundene Silberfärbetechnik die Beobachtung der Morphologie von Neuronen unter dem Mikroskop. Diese Färbetechnik wird Golgi-Färbung genannt. Ein anderer spanischer Wissenschaftler, Santiago Ramón y Cajal, entdeckte mithilfe der Golgi-Färbung, dass Nervengewebe aus einzelnen Nervenzellen besteht, und legte damit den Grundstein für die Neuronentheorie.

Interessanterweise wurde Golky bereits 1901 für den ersten Nobelpreis für Physiologie oder Medizin nominiert, gewann ihn jedoch erst 1906 gemeinsam mit Cajal. Dies war das erste Mal in der Geschichte des Nobelpreises, dass zwei Personen den Preis gemeinsam erhielten.

Heute ist die Neuronentheorie weitgehend anerkannt. Neuronen gelten als die funktionellen Einheiten des Gehirns und weisen eine asymmetrische und komplexe Struktur auf, die aus einem Zellkörper und Neuriten besteht, die wiederum in Dendriten und Axone unterteilt sind.

Der Zellkern eines Neurons befindet sich im Zellkörper. Darüber hinaus enthält der Zellkörper viele Organellen, die mit denen anderer Zellen identisch sind. Die vom Zellkörper ausgehenden Neuriten sind Strukturen, die nur bei Neuronen vorkommen. Im Allgemeinen hat der Zellkörper eines Neurons viele Dendriten, aber nur ein Axon.

Dendriten sind wie die „Antennen“ der Neuronen und helfen ihnen, Informationseingaben zu empfangen. Darüber hinaus können Neuronen auch über den Zellkörper Informationsinput empfangen; Die Informationsverarbeitung erfolgt im Allgemeinen innerhalb des Zellkörpers. Das Axon ist die Ausgangskomponente des Neurons und der Ausgangspunkt, an dem sich das Axon vom Zellkörper aus erstreckt, wird Axonhügel genannt. Die Länge des nach außen verlaufenden Axonteils ist sehr unterschiedlich. (Die Länge des Axons hängt von der Funktion des Neurons ab. Das längste Axon im menschlichen Körper befindet sich im Ischiasnerv, der bis zu 1 Meter lang ist.)

Der Anfang des Axons, der sich vom Axonhügel aus erstreckt, ist der Ausgangspunkt der Signalleitung im Neuron, und das Ende des Axons ist der Ort, an dem das Neuron Informationen ausgibt. Manchmal weist das Ende des Axons mehrere Verzweigungen auf.

Innerhalb und außerhalb der Zellmembran von Neuronen sind Schichten positiver und negativer Elektronen verteilt. Im Ruhezustand (wenn keine externen Informationen empfangen werden) besteht aufgrund der unterschiedlichen Verteilung der Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle ein Potenzialunterschied zwischen der Innen- und Außenseite der Zellmembran und die Zelle befindet sich in einem polarisierten Zustand.

Insgesamt ist dieses Transmembranpotential innen negativ und außen positiv. Das extrazelluläre Potenzial wird normalerweise als 0 definiert, sodass das intrazelluläre Potenzial im Allgemeinen -60 mV bis -70 mV beträgt und als Ruhemembranpotenzial des Neurons bezeichnet wird.

Wenn Neuronen externe Eingaben erhalten, kommt es zu Änderungen des Ionengradienten innerhalb und außerhalb der Membran, was zur Depolarisation führt. Wenn die Potentialdifferenz zwischen Innen- und Außenseite der Membran den Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotential ausgelöst.

Wie Neuronen funktionieren

Die frühe Technologie erschwerte es den Menschen, die Entstehung von Aktionspotentialen zu untersuchen. Die britischen Physiologen Alan Hodgkin und Andrew Huxley führten zur Aufzeichnung Elektroden in das riesige Axon des Tintenfischs ein, das einen Durchmesser von etwa 1,5 mm hatte, was das Verständnis der Menschen über den Mechanismus der Aktionspotentialleitung erweiterte. Die beiden Forscher erhielten 1963 gemeinsam den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Das größte Merkmal eines Aktionspotentials besteht darin, dass es sich um ein Alles-oder-Nichts-Ereignis handelt, d. h., solange der Strom, der das Aktionspotential auslöst, den Schwellenwert überschreitet, ist seine Bedeutung unabhängig von seiner Größe dieselbe.

Darüber hinaus erlangt das Neuron nach dem Auftreten eines Aktionspotentials seinen Polarisationszustand zurück und erreicht eine Hyperpolarisation. Der Zeitraum von der Hyperpolarisation über die Erholung bis zur Ruhe wird als Refraktärzeit bezeichnet. Während der Refraktärzeit steigt die Schwelle für das Auftreten eines Aktionspotentials (die Depolarisation ist schwieriger).

Die Kommunikation zwischen Neuronen hängt von einer Struktur namens Synapse ab. Die synaptische Struktur besteht aus der präsynaptischen Membran, dem synaptischen Spalt und der postsynaptischen Membran. Die präsynaptische Membran wird durch das Axonterminal gebildet, die postsynaptische Membran wird normalerweise durch die Dendriten oder den Zellkörper gebildet und der synaptische Spalt bezieht sich auf den extrazellulären Raum zwischen den beiden.

Synapsen können in chemische Synapsen und elektrische Synapsen unterteilt werden. Unter ihnen sind chemische Synapsen häufiger. Von der präsynaptischen Membran freigesetzte Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran, um die Informationsübertragung zwischen Neuronen abzuschließen. In manchen Fällen wird der Neuronentyp auch anhand der Art des Neurotransmitters beschrieben, den sie freisetzen, wie zum Beispiel dopaminerge Neuronen.

Ein anderer Synapsentyp, die elektrische Synapse, ist weniger verbreitet, kommt aber in allen Nervensystemen vor. Der Abstand zwischen der präsynaptischen Membran und der postsynaptischen Membran einer elektrischen Synapse ist sehr gering und die beiden übertragen Ionenströme durch gepaarte Ionenkanäle auf der Membran. Diese Art der Informationsübertragung ist sehr schnell.

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Eine weitere große Klasse von Gehirnzellen sind Gliazellen. Das reife zentrale Nervensystem umfasst hauptsächlich drei Arten von Gliazellen: Astrozyten, Oligodendrozyten und Mikroglia. Es gibt im peripheren Nervensystem auch einen anderen Typ von Gliazellen, die sogenannten Schwann-Zellen.

Die größte Anzahl davon sind Astrozyten, die zwischen Neuronen existieren. Eine ihrer sehr wichtigen Funktionen ist die Regulierung der extrazellulären Homöostase von Neuronen. Sie entfernen beispielsweise überschüssige Neurotransmitter aus dem synaptischen Spalt. Derzeit ist die Rolle der Astrozyten noch nicht umfassend bekannt. Einige neuere Studien haben gezeigt, dass Astrozyten auch mit der synaptischen Plastizität in Zusammenhang stehen und an der Regulierung kognitiver Funktionen wie dem Gedächtnis beteiligt sind.

Die Hauptfunktion von Oligodendrozyten besteht darin, Myelinscheiden zu bilden, um einen Teil der Axone von Neuronen zu umhüllen. Myelinscheiden sind lipidreiche Isolierschichten, die dazu beitragen, dass Aktionspotentiale schnell auf die Axone weitergeleitet werden.

Die Aufgabe der Schwann-Zellen besteht darin, Myelin im peripheren Nervensystem zu produzieren.

Mikroglia sind Immunzellen des zentralen Nervensystems. Ihre Hauptfunktionen bestehen darin, die Gehirnentwicklung zu regulieren, die Homöostase des Nervensystems aufrechtzuerhalten und an einigen Immunprozessen teilzunehmen.

An diesem Punkt sollten Sie ausreichende Kenntnisse über diese beiden Hauptzellen haben. Lassen Sie es uns noch einmal wiederholen: Neuronen als Funktionseinheiten des Nervensystems übertragen Informationen im Gehirn in Form von elektrischen und chemischen Signalen; Gliazellen regulieren den Entwicklungsprozess des Nervensystems und erhalten die Homöostase der normalen Funktion des Nervensystems aufrecht.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: NeuroReality

Rezension: Tao Ning

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.