Das Nervensystem: Wahrnehmen, Verarbeiten und Handeln

Zentral und peripher: eine anatomische Landkarte

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Das zentrale Nervensystem, kurz ZNS, besteht aus Gehirn und Rückenmark. Zum peripheren Nervensystem, PNS, gehören unter anderem die Nerven und Ganglien außerhalb dieser zentralen Strukturen. Nerven ziehen zu Haut, Muskeln, Sinnesorganen und inneren Organen. Ganglien enthalten Gruppen neuronaler Zellkörper. Beide Anteile sind über kontinuierliche Faserwege verbunden und wirken bei Wahrnehmung, Bewegung und Organsteuerung gemeinsam. [1] [6]

Die Zuordnung folgt den Eigenschaften und Verbindungen des Nervengewebes. Innerhalb des Wirbelkanals verlaufen neben dem zentralen Rückenmark auch periphere Nervenwurzeln. Der Sehnerv gehört aufgrund seiner Gewebeeigenschaften zum ZNS. Für eine anatomische Karte helfen deshalb die konkreten Strukturen: Gehirn und Rückenmark, anschließend ihre Anschlussstellen, Wurzeln, Ganglien und Nervenverläufe. [1] [6] [7] [34]

ZNS und PNS enthalten jeweils Nervenzellen und Glia. In einem Nervenstamm liegen viele Axone mit begleitenden Zellen und Bindegewebe dicht beieinander. Im Gehirn und Rückenmark bilden Axone größere Bahnen und verknüpfen neuronale Zellgruppen. Der Ausdruck Nerv bezeichnet daher ein bestimmtes peripheres Gewebegebilde; eine einzelne Nervenzelle kann mit ihrem langen Axon durch mehrere räumliche Abschnitte dieses Systems reichen. [1] [2] [6]

Diese Gliederung schafft einen Ausgangspunkt für die weitere Orientierung. Die Frage nach dem Ort führt zu zentralen Regionen und peripheren Verbindungen. Die Frage nach der Richtung führt zu afferenten und efferenten Wegen. Die Frage nach der Aufgabe führt zu sensorischen, motorischen und autonomen Funktionen. Diese Betrachtungsweisen ergänzen sich und können an derselben Struktur gleichzeitig verwendet werden. [1]

Afferent und efferent beschreiben eine Richtung

Afferente Fasern führen Informationen zu einem betrachteten Verarbeitungszentrum. Im Bezug auf das ZNS sind dies unter anderem Signale aus Hautrezeptoren, Muskelspindeln oder inneren Organen. Efferente Fasern übertragen Aktivität zu Zielgeweben. Dazu zählen Skelettmuskeln, glatte Muskulatur, Herzmuskel und Drüsen. Ein peripherer Nerv kann mehrere dieser Faserarten innerhalb seiner Bündel enthalten. [1] [6] [12]

Somatische motorische Bahnen erreichen die Skelettmuskulatur. Autonome efferente Wege beeinflussen vor allem Herzmuskel, glatte Muskulatur und Drüsen. Sensorische Informationen begleiten beide Aufgabenfelder. Beispielsweise meldet die Körperoberfläche Berührung, während Rezeptoren in Gefäßen und Organen über innere Bedingungen informieren. Die Zielgewebe und Verschaltungen geben der funktionellen Einteilung ihre anatomische Grundlage. [1] [6]

Ein Atemzug zeigt das Zusammenwirken besonders deutlich. Die Atemmuskeln gehören zur Skelettmuskulatur und werden über somatische motorische Nerven aktiviert. Automatische Netzwerke im Hirnstamm führen den Rhythmus auch bei anderweitig gebundener Aufmerksamkeit fort. Beim Sprechen oder bewussten Verändern der Atmung kommen weitere Steuerungseinflüsse hinzu. Parallel werden Kreislauf und innere Organe über autonome Wege angepasst. [1] [5] [6]

Zum autonomen Nervensystem gehören zentrale Steuerungsnetzwerke und periphere Verbindungen. Sympathische, parasympathische und enterische Organisationen schaffen verschiedene Wege der Organregulation. In der Darmwand liegen zahlreiche lokale Nervenzellverbände, die Verdauungsabläufe verarbeiten und zugleich über weitere Bahnen eingebunden sind. Die Organübersichten zu Herz, Darm und Harnblase zeigen konkrete Zielsysteme. [1] [6]

Die drei Grundaufgaben lassen sich auch als fortlaufender Zusammenhang lesen: Sensorische Eingänge erfassen Bedingungen, vernetzte Zellgruppen verarbeiten sie und efferente Wege verändern Zielgewebe. Nach der Antwort entsteht neue sensorische Information. Beim Bewegen verändert sich etwa die Muskellänge, bei einer Organreaktion die innere Situation. Die Rückmeldung erreicht erneut die zugehörigen Netzwerke und beeinflusst deren nächste Aktivität. [1] [12]

Neurone und Glia bilden gemeinsam Nervengewebe

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Ein Neuron besitzt einen Zellkörper und spezialisierte Fortsätze. Dendriten und Zellkörper erhalten viele synaptische Einflüsse. Das Axon verbindet die Zelle mit ihren weiter entfernten Endigungen. Im Inneren arbeiten Zellkern, Organellen und Zytoskelett an Erhaltung und Versorgung. Die Gestalt unterscheidet sich stark zwischen Zelltypen und hängt mit ihren Verbindungen und Aufgaben zusammen. [2] [15]

Gliazellen erhalten die Umgebungsbedingungen, bilden Myelin und übernehmen weitere spezialisierte Aufgaben. Astrozyten beeinflussen im ZNS unter anderem Ionen- und Transmittermilieu. Oligodendrozyten bilden zentrale Myelinabschnitte, Schwann-Zellen entsprechende Hüllen im PNS. Satellitenglia umgibt Zellkörper in peripheren Ganglien. Mikroglia trägt zur Überwachung, Abwehr und Verarbeitung von Zellmaterial im ZNS bei. [2] [17] [18] [23]

An chemischen Synapsen wird ein elektrisches Signal in eine Botenstofffreisetzung übersetzt. Der Transmitter bindet an Rezeptoren der Zielzelle und verändert dort elektrische oder biochemische Bedingungen. An elektrischen Synapsen verbinden Gap-junction-Kanäle die Zellinneren unmittelbar. Die Form des Kontakts bestimmt damit, welche Zwischenstufen zwischen der Aktivität zweier Zellen liegen. [4] [19] [29]

Die zelluläre Grundlage wird in Nervenzellen und Signalverarbeitung vertieft. Die Gliazellübersicht ordnet die unterstützenden und regulierenden Zelltypen ein. Membran- und Aktionspotenziale erklären die elektrischen Vorgänge an der Zellmembran. Mit diesen drei Ebenen werden größere Schaltungen leichter lesbar: Zellbau, Umfeld und zeitlicher Signalablauf gehören zusammen. [2] [3] [23]

Graue und weiße Substanz ordnen Zellkörper und Faserwege

Graue Substanz enthält viele neuronale Zellkörper, Dendriten und Synapsen sowie Glia und Gefäße. Weiße Substanz ist besonders reich an myelinisierten Axonen. Die helle Erscheinung hängt wesentlich mit den lipidreichen Myelinhüllen zusammen. Beide Gewebearten besitzen weitere Bestandteile; die Begriffe beschreiben ihre vorherrschende Zusammensetzung und räumliche Organisation. [1] [2]

Im Großhirn liegt eine ausgedehnte graue Rinde an der Oberfläche. Darunter verlaufen zahlreiche Faserverbindungen, und in der Tiefe liegen weitere graue Kerngebiete. Im Rückenmark liegt die graue Substanz dagegen zentral in einer im Querschnitt H-förmigen Figur; längere Faserbahnen liegen außen darum. Gleiche Gewebebegriffe erhalten damit je nach Organ eine andere räumliche Anordnung. [5]

Ein Kerngebiet, Nucleus, ist eine anatomisch abgrenzbare Gruppe neuronaler Zellkörper im ZNS. Ein Ganglion bezeichnet eine entsprechende periphere Zellkörperansammlung. Eine Bahn oder ein Trakt bündelt zentrale Faserwege. Im PNS spricht man vom Nerv. Mit diesen Begriffen werden auf einer Strecke jeweils Zellkörperansammlungen und verbindende Faserwege benannt. [1] [6]

Eine makroskopische Ansicht und ein Gewebeschnitt liefern dabei unterschiedliche Informationen. Die Organansicht zeigt Furchen, Kerne oder Bahnverläufe, während unter dem Mikroskop Zellkörper, Glia und Faserprofile sichtbar werden. Die elektrische Untersuchung fragt zusätzlich nach Aktivität und zeitlichem Ablauf. Die gemeinsame Betrachtung verbindet räumliche Struktur mit der Frage, welche Signale an einem bestimmten Ort verarbeitet werden. [1] [2] [8]

Die großen Gehirnregionen arbeiten in verbundenen Netzwerken

Das Großhirn besteht aus zwei Hemisphären mit gefalteter Rinde, darunterliegender weißer Substanz und tiefen Kerngebieten. Windungen heißen Gyri, Furchen Sulci. Auf der Oberfläche geben Stirn-, Scheitel-, Schläfen- und Hinterhauptslappen eine grobe Orientierung. Der Gyrus praecentralis liegt vor, der Gyrus postcentralis hinter der Zentralfurche. Diese Nachbarschaft verbindet motorische und körperbezogen sensorische Repräsentationen räumlich. [5]

Die Rinde besitzt unterschiedliche Verarbeitungsschwerpunkte, darunter Sinnesverarbeitung, Bewegungsplanung und Sprache. Verbindungen innerhalb einer Hemisphäre und zwischen beiden Seiten ermöglichen die Zusammenarbeit. So sind Wahrnehmen, Erinnern und Handeln über viele Teilprozesse verteilt. Die grobe Lappenkarte hilft bei der Orientierung; die funktionelle Betrachtung verfolgt anschließend die miteinander verbundenen Bereiche. [5]

Basalganglienschleifen verknüpfen große Teile der Großhirnrinde mit tiefen Kerngebieten und Rückwegen über den Thalamus. Ihre Organisation trägt unter anderem zur Auswahl, Einleitung und Anpassung von Handlungen bei. Gedächtnis- und emotionsbezogene Netzwerke beziehen Erfahrungen und Bedeutung ein. Welche Aktivität zu einer konkreten Handlung beiträgt, ergibt sich aus dem Zusammenspiel mehrerer solcher Verbindungen. [5] [31] [32]

Zum Zwischenhirn gehören Thalamus und Hypothalamus. Thalamische Kerne beteiligen sich an zahlreichen sensorischen und motorischen Verarbeitungswegen. Der Hypothalamus verknüpft innere Körperbedingungen mit autonomen, hormonellen und verhaltensbezogenen Antworten. Diese Region bildet damit eine wichtige Schnittstelle zwischen Nervensystem, Hormonen und körperlichem Milieu. Die räumlichen Beziehungen vertieft die Seite über das Gehirn. [5]

Hirnstamm und Kleinhirn verbinden Leitung und Abstimmung

Der Hirnstamm besteht aus Mittelhirn, Brücke und verlängertem Mark. Er liegt zwischen den höher gelegenen Gehirnregionen und dem Rückenmark. Durch ihn ziehen auf- und absteigende Bahnen. Gleichzeitig enthält er zahlreiche Hirnnervenkerne und lokale Netzwerke. Seine Funktionen verbinden dadurch die Weiterleitung längerer Strecken mit der Verarbeitung unmittelbar benachbarter Eingänge und Ausgänge. [5]

Im Bereich von Brücke und verlängertem Mark liegen wichtige Netzwerke für Atmung und Kreislauf. Die Formatio reticularis erstreckt sich verteilt durch den Hirnstamm und steht unter anderem mit Wachheit, Aufmerksamkeit und motorischer Regulation in Verbindung. Die Brücke besitzt außerdem umfangreiche Verbindungen zum Kleinhirn. Verschiedene Aufgaben teilen sich hier denselben engen anatomischen Raum. [5]

Das Kleinhirn liegt in der hinteren Schädelgrube. Seine Rinde, tiefen Kerne und drei Paare von Verbindungsstielen sind in geordnete Schaltungen eingebunden. Zu den Eingängen gehören Informationen über Bewegungsplanung, Eigenwahrnehmung und Gleichgewicht. Ausgänge beeinflussen unter anderem motorische Netzwerke über Hirnstamm und Thalamus. Diese Schleifen unterstützen Koordination und zeitliche Abstimmung. [30]

Die Verarbeitung im Kleinhirn beteiligt sich auch an der Anpassung wiederholter Bewegungsabläufe. Geplante Aktivität und sensorische Rückmeldung erreichen es über verschiedene Zuflüsse. Durch die Zusammenarbeit mit Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark werden Bewegungen von Augen, Rumpf und Extremitäten abgestimmt. Seine Lage und Verbindungen schaffen damit eine anatomische Grundlage für präzise, erfahrungsabhängig angepasste Handlungen. [5] [30]

Rückenmark, Wurzeln und Nerven bilden verschiedene Ebenen

Das Rückenmark liegt im Wirbelkanal und reicht beim Erwachsenen gewöhnlich bis in den oberen Lendenbereich. Weiter unten verlaufen die längeren Wurzeln als Cauda equina. Die Rückenmarkssegmente und die gleichnamigen Wirbel liegen daher in unteren Abschnitten auf unterschiedlichen Höhen. Für die Zuordnung eines Faserwegs muss man Segment, austretende Wurzel und knöchernen Verlauf zusammen betrachten. [5] [7]

Hintere, dorsale Wurzeln führen sensorische Fasern zum Rückenmark. Die Zellkörper vieler dieser Neurone liegen im Spinalganglion. Vordere, ventrale Wurzeln führen efferente Fasern hinaus. Beide Wurzeln vereinigen sich zum gemischten Spinalnerv. Seine Äste verteilen die Fasern anschließend weiter in die Körperregionen. Ein einzelner peripherer Nerv kann Fasern aus mehreren Rückenmarkssegmenten bündeln. [6] [18]

Üblicherweise werden 31 Spinalnervenpaare gezählt: acht zervikale, zwölf thorakale, fünf lumbale, fünf sakrale und ein kokzygeales Paar. In bestimmten Körperregionen verbinden sich vordere Äste zu Nervengeflechten, den Plexus. Dort werden Axone nach ihren weiteren Zielwegen neu zusammengestellt. Die Geflechte für Hals, Arm und Bein veranschaulichen diese geordnete Umverteilung. [6]

Im Rückenmark laufen Informationen zugleich längs und quer durch lokale Schaltkreise. Sensorische Eingänge können aufsteigen, Interneurone beeinflussen oder motorische Antworten mit auslösen. Absteigende Bahnen verändern die Arbeitsbedingungen dieser Netzwerke. Die Seite Rückenmark, Spinalnerven und Reflexe vertieft die zentrale Organisation; der periphere Nerv erklärt Hüllen, Faszikel und einzelne Fasern. [5] [6] [12]

Rückmeldung begleitet jede Bewegung

Sensorische Rezeptoren übersetzen mechanische, chemische oder andere Reizbedingungen in neuronale Signale. Hautrezeptoren melden unter anderem Berührung und Druck. Muskelspindeln liefern Informationen über Muskeldehnung. Weitere Sinne informieren über die äußere Umgebung und die Lage des Kopfes. Diese Eingänge werden auf unterschiedlichen Ebenen zusammengeführt und unterstützen Haltung, Orientierung und gezielte Bewegung. [1] [12]

Ein Reflex verbindet einen Eingang über eine definierte Verschaltung mit einer Antwort. Beim Dehnungsreflex können Ia-Afferenzen aus Muskelspindeln das zugehörige Motoneuron unmittelbar erregen. Weitere Kontakte über Interneurone beeinflussen zusätzliche Muskelgruppen. Schon dieses überschaubare Beispiel zeigt, wie eine direkte Verbindung durch parallele hemmende und regulierende Wege ergänzt wird. [12]

Beim Greifen treffen vorbereitende motorische Aktivität und fortlaufende sensorische Rückmeldungen zusammen. Blickrichtung und visuelle Informationen helfen beim Erreichen eines Gegenstands; Signale aus Haut und Muskeln begleiten den Kontakt. Eine Körperbewegung lässt sich daher entlang mehrerer Informationsquellen verfolgen. Bewegungsapparat, Auge und Hören und Gleichgewicht vertiefen die beteiligten Organsysteme. [1] [5] [12]

Die Wirkung einer Verbindung hängt zugleich vom aktuellen Zustand der beteiligten Zellen ab. Erregende und hemmende synaptische Einflüsse verändern die Wahrscheinlichkeit eines Aktionspotenzials. Ihre zeitliche Überlagerung, ihr Ort und die Eigenschaften des Neurons bestimmen das Ergebnis. Auch auf Netzwerkebene ist deshalb entscheidend, wann Informationen eintreffen und welche weiteren Eingänge gleichzeitig aktiv sind. [4] [12] [20]

Ein Hautkontakt kann mehrere Verarbeitungswege ansprechen. Aufsteigende Bahnen führen somatosensorische Information über Rückenmark und Hirnstamm zu thalamischen und kortikalen Netzwerken; die beteiligten Stationen hängen von der jeweiligen Sinnesqualität ab. Gleichzeitig wirken sensorische Eingänge auf lokale und absteigende Schaltkreise. So können die zeitnahe Anpassung einer Bewegung und die bewusste räumliche Wahrnehmung desselben Kontakts zusammengehören. [1] [5] [12]

Schutz, Versorgung und kontrollierter Austausch

Schädel und Wirbelkanal bilden knöcherne Schutzräume. Dura mater, Arachnoidea und Pia mater umgeben Gehirn und Rückenmark. Liquor füllt die Hirnventrikel und den äußeren Subarachnoidalraum. Er trägt zu den mechanischen Bedingungen des ZNS bei. Gefäße führen Sauerstoff und Nährstoffe zu und transportieren Stoffwechselprodukte wieder ab. [7]

An vielen ZNS-Kapillaren besitzen die Endothelzellen dichte Kontakte und eine spezialisierte Transportausstattung. Sie bilden die eigentliche Blut-Hirn-Schranke. Perizyten, Basalmembranen und Astrozytenfortsätze sind räumlich und funktionell daran beteiligt. Der Austausch zwischen Blut und Nervengewebe wird damit durch eine neurovaskuläre Einheit kontrolliert, die Versorgung und ein geeignetes chemisches Milieu verbindet. [22] [23]

Für die elektrische Arbeit müssen Ionengradienten fortlaufend erhalten werden. Die Natrium-Kalium-ATPase verbraucht dafür ATP. Zusätzlich benötigen Synthese, axonaler Transport und Vesikelrecycling Energie. Die neuronale Signalverarbeitung ist deshalb mit Zellstoffwechsel, Gefäßversorgung und Gliafunktion verbunden. Diese Verknüpfung reicht von einzelnen Membranproteinen bis zu den Versorgungsbedingungen ganzer Hirnregionen. [3] [26] [29]

Ein Nervenstamm besitzt eigene Schutz- und Austauschgrenzen. Das Perineurium umgibt seine Faszikel, endoneuriale Gefäße regulieren den Übergang zum Gewebe zwischen den Fasern. Diese Organisation stabilisiert die lokale Umgebung der Axone und Schwann-Zellen. Zentrale Blut-Hirn-Schranke und periphere Nervenhüllen erfüllen damit verwandte Aufgaben an unterschiedlich aufgebauten Grenzflächen. [22] [24] [25]

Von der einzelnen Verbindung zur Erfahrung

Synapsen können ihre Wirksamkeit mit der Aktivität verändern. Kurzfristig beeinflussen unter anderem Calciumverlauf und verfügbare Vesikel die Freisetzung. Längerfristig können Rezeptorzahl, Zellgerüst und weitere synaptische Eigenschaften angepasst werden. Solche plastischen Vorgänge gehören zu den zellulären Grundlagen von Lernen und Erfahrung. Sie wirken innerhalb größerer Schaltungen und neben weiteren Anpassungsprozessen. [13] [21]

Eine anschauliche Betrachtung folgt deshalb mehreren ineinandergreifenden Wegen: Reizaufnahme, lokale elektrische Veränderung, Integration, Weiterleitung und Antwort im Zielgewebe. Nach der Antwort entsteht neue sensorische Information. Die anatomische Strecke und die Zeitfolge ergeben zusammen einen Regelkreis. Dessen einzelne Verbindungen können je nach Aufgabe im Rückenmark, Hirnstamm, Großhirn oder in peripheren Netzwerken liegen. [1] [4] [12]

Für den nächsten Schritt bietet die Nervenzelle den kleinsten zusammenhängenden Arbeitsweg. Die synaptische Übertragung verfolgt die Kontaktstelle zur nächsten Zelle. Die Organseiten Gehirn, Rückenmark und autonomes Nervensystem setzen diese Grundlagen in größere räumliche und funktionelle Zusammenhänge. [1] [2] [4]

Für einen Alltagsschritt wie das Aufnehmen einer Tasse lässt sich diese Gliederung konkret nutzen. Visuelle Informationen liefern Zielort und Orientierung, Muskel- und Hautsignale begleiten Armbewegung und Kontakt. Motorische Ausgänge verändern die Muskelaktivität. Die nachfolgenden Rückmeldungen aktualisieren die weitere Handlung. Dasselbe Grundprinzip lässt sich auf Blickstabilisierung, Gang und zahlreiche Organregelungen übertragen. [1] [5] [12]

Begriffe zum Einordnen

ZNS

Zentrales Nervensystem: Gehirn und Rückenmark.

PNS

Peripheres Nervensystem: Nerven, Wurzeln und Ganglien außerhalb der zentralen Strukturen.

Afferent

In Richtung des jeweils benannten Bezugszentrums leitend; hier zum ZNS.

Synapse

Spezialisierter Kontakt, über den eine Nervenzelle die Aktivität einer anderen Zelle beeinflusst.

Großhirnbegriffe einordnen

Stirnlappen

Frontallappen; vorderer Großhirnlappen.

Scheitellappen

Parietallappen; oberer hinterer Großhirnbereich hinter der Zentralfurche.

Schläfenlappen

Temporallappen; seitlicher unterer Großhirnlappen.

Hinterhauptslappen

Okzipitallappen; hinterster Großhirnlappen.

Zentralfurche

Sulcus centralis; trennt Stirn- und Scheitellappen.

Seitenfurche

Sulcus lateralis; liegt über dem Schläfenlappen.

Vordere Zentralwindung

Gyrus praecentralis; liegt unmittelbar vor der Zentralfurche.

Hintere Zentralwindung

Gyrus postcentralis; liegt unmittelbar hinter der Zentralfurche.

Scheitel-Hinterhaupts-Furche

Sulcus parietooccipitalis; Orientierung zwischen Scheitel- und Hinterhauptslappen, besonders an der medialen Fläche.

Diese Zusammenhänge vertiefen

• Nervenzellen: Aufbau, Signale und Verbindungen
• Gliazellen: Milieu, Myelin und die Versorgung des Nervengewebes
• Der periphere Nerv: Fasern, Faszikel und schützende Hüllen
• Das Gehirn: Räume, Strukturen und Verbindungen
• Rückenmark, Spinalnerven und Reflexe
• Das autonome Nervensystem