Die Kernkomponente des Nervensystems im Allgemeinen und des Gehirns im Besonderen ist das Neuron oder die Nervenzelle, die “Gehirnzellen” in der Volkssprache. Eine Nervenzelle ist eine elektrisch erregbare Zelle, die Informationen durch elektrochemische Signale verarbeitet und weiterleitet. Im Gegensatz zu anderen Zellen teilen sich Neuronen nie, und sie sterben auch nicht ab, um durch neue ersetzt zu werden. Umgekehrt können sie in der Regel nicht ersetzt werden, nachdem sie verloren gegangen sind, obwohl es einige wenige Ausnahmen gibt.
Allgmeines zum Neuronen
Das durchschnittliche menschliche Gehirn hat etwa 86 Milliarden Neuronen (oder Nervenzellen) und viele weitere Neuroglien (oder Gliazellen), die der Unterstützung und dem Schutz der Neuronen dienen (obwohl am Ende dieser Seite weitere Informationen über Gliazellen zu finden sind).
Jedes Neuron kann mit bis zu 10.000 anderen Neuronen verbunden sein und Signale untereinander über bis zu 1.000 Billionen synaptische Verbindungen weiterleiten, was nach einigen Schätzungen einem Computer mit einem Prozessor mit 1 Billion Bit pro Sekunde entspricht. Die Schätzungen der Speicherkapazität des menschlichen Gehirns schwanken stark zwischen 1 und 1.000 Terabyte (zum Vergleich: die 19 Millionen Bände in der US-Kongressbibliothek repräsentieren etwa 10 Terabyte an Daten).
Entwicklung
Im Gegensatz zu anderen Körperzellen sind die meisten Neuronen im menschlichen Gehirn nur während der Entwicklung des Fötus und für einige Monate nach der Geburt in der Lage, sich zu teilen, um neue Zellen zu bilden (ein Prozess, der Neurogenese genannt wird).
Diese Gehirnzellen können bis zum Alter von etwa achtzehn Jahren an Größe zunehmen, aber sie sind im Wesentlichen für eine lebenslange Lebensdauer ausgelegt.Interessanterweise ist der einzige Bereich des Gehirns, in dem die Neurogenese nachweislich ein Leben lang andauert, der Hippocampus, ein Bereich, der für die Gedächtniskodierung und -speicherung wesentlich ist.
Informationsübertragung durch Neuronen
Die Informationsübertragung innerhalb des Gehirns, wie sie während der Prozesse der Gedächtniskodierung und -abfrage stattfindet, wird durch eine Kombination von Chemikalien und Elektrizität erreicht. Es handelt sich um einen sehr komplexen Prozess, der eine Vielzahl miteinander verbundener Schritte umfasst, doch kann hier ein kurzer Überblick gegeben werden.
Ein typisches Neuron besitzt ein Soma (den knolligen Zellkörper, der den Zellkern enthält), Dendriten (lange, federartige Fäden, die in einem komplex verzweigten “dendritischen Baum” an den Zellkörper gebunden sind) und ein einzelnes Axon (einen speziellen, extralangen, verzweigten Zellfaden, der vielleicht das Tausendfache der Länge des Somas hat).
Jedes Neuron hält einen Spannungsgradienten über seiner Membran aufrecht, was auf metabolisch bedingte Unterschiede in den Ionen von Natrium, Kalium, Chlorid und Kalzium innerhalb der Zelle zurückzuführen ist, die jeweils eine unterschiedliche Ladung haben. Wenn sich die Spannung signifikant ändert, wird ein elektrochemischer Impuls, ein so genanntes Aktionspotential (oder Nervenimpuls), erzeugt. Diese elektrische Aktivität kann gemessen und als eine Wellenform angezeigt werden, die als Hirnstrom oder Hirnrhythmus bezeichnet wird.
Die Synapse in der Wechselwirkung
Dieser Puls bewegt sich schnell entlang des Axons der Zelle und wird über eine spezialisierte Verbindung, die als Synapse bezeichnet wird, an ein benachbartes Neuron weitergeleitet, das ihn durch seine federartigen Dendriten empfängt. Eine Synapse ist eine komplexe Membranverbindung oder ein Spalt (der eigentliche Spalt, auch synaptischer Spalt genannt, liegt in der Grössenordnung von 20 Nanometern oder 20 Millionstel Millimetern), die zur Signalübertragung zwischen Zellen dient, weshalb diese Übertragung als synaptische Verbindung bezeichnet wird. Obwohl axon-dendritische synaptische Verbindungen die Norm sind, sind auch andere Variationen (z.B. Dendrit-Dendrit, Axon-Axon, Dendrit-Axon) möglich. Ein typisches Neuron feuert 5 – 50 Mal pro Sekunde.
Jedes einzelne Neuron kann auf diese Weise Tausende von Verknüpfungen mit anderen Neuronen herstellen, so dass ein typisches Gehirn weit über 100 Billionen Synapsen (nach manchen Schätzungen bis zu 1.000 Billionen) besitzt. Funktionell verwandte Neuronen verbinden sich miteinander zu neuronalen Netzwerken (auch bekannt als neuronale Netze oder Assemblies). Die Verbindungen zwischen Neuronen sind nicht statisch, sie verändern sich jedoch mit der Zeit. Je mehr Signale zwischen zwei Neuronen gesendet werden, desto stärker wird die Verbindung (technisch gesehen nimmt die Amplitude der Antwort des postsynaptischen Neurons zu), und so verdrahtet das Gehirn mit jeder neuen Erfahrung und jedem erinnerten Ereignis oder Faktum seine physikalische Struktur leicht neu.
Die Wechselwirkungen an Neuronen
Die Wechselwirkungen der Neuronen sind jedoch nicht nur elektrischer, sondern auch elektrochemischer Natur. Jedes Axonende enthält Tausende von membrangebundenen Bläschen, Vesikel genannt, die wiederum jeweils Tausende von Neurotransmittermolekülen enthalten. Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die Signale zwischen Neuronen und anderen Zellen weiterleiten, verstärken und modulieren. Die beiden häufigsten Neurotransmitter im Gehirn sind die Aminosäuren Glutamat und GABA; weitere wichtige Neurotransmitter sind Acetylcholin, Dopamin, Adrenalin, Histamin, Serotonin und Melatonin.
Synaptische Beschneidung
Während der Kindheit und insbesondere während der Adoleszenz findet ein Prozess statt, der als “synaptisches Beschneiden” bezeichnet wird. Obwohl das Gehirn weiter wächst und sich entwickelt, wird die Gesamtzahl der Neuronen und Synapsen um bis zu 50% reduziert, wodurch unnötige neuronale Strukturen entfernt und durch komplexere und effizientere Strukturen ersetzt werden können, die den Anforderungen des Erwachsenseins besser gerecht werden.
Die Art der Weiterleitung durch elektronische und chemische Impulse
Wenn sie durch einen elektrischen Impuls stimuliert werden, werden Neurotransmitter verschiedener Art freigesetzt, die über die Zellmembran in den synaptischen Spalt zwischen den Neuronen gelangen. Diese Chemikalien binden sich dann an chemische Rezeptoren in den Dendriten des empfangenden (postsynaptischen) Neurons. Dabei bewirken sie Veränderungen in der Durchlässigkeit der Zellmembran für bestimmte Ionen und öffnen spezielle Poren oder Kanäle, die eine Flut geladener Teilchen (Kalzium-, Natrium-, Kalium- und Chloridionen) hereinlassen.
Dies beeinflusst die potentielle Ladung der empfangenden Nervenzelle, die dann ein neues elektrisches Signal in der empfangenden Nervenzelle startet. Der gesamte Vorgang dauert weniger als eine Fünfhundertstelsekunde. Auf diese Weise wird eine Nachricht im Gehirn auf ihrem Weg von einer Nervenzelle zur anderen von einem elektrischen Signal in ein chemisches Signal und wieder zurück umgewandelt, und zwar in einer fortlaufenden Kette von Ereignissen, die die Grundlage aller Hirnaktivitäten bildet.
Das elektrochemische Signal, das von einem bestimmten Neurotransmitter freigesetzt wird, kann so beschaffen sein, dass es die empfangende Zelle dazu anregt, ebenfalls zu feuern oder das Feuern zu hemmen oder zu verhindern. Verschiedene Neurotransmitter neigen dazu, exzitatorisch (z.B. Acetylcholin, Glutamat, Aspartat, Noradrenalin, Histamin) oder inhibitorisch (z.B. GABA, Glycin, Serotonin) zu wirken, während einige (z.B. Dopamin) beides sein können. Subtile Variationen in den Mechanismen der Neurotransmission erlauben es dem Gehirn, auf die verschiedenen Anforderungen zu reagieren, die an es gestellt werden, einschliesslich der Kodierung, Konsolidierung, Speicherung und Wiederauffindung von Erinnerungen.
Gliazellen und ihre Verbindung zu Neuronen
Wie bereits erwähnt, enthält das Gehirn neben den Neuronen etwa die gleiche Masse an Gliazellen (Neuroglia oder einfach Glia), wobei die häufigsten Typen Oligodendrozyten, Astrozyten und Mikroglia sind. Da sie so viel kleiner als Neuronen sind, gibt es bis zu 10-mal so viele, und verschiedene Bereiche des Gehirns weisen höhere oder niedrigere Konzentrationen von Gliazellen auf. Früher dachte man, dass die Rolle der Gliazellen auf die physische Unterstützung, Ernährung und Reparatur der Neuronen des Zentralnervensystems beschränkt sei. Neuere Forschungen deuten jedoch darauf hin, dass Gliazellen, insbesondere Astrozyten, tatsächlich eine viel aktivere Rolle bei der Kommunikation und Neuroplastizität des Gehirns spielen, auch wenn das Ausmaß und die Mechanik dieser Rolle noch ungewiss sind und sich ein beträchtlicher Teil der heutigen Hirnforschung auf Gliazellen konzentriert.
