Zentralnervensystem des Menschen: Definition, Aufbau, Funktionen, Aufgaben

Das zentrale Nervensystem (2) besteht aus Gehirn (1) und Rückenmark (3)

Zentralnervensystem: Bedeutung innerhalb der Psychologie und Physiologie

Zwar ist die Psychologie eine Wissenschaft, die sich mit dem Denken und Verhalten des Menschen befasst. Doch die menschliche Psyche wäre ohne eine Vielzahl winziger Zellen nicht denkbar. Daher befasst sich vor allem die biologische Psychologie mit dem, was unsere Psyche erst möglich macht: Milliarden und Abermilliarden von Nervenzellen, die zusammen ein komplexes Netzwerk bilden.

Diese Vernetzung macht uns zu dem, was wir sind. Denn sie erlauben es uns zu denken, zu fühlen und zu handeln. Einen genaueren Blick auf unser Nervensystem zu werfen, ist daher keine schlechte Idee. Unterteilt ist das gesamte Nervensystem in das zentrale und das periphere Nervensystem. Letzteres umfasst alle Nerven, die sich außerhalb von Gehirn und Rückenmark befinden. Diese beiden bilden dementsprechend das zentrale Nervensystem – auch ZNS genannt.

Zentralnervensystem: Aufgaben und Funktionen

Das zentrale Nervensystem besteht aus Nervenzellen. Diese bilden die Grundlage, um:

• psychische Prozesse, wie: Denken, Erinnern, emotionales Fühlen zu steuern und anzustoßen
• physische Prozesse, wie: Verdauung, Wachstum, Fortpflanzung und Entwicklung zu steuern
• und um Sinneseindrücke (Sehen, Hören, Riechen, Schmecken, Fühlen) wahrzunehmen, weiterzuleiten und Reizreaktionen anzustoßen

Um diese Funktionen ausführen zu können, benötigt jedes komplexe Lebewesen ein zentrales Nervensystem. Denn durch die zentrale Steuerungs- und Kontrollfunktion hält es das Leben im Organismus aufrecht. Innerorganisch sorgen zwar Blutkreislauf und auch Organe für lebenserhaltende Maßnahmen. Dennoch ist das ZNS, als oberste Steuerungseinheit, enthalten.

Zum Beispiel bei einer Verletzung. Die beschädigten Zellen senden ein Signal, welches durch Nervenzellen ans Gehirn gesendet werden. Dieses ruft eine Schmerzreaktion auf, so dass das Lebewesen die verwundete Stelle erkennt und schont.

Gleichzeitig wird der Blutkreislauf angeregt, so dass die verwundete Stelle bzw. die beschädigten Zellen besser durchblutet werden. Dazu gibt das Gehirn einen Impuls zurück, damit die Blutgefäße erweitert werden. Gleichzeitig werden wichtige Stoffe über das Blut transportiert, um die Verwundung zu schließen und die verletzte Zelle zu reparieren.

Das zentrale Nervensystem hat in diesem Beispiel bereits alle drei Funktionen vollbracht:

• Reizaufnahme, Weiterleitung, Interpretation und Reizreaktion in Form des Schmerzes, welchen es fühlen lässt.
• Ebenfalls werden gewisse Gefühlsregungen und Gedanken beim Verletzten angeregt. Auch das Erinnern an frühere Verletzung spielt mit ein.
• Die physischen Prozesse konzentrieren sich darauf, die Verwundung zu melden. Das ZNS empfängt die Meldung und leitet dementsprechende Gegenmaßnahmen ein. Die Erweiterung der Blutgefäße und die zusätzliche Versorgung der Zielzellen sind ebenfalls physiologische Prozesse. Der Herzschlag wird erhöht usw.

Dabei funktioniert die Reizreaktion entweder durch Sinneseindrücke von außen. Beispielsweise sieht man einen freilaufenden Tiger, wodurch Angst erzeugt wird. Das Gefühl ist demnach die Reaktion, welche das Gehirn als Steuerungs-, Integrations- und Regulationsorgan anstößt, um das Lebewesen vor dem Tiger zu schützen. Weitere Programme, wie Angststarre (Tiere stellen sich tot), Adrenalinausstoß (erzeugt mehr Muskelkraft) oder Fluchtverhalten werden ebenfalls vom Gehirn angestoßen.

Aber die Reizantwort kann auch von innen kommen. So empfinden alle Tiere Hunger, Triebe und Dominanzansprüche. Diese Reizreaktionen können sogar im Schlaf stattfinden. So werden bei intensiven Träumen ebenfalls Schweißausbrüche oder Herzklopfen angeregt. Auch der unruhige Schlaf, bei dem man ständig aufwacht, ist das Ergebnis einer Überlebensfunktion, welche das zentrale Nervensystem aufrecht hält.

Zentralnervensystem und peripheres Nervensystem im Zusammenspiel

Wichtig ist die Tatsache, dass Rückenmark und Gehirn diese Reaktionen nicht allein auslösen. Stattdessen arbeitet das zentrale Nervensystem eng mit dem peripheren Nervensystem (Nervenbahnen der Muskeln und Drüsen zusammen).

Die Sinnesorgane nehmen die Informationen, wie beispielsweise den Tiger oder die Verwundung, auf und senden an diese an das Zentralnervensystem. Dieses fällt eine Entscheidung und gibt diese an das periphere System weiter. Die Muskeln und Drüsen leiten dann die Gegenmaßnahmen bzw. Reizreaktion ein.

Das ZNS ist demnach der Entscheidungsträger und das periphere System gibt diese Entscheidungen weiter an die Zielorgane bzw. Zielzellen.

Zentralnervensystem: Aufbau und Funktionsweise

Das Zentrale Nervensystem besteht aus Rückenmark und Gehirn. Das Gehirn koordiniert die Muskelbewegungen, die Motorik und Organe im Körper. Das Rückenmark ist die Verbindung zwischen Körper und Gehirn, weshalb dieses sehr empfindlich ist. Falls es zu bestimmten Schädigungen des Rückenmarks kommt, wird die Verbindung zwischen Gehirn und Körper getrennt. Somit verliert das Gehirn die Kontrolle über den Körper und der Mensch ist in seiner Bewegung eingeschränkt. Dies ist beispielsweise bei Querschnittslähmungen der Fall.

Gehirn und Rückenmark bestehen aus Nervenzellen. Und diese Nervenzellen (Neuronen) tauschen unablässig elektrische Impulse untereinander aus. Auf diese Weise leiten sie bestimmte Reize weiter. Entweder werden Informationen von den Rezeptoren unserer Sinnesorgane an das Gehirn geschickt oder vom Gehirn aus gehen Hinweise an die Muskeln, Drüsen oder Organe.

In unserem Körper gibt es mehrere Milliarden Nervenzellen und noch einmal wesentlich mehr Synapsen. Dabei handelt es sich um die Kontaktstellen zwischen den Neuronen, mit deren Hilfe die eingehenden Informationen an die nächste Nervenzelle oder ein Zielorgan weitergeleitet wird.

Damit du dir von der Vielzahl der Neuronen und Synapsen eine grobe Vorstellung machen kannst, hier ein paar Zahlen: Bei rund 40 Milliarden Neuronen liegen jeweils ungefähr 10.000 Kontaktstellen vor. Daraus ergeben sich demnach circa 400 Billionen synaptische Verbindungen. Die Bezeichnung „komplex“ ist also noch untertrieben.

Das Gehirn ist ein Teil des zentralen Nervensystems und vollgepackt mit Neuronen. Bereits ein Stück in der Größe eines Sandkorns kommt auch rund 100.000 Nervenzellen und damit gleichzeitig auf etwa eine Milliarde Synapsen. So kannst du dir vielleicht ansatzweise vorstellen, was für ein elektrisches Feuerwerk tagtäglich in deinem Körper vonstatten geht.

Graue und weiße Zellen

Das Zentralnervensystem besteht aus grauen und weißen Substanzen. Beide Typen findet man sowohl im Rückenmark als auch im Gehirn. Die grauen Substanzen sind eine Ansammlung aus Nervenzellen. Sie befinden sich im Inneren des Rückenmarks und werden dort von der weißen Substanz umhüllt. Die weißen Substanzen sind Axone, welche die Nervenzelle fortsetzen und Nervenbahnen zu benachbarten Stellen bereithalten.

Im Gehirn sind ebenfalls beide Substanzen vertreten, jedoch weitestgehend anders strukturiert. Hier liegen die grauen Substanzen außen und umhüllen die wenigen Weißen.

Warum?
Die weißen Substanzen, die sogenannten Axone, verbinden Nervenzellen mit Nervenzelle. Man kann sich dies wie eine Stromleitung vorstellen, wonach Informationen von der einer Zelle zur nächsten fließen. Das Rückenmark als ein Teil des zentralen Nervensystems muss blitzschnell Informationen an das Gehirn leiten und genauso schnell empfangen. Die Axone sorgen dafür.

Die grauen Zellen im Gehirn und Rückenmark sind für die Informationsverarbeitung zuständig. Und da das Gehirn die höchste Entscheidungskompetenz hat und den Körper steuert, muss hier die Information präziser verarbeitet werden. Die Weiterleitung im Gehirn durch die Axone findet auch nur bedingt statt. Denn der Großteil des Gehirns, der sogenannte zerebraler Kortex, bildet die Masse mit grauen Zellen und der Hirnleistung ab.

In niederen Schichten befindet sich das sogenannte Reptiliengehirn, welches sehr viel kleiner ist und in bestimmten Situationen angesteuert werden muss. In diesen evolutionsgeschichtlich älteren Schichten sind beispielsweise der Hirnstamm zur Bewegungskontrolle, zur Unterstützung des Herzschlags und der Atmung eingebettet.

Diese Funktionen wirken lediglich unterstützend auf die Organe und werden in Akutsituationen aktiviert. Somit muss eine Informationsweitergabe von der Großhirnrinde zu den niederen Schichten eher selten erfolgen, weshalb die Nervenbahnen innen liegen können.

Zentralnervensystem und Neuronale Netze

Die Nervenzellen des Gehirns schließen sich zu einzelnen neuronalen Netzen zusammen. Benachbarte Neuron bauen Verbindungen zueinander auf, um so schneller miteinander zu kommunizieren. Das kannst du dir zum Beispiel wie kleine Städte oder Arbeitsgruppen vorstellen. Senden Neuronen bei einer Tätigkeit zusammen elektrische Impulse aus – das heißt, sie feuern gemeinsam – dann verbinden sie sich.

Auf diese Weise finden auch Lernprozesse statt. Lernen wir eine neue Sprache oder lösen eine mathematische Aufgabe, entstehen durch das Feedback über das Gelernte neue Verbindungen zwischen den Nervenzellen oder bereits bestehende werden gestärkt. Das bedeutet allerdings auch, dass Wiederholungen einzelne Verbindungen zwischen den Neuronen stärker werden lassen. Unser Gehirn ist damit kein statisches Gebilde, sondern verändert sich mit jeder neuen Erfahrung ein kleines bisschen.

Das Gehirn als Teil des ZNS

Unser Gehirn kann noch einmal in mehrere Regionen unterteilt werden. Das gesamte Gehirn wird auch als Encephalon bezeichnet. Untergliedert wird es in Vorderhirn und Hirnstamm. Das Vorherhirn oder Prosencephalon besteht aus dem Endhirn (Telencephalon) und dem Zwischenhirn (Diencephalon). Der Hirnstamm setzt sich aus Mittelhirn (Mesencephalon) und Rautenhirn (Rhombencephalon) zusammen.

Das Rautenhirn besteht außerdem noch aus dem Metencephalon und dem Myelencephalon (Hinter- und Nachhirn). An letzteres schließt das Rückenmark an. Diese Regionen haben jeweils noch spezifische Strukturen mit unterschiedlichen Funktionen.

Zum Beispiel befinden sich im Diencephalon der Thalamus (Integrationszentrum beziehungsweise Schaltstation für motorische und sensorische Reize) und die Hypophyse (zuständig für die Ausschüttung von bestimmten Hormonen). Im Hirnstamm liegt beispielsweise die Formatio reticularis – eine Struktur, die unter anderem für die Wachheit und den Schlaf verantwortlich ist.

Das Telencephalon ist für höhere kognitive Aufgaben zuständig

Für psychologische Bereiche, wie zum Beispiel unsere Persönlichkeit oder höhere Denkprozesse, ist vor allem das Endhirn verantwortlich. Es beherbergt die verschiedenen Hirnlappen (Frontal-, Temporal-, Okzipital-, Parietallappen) und ermöglicht es uns zu denken, zu planen oder zu sprechen. Als „Sitz der Persönlichkeit“ wird häufig der Frontallappen betitelt. Denn Verletzungen in diesem Bereich können erhebliche Veränderungen im Wesen nach sich ziehen.

Die Funktion des Rückenmarks im Zentralnervensystem

Neben dem Gehirn bildet auch das Rückenmark einen Teil des ZNS. Sowohl vom Rückenmark als auch vom Gehirn aus werden Informationen an das periphere Nervensystem geleitet. Umgekehrt senden jedoch auch die Nerven der Peripherie elektrische Impulse und damit Reizinformationen an das zentrale Nervensystem. Das Rückenmark verfügt über 31 Spinalnerven.

Diese treten jeweils zwischen zwei Wirbeln aus dem Rückenmark aus und innervieren bestimmte Körperbereiche sowie Hautareale. Daher ist es bei einer Verletzung des Rückenmarks auch entscheidend, an welcher Stelle die Schädigung vorliegt. Eine Verletzung im unteren Bereich kann unter Umständen lediglich zur Lähmung der Beine führen. Befindet sie sich eher im Halswirbelbereich, ist die betroffene Person vom Hals an abwärts nicht mehr bewegungsfähig.

Der Liquor als flüssiges Schutzschild

Zum Schutz des Gehirns und des Rückenmarks ist das ZNS in eine Flüssigkeit eingebettet. Diese wird als Liquor oder auch als zerebrospinale Flüssigkeit bezeichnet. Dabei handelt es sich um eine farblose, wasserklare Flüssigkeit, in der sich keine Zellen befinden. Ein durchschnittlicher Erwachsener verfügt über circa 150 Milliliter Liquor. Diese Flüssigkeit dient einerseits dem Schutz vor mechanischen Verformungen und andererseits als eine Art Polsterung für Gehirn und Rückenmark.

Der Liquor kann als Indikator dienen

Normalerweise ist diese Flüssigkeit klar und frei von Zellen oder anderen Bestandteilen. Der Liquor kann daher zu Untersuchungszwecken genutzt werden. Dazu wird eine Punktion zwischen den dritten und vierten Lendenwirbel vorgenommen und etwas vom Liquor abgelassen. Eine trübe Färbung weist auf eine Hirnhautentzündung hin, blutiger Liquor hingegen ist ein Zeichen für eine Blutung der Hirnhaut. Bei Multipler Sklerose finden sich vermehrt Antikörper in der zerebrospinalen Flüssigkeit und auch bakterielle Erreger lassen sich darin nachweisen.

Aufsteigende und absteigende Nervenfasern

Führen Nerven vom ZNS zum PNS, handelt es sich um absteigende beziehungsweise motorische Nervenfasern.
Gehen sie in die andere Richtung, sind es aufsteigende Nerven. Sie führen von der Peripherie ins zentrale Nervensystem und senden sensorische Informationen.

Die jeweiligen Nervenbahnen werden auch als afferent oder efferent bezeichnet. Efferent bedeutet, dass sie vom ZNS kommen. Afferente Nerven hingegen führen zum zentralen Nervensystem hin.

Zentralnervensystem und die Entstehung von Reflexen

Reflexe fallen in den Zuständigkeitsbereich unseres zentralen Nervensystems. Bei Reflexen handelt es sich um automatische Reaktionen auf Reize. Diese Verhaltensweisen können wir also nicht bewusst steuern. Für manche Reflexe ist nicht einmal die Beteiligung des Gehirns nötig, da sie nur über das Rückenmark und zwei Neuronen ablaufen. So ein Aufbau wird auch als einfacher Reflexbogen bezeichnet.

Ein sensorisches Neuron leitet einen Reiz an das Rückenmark weiter, welches dann wiederum den Reiz an ein motorisches Neuron weitergibt. Ein Beispiel dafür ist der Kniesehnenreflex. Dieser Reflex wird getestet, wenn der Arzt dir mit einem Gummihammer auf das Knie schlägt. Der Reiz ist in diesem Fall der Schlag und wird vom sensorischen Neuron an das Rückenmark weitergeleitet. Von hier aus geht die Information über das motorische Neuron an den Muskel und es kommt zur Bewegung des Unterschenkels.

Wir reagieren schneller als uns bewusst ist

Häufig sind das sensorische und motorische Neuron noch über ein Interneuron verbunden. Ein anderes Beispiel für die reflexhaften Reaktionen in manchen Momenten ist das Verbrennen. Falls du mit den Fingern oder der Hand an eine Flamme oder die heiße Herdplatte gerätst, kommt der Handrückziehreflex ins Spiel. Die Rezeptoren in der Haut leiten die Information über das sensorische Neuron weiter ans Rückenmark.

Von hier aus bekommen die Muskeln in Hand und Arm den Hinweis, sich durch ein Zurückziehen von der Schmerzquelle zu entfernen. So ziehst du deine Hand bereits weg, bevor du den Schmerz überhaupt bewusst wahrnimmst. Denn bis zum Gehirn gelangt die Information gar nicht erst, da der Reflexbogen ja nur über das Rückenmark läuft.

Störungen und Erkrankungen

Erkrankungen des zentralen Nervensystems können beispielsweise durch Infektionen auftreten. Krankheitserreger sind oft Bakterien, aber auch Viren können Störungen verursachen.

Meningitis

Die Meningitis oder deutsch Hirnhautentzündung ist eine durch Bakterien oder Viren verursachte Infektionskrankheit. Je nachdem, welchen Ursprung die Erregung hatte – unterscheidet man zwischen bakterieller Meningitis und viraler.

Bei beiden Formen kommt es zu Entzündungen der Rückenmarkshaut oder der Hirnhaut. Da beide Krankheitsverläufe auf das ZNS abzielen, fallen die Symptome dementsprechend aus: Fieber, Kopfschmerzen und steifer Nacken-Hals-Bereich.

Festzustellen ist diese Krankheit durch eine Entnahme der Hirn-Rückenmarksflüssigkeit, dem sogenannten Liquor. Diese bildet die Schutzfunktion der beiden Organe und bei einem Befall trübt sich die ansonsten klare Flüssigkeit. Die bakterielle Variante der Krankheit ist nicht ungefährlich, sogar oft lebensbedrohlich, weshalb sehr schnell Antibiotika verabreicht wird.

Bei Viren wirken keine Antibiotika. Außerdem verlaufen die viralen Erkrankungen oftmals milder, weshalb häufig Bettruhe, Flüssigkeitsaufnahme und schmerzlindernde Mittel ausreichen.

Polio/Kinderlähmung

Bei der Kinderlähmung bzw. Poliomyelitis werden die motorischen Neuronen (Montoneuron) befallen. Diese sind zuständig für die Muskelspannung und Entspannung. Obere Montoneurone liegen im Gehirn und die unteren in den jeweiligen Muskeln. Vom Gehirn ausgehend werden die Muskeln durch Reizbefehle angesprochen, wodurch es zu Bewegungen kommt.

Bei einer Kinderlähmung werden diese Nervenzellen durch sogenannte Polioviren befallen. Diese dringen ins Innere der Nervenzellen ein und übernehmen die Kontrolle. Dadurch findet keine oder nur eine fehlerhafte Informationsübergabe statt, was sich in Lähmungserscheinungen äußert.

Tollwut

Tollwut wird durch Tiere auf Menschen übertragen. In 99% aller Fälle findet die Übertragung durch Hunde statt. Aber auch andere Fleischfresser, wie Füchse oder Katzen, kommen in Frage. Durch den Biss oder das Kratzen eines tollwütigen Tieres wird der Rabiesvirus auf den Menschen übertragen. Der Virus wandert von der Eintrittsstelle über die Nervenbahnen (Axone) ins Zentralnervensystem.

Die typischen Symptome nach dem Virenbefall sind: Verwirrtheit, übertriebene Angst und Aggression, Lähmung und Halluzinationen. Ihren Namen hat die Krankheit aufgrund bestimmter Verläufe. Denn durch die Störung des Zentralnervensystems treten auch Behinderungen beim Schlucken auf, da die dafür zuständigen Muskeln falsche Informationen vom Gehirn erhalten. Es bildet sich in der Folge Schaum vor dem Mund, welches auch als typisches Symptom erkrankter Tiere gilt.

Weiterhin stellt sich eine Übersensibilisierung der Sinne ein. Licht und Geräusche wirken dadurch viel stärker. Zunehmende Angst und Panikattacken sorgen für Herumschlagen, Beißen und Treten. Fast immer tritt nach 2 bis 10 Tage, nachdem die ersten Symptome auftraten, der Tod ein. Die wenigen Überlebenden leiden ein Leben lang an Hirnschäden.

Tetanus

Die Krankheit Tetanus oder Wundstarrkrampf wird durch Bakterien ausgelöst, welche eigentlich überall vorkommen. Sich strategisch gegen eine Infektion zu schützen, ist deshalb kaum möglich. Das Stabbakterium Clostridium tetani ist zudem resistent und kommt selbst im Hausstaub vor. Schon in der Antike beschrieb Hippokrates die drei Stadien der Krankheit: Wunde, Kieferkrampf und Tod.

Nach Inkubationszeit von 3 Tagen bis 3 Wochen treten die ersten Erkältungssymptome auf. Kopfschmerzen, Schweißausbrüche und Zittern gehören dazu. Anschließend folgen die Kieferklemme bzw. Kieferkrampf, bei dem der betroffene seinen Kiefer nicht mehr öffnen kann. Es folgen darauf heftige Krampfanfälle. Nicht selten kommt es zu Knochenbrüchen, aufgrund der Anspannungen. Bei Ausbleiben einer Behandlung endet die Krankheit tödlich, indem der Patient erstickt.

Zusammenfassung

• Das Gesamtnervensystem besteht aus mehreren Milliarden Nervenzellen und Synapsen.
• Es wird in das zentrale und periphere Nervensystem unterteilt.
• Das zentrale Nervensystem (ZNS) setzt sich aus dem Gehirn und dem Rückenmark zusammen.
• Neuronen im Gehirn bilden neuronale Netze aus. Mit jedem Lernprozess kommen neue Verbindungen hinzu und bestehende werden gestärkt.
• Das Gehirn besteht aus mehreren Regionen, welche selbst nochmals in verschiedene Strukturen eingeteilt sind. Diese Strukturen haben jeweils noch unterschiedliche Funktionen.
• Ein Beispiel ist das Telencephalon (Endhirn), welches unter anderem den Frontallappen beherbergt. Diese Region wird mit den Eigenschaften unserer Persönlichkeit in Zusammenhang gebracht.
• Das Rückenmark ist unter anderem für Reflexe zuständig. Bei einem einfachen Reflexbogen handelt es sich um ein sensorisches Neuron und ein motorisches Neuron. Da Reflexe, wie der Kniesehnenreflex, nur über das Rückenmark laufen, ist das Gehirn unbeteiligt. Bevor wir den Reiz bewusst wahrnehmen, haben wir in der Regel bereits reagiert.
• Um das Gehirn und das Rückenmark weniger anfällig für Verletzungen zu machen, ist das ZNS von einer Flüssigkeit (Liquor) umgeben. Da diese normalerweise klar ist, weist beispielsweise eine Trübung auf eine Rückenmarks- oder Hirnhautentzündung hin.

Literatur

• Armin Grau: Reine Nervensache: Wie das Nervensystem unser Leben bestimmt, ISBN 3406750923
• Werner Kahle, Michael Frotscher, Frank Schmitz: Taschenatlas Anatomie, Band 3: Nervensystem und Sinnesorgane, ISBN 9783132422667

Über den Autor

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