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      Abbildung 3.3

      Schematische Darstellung des synaptischen Spalts, der Dendriten-Dornen und der Zellmembran

      Um der Einfachheit willen will ich auch beschreiben, wie eine Nervenzelle (Neuron A) eine Botschaft an eine andere Nervenzelle (Neuron B) übermittelt, obwohl ein Neuron oft dreidimensional mit Tausenden anderer Nervenzellen kommuniziert. Meistens wird die Information dabei vom Axon des einen Neurons an die Dendriten einer anderen Nervenzelle weitergegeben, doch hin und wieder kommt es vor, dass sich ein Axon direkt mit dem Zellkörper einer benachbarten Zelle verbindet.

      Nervenimpulse verbreiten Botschaften

      Stellen Sie sich vor, Sie wollen einen Stift zur Hand nehmen. Wie übertragen Ihre Nervenzellen diesen Gedanken und bringen Ihre Hand dazu, die nötigen Bewegungen auszuführen? Lassen Sie uns diesen Prozess verfolgen, natürlich wieder stark vereinfacht.

      Zuerst müssen Sie verstehen, wo und wie die Kommunikation zwischen den Nerven stattfindet. Der Ort, wo diese Kommunikation initiiert und weitergeführt wird, ist die Membran der Nervenzelle. Sie können sich das als die »Haut« des Neurons vorstellen, wie eine Hülle, die jedes Neuron umgibt. Diese Membran ist so dünn – ungefähr 8 Nanometer oder 100000stel Meter –, dass man sie unter einem gewöhnlichen Lichtmikroskop nicht sehen kann. Auf Abbildung 3.3 verweist Punkt B auf die Zellmembran.

      Vielleicht erinnern Sie sich aus dem Schulunterricht noch daran, dass ein Ion ein elektrisch geladenes Atom ist, das in seiner äußeren Hülle entweder ein Elektron gewonnen oder verloren hat. Ionen sind in unserem Zusammenhang wichtig, weil diese geladenen Atome jene elektrischen Signale erzeugen, durch die Nervenzellen kommunizieren. Die Membran einer Nervenzelle lässt einige Ionen durch und andere nicht. Die Ionen, um die es uns hier vor allem geht, sind positiv geladene Natrium- und Kalium-Ionen und negativ geladene Chlor-Ionen. Bei einem Neuron im Ruhezustand ist die Innenseite der Zellmembran im Verhältnis zur Umgebung der Zelle negativ geladen, weil es innerhalb der Zelle weniger positiv geladene Ionen gibt als außerhalb. Doch ist ein Neuron aktiv oder wird gereizt, bewegen sich sofort mehr Ionen durch die Zellmembran ins Zellinnere, und die innere Oberfläche der Zellmembran wird positiv geladen.

      Dieser Ionenfluss dauert nur fünf Millisekunden, aber das reicht, um einen elektrischen Stromfluss zu erzeugen, ein Aktionspotenzial, das sich am Axon entlang fortsetzt. In unserem Zusammenhang brauchen Sie über Aktionspotenziale nur zu wissen, dass bei der Erregung einer Nervenzelle – das bedeutet, wenn sie eine gewisse elektrische Ladung aufgebaut hat –, ein rascher Austausch an Partikeln stattfindet, der den ganzen Nerv entlang bis zu den Endknöpfchen der Axone reicht. Nach dieser Aktivität kehren die Ionen schnell wieder in ihre ruhige Ausgangsposition zurück.

      Sobald ein Aktionspotenzial ausgelöst ist, wird es kaskadenförmig, wellenartig die Nervenzelle entlanggeleitet. Das nennen wir dann einen »Nervenimpuls«. Um sich ein Bild davon machen zu können, stellen Sie sich vor, Sie halten das eine Ende eines langen Seils. Wenn Sie das Seil wie eine Peitschenschnur schnalzen lassen, entstehen Wellen, die sich über die ganze Länge des Seils fortsetzen. Auf ähnliche Weise erzeugt ein Reiz – wenn er stark genug ist, eine Nervenzelle zu erregen – einen sich fortpflanzenden elektrischen Impuls, der erst aufhört, wenn er am Ende des Axons angelangt ist. Der elektrische Strom wandert als einzelner Impuls das Axon entlang, bis er sich ganz entladen hat. Wissenschaftler nennen dies das »Alles-oder-nichts-Prinzip« oder den »Bowditch-Effekt«. In diesem Buch spreche ich davon, dass Neuronen feuern, aktiviert oder erregt werden, und meine damit Aktionspotenziale.

      Die Übertragungsgeschwindigkeit von Nervenfasern ist eindrucksvoll. Ein Aktionspotenzial von der Dauer einer Tausendstel Sekunde rast das Axon mit einer Geschwindigkeit von über 400 km/h entlang. Das bedeutet, dieser Impuls würde die Länge eines Fußballfeldes in einer Sekunde zurücklegen. Ist ein Nervenimpuls ausgelöst, bleibt seine Intensität immer gleich, bis die Übertragung endet. Nervenimpulse werden also durch elektrischen Strom übermittelt. Das wirft die Frage auf, ob wir diesen Strom messen können.

      Der Ionenaustausch zwischen Zellinnerem und Zelläußerem (das Aktionspotenzial) erschafft ein elektromagnetisches Feld. Ist das Gehirn aktiv, dann feuern Millionen von Neuronen gleichzeitig und produzieren dadurch ein messbares elektromagnetisches Feld. Falls Sie je ein EEG-Gerät in Aktion erlebt und gesehen haben, wie über die Elektroden auf dem Kopf einer Person ein Diagramm ihrer Gehirnaktivität entsteht, dann haben Sie einer Aufzeichnung dieser Induktionsfelder beigewohnt. Gemeinsam feuernde Nervenzellen des Gehirns erzeugen verschiedene elektromagnetische Felder, die unterschiedliche Geisteszustände kennzeichnen. Mithilfe der EEG-Technologie können Wissenschaftler die verstärkte Aktivität elektromagnetischer Felder in spezifischen Regionen des Gehirns mit bestimmten Denkvorgängen in Verbindung bringen.

      In jedem Augenblick erzeugen wir in unseren Gehirnen elektrische Impulse – ob wir Informationen aus unserer Umgebung verarbeiten, unseren eigenen Gedanken nachhängen oder schlafen. Dies geschieht jede Sekunde in verschiedenen Bereichen des Gehirns, in Abermillionen einzelner Neuronen. Die Anzahl der Nervenimpulse, die in einem einzigen menschlichen Gehirn an einem einzigen Tag erzeugt werden, ist höher als die Anzahl der elektrischen Impulse aller Mobiltelefone auf diesem Planeten.

      Schauen wir uns jetzt genauer an, wie Informationen von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen werden. Wenn Neuronen Signale in Form elektrischer Impulse weiterleiten, müssen sie miteinander über den erwähnten trennenden Spalt hinweg kommunizieren. Dieser Spalt zwischen dem Ende des Axons der sendenden Zelle und dem Dendriten der empfangenden Nachbarzelle ist die Synapse (abgeleitet vom griechischen synaptein »zusammenfassen«). Der synaptische Spalt ist nur 30 Nanometer breit und ermöglicht es den Nervenimpulsen, ohne Unterbrechung von einem Neuron zum nächsten zu wandern.

      Die sendende Seite mit dem Endknöpfchen des Axons wird »präsynaptische Membran« genannt, weil das Signal die Synapse an dieser Stelle noch nicht überwunden hat. Die empfangende Seite der Synapse, wo die Information vom Dendriten aufgenommen wird, ist die »postsynaptische Membran«.

      Bitte behalten Sie dabei eines im Sinn: Neuronen sind nicht einfach linear hintereinandergeschaltet. Ein Axon kann seine Information gleichzeitig an mehrere Zellen weitergeben. Bei dieser sogenannten Divergenz wird die Botschaft einer Nervenzelle an mehrere benachbarte Zellen übermittelt. So kann ein Neuron potenziell eine Kaskade von Informationen auslösen und an einen Dschungel aus Tausenden von Neuronen übermitteln. Die neuronale Divergenz beschreibt einen ähnlichen Effekt wie ein Kieselstein, der Impulse in alle Richtungen aussendet, sobald er in einen Teich geworfen wird.

      Abbildung 3.4

      Divergenz und Konvergenz

      In einem anderen Prozess, der »Konvergenz«, empfängt eine Nervenzelle an ihren Dendriten Impulse von verschiedenen anderen Neuronen und fasst diese verschiedenen Informationen zu einem Signal zusammen, das sie dann über ihr Axon weiterleitet. Sie erinnern sich an unsere Eiche mit den Ästen (Dendriten), die sich in alle Richtungen ausbreiten. Jetzt stellen Sie sich Tausende anderer Bäume vor, die dreidimensional so um unsere Eiche herumschweben, dass ihre Wurzeln die Äste und Zweige unserer Eiche berühren. All diese Bäume leiten verschiedene elektrische Ströme in den einen Baum, und er macht aus all diesen Impulsen ein einziges Signal, das er den Stamm entlang an seine Wurzeln weitergibt. Wenn eine weit verbreitete neuronale Aktivität auf einige wenige Neuronen zusammenläuft, nennen wir das »Konvergenz«. Abbildung 3.4 soll Divergenz und Konvergenz noch einmal veranschaulichen.

      Einen Stift greifen

      Also gut, Ihr Stift liegt immer noch da. Was muss geschehen, damit Sie ihn aufnehmen? Wenn Sie die Hand ausstrecken, den Stift anfassen und hochheben, findet in verschiedenen Bereichen Ihres Gehirns in einer Heerschar von Neuronen eine Kaskade von Aktionspotenzialen statt, um die Bewegungen Ihres Arms und Ihrer Hand zu koordinieren. Ich skizziere hier ein paar einfache Schritte dieses

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