Schöpfer der Wirklichkeit

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 Prozesses, die nicht unbedingt in dieser Reihenfolge auftreten müssen:

1. Ihr Gedanke, den Stift aufnehmen zu wollen, erzeugt die erste Serie von Aktionspotenzialen in Ihrem Gehirn.

2. Ihre Augen sehen den Stift und lösen die zweite Serie von Aktionspotenzialen aus.

3. Ihr Okzipital- oder Hinterhauptlappen (der Teil des Gehirns, der für das Sehen zuständig ist) registriert das Bild, das Sie sehen.

4. Der Temporal- oder Schläfenlappen (wo Assoziationen mit Erinnertem und Erlerntem gebildet werden) bringt das Bild, das Sie sehen, mit seiner Erinnerung an Stifte in Verbindung – was zu einer weiteren Serie von Aktionspotenzialen führt.

5. Der Frontal- oder Stirnlappen (Sitz der höheren mentalen Aktivitäten) ermöglicht es Ihnen, aufmerksam zu bleiben, während Sie die Absicht ausformen, nach dem Stift zu greifen.

6. Wenn Sie beginnen, die Bewegung des Greifens nach dem Stift zu integrieren, helfen Ihnen der Frontallappen und der Parietal- oder Scheitellappen (der die motorischen Abläufe steuert und auch für Sprache und allgemeine Sinneswahrnehmungen zuständig ist), die Aktionen von Arm, Hand und Fingern in Gang zu setzen und Ihre Sinne darauf vorzubereiten, wie sich der Stift anfühlen wird.

7. Der Parietallappen ermöglicht Ihnen die Wahrnehmung des Stifts in Ihrer Hand: seine Form, die Rauheit des Holzes nahe der Spitze, die Weichheit des Radiergummis am anderen Ende.

8. Gleichzeitig sorgt das Cerebellum oder Kleinhirn (das die willkürliche Muskelaktivität koordiniert) dafür, dass der Körper die Bewegungen ausführt, um den Stift zu ergreifen. Ohne das Kleinhirn könnten Sie den Stift zwar vielleicht berühren, aber nicht ergreifen, oder ihn allenfalls so aufnehmen, dass er Ihnen über den Kopf fliegt oder dass Sie ihn auf den Boden fegen.

Während dieser Kaskade von Aktionspotenzialen sind ständig Natrium- und Kalium-Ionen in Ihre Nervenzellen hinein- und aus ihnen herausgesaust, und diese ganze elektrochemische Aktivität fand statt, ohne dass Sie sich ihrer irgendwie bewusst sein mussten. Gott sei Dank!

Nervös wie eine Qualle

Die ersten Nervenzellen der Evolutionsgeschichte entstanden in Wesen, die starke Ähnlichkeit mit den heutigen Quallen besaßen. Vor Millionen Jahren hing das Überleben dieses primitiven Organismus von seiner Fähigkeit ab, Nahrung aufzuspüren (sensorische Funktion) und sich dorthin zu bewegen (motorische Funktion). Diese Quallen mussten Zellen entwickeln, die ihr Gewebe kontrahierten und damit Bewegung erzeugen konnten. Und diese Bewegungen mussten zielgerichtet sein.

Die Quallen brauchten ein System, mit dem sie ihre Bewegungen in gewissem Umfang steuern und koordinieren konnten, damit sie sich effektiver in ihrer Umgebung zurechtfanden. Also mussten sensorische Botschaften von der Umgebung aufgenommen und an die auf Bewegung spezialisierten Zellen weiterleitet werden. Und nichts anderes tut – im Wesentlichen – das Nervensystem: Es nimmt Signale der Umgebung wahr und sorgt dafür, dass der Organismus durch Bewegung und Handeln angemessen darauf reagiert – je nachdem willkürlich oder unwillkürlich.

Die Quallen benötigten also eine rudimentäre Intelligenz und ein einfaches Nervensystem, um eine ganz grundlegende Art von Bewusstsein herzustellen. Folglich entwickelten sie die ersten sensorischen und motorischen Nervenzellen.

Da der einfache neurologische Mechanismus der Quallen und anderer primitiver Organismen sehr erfolgreich war, wurde er zur evolutionären Norm. Alle Nervenzellen – ob von Quallen, Tieren oder Menschen – übertragen Informationen auf der Basis derselben elektrochemischen Prinzipien. Auch heute begegnen wir Menschen unserer Umgebung mithilfe desselben Prozesses, wie er vor Jahrmillionen in den Quallen seinen Anfang genommen hat.

Wie hat die Natur den Quantensprung von diesen primitiven Nervensystemen zum menschlichen Gehirn geschafft? Um ein immer komplexeres, den Anforderungen besser angepasstes Verhalten zu entwickeln, musste ein Organismus nur immer mehr dieser Nervenzellen auf die verschiedensten Weisen miteinander verknüpfen.

Wenn Neuronen sich zu immer komplexeren neurologischen Netzwerken verbinden, nimmt die Kommunikation zwischen ihnen exponentiell zu. Es ist eine einfache Gleichung: Im selben Maß, wie sich die Kommunikation zwischen den Neuronen vervielfältigt, erweitert sich die Intelligenz, und die Organismen können sich auf eine fortgeschrittene, ihrer Umgebung besser angepasste Weise verhalten. Kurz gesagt, wir verdanken es unseren großen Gehirnen, dass wir schneller lernen, erinnern, erschaffen, erfinden und unser Verhalten ändern können als andere Organismen. Der Mensch steht an der Spitze der Kommandokette, weil die unglaubliche Menge miteinander verbundener Nervenzellen unser Gehirn sehr groß und unvergleichlich komplex werden ließ.

Chemische Botenstoffe erzeugen eine Verbindung

Betrachten wir einmal aus der Nähe, wie Nervenimpulse sich von einem Neuron zum anderen bewegen. Wie überwinden sie den synaptischen Spalt?

Wandert ein Nervenimpuls ein Neuron entlang, kommt er über das Axon der sendenden Seite zur präsynaptischen Membran. Dort sitzen winzige synaptische Vesikel, in denen chemische Botenstoffe gespeichert sind, die sogenannten Neurotransmitter. Neurotransmitter übertragen Informationen über den synaptischen Spalt hinweg zu anderen Nervenzellen (und Körperteilen) und steuern so spezifische Funktionen. Auf Abbildung 3.5 weist Punkt A auf diese mit Neurotransmittern gefüllten Vesikel hin.

Abbildung 3.5

Die Funktion der Neurotransmitter am synaptischen Spalt

Neurotransmitter wie Serotonin oder Dopamin verursachen die Stimmungen, die unsere Erfahrungen prägen. Ihnen haben wir es zu verdanken, dass wir uns bei derselben Aktivität manchmal glücklich und manchmal unwohl fühlen. Die verschiedenen Stimmungen, die Sie und die meisten Menschen im Lauf eines Tages durchleben – von freudiger Erwartung oder Fröhlichkeit bis zu Reizbarkeit oder Erschöpfung –, gehen auf das Konto der Neurotransmitter. Unser Fühlen wird von der Chemie bestimmt, die wir durch unsere Gedanken in unserem Gehirn produzieren.

Sie können sich die Vesikel am Ende des Axons als winzige, mit Flüssigkeit gefüllte Ballons vorstellen, und die Neurotransmitter sind die Flüssigkeit darin. Verschiedene Endknöpfchen enthalten verschiedene Botenstoffe. Die elektrochemische Aktivität eines Nervenimpulses bringt, gleich einem Blitzschlag, eines oder mehrere Vesikel zum Platzen, die damit Tausende von Neurotransmitter-Molekülen freisetzen. Jeder Impuls lässt bestimmte Vesikel aufspringen und andere nicht, was bedeutet, dass bestimmte Neurotransmitter ausgeschüttet werden und andere nicht.

Was bestimmt, welche Neurotransmitter freigesetzt werden? Die Frequenz oder Ladung des elektrischen Impulses. Nicht alle Nervenimpulse sind gleich, und die verschiedenen Neurotransmitter reagieren auf unterschiedliche Frequenzen. So kann ein bestimmter elektrochemischer Impuls ein bestimmtes Vesikel zum Platzen bringen und dessen spezifischen Neurotransmitter freisetzen.

Stellen Sie sich diese chemischen Botenstoffe einfach vor wie winzige Fähren, die einen Kanal überqueren und am anderen Ufer an den passenden Stellen andocken. Für jeden Neurotransmitter gibt es auf der empfangenden Seite des Dendriten einen spezifischen chemischen Rezeptor, in den er passt wie der richtige Schlüssel ins Schloss. Die molekulare Form des Neurotransmitters muss der molekularen Form des Rezeptors entsprechen. Abbildung 3.5 zeigt an den Punkten B und C dieses Schlüssel-Schloss-Prinzip.

An ihrer »Anlegestelle« auf der anderen Seite setzen die Neurotransmitter »Passagiere« frei, die dann verschiedenen Aufgaben nachgehen. Zwar verlassen Sie das Dock alle auf demselben Weg, doch mit unterschiedlichen Zielen: Manche schlendern nach Hause und ruhen sich dort aus, andere gehen zur Arbeit, wieder andere sind möglicherweise im Urlaub und einige gehören vielleicht zum Fährpersonal.

Bei den Neurotransmittern verhält es sich ähnlich: Sie überqueren den Spalt zwischen dem Neuron, das sie freigesetzt hat, und der benachbarten Nervenzelle. Auf der Empfängerseite bewirken sie die Freisetzung bestimmter Chemikalien, die Einfluss auf die Aktivität der empfangenden Zelle nehmen. Dies wiederum wirkt auf das nächste Neuron, und so weiter.

Chemisch-elektrisches Hin und Her

Nervenimpulse fangen also elektrisch an, werden dann chemisch und anschließend wieder elektrisch. Anders ausgedrückt: Die von einem Neuron erzeugten elektrischen Impulse werden an der Synapse durch Neurotransmitter in chemische Impulse umgewandelt. Diese chemischen Botenstoffe stimulieren eine komplexe molekulare Interaktion und einen Ionenfluss, der am benachbarten Neuron wiederum einen elektrischen Impuls auslöst. Wenn dadurch eine bestimmte elektrische Schwelle erreicht ist, wird beim benachbarten Neuron ein Aktionspotenzial ausgelöst und die Botschaft weitergegeben.

Nicht jede Nervenzelle gibt die Botschaften weiter, die sie empfängt. Zur Veranschaulichung stellen Sie sich einfach Folgendes vor: Sie wollen einen Freund mit Liebeskummer aufheitern. Der Arme steckt in seinen Gefühlen fest und denkt an nichts anderes als an sein Herzeleid. Ihnen ist klar, dass er seinen Kummer vergessen muss, weshalb Sie ihn auf unterschiedliche Weisen abzulenken versuchen. Sie laden ihn zum Abendessen in ein neues Restaurant ein, Sie gehen mit ihm auf der Promenade spazieren, schleppen ihn gemeinsam mit Freunden ins Kino, in einen Nachtklub und in eine Komödie. Irgendwann im Verlauf all dieser Aktivitäten gelangt Ihr Freund im Idealfall an einen Punkt, wo er angeregt genug ist, um seine trübselige Stimmung zu vergessen.

Nervenzellen wechseln auf ganz ähnliche Weise aus der Ruhe in einen Erregungszustand. Manchmal mag eine Form der Stimulation nicht ausreichen, doch ist der Reiz stark genug, wird die Nervenzelle aktiviert und damit von einem Informations-Empfänger zu einem Informations-Sender: Sie gibt ihre Erregung weiter.

Werden auf der Seite der präsynaptischen Membran Neurotransmitter freigesetzt, dann erzeugen sie eine elektrische Reaktion auf der postsynaptischen Seite. Dieser elektrische Impuls wandert vom empfangenden Dendriten zum Zellkörper und das Axon hinunter. Sie können sich Neurotransmitter als diejenigen Chemikalien denken, welche die Kommunikationslücke zwischen den Neuronen schließen, sodass eine Botschaft durch das ganze Gehirn gesendet werden kann.

In der Regel braucht es auf der postsynaptischen Seite eine Menge Neurotransmitter-Aktivität als Stimulus, um die nächste Nervenzelle stark genug zu erregen. Kleine Neurotransmitter-Mengen aus einzelnen Nervenzellendungen reichen meistens nicht, um die Schwelle zu erreichen, an der ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Es ist, wie gesagt, ein Alles-oder-nichts-Phänomen, ähnlich wie beim morgendlichen Weckerklingeln: Entweder Sie steigen aus dem Bett oder Sie tun es nicht; beides gleichzeitig geht nicht. Ob eine Nervenzelle erregt wird oder nicht, hängt jedoch auch von der Art des Neurotransmitters ab.

Verschiedene Arten von Neurotransmittern

Neurotransmitter finden sich in verschiedenen Konzentrationen in bestimmten Arealen des Gehirns. Zu den wichtigsten Neurotransmittern zählen Glutamat, Gamma-Amino-Butyric-Acid (GABA bzw. Gamma-Aminobuttersäure), Acetylcholin, Serotonin, Dopamin, Melatonin, Stickoxid und verschiedene Endorphine.

Neurotransmitter können viele verschiedene Funktionen erfüllen: stimulieren, hemmen oder die Aktivität eines Neurons auf Zell-Ebene verändern. Sie können ein Neuron veranlassen, sich aus einer bestehenden Verbindung zu lösen oder sie zu verstärken. Sie können benachbarte Neuronen erregen oder eine Botschaft aussenden, die den Impuls zum Erliegen bringt. Sie können sogar die Botschaft selbst verändern, sodass eine neue Botschaft weitergegeben wird. Und all dies geschieht in einer Millisekunde.

Im Gehirn und im Nervensystem existieren zwei Grundtypen von Neurotransmittern. Erregende Neurotransmitter stimulieren oder aktivieren eine Impulsübertragung. Sie verändern den elektrischen Zustand der postsynaptischen Membran und ermöglichen damit die Auslösung eines Aktionspotenzials in der nächsten Zelle. In den richtigen Kombinationen sorgen sie dafür, dass unsere mentalen Funktionen blitzschnell ablaufen.