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Die Bezeichnung für die zwischen dem Innern einer Zelle und der durch die Membran abgetrennten extrazellulären Flüssigkeit bestehende elektrische Potentialdifferenz.

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Die Ausbildung eines Membranpotentials ist eine Eigenschaft aller Zellen. Es besitzt eine wichtige Funktion bei vielen biologischen Prozessen. Besondere Bedeutung hat das Membranpotential für Nervenzellen, Muskelzellen und Sinneszellen. Bei diesen Zellen wird das Membranpotential als Ruhepotential bezeichnet.

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1. Lies das Arbeitsblatt zu Bau und Funktion von Nervenzellen.
2. Nutze zum weiteren Verständnis die nachfolgende Webseite.
3. Übertrage die Nervenzelle schematisch in dein Heft und beschrifte sie mit den Begriffen Soma, Dendrit, Axon, Axonhügel, synoptisches Endknöpfchen.
4. Welche Besonderheiten weisen Nervenzelltypen im Vergleich zu anderen Zelltypen auf?

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Lest euch den nachfolgenden Bericht über Phineas Gage durch und schaut ergänzend das kurze Video dazu.

1. Fasse zusammen, wie es zum Unfall von Phineas Gage kam.
2. Beschreibe, mit welchen Folgen Gage zu kämpfen hatte.
3. Weshalb war Gages Unfall aus neurowissenschaftlicher Sicht von so großer Bedeuteung?

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Eine Stange durchschlug seinen Schädel: Warum der Fall von Phineas Gage Medizingeschichte schrieb

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Neurowissenschaft Eine Stange durchschlug seinen Schädel: Warum der Fall von Phineas Gage Medizingeschichte schrieb

Es ist das Jahr 1848. Der Fortschritt rollt noch auf Schienen, Nordamerika wird von einem Eisenbahnnetz erschlossen. Für den Einzelnen ist dieser Fortschritt ein Knochenjob, auch für den 25-jährigen Phineas Gage. Sein Arbeitertrupp soll der Eisenbahn den Weg durch schweres Gestein sprengen. Die Männer bohren tiefe Löcher in die Felsen, schütten Schießpulver und Sand hinein, verdichten die Schichten mit einem Eisenrohr und legen den Zünder. Meistens geht das gut, am Nachmittag des 13. Septembers 1848 nicht.

Gage ist abgelenkt, vielleicht scherzt er mit Kollegen, vielleicht streifen seine Gedanken durch die heimische Farm in New Hampshire. Er bohrt ein Loch in den Fels und füllt Schießpulver hinein, wie gewohnt. Dann vergisst er, eine Schicht Sand in das Loch zu schütten, bevor er die Eisenstange in das Loch schiebt, um zu stopfen. Ein fataler Fehler: Das Eisen reibt am Gestein und entzündet das Schießpulver. Die Stange - sie hat einen Durchmesser von 3,2 Zentimeter, ist einen Meter lang und rund sechs Kilo schwer - schießt regelrecht aus dem Loch. Ihr spitzes Ende bohrt sich in das Fleisch unterhalb Gages linken Wangenknochens und tritt an der Schädeldecke wieder aus - sie landet gut 20 Meter hinter ihm, ein glatter Durchschuss.

Gage überlebt, ist aber nicht mehr der selbe Mensch

Gage wird auf den Rücken geworfen, seine Kollegen eilen herbei. Wenige Minuten nach dem Unfall kann er wieder sprechen, sogar gehen, wenn ihn seine Kollegen stützen. Der Arzt John Harlow untersucht Gage. Er habe seinen Zeigefinger in das Loch im Schädel Gages schieben können und den anderen Finger, den er in das Loch in der Wange schob, berühren können, schreibt Harlow später in seinen Notizen. Gage habe sich nicht gewehrt.

Anfangs räumt der Arzt seinem Patienten geringe Überlebenschancen ein. Doch Gage erholt sich gegen alle Wahrscheinlichkeiten beinahe vollständig. Innerhalb weniger Monate ist er bei alten Kräften und kehrt zurück an seine Arbeitsstelle. Zwar ist er auf dem linken Auge erblindet, sonst scheint er aber kaum Schaden genommen zu haben: Gage kann sprechen wie zuvor, ist geschickt im Umgang mit Werkzeugen, seine Erinnerungen sind intakt.

Dennoch ist er nicht mehr der selbe Mensch. Hatten ihn Vorgesetzte und Kollegen vor seinem Unfall mit der Eisenstange immer als vorbildlichen Arbeiter beschrieben, verantwortungsvoll und still, flucht er jetzt dauernd und derb, ist launenhaft und respektlos. Gibt ihm jemand einen Ratschlag oder eine Anweisung, reagiert Gage barsch und wütend.

Der Unglücksrabe wird zum Glücksfall für die Wissenschaft

Das Gleichgewicht zwischen Gages „geistigen Fähigkeiten und seinen tierischen Leidenschaften" sei verloren gegangen, notiert sein behandelnder Arzt Harlow. Er entspricht damit der dominierenden Anthropologie der westlichen Welt im 19. Jahrhundert: Der Mensch als schlaustes unter den Tieren, weil er den Verstand besitzt, sich zu zügeln, rational zu handeln und seine Triebe zu kontrollieren. All das scheint Gage verloren zu haben. Er ist sogar unfähig, konsistente Pläne zu machen und sich an diese zu halten, schafft es nicht mehr, überlegte Entscheidungen zu treffen.

Bereits kurz nach seinem Unfall war Gage zu einer kleinen Berühmtheit geworden: Ein Mann, der sich eine Eisenstange durch den Kopf schießt und überlebt, ist gefundenes Fressen für die Presse. Außerdem ist Gage schnell ein lebendes Ausstellungsstück und Forschungsobjekt für die Wissenschaft: Im November 1848 wird er einem Medizinertreffen in Boston vorgeführt, er zeigt sich immer wieder in einem Museum in Manhattan.

Als Gage die Öffentlichkeit zu viel wird, zieht es ihn in den Süden: Er wird Kutscher in Chile, nach einigen Jahren reist er zu Verwandten in San Francisco. Dort stirbt der jetzt 36-jährige, ehemalige Eisenbahnarbeiter 1860 an einem epileptischen Anfall, vermutlich eine Spätfolge seines Unfalls. Die Öffentlichkeit ist schnelllebig, von seinem Tod nimmt kaum jemand Notiz.

Es ist sein ehemaliger Arzt John Harlow, der Phineas Gage zum wohl berühmtesten Fall der Neurowissenschaft macht. Als er 1866 von dessen Tod erfährt, veranlasst er die Exhumierung des Leichnams. Mit den beschränkten Mitteln seiner Zeit kann Harlow sich fast nur theoretisch erschließen, wie die Eisenstange sich durch Gages Schädel gebohrt haben muss - es wurde keine Autopsie an seiner Leiche durchgeführt, als die inneren Organe noch intakt waren.

Wie alle Mediziner seiner Zeit muss Harlow sich auf solche sogenannte Läsionstudien verlassen, die Forscher versuchten aus dem Verhalten von Hirnverletzten zu schließen, welche Prozesse im Gehirn wo stattfinden. Um lebenden Menschen „ins Gehirn schauen" zu können, brauchte es moderne Technologien wie die Aktivitätsmessungen durch Elektroenzephalografen (EEG) oder bildgebende Verfahren wie Positronenemissions- (PET) und Magnetresonanztomografie (MRT). Für Harlow hingegen scheint Gage der perfekte Fall zu sein, um Entscheidungsfähigkeiten, Moral und Charaktereigenschaften im Gehirn zu lokalisieren - der Gedanke, bestimmte Regionen im Hirn seien für bestimmte Funktionen zuständig, bekommt einen empirischen Unterbau.

Lange überwiegt die Meinung, die Eisenstange habe nur große Teile von Gages linken Frontallappens zerstört. Deshalb seien seine Auffassungsgabe und Sprachfähigkeit weitgehend intakt geblieben; wohingegen es zur fast unmöglichen Aufgabe für Gage wurde, Entscheidungen zu treffen, die neue Situationen einberechnen sollen.

Doch die Forschung an Gages Gehirn war damit noch lange nicht abgeschlossen: 1994, knapp 150 Jahre nach dem Unfall in Vermont, versuchte ein amerikanisches Forscherteam zu zeigen: Auch Gages rechter Frontallappen wurde getroffen. Dafür verwenden die Wissenschaftler erstmals ein dreidimensionales Model von Gages Schädel, das sie auf der Basis von Fotografien und Röntgenaufnahmen erstellt haben. Doch zehn Jahre später zeigt eine digitale Rekonstruktion, dass der rechte Frontallappen wohl doch unverletzt geblieben ist. Forschungen aus dem Jahr 2012 bestätigen dies, zeigen aber, dass neuronale Verknüpfungen im rechten Frontallappen beschädigt worden sind - auch das könnte Gages extreme Verhaltensänderungen erklären.

Bis heute taucht Gages Fall mit all seinen Rätseln in vielen Lehrbüchern auf. Sein Schädel und die verhängnisvolle Eisenstange sind auf dem Campus der Harvard Medical School aufbewahrt, im dazugehörenden Museum sind sie einige der begehrtesten Objekte.

Wie so oft im wissenschaftlichen Diskurs, ist wohl auch das letzte Wort im Fall Phineas Gage noch nicht gesprochen. Eines hat der abgelenkte Felssprenger jedoch mit Sicherheit geschafft: Sein Missgeschick war ein Zündfunken für Erforschung der unterschiedlichen Regionen unseres Gehirns.

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Eine Stange durchschlug seinen Schädel: Warum der Fall von Phineas Gage Medizingeschichte schrieb

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Neurowissenschaft Eine Stange durchschlug seinen Schädel: Warum der Fall von Phineas Gage Medizingeschichte schrieb Es ist das Jahr 1848. Der Fortschritt rollt noch auf Schienen, Nordamerika wird von einem Eisenbahnnetz erschlossen. Für den Einzelnen ist dieser Fortschritt ein Knochenjob, auch für den 25-jährigen Phineas Gage.

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Bau 20und 20Funktion 20von 20Nervenzellen

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Neurobiologie Helmich - Bau einer Nervenzelle

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Der Bau einer typischen Nervenzelle (Neuron) wird ausführlich beschrieben und schülergerecht mit vielen Zeichnungen anschaulich erklärt.

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Why Scientists Are Still Fascinated By Phineas Gage

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Why Scientists Are Still Fascinated By Phineas Gage

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Ein Oszilloskop stellt Spannung über ihren zeitlichen Verlauf dar. Das bedeutet, es werden die physikalische Größe Spannung und die Zeit gemessen. Ein Oszilloskop wird verwendet, wenn periodisch wiederkehrende Signale bildlich dargestellt und schnelle elektrische Vorgänge sichtbar gemacht werden müssen.

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Gliazellen befinden sich im Nervensystem und grenzen sich strukturell und funktionell von den Nervenzellen ab. Nach neueren Erkenntnissen spielen sie eine bedeutende Rolle bei der Informationsverarbeitung im Gehirn sowie im gesamten Nervensystem. Viele neurologische Erkrankungen sind auf pathologische Veränderungen von Gliazellen zurückzuführen.

Was sind Gliazellen?

Gliazellen sind neben den Nervenzellen am Aufbau des Nervensystems beteiligt. Sie verkörpern viele unterschiedliche Zelltypen, die strukturell und funktionell voneinander unterscheidbar sind. Rudolf Virchow, der Entdecker der Gliazellen, sah sie als eine Art Leim zum Zusammenhalt der Nervenzellen im Nervengewebe an. Daher gab er ihnen den Namen Gliazellen, wobei der Wortstamm "Glia" vom griechischen Wort "gliokytoi" für Leim abgeleitet wird.

Bis in die jüngste Vergangenheit wurde ihre Bedeutung für die Funktion des Nervensystems unterschätzt. Nach neueren Forschungsergebnissen greifen die Gliazellen aber sehr aktiv in die Informationsverarbeitung ein. Der Mensch besitzt ca. zehnmal mehr Gliazellen als Nervenzellen. Dabei hat sich sogar herausgestellt, dass das Verhältnis von Gliazellen zu Nervenzellen entscheidend für die Schnelligkeit der Nervenreizweiterleitung und damit auch der Denkprozesse ist. Je mehr Gliazellen vorhanden sind desto schneller ist die Informationsverarbeitung.

Anatomie & Aufbau
Gliazellen können grob in drei funktionell und strukturell verschiedene Zelltypen eingeteilt werden. Den Hauptanteil im Gehirn bilden die sogenannten Astrozyten. So besteht das Gehirn zu etwa 80 Prozent aus Astrozyten. Diese Zellen sind sternförmig aufgebaut und befinden sich vorzugsweise an den Kontaktstellen (Synapsen) der Nervenzellen.
Eine weitere Gruppe von Gliazellen sind die Oligodendrozyten. Sie umlagern die Axone (Nervenfortsätze), welche die einzelnen Nervenzellen (Neuronen) miteinander verbinden. Astrozyten und Oligodendrozyten werden auch als Makrogliazellen bezeichnet. Neben den Makrogliazellen gibt es noch die Mikrogliazellen. Sie sind überall im Gehirn vorhanden. Während die Makrogliazellen ihren Ursprung im ektodermalen Keimblatt (äußere Schicht des Embryoblasten) haben, stammen die Mikrogliazellen aus dem Mesoderm. Im peripheren Nervensystem spielen die sogenannten Schwann-Zellen eine Rolle.

Auch Schwann-Zellen sind ektodermalen Ursprungs und erfüllen ähnliche Funktionen wie die Oligodendrozyten im Gehirn. Sie umlagern auch hier die Axone und versorgen sie. Daneben gibt es noch einige Sonderformen. So sind die sogenannten Müller-Stützzellen die Astrozyten der Retina. Des Weiteren gibt es noch Pituizyten, welche die Gliazellen des Hypophysenhinterlappens darstellen. Der HHL ist zu 25-30 Prozent aus Pituizyten aufgebaut. Ihre Funktion ist noch nicht vollständig geklärt.

Funktion & Aufgaben

Insgesamt erfüllen die Gliazellen vielfältige Funktionen. Die Astrozyten oder Astroglia stellen die Mehrzahl der im Nervensystem vorhandenen Gliazellen dar. Sie beteiligen sich maßgeblich an der Flüssigkeitsregulation im Gehirn. Dabei sorgen sie auch für die Aufrechterhaltung des Kaliumhaushaltes. Die während der Reizweiterleitung frei werdenden Kalium-Ionen werden von den Astrozyten aufgenommen, wobei sie gleichzeitig den extrazellulären pH-Haushalt im Gehirn regulieren.

Eine besondere Bedeutung besitzen Astrozyten bei der Teilnahme an der cerebralen Informationsverarbeitung. Sie enthalten in ihren Vesikeln den Neurotransmitter Glutamat, das bei seiner Freisetzung zur Aktivierung benachbarter Neuronen führt. So sorgen die Astrozyten dafür, dass die Signale im Körper weite Strecken zurücklegen und gleichzeitig für andere Neuronen weiter aufgearbeitet werden. Sie differenzieren also die Bedeutung einzelner Informationen. Neben der Moderation der Informationen bestimmen sie auch, wohin sie weitergeleitet werden sollen. Somit sind sie verantwortlich für den dauerhaften Auf- und Umbau des Informationsnetzes im Gehirn. Ohne Astrozyten wäre die Übertragung der Informationen sehr mühevoll.

Nur durch die komplexe Zusammenarbeit von Astrozyten und Neuronen ist der Lernprozess und damit die Ausbildung von Intelligenz möglich. Die Oligodendrozyten wiederum bilden das Myelin um die Nervenstränge. Je stärker bestimmte Informationsstränge ausgebaut werden desto dicker werden auch die Nervenstränge und desto mehr Myelin wird benötigt. Der dritte Typ der Gliazellen, die Mikrogliazellen, reagieren ähnlich wie die Makrophagen des Immunsystems auf Erreger, Gifte und abgestorbene körpereigene Zellen im Gehirn. Da durch die Blut-Hirn-Schranke keine Antikörper ins Gehirn gelangen können, wird diese Aufgabe von den Mikrogliazellen übernommen. Die Mikrogliazellen werden in ruhende und aktive Zellen eingeteilt.

Die ruhenden Zellen überwachen die Vorgänge in ihrer Umgebung. Bei Störungen durch Verletzungen oder Infektionen werden sie frei beweglich, wandern wie Amöben zu der entsprechenden Stelle und beginnen mit ihrer Abwehr- und Aufräumfunktion. Insgesamt wird immer deutlicher, dass Gliazellen nicht nur Stützfunktionen haben, sondern maßgeblich für die Leistungsfähigkeit des Gehirns und des Nervensystems verantwortlich sind.

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Krankheiten
In diesem Zusammenhang wächst auch die Erkenntnis der Bedeutung der Gliazellen für die Gesundheit. Bei vielen neurologischen Erkrankungen werden auffällige Veränderungen innerhalb der Gliazellen beobachtet. So bricht beispielsweise eine Schizophrenie oft im Jugendalter aus, wenn noch nicht alle Axone mit Myelin ummantelt sind.
Dabei werden bei den entsprechenden Patienten sehr wenig Oligodendrozyten nachgewiesen, die für den Myelinaufbau verantwortlich sind. Möglicherweise sind teilweise auch für den Myelinaufbau wichtige Gene verändert. Bei der multiplen Sklerose kommt es vielfach zur Zerstörung des Myelinmantels. Die freigelegten Nervenfortsätze können dadurch keine Signale mehr übertragen und die abgeschnittenen Neuronen sterben ab.

Bei der erblich bedingten Leukodystrophie handelt es sich um eine fortschreitende Zerstörung der weißen Substanz des Nervensystems. Dabei wird das die Nerven umgebende Myelin abgebaut. Die Folge ist eine massive Beeinträchtigung der Nerven. Die betroffenen Personen leiden unter motorischen und weiteren neurologischen Störungen. Schließlich nehmen einige Hirntumoren ihren Ausgangspunkt im unkontrollierten Wachstum von Gliazellen.

Diener, H.-C., et al.: Leitlinien für Diagnostik und Therapie in der Neurologie. Thieme, Stuttgart 2012

Grehl, H., Reinhardt, F.: Checkliste Neurologie. Thieme, Stuttgart 2012

Renz-Polster, H., Krautzig, S. (Hrsg.): Basislehrbuch Innere Medizin. Urban & Fischer, München 2012

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Gliazellen befinden sich im Nervensystem und grenzen sich strukturell und funktionell von den Nervenzellen ab. Nach neueren Erkenntnissen spielen sie eine bedeutende Rolle bei der Informationsverarbeitung im Gehirn sowie im gesamten Nervensystem. Viele neurologische Erkrankungen sind auf pathologische Veränderungen von Gliazellen zurückzuführen.

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Fasse in eigenen Worten zusammen, welche Aufgaben Gliazellen im Nervensystem einnehmen.

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Durch einen Ladungsunterschied zwischen der Innen- und Außenseite der Zellmembran entsteht das Ruhepotential, das beim Menschen in den meisten Zelltypen zwischen -80 und -70 mV liegt. Dabei ist die Innenseite der Zellmembran negativ geladen, während die Außenseite positiv geladen ist.

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Elektrochemischer Gradient
Chemischer Gradient
Über die Membran hinweg gibt es ein Konzentrationsgefälle (Konzentrationsgradient) der verschiedenen Ionen. Kalium-Ionen liegen zum Beispiel innerhalb der Zelle in einer deutlich höheren Konzentration vor als außerhalb.

Die Ionen bewegen sich zufällig (= Brownsche Molekularbewegung ) und tendieren dazu, sich gleichmäßig zu verteilen. Sie streben also nach einem Konzentrationsausgleich. Dazu bewegen sie sich vom Ort hoher Konzentration zum Ort niedriger Konzentration, sie diffundieren also.

Ob diese Diffusion der jeweiligen Ionen entlang des Konzentrationsgefälles möglich ist, hängt von der Membranpermeabilität ab. Denn sie ist nicht für alle Ionen gleich durchlässig.
Elektrischer Gradient
Bewegen sich zum Beispiel die positiv geladenen aus der Zelle heraus, nimmt die Ladung innerhalb der Zelle ab. Das bedeutet, es baut sich durch eine Ladungstrennung ein elektrisches Feld auf. Das kannst du gleichsetzen mit einer Spannung über der Zellmembran. Um die Spannung zu verringern, neigen die Ladungsunterschiede dazu, sich auszugleichen.

Der elektrische Gradient wirkt hier also dem chemischen Gradient entgegen und hält das Kalium-Ion zurück. Gleichzeitig stößt die positive Ladung, die außerhalb der Zelle entsteht, austretende K⁺ Ionen ab. Im Gegensatz dazu weisen beim Natriumion sowohl der elektrische als auch der chemische Gradient ins Zellinnere.

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Zwischen diesen zwei Kräften stellt sich irgendwann ein Gleichgewicht ein. Das entstehende Potential entspricht dann dem Gleichgewichtspotential des jeweiligen Ions. Also zum Beispiel dem Gleichgewichtspotential von Natrium (= +60 mV) oder dem von Kalium (= -91 mV).

Das Ruhemembranpotential wird hauptsächlich durch das Gleichgewichtspotential von Kalium bestimmt. Das hängt damit zusammen, dass die Membran in Ruhe, aufgrund von Ionenkanälen, durchlässiger für Kalium ist.

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Ruhepotential: einfach erklärt ✅ Konzentrationsgradient und selektive Permeabilität ✅ Entstehung Ruhepotential ✅ mit kostenlosem Video

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1. Lies dir die Informationen zum Ruhepotential bis einschließlich „Entstehung des Ruhepotentials” durch.
2. Fasse zusammen, welche Ionen an der Entstehung des Ruhepotentials beteiligt sind und notiere ihre ungefähre Verteilung.