Aufgaben: Das Nervensystem

Betrachte die Abbildung der Nervenzelle. Gib an, welche Nummer die Dendriten und welche das Axon kennzeichnet, und erkläre, worin sich die Funktion der Dendriten von der des Axons bei der Weiterleitung des Nervenimpulses unterscheidet.

Nenne die zwei großen Teile, in die sich das Nervensystem gliedert, und führe mindestens zwei Organe auf, die zu jedem Teil gehören.

Ordne die folgenden Strukturen des Nervensystems vom höchsten zum niedrigsten Organisationsniveau und erkläre dein Vorgehen: Nervenzelle, Gehirn, Nervensystem, Nervengewebe.

Erkläre, welche drei Hauptteile eine Nervenzelle hat und welche allgemeine Funktion jeder davon bei der Weiterleitung des Nervenimpulses erfüllt.

Nenne die drei Teile, aus denen das Gehirn besteht, und gib für jeden eine charakteristische Funktion an.

Erkläre, welche Knochenstrukturen das Gehirn und das Rückenmark schützen und warum dieser Schutz beim Nervensystem so wichtig ist.

Gib an, ob die folgenden Aussagen richtig oder falsch sind, und begründe deine Antwort: a) Das Rückenmark wird von der Wirbelsäule geschützt; b) Die Nerven leiten Informationen nur vom Körper zum Gehirn; c) Das Kleinhirn ist an der Koordination von Bewegung und Gleichgewicht beteiligt.

Erkläre den Unterschied zwischen einem sensiblen und einem motorischen Nerv und nenne jeweils ein Beispiel für eine Information, die er weiterleitet.

Auf der Abbildung der Nervenzelle ist eine Hülle zu sehen, die das Axon abschnittsweise umgibt. Benenne sie, erkläre ihre Funktion und begründe, warum eine Krankheit, die sie zerstört, wie die multiple Sklerose, Bewegungs- und Empfindungsstörungen verursacht.

Beschreibe den Weg der Information bei einer einfachen willkürlichen Bewegung, zum Beispiel beim Schreiben deines Namens auf ein Blatt Papier: Welches Nervenzentrum gibt den Befehl, auf welchem Weg läuft der Impuls und welche Arten von Nervenzellen sind beteiligt?

Erkläre, was ein Reflex ist und wodurch er sich von einer willkürlichen Handlung unterscheidet. Nenne je ein Beispiel und gib an, welcher Teil des Nervensystems die jeweilige Reaktion hauptsächlich koordiniert.

Erkläre den Unterschied zwischen den schnellen Reaktionen, die das Rückenmark direkt koordiniert, und den Entscheidungen, die das Gehirn trifft, und nenne jeweils ein Alltagsbeispiel.

Wenn du im Unterricht die Hand hebst, um eine Frage zu stellen, läuft eine willkürliche Reaktion ab. Beschreibe den Weg der Information: Welcher Teil des Gehirns entscheidet über die Bewegung, welche Struktur koordiniert sie, damit sie präzise ist, auf welchem Weg läuft der Befehl nach unten und was führt ihn schließlich aus?

Das verlängerte Mark ist an bewussten Entscheidungen nicht beteiligt und trotzdem ist eine Verletzung dort tödlich. Erkläre, welche automatischen Körperfunktionen es steuert und warum es als lebenswichtig gilt.

Nach einer örtlichen Betäubung beim Zahnarzt fühlt sich die Stelle „taub“ an und du spürst während der Füllung keinen Schmerz. Erkläre, was mit den sensiblen Nerven in diesem Bereich geschieht, solange die Wirkung anhält, und warum es eine Weile dauert, bis das Gefühl zurückkehrt.

Die Reaktionszeit ist die Zeit, die von der Wahrnehmung eines Reizes bis zur Reaktion vergeht. Erkläre, warum sie sich verlängert, wenn man müde fährt oder aufs Handy schaut, und beziehe dich dabei auf die Informationsverarbeitung im Nervensystem.

In einer neurologischen Praxis werden bei drei Patienten der Patellarsehnenreflex (Schlag auf die Sehne unterhalb der Kniescheibe) und die Berührungsempfindung untersucht. Es ergeben sich folgende Ergebnisse:

• Patient A: Beim Schlag auf die Sehne streckt er das Bein automatisch und normal aus, gibt aber an, weder die Berührung noch den Schlag gespürt zu haben.

• Patient B: Er spürt den Schlag ganz deutlich, aber das Bein bewegt sich nicht reflexartig (er kann es aber strecken, wenn der Arzt ihn willentlich dazu auffordert).

• Patient C: Er spürt nichts und das Bein bewegt sich auch zu keinem Zeitpunkt.

1. a) Leite anhand der Bestandteile eines Reflexbogens (Rezeptor, sensorische Nervenzelle, Rückenmark, motorische Nervenzelle und Effektor) und ihrer Verbindung zum Gehirn begründet ab, an welcher Stelle des Nervenschaltkreises die Störung bei jedem der drei Patienten liegen kann.
2. b) Warum zieht bei einer gesunden Person der Fuß bei einem Stich zurück, bevor sie den Schmerz bewusst wahrnimmt?

Ein Motorradfahrer hat einen Unfall und verliert die Empfindung und die Bewegungsfähigkeit der Beine, die Arme sind jedoch unversehrt. Begründe mithilfe deines Wissens über das Rückenmark, an welcher Stelle der Wirbelsäule die Verletzung vermutlich aufgetreten ist und warum nur die unteren Gliedmaßen betroffen sind.

Analysiere, wie zwei verschiedene Giftstoffe auf die neuromuskuläre Synapse (die Verbindung zwischen der motorischen Nervenzelle und den Muskelfasern) wirken:

• Substanz X (Curare): Sie bindet an die Rezeptoren des Neurotransmitters an der Muskelzelle und blockiert sie, sodass der Neurotransmitter nicht mit ihnen reagieren kann.

• Substanz Y (Nervengas): Sie zerstört das Enzym, das den Neurotransmitter nach seiner Freisetzung abbaut, sodass dieser dauerhaft im synaptischen Spalt verbleibt.

1. a) Sage voraus, was mit der Muskulatur einer Person geschieht, die der Substanz X ausgesetzt ist, und was bei einer Person, die der Substanz Y ausgesetzt ist (erschlaffen und lähmen die Muskeln oder befinden sie sich in Dauerkontraktion und Krampf?). Begründe deine Antwort mit der Funktionsweise der chemischen Synapse.
2. b) Obwohl sie auf völlig entgegengesetzte Weise auf den Muskel wirken, führen beide Substanzen zum Erstickungstod, wenn sie die Atemmuskulatur betreffen. Erkläre, warum.

In die Notaufnahme kommen zwei Patienten, die Schäden in verschiedenen Teilen des Gehirns erlitten haben:

• Patient 1: Er kann nicht sprechen und hat eine vollständige motorische Lähmung im rechten Arm und rechten Bein, versteht aber alles, was er hört, und hält das Gleichgewicht.

• Patient 2: Er spricht völlig flüssig und hat normale Kraft in allen vier Gliedmaßen, kann aber nicht stehen, ohne zu fallen, und kann einfache Bewegungen nicht koordinieren, etwa mit dem Finger die Nasenspitze zu berühren.

1. a) Leite ab, in welcher Gehirnhälfte die Schädigung von Patient 1 liegt, und begründe, warum sich der Bewegungsverlust gerade auf der rechten Körperseite zeigt.
2. b) Warum weisen die Symptome von Patient 2 darauf hin, dass seine Schädigung nicht in der motorischen Rinde des Großhirns liegt? Begründe, welche andere Struktur des Gehirns betroffen ist.

Das menschliche Gehirn wiegt etwa 1,4 kg und schwebt in der Schädelhöhle in Gehirn-Rückenmark-Flüssigkeit (Liquor).

1. a) Erkläre mithilfe des Trägheitsprinzips und des Aufbaus der Hirnhäute, was physikalisch mit dem Gehirn im Schädel geschieht, wenn bei einem Sportler der Kopf abrupt abgebremst wird („Schleudertrauma“), und warum dies auch ohne Knochenbruch zu einer schweren Gehirnerschütterung führen kann.
2. b) Ein Unternehmen entwickelt einen Helm mit einer unverformbaren Außenschale aus Stahl und wirbt: „Da sich die Außenschale nie verformt oder bricht, ist das Gehirn zu 100 % vor jeder Gehirnerschütterung geschützt.“ Widerlege diese Behauptung naturwissenschaftlich, indem du erklärst, welche Art von Schutz das Gehirn im Inneren des Helms wirklich braucht, um Verletzungen zu verringern.

Ein Fußgänger wird fast von einem Fahrzeug angefahren und zeigt zwei aufeinanderfolgende Reaktionen:

• Reaktion 1 (nach 0,15 Sekunden): Er springt mit einem Satz auf den Gehweg und vermeidet den Aufprall.

• Reaktion 2 (nach 10 Sekunden): Sein Herzschlag steigt von 75 auf 140 Schläge pro Minute, er beginnt stark zu schwitzen und seine Hände zittern. Dieser Zustand hält fast 10 Minuten an.

1. a) Bestimme, welches Koordinationssystem (Nerven- oder Hormonsystem) hauptsächlich für jede der beiden Reaktionen verantwortlich ist. Begründe deine Zuordnung, indem du die Reaktionszeit mit der Art der Signalübertragung im jeweiligen System in Beziehung setzt.
2. b) Erkläre, warum Reaktion 1 in dem Moment endet, in dem der Körper den Gehweg berührt, während Reaktion 2 mehrere Minuten braucht, um abzuklingen, obwohl die Gefahr schon vorüber ist.

Bei absoluter Bettruhe verbraucht eine Person von etwa 65 kg eine Leistung von etwa 100 Watt. Das Gehirn, das nur eine Masse von 1,3 kg hat (2,0 % der Körpermasse), verbraucht ununterbrochen etwa 20 Watt (20 % der gesamten Energie des Organismus), sowohl im Wachzustand als auch im Tiefschlaf.

1. a) Berechne den relativen Energieverbrauch pro Kilogramm Masse im Gehirn (Watt/kg) und vergleiche ihn mit dem relativen Energieverbrauch pro Kilogramm im Rest des Körpers. Wie viel Mal stoffwechselaktiver ist das Gehirn als der Durchschnitt des Körpers in Ruhe?
2. b) Wenn wir im Tiefschlaf die willkürlichen Muskeln nicht bewegen und keine bewussten Reize aus der Umgebung aufnehmen: Für welche zellulären und physiologischen Aktivitäten verbraucht das Gehirn dann so viel Energie? Begründe, warum sich das Gehirn in der Ruhephase nicht „abschalten“ kann.

Wenn wir uns in die Haut schneiden, teilen sich die Zellen der Epidermis aktiv durch Mitose und die Wunde heilt in wenigen Tagen. Wenn dagegen eine Person ein Trauma erleidet, das das Rückenmark durchtrennt, ist die Lähmung meist dauerhaft.

1. a) Ein Schüler behauptet: „Um das Rückenmark zu heilen, würde es genügen, Substanzen zu spritzen, die die überlebenden Nervenzellen zwingen, sich durch Mitose zu teilen und die Lücke zu füllen, genau wie es die Haut tut.“ Widerlege die Idee des Schülers mit zwei biologischen Argumenten und berücksichtige dabei die zellulären Eigenschaften erwachsener Nervenzellen und die Art, wie sie Informationen verarbeiten.
2. b) In peripheren Nerven (etwa denen, die zum Arm führen) kann ein durchtrenntes Axon langsam nachwachsen, wenn der Zellkörper der Nervenzelle überlebt. Warum ist es viel schwieriger, dass sich die Funktion nach einer Verletzung des Rückenmarks erholt als nach einem Schnitt in einem peripheren Armnerv?