Nervensystem – Codierung von Informationen

Hast du dich schon einmal gefragt, wieso du Geräusche nur ab einer bestimmten Lautstärke wahrnehmen kannst und wieso du überhaupt in der Lage bist laute und leise Töne wahrzunehmen?

Wie dein Nervensystem z.B. Informationen über die Lautstärke von Tönen und Geräuschen zwischen den Nervenzellen des Nervensystems weiterleitet lernst du in diesem Video. Ich zeige dir auch das Phänomen der Reizcodierung, denn die Informationen werden nicht konstant in gleicher Weise zwischen den Nervenzellen vermittelt.

Im Nervensystem werden ständig Informationen von den Sinnesorganen aufgenommen und in Form von elektrischer Erregung verschlüsselt, also codiert, und weitergeleitet.

Dabei kommt zu einem ständigen Wechsel zwischen der so genannten analogen und digitalen Codierung. Was das bedeutet, werde ich dir nun genauer erklären. Das möchte ich dir vor allem an der Lautwahrnehmung stark vereinfacht verdeutlichen. Beachte aber, dass die tatsächlichen Prozesse der Lautwahrnehmung sehr viel komplexer sind und von vielen Faktoren abhängen. Fangen wir an!

Wird ein Reiz von den Sinnesorganen aufgenommen, so verändert sich das Membranpotenzial an den Nervenzellen, die den entsprechende Sinneszellen nachgeschaltet sind. Die elektrische Spannung an der Membran der Nervenzelle wird verändert. Sie wird erregt. Die Erregung beginnt an den Dendriten des Zellkörpers, dem Soma, denn dort wird eine Nervenzelle von den Synapsen anderer Nervenzellen erreicht.

In den Dendriten und dem Zellkörper der Nervenzelle kommt es noch nicht zu einem Aktionspotenzial. Es kommt nur zu einer passiven Potenzialverschiebung. Das bedeutet, dass sich die an der Membran immer vorhandene elektrische Spannung verändert.

Die Information über den Reiz wird analog codiert: D.h. die Potenzialverschiebung bleibt so lange erhalten, wie der Reiz dauert: Eine Potenzialverschiebung besteht analog zur Reizdauer.

Die Reizstärke wird in Form der Amplitude der Potenzialverschiebung codiert. Die Reizstärke ist also analog zur Stärke der Potenzialverschiebung.

Diese Veränderung in der elektrischen Spannung setzt sich fort bis zum Axonhügel, welcher in das Axon übergeht. Erst hier kann ein Aktionspotenzial generiert werden.

Ein bestimmter Amplitudenwert muss dabei überschritten werden, damit der Reiz überhaupt wahr genommen wird, denn die Entstehung von Aktionspotentialen erfolgt nach dem “Alles oder Nichts Prinzip”. Der zu überschreitende Wert nennt sich Schwellenpotential. Töne, welche sehr leise sind verursachen also im Soma der Nervenzelle keine ausreichende Potenzialverschiebung, sodass kein Aktionspotential wahrgenommen werden kann. Du kannst Töne also nur ab einer bestimmten Lautstärke wahrnehmen.

Im Axon werden diese Aktionspotentiale dann weitergeleitet. Da es sich nun um Aktionspotentiale handelt, welche stets eine gleich große Amplitude aufweisen, kann die Codierung nun nicht mehr analog erfolgen. Hier ist die Information digital codiert: Die Dauer der Potenzialverschiebung entspricht dann der Sende-Dauer der Aktionspotenziale und die Reizstärke wird in eine Aktionspotenzialfolge bestimmter Frequenz übersetzt, man sagt, sie ist frequenzmoduliert.

In der Abbildung ist jeweils ein starker und ein schwacher Reiz dargestellt. Du kannst dir wieder unser Beispiel zur Hilfe nehmen, indem du dir vorstellst, dass du einen lauten und einen leisen Ton wahrnimmst. Beide Reize dauern gleich lange an.

In der Sinnezelle entsteht ein elektrisches Signal, welches auf die nachgeschaltete Nervenzelle übertragen wird. An den Synapsen wird das Signal auf die Dendriten der nächsten Nervenzelle übertragen. Die übermittelten Transmitter verursachen die passive Potentialverschiebung der nächsten Nervenzelle. Die Reizstärke wird nun über die Amplitude, also analog codiert. Je stärker der Reiz ist, desto größer ist die Amplitude der Potentialverschiebung.

Im Axon erfolgt die Codierung digital. Demnach erfolgt die Abfolge der Aktionspotentiale bei einem starken Reiz schneller. Die Frequenz ist also größer. Ein postsynaptisches Potenzial, also PSP, an einer Dendritenmembran kann, wie du bereits weißt, zu schwach sein, um am Axonhügel ein Aktionspotenzial auszulösen.

Es ist aber möglich, dass an den Dendriten einer Nervenzelle mehrere Synapsen aktiv sind oder dass eine Synapse in sehr kurzen Abständen immer wieder Impulse sendet. Mehrere schwache Signale können zusammen dann ein Aktionspotenzial auslösen. Es kommt dann zu einer Summation.

Eine räumliche Summation liegt vor, wenn mehrere Synapsen schwache Signale senden, die dann im Soma aufgerechnet werden. Von zeitliche Summation spricht man dann, wenn eine Synapse in kurzen Abständen schwache Signale sendet, die addiert werden. So ist es beispielsweise auch möglich sehr leise Töne überhaupt wahrzunehmen. Man nennt diesen Prozess auch synaptische Integration.

Zusammenfassung

Du hast in diesem Video gelernt, dass eine aufgenommene Information im Nervensystem mehrfach umcodiert wird. Eine Information wird zunächst von den Sinneszellen in elektrische Erregung umgewandelt. Danach wird die Information abwechselnd analog und digital codiert. Im Axon erfolgt die Codierung digital in Form von Aktionspotenzialen. An den Dendriten und im Soma der Nervenzelle erfolgt die Codierung analog.

So kann das Gehirn die Stärke eines Reizes ermitteln und die entsprechenden Signale für eine Reaktion senden. Jetzt weißt du wie wieso du leise und laute Töne wahrnehmen kannst und warum du sehr leise Geräusche garnicht wahrnehmen kannst.