Anatomie der Nervenzelle: Struktur, Funktion und Besonderheiten

Jede unserer Bewegungen, von einem unbewussten Zwinkern bis zum Steuern eines Autos, hängt vom komplexen Zusammenspiel unseres Nervensystems ab. Dieses Netzwerk aus Nervenverbindungen durchzieht den gesamten Körper und nimmt ständig Informationen auf, leitet Befehle weiter und ermöglicht so die Aktivität von Muskeln und Organen. Das Nervensystem ist kein einheitliches System wie das Blut- oder Lymphsystem, sondern besteht aus verschiedenen, miteinander verbundenen Systemen. Das übergeordnete Kontrollzentrum, das Gehirn, und seine wichtigsten Leitungsbahnen, das Rückenmark, bilden das zentrale Nervensystem (ZNS). Höhere Funktionen wie Gedächtnisleistungen, Vergleiche und Entschlüsse werden im Gehirn vollzogen. Die peripheren Nerven bilden ein weitverzweigtes Netzwerk, dessen Fasern ins Rückenmark hinein- und hinausführen. Für Körperfunktionen, die nicht der bewussten Steuerung unterliegen, ist das autonome Nervensystem verantwortlich, das Eingeweide, Blutgefäße und Drüsen innerviert und sich in die Gegenspieler Sympathikus und Parasympathikus gliedert, die sich gegenseitig kontrollieren.

Die Nervenzelle (Neuron): Baustein des Nervensystems

Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die grundlegende funktionelle Einheit des Nervensystems. Sie ist eine hochspezialisierte Zelle, die elektrische Signale empfangen, verarbeiten und weiterleiten kann. Neuronen ermöglichen die Kommunikation zwischen verschiedenen Teilen des Nervensystems und somit die Koordination und Steuerung aller körperlichen und geistigen Prozesse. Schätzungen zufolge befinden sich etwa 86 Milliarden Neuronen im menschlichen Gehirn.

Aufbau einer Nervenzelle: Vom Zellkörper bis zur Synapse

Eine Nervenzelle besteht, wie jede andere Zelle des Körpers, aus einer Zellmembran, die einen Zellkern und Zellflüssigkeit (Zytoplasma) umschließt. Der Aufbau einer Nervenzelle ist komplex und umfasst verschiedene Strukturen:

• Zellkörper (Soma oder Perikaryon): Das runde bzw. ovale Zentrum der Zelle, das den Zellkern mit dem Erbgut enthält. Der Zellkörper enthält den Zellkern sowie alle Zellorganellen, die für die Funktionsfähigkeit der Zelle wichtig sind, darunter Nissl-Schollen, Golgi-Apparat und Mitochondrien. Aufgrund ihres hohen Energiebedarfs sind Neuronen besonders auf Mitochondrien angewiesen.
• Dendriten: Kurze, verästelte Fortsätze, die vom Soma ausgehen. Sie dienen als Empfänger für Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren. Die Dendriten sind vergleichbar mit Empfangsantennen. Sie empfangen die Signale anderer Nervenzellen über Synapsen und leiten sie an den Zellkörper weiter. Dendriten stellen die Antennenregion der Nervenzelle dar.
• Axonhügel: Der Bereich zwischen dem Soma und dem Axon. Hier werden die einkommenden elektrischen Impulse gesammelt und verrechnet, bis sie eine bestimmte Schwelle überschreiten. Erst dann wird ein Signal an das Axon weitergeleitet.
• Axon (Neurit): Ein langer Fortsatz, der vom Soma ausgeht und Signale von diesem weg transportiert. Es dient als Übertragungskabel für elektrische Impulse, die vom Neuron erzeugt werden. Das Axon leitet die elektrischen Impulse vom Zellkörper zum Ende der Nervenzelle. Im Gegensatz zu den kürzeren Dendriten kann die Länge des Axons je nach Funktion und Lokalisation der Nervenzelle bis zu einem Meter und mehr betragen.
• Myelinscheide (Markscheide): Eine isolierende Schicht, die das Axon umgibt und die Geschwindigkeit der Signalübertragung erhöht. Axone der peripheren Nerven sind von einer Isolationsschicht umgeben, die aus den sogenannten Schwannschen Zellen besteht. Schwannsche Zellen sind Stütz- und Hüllzellen der Neuronen im peripheren Nervensystem. Sie stabilisieren und ernähren die Nervenzelle und bilden die Myelinscheide, die das Axon umhüllt. Im zentralen Nervensystem (ZNS), also dem Gehirn und Rückenmark, werden die Nervenzellen ebenfalls von einer Myelinscheide umgeben.
• Ranviersche Schnürringe: Unterbrechungen der Myelinscheide, die eine schnelle, "springende" Weiterleitung des Signals ermöglichen (saltatorische Erregungsleitung). Entlang des Axons ist die Myelinscheide immer wieder durch freiliegende Axonbereiche, die sogenannten Ranvierschen Schnürringe, unterbrochen. Diese Unterbrechungen ermöglichen es dem elektrischen Impuls, über längere umhüllte Bereiche zu springen und so eine höhere Geschwindigkeit zu erlangen.
• Synapsen (Axon-Endknöpfchen): Kontaktstellen zu anderen Nervenzellen, Muskelzellen oder Drüsenzellen, wo die Erregung durch chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) übertragen wird. Die synaptischen Endknöpfchen bilden das Ende der Nervenzelle, an dem mithilfe von Synapsen ankommende elektrische Signale zur nächsten Nervenzelle oder einer anderen Zelle (z. B. Muskelzelle) weitergeleitet werden.

Funktionsweise: Reizaufnahme, Weiterleitung und Übertragung

Das Nervensystem bedient sich schwacher elektrischer Reize, die über die Nervenzellen und ihre Fortsätze (Dendriten und Axone) weitergeleitet werden. Reize, in Form von elektrischen Impulsen, werden in Bruchteilen von Sekunden mit hoher Geschwindigkeit (bis zu 400 km/Stunde) weitergeleitet. Die Übertragung der Reize von einer auf die andere Nervenzelle geschieht mit Hilfe chemischer Botenstoffe an den Synapsen.

1. Reizaufnahme: Sinneszellen an Augen, Ohren, Nasen oder Zunge werden durch Reize aus der Umwelt erregt. Der Reiz pflanzt sich in Form einer elektrischen Erregung auf Zellfortsätze der Nervenzellen (Dendriten) fort.
2. Weiterleitung: Die Dendriten der Nervenzelle leiten den Reiz zum Zellkörper weiter. Die Erregung durch das Antippen ist stark genug, dass am Axonhügel ein Aktionspotential entsteht.
3. Erregungsleitung: Das Axon leitet die elektrischen Impulse vom Zellkörper zum Ende der Nervenzelle. Die Myelinscheide sorgt für eine schnelle, "springende" Weiterleitung des Signals (saltatorische Erregungsleitung).
4. Signalübertragung: Sobald ein elektrisches Nervensignal die Synapse erreicht hat, wird aus kleinen Depotbläschen eine chemische Substanz (Neurotransmitter) freigesetzt, die sich rasch über den Zwischenraum zwischen den beiden Zellen (Synapsenspalt) verteilt und an den Dendriten der nächsten Zelle ein erneutes elektrisches Signal erzeugt.

Synapsen haben wichtige Kontroll- und Filterfunktionen über die Impulsverteilung in unserem Nervensystem. Sie erlauben den Erregungsfluss in nur eine Richtung. Außerdem werden schwache Reize, die eine bestimmte Impulsstärke unterschreiten gar nicht erst weitergeleitet. Mit Hilfe dieser Kontrollfunktionen kann das Nervensystem schnell und präzise funktionieren.

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Neurotransmitter: Chemische Botenstoffe der Nervenzellen

Die Übertragung an den Synapsen erfolgt durch Neurotransmitter, die in kleinen Bläschen (synaptischen Vesikeln) gespeichert sind. Trifft ein elektrisches Signal am Nervenende ein, werden die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt und binden an Rezeptoren der nächsten Zelle. Dies löst dort ein neues elektrisches Signal aus. Zu den wichtigsten Neurotransmittern gehören Acetylcholin, Noradrenalin, Dopamin und Serotonin.

Neuronale Plastizität: Anpassungsfähigkeit der Nervenzellen

Ein bemerkenswerter Aspekt der Neuronen ist ihre Plastizität. Diese bezeichnet die Fähigkeit der Neuronen, sich an Veränderungen anzupassen. Plastizität ermöglicht es den Neuronen, sich durch wiederholte Aktivierung und Lernprozesse zu verändern und Verbindungen zu verstärken / abzuschwächen oder neue Verbindungen auszubilden.

Klassifikation von Nervenzellen

Nervenzellen lassen sich nach verschiedenen Kriterien einteilen:

• Morphologie (äußere Form und Struktur):
  • Unipolare Nervenzellen: Neuron mit einem Fortsatz (Axon); lange wurden die Sinneszellen der Augen dazu gezählt.
  • Bipolare Nervenzellen: Neuron mit zwei separaten Fortsätzen (Axon und Dendrit); dient der Vermittlung bestimmter Sinne (z. B. Sehen, Riechen).
  • Pseudounipolare Nervenzellen: Neuron, bei dem Dendrit und Axon aus einem gemeinsamen Fortsatz in der Nähe des Zellkörpers entspringen (z. B. sensible Nervenzellen).
  • Multipolare Nervenzellen: Neuron mit vielen Dendriten und einem Axon; multipolare Nervenzellen gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nervenzellen (z. B. Motoneurone).
  • Apolare Nervenzellen: Nervenzellen ohne Axon und Dendriten.
• Funktion:
  • Sensorische Nervenzellen (afferente Neuronen): Leiten Informationen von Sinnesrezeptoren zum zentralen Nervensystem.
  • Motorische Nervenzellen (efferente Neuronen): Leiten Signale vom zentralen Nervensystem zu Muskeln oder Drüsen.
  • Interneurone (Schaltneuronen): Vermitteln Informationen zwischen sensorischen und motorischen Neuronen innerhalb des zentralen Nervensystems.

Neue Erkenntnisse über die Individualität von Nervenzellen

Bisher ging man in der Forschung davon aus, dass Nervenzellen desselben Typs im Wesentlichen identische Eigenschaften haben. Eine aktuelle Studie der TU Wien und der Harvard Medical School hat jedoch gezeigt, dass selbst Nervenzellen desselben Typs unterschiedliche anatomische Details aufweisen können, die ihr Signalverhalten beeinflussen.

Anatomische Unterschiede beeinflussen das Signalverhalten

Die Forscher untersuchten die Netzhaut von Mäusen und stellten fest, dass die Lichtempfindlichkeit einiger Zelltypen im oberen Bereich des Gesichtsfeldes anders ist als im unteren. Dies deutet darauf hin, dass die Evolution dazu geführt hat, dass Nervennetzwerke in unterschiedlichen Bereichen der Mäuse-Netzhaut unterschiedlich sensibel reagieren, obwohl es sich um Zellen desselben Typs handelt.

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"Im Anfangsbereich des Axons der Nervenzelle, dort wo die Signale aus den benachbarten Zellen aufsummiert werden und entschieden wird, ob die Zelle feuert, gibt es wichtige anatomische Unterschiede zwischen den einzelnen Zellen", erklärt Paul Werginz von der TU Wien, Erstautor der Studie. Das bedeutet, dass nicht jede Zelle zu jeder Signalverarbeitung fähig ist. Die anatomischen Details der Zelle müssen auf ihre Aufgabe abgestimmt sein. Wären diese Parameter anders, würde die Zelle kein Signal liefern, das vom Gehirn sinnvoll interpretiert werden kann.

Konsequenzen für die Forschung

Diese Erkenntnisse haben wichtige Konsequenzen für die Forschung an Nervennetzwerken. "Wenn wir das Verhalten von Nervennetzwerken verstehen wollen, müssen wir jedenfalls berücksichtigen, dass diese feinen Unterschiede das Signalverhalten einer einzelnen Zelle völlig verändern kann", betont Paul Werginz.

Die Studie zeigt, dass es notwendig ist, die Individualität von Nervenzellen stärker zu berücksichtigen, um das Verhalten von Nervennetzwerken vollständig zu verstehen. Dies könnte auch Auswirkungen auf die Entwicklung von künstlichen neuronalen Netzwerken haben, die bisher von der Annahme identischer Zellen ausgehen.

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