Aufbau und Funktion der Neuronmembran: Eine umfassende Betrachtung

Das menschliche Gehirn beherbergt schätzungsweise 86 Milliarden Neuronen, die als grundlegende funktionelle Einheiten des Nervensystems die komplexen Funktionen wie Wahrnehmung, Denken, Gedächtnis und Bewegungskoordination ermöglichen. Diese spezialisierten Zellen empfangen, verarbeiten und leiten elektrische Signale, wodurch die Kommunikation zwischen verschiedenen Teilen des Nervensystems und die Steuerung aller körperlichen und geistigen Prozesse gewährleistet wird.

Grundlegender Aufbau eines Neurons

Ein Neuron besteht aus verschiedenen Hauptkomponenten:

• Zellkörper (Soma): Das Soma ist das runde oder ovale Zentrum der Zelle und enthält den Zellkern sowie Zellorganellen wie Nissl-Schollen, Golgi-Apparat und Mitochondrien. Letztere sind aufgrund des hohen Energiebedarfs des Neurons besonders wichtig. Im Soma laufen alle typischen Aufgaben einer eukaryotischen Zelle ab. Eine Ausnahme bilden die Zentriolen, was bedeutet, dass Neuronen nicht mehr mitotisch aktiv sind.
• Dendriten: Dendriten sind kurze, verästelte Fortsätze, die vom Soma ausgehen und als Empfänger für Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren dienen. Sie stehen über Synapsen mit anderen Nervenzellen in Kontakt und leiten deren Signale an den Zellkörper weiter. Dendriten stellen die Antennenregion der Nervenzelle dar und können mit über 1.000 anderen Nervenzellen verbunden sein.
• Axonhügel: Der Axonhügel ist der Bereich zwischen dem Soma und dem Axon, der eine wichtige Rolle bei der Informationsverarbeitung spielt. Hier werden einkommende elektrische Impulse gesammelt und verrechnet, bis sie eine bestimmte Schwelle überschreiten.
• Axon: Das Axon ist ein langer Fortsatz, der vom Soma ausgeht und Signale von diesem wegtransportiert. Es dient als Übertragungskabel für elektrische Impulse und kann sich über große Entfernungen erstrecken. Das Axon unterteilt sich in mehrere Kollaterale (Teilzweige) und endet in verdickten Endknöpfchen (Terminale).
• Myelinscheide: Die meisten Axone sind von einer Myelinscheide umgeben, die überwiegend aus Lipiden und Proteinen besteht. Sie bildet eine Isolierschicht um das Axon und ermöglicht die saltatorische Erregungsleitung, bei der elektrische Signale in schnellen Sprüngen entlang des Axons weitergeleitet werden. Im Körper gibt es aber auch Axone ohne Myelinscheiden.
• Schwannsche Zellen: Im peripheren Nervensystem sind Schwannsche Zellen Stütz- und Hüllzellen der Neuronen. Sie stabilisieren und ernähren die Nervenzelle und bilden die Myelinscheide.
• Ranviersche Schnürringe: 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.
• Synaptische Endknöpfchen: 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.

Die Neuronmembran: Struktur und Funktion

Nervenzellen sind von einer Membran umgeben, die eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung und Weiterleitung von elektrischen Erregungen, den sogenannten Aktionspotentialen, spielt. Die Membran besteht aus einer Lipiddoppelschicht mit eingebetteten Proteinen, die verschiedene Funktionen erfüllen.

Ruhepotential

Im Ruhezustand ist die Membran einer Nervenzelle im Wesentlichen nur für K+-Ionen permeabel. Dies liegt an K+-Ionenkanälen, die ständig geöffnet sind. Aufgrund des Konzentrationsgradienten diffundieren K+-Ionen nach außen, wodurch eine negative Ladung im Inneren der Zelle entsteht. Dem Ausstrom positiver Ladungen steht der entstehende elektrische Gradient entgegen, bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt, in dem die beiden Kräfte gleich groß sind. Dieses Ruhepotential kann mit der Nernst-Gleichung berechnet werden:

V = (RT/zF) ln (Konz. außen/ Konz. innen)

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Dabei sind R die Gaskonstante, T die Temperatur in Kelvin, z die Wertigkeit des Ions und F die Faraday-Konstante. Für K+-Ionen ergibt sich typischerweise ein Wert von etwa -90 mV.

Die Verteilung der Ionen führt dazu, dass sich Ladungen innen an der Membran wie an einem Kondensator ansammeln. Die Menge dieser Ladungen ist jedoch äußerst gering.

Aktionspotential

Wird die Nervenzelle ausreichend stimuliert, kommt es zu einer Depolarisation der Membran. Dies bedeutet, dass das Membranpotential positiver wird. Erreicht die Depolarisation einen bestimmten Schwellenwert, wird ein Aktionspotential ausgelöst.

Aktionspotentiale entstehen durch den Einstrom positiv geladener Ionen, meist Natrium-Ionen, in die Zelle. Dies führt zu einer rapiden Umkehrung des Membranpotenzials, sodass die Innenseite der Zelle nun positiver geladen ist als die Außenseite. Anschließend leiten die aktivierten Neuronen das Aktionspotential über ihre Axone weiter.

Nach dem Alles-oder-nichts-Gesetz löst eine Erregung bei Überschreitung des Schwellenpotenzials immer ein Aktionspotential in gleicher Form, Größe und Dauer aus. Daher ist nicht die Größe des Aktionspotentials für die Kommunikation der Nervenzellen entscheidend, sondern die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit (Frequenz).

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Nach der Depolarisation schließen sich die Natriumkanäle wieder, und die Spannung sinkt zurück auf das Ruhepotential (Repolarisation). Dabei ist es wichtig, dass nach jeder Depolarisation mithilfe der Natrium-Kalium-Pumpe das Ruhepotential wieder hergestellt wird.

Synaptische Übertragung

Das Axon endet meist in Verbindungsstellen, den Synapsen, wo das elektrische Signal einen weiteren Mechanismus auslöst. Oft führt das Signal zur Ausschüttung von Neurotransmittern. Diese Neurotransmitter werden anschließend in den synaptischen Spalt freigesetzt und binden an spezifische Rezeptoren auf der Membran der Zielzelle.

Trifft ein elektrisches Signal über das Axon am Nervenende ein, erhöht sich die elektrische Spannung an der präsynaptischen Membran. In der Folge bewegen sich mit Neurotransmittern gefüllte synaptische Vesikel in Richtung der Membran und verschmelzen mit ihr. Dabei werden die Botenstoffe in den synaptischen Spalt abgegeben und „wandern“ zur Empfängerzelle.

Elektrisch geladene Teilchen strömen in die Zelle ein und verändern die Spannung der Empfängerzelle (postsynaptisches Potenzial). Der entstehende Reiz wird anschließend über die Dendriten und dem Zellkörper zum Axonhügel weitergeleitet, wo bei einem ausreichend starken elektrischen Impuls ein Aktionspotenzial ausgelöst wird.

Die synaptische Übertragung ist ein sehr schneller Prozess. Zwischen dem Eintreffen des Impulses bis zur Spannungsänderung auf der anderen Seite des synaptischen Spalts vergeht nur etwa eine tausendstel Sekunde.

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Neuronale Plastizität

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

Die Klassifikation von Nervenzellen erfolgt auf unterschiedliche Weise, basierend auf Beobachtungen einzelner Zellen oder den ihnen zugeordneten Eigenschaften in Zellverbänden.

Morphologische Klassifikation

In Bezug auf die Morphologie werden Nervenzellen in verschiedene Typen unterteilt:

• Unipolare Nervenzellen: Neuron mit einem Fortsatz (Axon); lange wurden die Sinneszellen der Augen dazu gezählt. Sie leiten sensorische Informationen von der Peripherie zum Zentralnervensystem.
• Pseudounipolare Nervenzellen: Neuron, bei dem Dendrit und Axon aus einem gemeinsamen Fortsatz in der Nähe des Zellkörpers entspringen. Sie leiten sensorische Signale von den Rezeptoren zum Zentralnervensystem.
• Bipolare Nervenzellen: Neuron mit zwei separaten Fortsätzen (Axon und Dendrit); dient der Vermittlung bestimmter Sinne (z. B. Geruch, Sehen).
• Multipolare Nervenzellen: Neuron mit vielen Dendriten und einem Axon; multipolare Nervenzellen gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nervenzellen. Diese sind für komplexe Verarbeitungsprozesse und motorische Steuerung verantwortlich.
• Apolare Nervenzellen: Nervenzellen, die weder ein Axon noch Dendriten aufweisen. Diese sind noch nicht entwickelt und haben daher noch keine Polarität.

Funktionelle Klassifikation

Eine andere Möglichkeit zur Klassifikation ist die Betrachtung der Funktion der Neuronen:

• Motorische Nervenzellen: Sind für die Steuerung von Bewegungen verantwortlich, sowohl im somatomotorischen Bereich als auch im vegetativen Bereich, wo sie viszeromotorisch wirken und den sympathischen oder parasympathischen Zweig des autonomen Nervensystems regulieren.
• Sensorische Nervenzellen: Leiten Informationen von Sinnesrezeptoren zum Zentralnervensystem.
• Interneurone: Vermitteln zwischen sensorischen und motorischen Neuronen und sind an komplexen neuronalen Schaltkreisen beteiligt.

Gliazellen: Unterstützende Zellen des Nervensystems

Neben den Neuronen gibt es im Nervensystem auch Gliazellen, die eine wichtige unterstützende Funktion haben. Sie schützen die Neurone, indem sie sie elektrisch abschirmen oder eingedrungenen Stoffen im Blut den Zugang zum Gehirn versperren. Zudem sind die Gliazellen für die Versorgung der Neurone mit Nährstoffen zuständig und steuern den Fluss der zerebrospinalen Flüssigkeit.

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