Neuronen, auch Nervenzellen genannt, sind die fundamentalen Bausteine des Nervensystems. Sie sind spezialisierte Zellen, die Informationen in Form von elektrischen und chemischen Signalen empfangen, verarbeiten und weiterleiten. Diese Prozesse ermöglichen es uns, zu denken, zu fühlen, zu lernen und uns zu bewegen. Das Gehirn, eine komplexe Ansammlung von Milliarden von Neuronen, ist ein biologisches Rechenzentrum, das hochkomplexe Aufgaben bewältigen kann.
Was ist ein Neuron?
Ein Neuron ist die grundlegende, spezialisierte Bau- und Funktionseinheit unseres Nervensystems. Es ist darauf ausgelegt, Informationen im Körper zu empfangen, weiterzuleiten und zu verarbeiten. Ohne Neuronen gäbe es keine bewusste Wahrnehmung, kein Gedächtnis und keine Muskulatur, die auf Befehle reagiert. Damit ist klar: Verstehst du Neuronen und wie sie arbeiten, gewinnst du nicht nur Einblicke in dein eigenes Denken und Handeln, sondern auch in moderne Medizin und Technik.
Der Aufbau eines Neurons
Nervenzellen ähneln in Ihrem Aufbau Quallen. Ein großer Zellkörper aus dem eine bis mehrere Tentakeln hervorkommen. Der Zellkörper fungiert dabei als Schaltzentrale und Aufbewahrung der für Zellen notwendigen Infrastruktur und Organellen. Die "Tentakel" wird Axon genannt, und verbindet die Nervenzelle mit anderen Nervenzellen oder Muskelzellen. Ein Neuron besteht aus mehreren charakteristischen Abschnitten:
Soma (Zellkörper): Im Zellkörper, auch Soma genannt, befindet sich der Zellkern (Nukleus) mit den genetischen Informationen. Hier laufen lebenswichtige Vorgänge wie Proteinsynthese und Stoffwechsel ab - das Gehirn des Neurons, wenn du so willst. Der Zellkörper enthält nicht nur den Zellkern sondern auch noch andere Zellorganellen, wie beispielsweise eine große Anzahl an Mitochondrien, die die Energieversorgung der Nervenzelle sicherstellen. Nach erfolgter Reizweiterleitung wird für die Wiederherstellung sowie der Aufrechterhaltung des Ruhepotentials Energie in Form von ATP benötigt. Das Soma ist der Zellkörper eines Neurons und enthält neben dem Zellkern alle notwendigen Zellorganellen zur Erhaltung der Zellfunktion (Ribosomen, raues und glattes endoplasmatisches Retikulum, Mitochondrien, Golgi-Apparat usw.). Das Soma wird auch als Perikaryon bezeichnet.
Dendriten: Dendriten sind feine, oft stark verzweigte Fortsätze, die vom Soma abzweigen. Ihre Hauptaufgabe: Informationen aus der Umgebung aufnehmen - wie Mikrofone, die jedes Flüstern aus der Nachbarschaft erfassen. Die Dendriten sind winzige, stak verzweigte Fortsätze des Zellkörpers. Sie dienen der Aufnahme von Signalen anderer Nervenzellen. Hierbei sind sie über Synapsen mit etlichen anderen Nervenzellen verbunden. Dendriten sind Ausläufer bzw. Verlängerungen, die vom Zellkörper (Soma) ausgehen und weitergeleitete Nervenimpulse empfangen. Sie leiten Informationen an andere Neuronen weiter.
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Axon: Das Axon ist oft der längste Teil der Nervenzelle. Über dieses "Nervenfaserkabel" werden elektrische Signale vom Zellkörper fortgeleitet - manchmal über Entfernungen von mehr als einem Meter! Ein Axon kann sich dabei zu mehreren Endverzweigungen aufsplitteten, an deren Spitzen die Synapsen sitzen. Das Axon (Nervenfaser) leitet das aufgenommene Signal weiter. Das Axon leitet Nervenimpulse vom Soma weiter; es wird auch als Neurit bezeichnet.
Axonhügel: Am Übergang vom Soma ins Axon sitzt der Axonhügel. Im Axonhügel entsteht das sogenannte Aktionspotential, sofern der Reiz eine gewisse Depolarisationsschwelle überschreitet. Das bedeutet, der Reiz muss stark genug sein um überhaupt ein Aktionspotential auslösen zu können. Sofern diese Depolarisationsschwelle überschritten wird, wird die Nervenzellwand depolarisiert, und der Reiz über das Axon in Richtung präsynaptischer Endigung weitergeleitet. Der Axonhügel ist die Ursprungsstelle des Axons. Hier werden Informationen integriert und Nervenimpulse ausgelöst. Hier beginnt der Impuls.
Myelinscheide: Viele Axone werden von einer fettreichen Schicht, der Myelinscheide, umhüllt. Sie funktioniert wie die Isolierung bei einem Stromkabel und steigert die Geschwindigkeit der Signalweiterleitung enorm: Signale "springen" von einem Ranvierschen Schnürring zum nächsten - das nennt man saltatorische Erregungsleitung. Axone ohne Myelinscheide leiten langsamer und finden sich v.a. Bei Wirbeltieren befinden sich um das Axon herum kleine "Bällchen". Diese Bällchen nennt man Myelinscheide. Die Myelinscheide dient der Isolation des Axons ähnlich der Plastikummantelung eines Stromkabels. Die Myelinscheide umhüllt das Axon und besteht aus Schwann-Zellen, die für die elektrische Isolation sorgen.
Ranvierscher Schnürring: Zwischen den "Bällchen" der Myelinscheide befindet sich in regelmäßigem Abstand ein sogenannter ranvierscher Schnürring. Hier liegt das Axon frei, was die Depolarisation der Axonwand ermöglich.
Synapsen: Am Ende des Axons stehen die Synapsen. Jedes Element im Aufbau einer Nervenzelle ist auf Effizienz getrimmt. Die synaptischen Endknöpfchen bilden das Ende eines Neurons. Das elektrische Signal wird hier auf die nächste Nervenzelle oder zum Beispiel auf eine Sinnes- oder Muskelzelle übertragen. Dazu wird das elektrische Signal meist in ein chemisches Signal umgewandelt. Die Verbindung am Ende einer Nervenzelle mit einer anderen Zelle nennst du Synapse. In den meisten Fällen sind das chemische Synapsen. Das Endknöpfchen setzt chemische Moleküle in den synaptischen Spalt - die Lücke zwischen den zwei Zellen - frei. Dort binden sie an Rezeptoren und geben die Erregung weiter.
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Präsynaptische Endigung: Präsynaptische Endigungen sind ein Teil einer Synapse. Von einer Synapse spricht man dann, wenn eine Präsynaptische Endigung an einem Dendriten einer anderen Nervenzelle anliegt. Hier wird das elektrische Signal der einen Nervenzelle chemisch an die Dendriten der folgenden Nervenzelle übertragen. Präsynaptische Endungen können beispielsweise auch Muskelfasern anliegen.
Die Funktion von Neuronen
Die Aufgabe eines Neurons ist es, Informationen im Körper zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Neuronen funktionieren dabei wie biologische Kabel: Sie nehmen Reize (zum Beispiel Berührung, Licht, Geräusche) auf und wandeln sie in elektrische Signale um. Diese Signale werden über das Axon zur nächsten Zelle oder ins Gehirn transportiert. Durch diese Kommunikation steuern Neuronen unzählige Prozesse - von simplen Reflexen bis zu komplexem Denken, Erinnern und Lernen. Was passiert eigentlich in deinem Gehirn, wenn du eine neue Idee hast oder blitzschnell auf eine heiße Herdplatte reagierst? Hinter jeder Bewegung, jedem Gedanken und Gefühl stecken Milliarden winziger Baumeister: die Neuronen.
Reizaufnahme und Signalverarbeitung
An ihren Dendriten empfangen Neuronen Signale von anderen Zellen oder Sinnesrezeptoren. Im Soma werden diese Impulse verrechnet - du kannst dir das vorstellen wie ein „kleines Wahlstudio“: Erreichen die eingehenden Reize einen gewissen Schwellenwert, wird das Signal weitergeleitet.
Aktionspotential
Kommt es zur Signalübertragung, öffnet sich am Axonhügel eine Kaskade von Ionenkanälen. Natrium-Ionen strömen blitzartig in die Zelle (Depolarisation), das Membranpotenzial kippt, ein Aktionspotenzial entsteht. Das Aktionspotenzial ist ein kurzer, elektrischer Impuls, der von der Nervenzelle erzeugt wird, wenn ein Reiz stark genug ist. Man kann es sich als eine Art 'Stromwelle' vorstellen, die das Axon entlangläuft. Das Aktionspotenzial sorgt dafür, dass Informationen auch über weite Strecken sehr schnell und zuverlässig innerhalb des Nervensystems übermittelt werden. Am Axonhügel wird diese Spannung in impulsartige Aktionspotentiale übersetzt. Je höher die Spannung war, desto mehr Impulse entstehen pro Zeiteinheit. Diese Aktionspotentiale wandern nun über die Myelinscheiden zum nächsten Schnürring.
Reizweiterleitung
Das Aktionspotenzial läuft das Axon entlang bis zu den Synapsen. Dort sorgt ein weiterer ionengetriebener Prozess dafür, dass Neurotransmitter freigesetzt werden. Ein anschauliches Beispiel: Wenn du deine Hand von einer heißen Herdplatte abziehst, läuft dieses System wie am Schnürchen: Sinneszellen nehmen die Hitze wahr, Neuronen leiten das Signal superschnell an dein Rückenmark (Reflexbogen!) und weiter an die Arm-Muskulatur.
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Die Rolle der Myelinscheide
Bei Wirbeltieren befinden sich um das Axon herum kleine "Bällchen". Diese Bällchen nennt man Myelinscheide. Die Myelinscheide dient der Isolation des Axons ähnlich der Plastikummantelung eines Stromkabels. Bei Zellen mit Myelinscheide springt das elektrische Signal von einem sogenannten Ranvierschen Schnürring zum nächsten, anstatt durchgehend zu laufen. So kann das Gehirn blitzschnell reagieren - zum Beispiel, wenn du deine Hand reflexartig von einer heißen Herdplatte ziehst. Wirbellose Tiere besitzen weder Schwan'sche Zellen noch Schnürringe, sodass die Erregungsleitung bei ihnen fortlaufend abläuft. An jedem Schnürring werden nun neue Aktionspotentiale gebildet, welche letztlich an der Synapse ankommen und die Ausschüttung eines chemischen Neurotransmitters bewirken. Die Neurotransmitter docken an die Rezeptoren des nächsten Dendriten (postsynaptische Membran) an und sorgen auf diese Weise für eine Öffnung der Ionenkanäle an der Synapse.
Synaptische Übertragung
Synapsen sind die Schnittstellen zweier Nervenzellen, bestehend aus präsynaptischen Endigung einer Nervenzelle, die mit einem Dendriten einer anderen Nervenzelle verbunden ist. Hier wird der elektrische Reiz, den eine Nervenzelle leitet chemisch mittels Neurotransmittern an die folgende Nervenzelle übertragen. Am Ende des Axons sitzt die präsynaptische Endigung und trifft auf die postsynaptische Membran der nächsten Zelle. Sobald ein Aktionspotenzial die präsynaptische Endigung erreicht, öffnen sich Calciumkanäle - durch den Einstrom von Calciumionen werden gespeicherte Bläschen (Vesikel) mit Neurotransmittern ausgeschüttet.
Vielfalt der Neuronen
Nicht alle Neuronen sehen gleich aus oder übernehmen dieselben Aufgaben. Die Evolution hat eine beeindruckende Palette an Nervenzelltypen hervorgebracht - spezialisiert auf die unterschiedlichsten Funktionen. Neuronen lassen sich grob nach ihrer Funktion in drei Haupttypen unterteilen:
- Sensorische (afferente) Neuronen: Sie leiten Sinnesreize von Haut, Organen oder Sinnesorganen zum Gehirn und Rückenmark. Sensorische Neuronen nehmen Reize aus der Umwelt oder dem Körperinneren auf und leiten sie an das Gehirn weiter.
- Motorische (efferente) Neuronen: Sie leiten Befehle vom Gehirn oder Rückenmark an Muskeln oder Drüsen.
- Interneuronen: Sie vernetzen verschiedene Neuronen untereinander - sie sind das „Schaltzentrum“ im zentralen Nervensystem und machen komplexe Reaktionen und Denkprozesse erst möglich.
Neuronale Netzwerke und Plastizität
Neuronen bilden keine Einzelkämpfer, sondern verschalten sich zu hochkomplexen Netzwerken. Jeder Gedanke, jede Erinnerung, jeder Lerneffekt basiert darauf, dass Verbindungen (Synapsen) angepasst, verstärkt oder gelöscht werden. Plastizität beschreibt die Fähigkeit, auf Erfahrungen, Lernen oder Verletzungen flexibel zu reagieren. Gefühlt bist du ununterbrochen online - dank Synapsen sind Neuronen das auch. Sie sind die Schaltstellen, an denen Informationen von einer Nervenzelle zur nächsten weitergegeben werden.
Reflexbogen - ein Beispiel für praktische Netzwerke
Ein Reflex (z. B. der Kniesehnenreflex beim Arzt) zeigt, wie direkt ein Signal vom Sinnesrezeptor übers Rückenmark direkt zum Muskel durchgeschaltet wird - ganz ohne bewusste Steuerung.
Neurotransmitter: Die chemischen Botenstoffe
Neurotransmitter sind die chemischen Botenstoffe bzw. Übertragungsstoffe, die dafür verantwortlich sind, dass Reize und Informationen von einer Zelle an die andere weitergeleitet werden. Diese kommen an chemischen Synapsen zum Einsatz und sind von hoher Bedeutung für die Erregungsübertragung. Gespeichert werden diese Transmitter in synaptischen Vesikeln, winzig kleine Bläschen. Die Moleküle eines Transmitters und die Rezeptoren - d.h. die Zellen der Sinnesorgane, die die externen Reize aufnehmen - passen wie Schlüssel und Schloss ineinander. Je nach Wirkung und Bedeutung kommen unterschiedliche Transmitter zum Einsatz. Grundsätzlich unterscheidet man außerdem zwischen Echten Transmittern (kurzlebig) und Neuro-Hormonen (langlebiger).
Einige wichtige Neurotransmitter sind:
- Acetylcholin: Muskelsteuerung und Gedächtnis. Als wichtigster Botenstoff wird Acetylcholin gewertet. Dieser ist verantwortlich für die Steuerung vegetativer Vorgänge bei Wirbeltieren. Er leitet Informationen zwischen dem Nervenzellenende und der Muskelfaser weiter und sorgt damit für Muskelkontraktion - sämtliche Muskelfunktionen basieren also auf diesem Neurotransmitter. Außerdem steuert Acetylcholin in weiten Teilen das vegetative Nervensystem und beeinflusst somit Blutdruck, Atmung, Verdauung, Stoffwechsel, Herzschlag und Gehirnaktivitäten.
- Adrenalin: Stressreaktion und Energie. Adrenalin bezeichnet ein bekanntes Stresshormon, das von der Nebennierenrinde produziert und in physischen wie psychischen Belastungssituationen ausgeschüttet wird. Dieser Prozess hat seinen evolutionsbiologischen Zweck noch im sogenannten Flucht-oder-Kampf-Modus: Der Mensch musste sich spontan an eine äußere Situation anpassen und schnell angemessen reagieren können. Heute löst zwar nicht mehr der Säbelzahntiger diesen Modus aus, sondern moderne Stressoren wie Druck auf der Arbeit, Stau oder Streit, das Prinzip hat sich aber in den letzten 30.000 Jahren nicht groß verändert. Die Ausschüttung von Adrenalin resultiert in: erhöhter Herzfrequenz und erhöhtem Blutdruck, angespannten Muskeln, verminderten Verdauungsprozessen und einer geringeren Schmerzempfindlichkeit. Zudem wird durch Glykolyse und Lipolyse Energie freigesetzt.
- Dopamin: Motivation und Belohnung. Dopamin sorgt für die Weiterleitung einer Erregung von der Nervenzelle an die Muskelzelle und steuert damit die allgemeine Motorik. Außerdem spielt dieser Botenstoff auch im Belohnungssystem eine Rolle und sorgt für Euphorie und Glücksgefühle.
- Endorphin: Schmerzhemmung und Glücksgefühl. Der Botenstoff Endorphin zählt zu den Opioden und senkt demzufolge die Schmerzempfindsamkeit des Menschen. Dazu hemmen bzw. blockieren sie die Übertragung gewisser Reize an das schmerzverarbeitende Zentrum im Gehirn.
- Serotonin: Stimmung und Schlafregulation. Das Hormon und Neurotransmitter Serotonin beeinflusst zahlreiche Prozesse im Körper. Es trägt unter anderem dazu bei, dass wir morgens wach werden, und spielt eine Rolle bei der Regulierung des Blutdrucks. Außerdem ist Serotonin entscheidend für unsere Stimmung, unser Wohlbefinden und unser Schmerzempfinden. Ein Mangel an Serotonin kann daher zu Angstzuständen, Depressionen oder Migräne führen. Auch Schlafstörungen und verminderte Konzentrationsfähigkeit können auftreten, wenn der Serotoninspiegel zu niedrig ist.
Störungen der neuronalen Kommunikation
Was passiert, wenn die Kommunikation im neuronalen Netzwerk gestört ist?
- Morbus Alzheimer: Hier sterben bestimmte Nervenzelltypen im Gehirn ab, die Folge sind Gedächtnisprobleme bis hin zum vollständigen Verlust der Selbstständigkeit.
Anwendung des Wissens über Neuronen in der Technik
Aktuelle Forschung nutzt Wissen über Neuronen auch in der Technik.