Neuronen, die spezialisierten Zellen des Nervensystems, sind für die Signalübertragung im Körper unerlässlich. Sie empfangen, verarbeiten und leiten Informationen in Form von elektrischen und chemischen Signalen weiter. Diese komplexen Prozesse ermöglichen es uns, die Welt um uns herum wahrzunehmen, zu denken, zu fühlen und zu handeln. Dendriten und Axone, zwei Haupttypen von Fortsätzen, die von Neuronen ausgehen, spielen eine entscheidende Rolle bei diesen Prozessen.
Das Neuron: Die grundlegende Einheit des Nervensystems
Das Neuron, auch Nervenzelle genannt, ist die kleinste funktionelle Einheit des Nervensystems. Es besteht aus einem Zellkörper (Soma), Dendriten und einem Axon. Das Soma enthält den Zellkern und andere Zellorganellen, die für das Überleben und die Funktion der Zelle notwendig sind. Dendriten sind baumartig verzweigte Fortsätze, die vom Soma ausgehen und Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren empfangen. Das Axon ist ein langer, dünner Fortsatz, der Signale vom Soma weg zu anderen Neuronen, Muskeln oder Drüsen transportiert.
Dendriten: Die Antennen der Nervenzelle
Dendriten sind die primären Empfänger von Informationen von anderen Neuronen. Sie sind mit Synapsen bedeckt, den Verbindungsstellen zwischen Neuronen, an denen die Signalübertragung stattfindet. Dendriten empfangen Signale in Form von Neurotransmittern, chemischen Botenstoffen, die von anderen Neuronen freigesetzt werden. Diese Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der Oberfläche der Dendriten und erzeugen elektrische Signale, die zum Soma weitergeleitet werden.
Struktur der Dendriten
Dendriten sind typischerweise kürzer und stärker verzweigt als Axone. Sie gehen vom Soma der Nervenzellen als Fortsätze ab, wobei sie meist auf der gegenüberliegenden Seite vom Abgang des Axons zu finden sind. Die Zusammensetzung des Zytoplasmas von Soma und Dendrit ähneln sich stark, weshalb die beiden Abschnitte beinahe fließend ineinander überzugehen scheinen. Ihre Einheit wird deshalb auch als somatodendritisches Kompartiment bezeichnet. Manche Dendriten verfügen über sogenannte Dornen, Membranausstülpungen, die ihren Namen von ihrem stacheligen Aussehen haben. An diesen Dornen befinden sich Synapsen, über die der Dendrit Informationen von anderen Nervenzellen empfängt.
Funktion der Dendriten
Die primäre Funktion von Dendriten ist die Aufnahme elektrischer Reize und die Weiterleitung zum Soma. Diese Reize werden mithilfe von Synapsen übertragen. Am häufigsten sind die chemischen Synapsen vertreten, die zwischen verschiedenen Bauteilen von Nervenzellen bestehen können. Nicht an jeder Synapse muss zwangsläufig ein Dendrit beteiligt sein. Genauso gibt es Synapsen zwischen Axon und Soma (axo-somatische Synapse) und zwischen zwei Axonen (axo-axonale Synapse).
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Dendriten sind ein Teil von folgenden Synapsen-Typen:
- Axo-dendritische Synapsen: Synapsen zwischen einem Dendriten und einem präsynaptischen Endknöpfchen. Häufigster Synapsen-Typ. Ansatz entweder am Schaft des Dendriten oder am Dorn (Dornsynapse).
- Dendro-dendritische Synapsen: Verbindungen zwischen Dendriten verschiedener Neuronen.
- Dendro-somatische Synapsen: Verbindung zwischen Soma und Dendrit.
Jeder dieser Synapsen kann, abhängig von Neurotransmitter und Rezeptorbesatz der Postsynapse, exzitatorisch (= erregend) oder inhibitorisch (= hemmend) sein. Erst die Summe der verschiedenen erregenden und hemmenden Einflüsse entscheidet am Soma darüber, ob über das Axon eine Erregung weitergeleitet wird. Ist sie zu gering, bzw. überwiegend hemmend, bleibt das Aktionspotenzial aus.
Die Funktion von Dendriten geht noch über die reine Entgegennahme von Signalen hinaus: Aktionspotentiale können nicht nur in Richtung Zellkörper geschickt werden, sondern können auch in die andere Richtung im Dendrit zurücklaufen. Vor allem das Calcium, das sich nach Depolarisation in den Dendriten ausbreitet, kann über verschiedene Mechanismen die Empfangseigenschaften der Dendriten verändern. Das kann zu einer stärkeren Kopplung zweier Nervenzellen führen, was als Langzeitpotenzierung bezeichnet wird. Dies ist ein wichtiger Teil der neuronalen Plastizität, also der strukturellen Anpassung des Nervensystems abhängig von seiner Nutzung.
Axone: Die Übertragungskabel der Nervenzelle
Das Axon ist ein langer, dünner Fortsatz, der vom Soma ausgeht und Signale vom Soma weg zu anderen Neuronen, Muskeln oder Drüsen transportiert. Es dient gewissermaßen als Übertragungskabel für elektrische Impulse, die vom Neuron erzeugt werden. Das Axon kann sich vielfach verzweigen, und so eine Vielzahl nachgeschalteter Nervenzellen erreichen. Seine Länge kann mehr als einen Meter betragen. Das Axon endet in einer oder mehreren Synapse(n).
Struktur der Axone
Das Axon ist ein Fortsatz der Nervenzelle, der für die Weiterleitung eines Nervenimpulses zur nächsten Zelle zuständig ist. Es entspringt am Axonhügel, einer spezialisierten Region des Somas, an der die elektrischen Signale, die von den Dendriten empfangen wurden, integriert werden. Wenn die Summe der eingehenden Signale einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotenzial ausgelöst, ein elektrischer Impuls, der sich entlang des Axons ausbreitet.
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Das Axon ist von einer Myelinscheide umgeben, einer isolierenden Schicht, die aus Gliazellen besteht. Die Myelinscheide ermöglicht eine schnelle und effiziente Signalübertragung entlang des Axons. Zwischen den Myelinsegmenten befinden sich kleine Lücken, die als Ranviersche Schnürringe bezeichnet werden. An diesen Schnürringen wird das Aktionspotenzial regeneriert, wodurch es sich sprunghaft entlang des Axons ausbreiten kann (saltatorische Erregungsleitung).
Am Ende des Axons befinden sich die synaptischen Endknöpfchen, die spezialisierten Strukturen, die für die Freisetzung von Neurotransmittern verantwortlich sind. Wenn ein Aktionspotenzial die synaptischen Endknöpfchen erreicht, werden Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt, den Raum zwischen dem Axon des sendenden Neurons und den Dendriten des empfangenden Neurons.
Funktion der Axone
Die Hauptfunktion des Axons ist die Weiterleitung von Aktionspotentialen zu Nerven- oder Muskelzellen. Damit die Weiterleitung der elektrischen Signale möglichst schnell und ohne Verluste funktioniert, ist das Axon isoliert. Dazu wird der Fortsatz durch Stütz- oder Hüllzellen umhüllt. Außerhalb von Gehirn und Rückenmark werden sie auch Schwann’sche Zellen genannt. Die Umhüllung ist immer wieder durch freiliegende Axonbereiche unterbrochen, die Ranvierschen Schnürringe. Hierdurch wird die Erregungsleitungsgeschwindigkeit erhöht, denn die Erregung kann auch von einem Schnürring zum nächsten „springend“ weitergeleitet werden.
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 wird als Synapse bezeichnet. 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.
Die Synapse: Die Schaltstelle der neuronalen Kommunikation
Die Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen zwei Neuronen, an der die Signalübertragung stattfindet. Sie besteht aus einem präsynaptischen Bereich (dem Endknöpfchen des sendenden Neurons), einem synaptischen Spalt und einem postsynaptischen Bereich (den Dendriten des empfangenden Neurons).
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Wenn ein Aktionspotenzial das Endknöpfchen des sendenden Neurons erreicht, werden Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt. Diese Neurotransmitter diffundieren über den Spalt und binden an Rezeptoren auf der Oberfläche der Dendriten des empfangenden Neurons. Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren löst eine Veränderung des Membranpotenzials des empfangenden Neurons aus, die entweder erregend (depolarisierend) oder hemmend (hyperpolarisierend) sein kann.
Wenn die Summe der erregenden Signale, die das empfangende Neuron erreicht, einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotenzial ausgelöst und das Signal wird entlang des Axons des empfangenden Neurons weitergeleitet.
Arten von Neuronen
Es gibt verschiedene Typen von Neuronen, die sich in ihrer Struktur und Funktion unterscheiden. Einige Neuronen sind sensorische Neuronen, die Informationen von sensorischen Rezeptoren an das Gehirn oder Rückenmark weiterleiten. Andere Neuronen sind motorische Neuronen, die Signale vom Gehirn oder Rückenmark an Muskeln oder Drüsen senden. Wieder andere Neuronen sind Interneuronen, die zwischen sensorischen und motorischen Neuronen vermitteln und komplexe Verarbeitungsprozesse im Gehirn ermöglichen.
Insgesamt unterscheidet man zwischen unipolaren, pseudounipolaren, bipolaren und multipolaren Nervenzellen. Unipolare Neurone, wie z. B. Fotorezeptoren, haben keine Dendriten: Aus ihrem Soma entspringt nur ein Axon. Bipolare Neuronen, bei denen ein Dendrit einem Axon gegenüberliegt. Zwischen ihnen befindet sich das Perikaryon. Ein klassisches Beispiel für das Vorkommen bipolarer Neurone im Körper sind die bipolaren Zellen der Netzhaut. Sie leiten die Erregung der Fotorezeptoren an Ganglienzellen weiter, deren Fasern als Sehnerv weiter zum Gehirn ziehen. Pseudounipolare Neurone wirken, vom Zellkörper aus betrachtet, beinahe wie eine normale unipolare Zelle. Das Perikaryon selbst hat nämlich nur einen direkten Abgang, der sich T-förmig in ein Axon und einen Axon-ähnlichen Dendriten aufzweigt. Pseudounipolare Nervenzellen findet man z. B. in den Spinalganglien. Multipolare Neuronen sind der häufigste Neuronentyp im Körper. Sie verfügen über ein Axon und einen weit verzweigten Dendritenbaum. Verbreitete Untertypen der multipolaren Neuronen sind die Pyramiden-Zellen und die Purkinje-Zellen.
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. Unser Gedächtnis wird einem bestimmten Hirnareal, dem Hippocampus, zugeschrieben. Bei Lernvorgängen kommt es hier zu funktionellen Veränderungen an bestimmten Synapsen, die dazu führen, dass die elektrischen Antworten in den Empfängerzellen stärker werden. Man kann sich das wie einen Trampelpfad durch den Wald vorstellen: Je häufiger er benutzt wird, desto leichter zugänglich wird er - man kann ihn leichter wiederfinden und sich immer besser auf ihm fortbewegen. Genauso kann er aber wieder zuwuchern, wenn er nicht gebraucht wird. Das passiert auch im Gehirn - Neues lernen lässt neue Verbindungen entstehen, werden sie nicht gebraucht, werden sie auch wieder abgebaut.
Klinische Bedeutung
Für die Medizin ist eine bestimmte Station in der Signalweiterleitung von besonderem Interesse: der Informationsaustausch von Nervenzelle zu Nervenzelle an der sogenannten Synapse. Bei vielen Krankheiten wie beispielsweise Parkinson oder Depression sind diese Schaltstellen aus dem Gleichgewicht geraten. Psychoaktive Substanzen können an unterschiedlichen Stellen des Ablaufs eingreifen. Dazu gehören diverse Rauschmittel (Kokain, Ecstasy) und Medikamente (Antidepressiva, Beruhigungsmittel), aber auch Kaffee und Zigaretten. Manche Stoffe bewirken beispielsweise, dass die Neurotransmitter länger im synaptischen Spalt bleiben (indem ihr Abbau oder die Wiederaufnahme in die Senderzelle gehemmt werden). Das ist bei manchen Krankheiten, wie zum Beispiel bei Depressionen, erwünscht, da dort die Konzentration bestimmter Neurotransmitter zu niedrig ist.