Unser Körper besteht aus vielen verschiedenartigen Zellen mit bestimmten Funktionen. Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die grundlegende funktionelle Einheit des Nervensystems. Sie ist eine hoch spezialisierte Zelle, die für die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Nervenimpulsen zuständig ist. Um diese Funktion zu erfüllen, sind unfassbar viele Nervenzellen zu großen Netzwerken verbunden. Allein in unserem Gehirn, dem Schalt- und Kontrollzentrum des Nervensystems, befinden sich beispielsweise bis zu 100 Milliarden Nervenzellen.
Aufbau einer Nervenzelle
Eine Nervenzelle gliedert sich in drei Hauptabschnitte:
Zellkörper (Soma): Der Zellkörper enthält den Zellkern, der die genetische Information speichert und die Proteinsynthese steuert. Hier befinden sich wichtige Zellorganellen wie Mitochondrien, die für die Energieversorgung zuständig sind. Das Soma ist das metabolische Zentrum der Nervenzelle. Es umfasst den Zellkern sowie das Perikaryon der Nervenzelle. Diese sind unter anderem für den Zellstoffwechsel, die Produktion von Proteinen und die Abwehr von Krankheitserregern verantwortlich. Der Zellkörper einer Nervenzelle wird Soma genannt.
Dendriten: Dendriten sind baumartig verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen. An ihrer Oberfläche werden Signale von anderen Nervenzellen aufgenommen. Die Funktion Dendriten besteht in der Aufnahme von Signalen anderer Nervenzellen. Dendriten sind die Signalempfänger der Nervenzellen. Sie stellen gewissermaßen die Antennenregion der Nervenzelle dar. Bei einer chemischen Kommunikation der Nervenzellen sind die Dendriten nicht direkt mit den Nachbarzellen verbunden, sondern es besteht ein kleiner, flüssigkeitsgefüllter Spalt zwischen den Zellen, der Synaptische Spalt. Die vorangegangene Nervenzelle gibt Neurotransmitter in diesen Spalt ab, damit sie an die Dendriten der nachfolgenden Zelle binden und so das Signal übertragen. Demgegenüber besteht bei elektrischer Kommunikation der Nervenzellen ein direkter Kontakt der Dendriten mit den benachbarten Zellen. Sie empfangen deren Signale und leiten sie anschließend an den Zellkörper weiter.
Axon: Das Axon ist ein langer, unverzweigter Fortsatz, der der Weiterleitung der Signale durch den Körper dient. Es hat die Aufgabe, die von den Dendriten aufgenommenen Reize in der Nervenzelle weiterzuleiten. Bei Wirbeltieren werden die Axone häufig zudem von einer speziellen Form von Gliazellen, den sogenannten Schwannschen Zellen, umgeben. Diese Zellen liegen hintereinander um das jeweilige Axon, sodass es von einer lamellenartigen Hülle umgeben wird: der Markscheide, Myelinscheide oder auch Schwannschen Scheide. Der längste Nerv in deinem Körper ist der Ischiasnerv, der vom unteren Rücken bis zum Fuß reicht. Er kann über einen Meter lang sein! Das Axon, ein langer Fortsatz der Nervenzelle, kann bis zu einem Meter lang werden und ist von Hüllzellen (Schwann-Zellen) umgeben.
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Am Übergang zwischen Soma und Axon befindet sich der Axonhügel. Dort werden Informationen bzw. elektrische Signale gesammelt und summiert, bis ein Schwellenwert überschritten ist, der ein sogenanntes Aktionspotential auslöst. Der Axonhügel beschreibt den Bereich am Übergang vom Zellkörper der Nervenzelle zum Axon, mit dem die Nervenzelle ihre Information an die nachfolgenden Strukturen weitergibt. Im Axonhügel entscheidet sich, ob ein Reiz stark genug ist, um fortgeleitet zu werden, oder ob es sich lediglich um einen Störimpuls handelt, der nicht weiter zu bearbeiten ist. Am Axonhügel, einer speziellen Region der Nervenzelle, findet die finale Integration aller eingehenden Signale statt. Hier werden sowohl erregende (EPSPs) als auch hemmende postsynaptische Potentiale (IPSPs) miteinander verrechnet. Diese Verrechnung entscheidet darüber, ob die Schwelle für ein Aktionspotential erreicht wird.
Die Markscheide und Ranviersche Schnürringe
Bei Wirbeltieren sind die Axone vieler Nervenzellen von einer Markscheide (Myelinscheide) umgeben. Diese wird von Gliazellen gebildet - im peripheren Nervensystem von Schwann-Zellen, im zentralen Nervensystem von Oligodendrozyten. Die Markscheide wirkt wie eine Isolationsschicht und ermöglicht eine schnellere Weiterleitung von elektrischen Signalen.
Entlang des Axons ist die Markscheide in regelmäßigen Abständen unterbrochen. Diese Unterbrechungen werden als Ranviersche Schnürringe bezeichnet. An diesen Stellen ist das Axon nicht von Myelin bedeckt. Die saltatorische Erregungsleitung, bei der das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring springt, ermöglicht eine deutlich höhere Geschwindigkeit der Signalübertragung.
Synapsen
Am Ende des Axons befinden sich die synaptischen Endknöpfchen. Hier werden die elektrischen Signale in chemische Signale umgewandelt und an die nächste Nervenzelle oder eine andere Zelle (z. B. Muskelzelle) weitergegeben. Die Übertragung erfolgt über spezielle Botenstoffe, die Neurotransmitter.
Die Synapse ist nicht direkt Teil der Nervenzelle, sondern vielmehr der Überbegriff für den Ort der Kommunikation einer Nervenzelle mit ihren Nachbarn. Im Fall einer chemischen Synapse umfasst sie den letzten Abschnitt des Axons, das „synaptisches Endknöpfchen“, in dem die Neurotransmitter gelagert sind sowie den Synaptischen Spalt zwischen den Nervenzellen und die Dendriten der nachfolgenden Zelle. Bei einer elektrischen Synapse ist das Ende der Nervenzelle über Proteinverbindungen, Gap junctions, direkt mit den Nachbarn verbunden.
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Funktion der Nervenzelle
Die Hauptfunktion der Nervenzelle besteht in der Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Informationen in Form von elektrischen und chemischen Signalen. Die Nervenzelle Funktion umfasst auch die Verarbeitung und Integration verschiedener Signale. Ein einzelnes Neuron kann Tausende von synaptischen Verbindungen mit anderen Nervenzellen eingehen. Diese Vernetzung ermöglicht komplexe Informationsverarbeitung und ist die Grundlage für höhere Gehirnfunktionen wie Lernen, Gedächtnis und Bewusstsein.
Ruhepotential
Im Ruhezustand liegt das sogenannte Ruhepotential vor, bei dem eine ungleiche Ionenverteilung zwischen Zellinnerem und -äußerem besteht. Das Ruhepotential Definition beschreibt den elektrischen Zustand einer nicht erregten Nervenzelle. Die Ruhepotential Ionenverteilung ist charakterisiert durch unterschiedliche Konzentrationen von Natrium-, Kalium- und Chloridionen innerhalb und außerhalb der Zelle.
Das Ruhepotential wird durch die Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten und beträgt etwa -70 mV. Die Ruhepotential Aufrechterhaltung erfolgt durch die Natrium-Kalium-Pumpe, die unter ATP-Verbrauch drei Natriumionen nach außen und zwei Kaliumionen nach innen transportiert. Der Ionentransport basiert auf dem Zusammenspiel von chemischen und elektrischen Gradienten. Die Membran ist selektiv permeabel, wobei Kaliumionen diese leichter passieren können als Natrium- und Chloridionen. Organische Anionen werden vollständig zurückgehalten. Der Leckstrom von Natriumionen wird durch aktiven Transport kompensiert.
Aktionspotential
Wird die Nervenzelle gereizt, entsteht ein Aktionspotential - eine kurzzeitige Änderung der Membranspannung, die sich entlang des Axons ausbreitet. Dieses Aktionspotenzial wird entlang der Axone immer weitergeleitet, ohne an Stärke zu verlieren. Das Aktionspotential ist ein fundamentaler Prozess in der Signalübertragung von Nervenzellen. Im Ruhepotential liegt eine Spannung von -70mV vor.
Durch einen Reiz öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle, wodurch Na+-Ionen ins Axoninnere strömen. Die Funktion der Dendriten und des Axons ist dabei essentiell. In der Repolarisationsphase werden die Na+-Kanäle inaktiviert und K+-Kanäle geöffnet. Der Ionentransport erfolgt durch spezialisierte Membranproteine. Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein fundamentales Enzym, das drei Na+-Ionen aus der Zelle heraus und zwei K+-Ionen hinein transportiert.
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Signalübertragung an den Synapsen
Wenn das Aktionspotential die Synapsen erreicht, kommt es zur Ausschüttung der Botenstoffe in den synaptischen Spalt. Über die synaptischen Endknöpfchen werden chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, freigesetzt. Neurotransmitter bewirken an den Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle eine vorübergehende Öffnung von Ionenkanälen. Die Signalübertragung zwischen Nervenzellen erfolgt an den Synapsen, wo elektrische Signale in chemische umgewandelt werden.
Es gibt mindestens 50 verschiedene Botenstoffe, die der Erregungsleitung zwischen den Neuronen dienen. Zu den bekannten Neurotransmittern gehören zum Beispiel Noradrenalin, Acetylcholin, Dopamin und Serotonin. Der Überträgerstoff entscheidet darüber, ob die nachgeschaltete Nervenzelle, eine Drüse oder ein Muskel aktiviert oder gehemmt wird. Acetylcholin ist ein Neurotransmitter, der aktivierend auf die Skelettmuskulatur wirkt, Noradrenalin ein Transmitter, der je nach Zelle, an die er abgegeben wird, fördert oder hemmt. Noradrenalin wird überwiegend im Sympathikus ausgeschüttet und aktiviert die Herzmuskelzellen, während es die Muskelzellen des Darms hemmt.
Geschwindigkeit der Erregungsleitung
Die Erregungsleitung erfolgt blitzschnell und kann eine Höchstgeschwindigkeit von bis zu etwa 150 m/s, also 540 km/h, erreichen. Die saltatorische Leitung mit Myelinscheide ist deutlich schneller, da die Erregung von Schnürring zu Schnürring "springt". Die Erregungsleitung kann kontinuierlich oder saltatorisch erfolgen. Bei der kontinuierlichen Leitung breitet sich das Aktionspotential schrittweise aus.
Arten von Nervenzellen
Ein verbreiteter Irrtum ist anzunehmen, dass alle Nervenzellen die gleiche Struktur haben. Tatsächlich gibt es verschiedene Arten von Nervenzellen, die sich in ihrer Form und Funktion unterscheiden:
- Unipolare Nervenzellen: haben nur einen kurzen Fortsatz (Axon) und keine Dendriten. Unipolare Nervenzelle: Neuron mit einem Fortsatz (Axon); lange wurden die Sinneszellen der Augen dazu gezählt.
- Bipolare Nervenzellen: haben zwei Fortsätze, einen dendritischen und einen axonalen. Bipolare Nervenzelle: Neuron mit zwei separaten Fortsätzen (Axon und Dendrit); dient der Vermittlung bestimmter Sinne (z. B. Netzhaut).
- Multipolare Nervenzellen: kommen sehr häufig vor. Sie haben viele Dendriten und ein Axon. Multipolare Nervenzelle: Neuron mit vielen Dendriten und einem Axon; multipolare Nervenzellen gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nervenzellen (z. B. Motoneuron). Typische multipolare Zellen sind motorische Neurone.
- Pseudounipolare Nervenzellen: haben einen einzigen Fortsatz, der sich in einen dendritischen und einen axonalen Teil aufteilt. Pseudounipolare Nervenzelle: Neuron, bei dem Dendrit und Axon aus einem gemeinsamen Fortsatz in der Nähe des Zellkörpers entspringen (z. B. Spinalganglion). Sensorische Nervenzellen sind klassische pseudounipolare Zellen. Ihre Zellkörper liegen im Rücken außerhalb des Rückenmarks in sogenannten Ganglien.
- Interneuronen: haben eine Vermittlerfunktion. Bei den Interneuronen handelt es sich um eine besondere Gruppe von Nervenzellen, die weder dem motorischen noch dem sensorischen System direkt zugehörig sind. Sie verschalten und verarbeiten die Informationen im Gehirn und Rückenmark und vermitteln zwischen anderen Nervenzellen. Interneurone sind beispielsweise bei komplexen Reflexen wie dem Wegziehen der Hand bei einer Verbrennung beteiligt. Derartige Bewegungen erfordern die sofortige und gleichzeitige Aktivität vieler Muskeln. Indem die Interneurone unmittelbar die entsprechende Reaktion auslösen, ohne auf eine Rückantwort des Gehirns warten zu müssen, sorgen sie für eine viel schnellere Reaktion und vermindern den Schaden für das verletzte Gewebe.
Je nach Funktion lassen sich Nervenzellen in sensorische, motorische und Interneurone unterteilen:
- Sensorische Nervenzellen (afferente Neurone): nehmen Reize aus dem Körper oder der Umgebung auf und leiten sie zum Gehirn oder Rückenmark weiter. Die sensorischen - oder auch afferenten (= "hinführenden") - Nervenbahnen leiten die Impulse vom Sinnesorgan zum Gehirn.
- Motorische Nervenzellen (efferente Neurone): übertragen Informationen vom Gehirn oder Rückenmark an Muskeln oder Drüsen, um Reaktionen auszulösen. Die motorischen - oder auch efferenten (="hinaustragenden") - Nervenbahnen leiten die Impulse von Gehirn zum ausführenden Organ. Trifft der motorische Reiz auf eine Muskelzelle, so kann eine aktive, bewusste Bewegung ausgelöst werden, beispielsweise das Öffnen der Augen oder das Heben des Arms. Auch unbewusste Steuerungsprozesse werden vom motorischen Nervensystem initiiert. Sie betreffen das autonome, vegetative Nervensystem, das sich in den Sympathikus und den Parasympathikus gliedert, welche die Reaktion des Körpers auf Stress und Bedrohungen sowie auf Phasen der Ruhe und Entspannung regulieren.
- Interneurone (Schaltneurone): vermitteln zwischen sensorischen und motorischen Neuronen und verarbeiten Informationen im zentralen Nervensystem.
Die Rolle der Gliazellen
Neben den Nervenzellen gibt es im Nervensystem auch Gliazellen. Diese Zellen erfüllen wichtige Stütz- und Versorgungsfunktionen für die Nervenzellen. Sie isolieren die Nervenzellen elektrisch, versorgen sie mit Nährstoffen und entsorgen Abbauprodukte.
Nervengewebe besteht wesentlich aus Nervenzellen (Neuronen) und Gliazellen. Während Nervenzellen Informationen aufnehmen, verarbeiten und weiterleiten, bilden Gliazellen eine Isolationsschicht um die einzelnen Nervenzellen. Nervenzellen = Information, Gliazellen = Isolierung.
Reizweiterleitung am Beispiel
Wie funktioniert die Reizweiterleitung über elektrische Impulse? Das wird am Beispiel unserer Haut deutlich: Temperatur, Berührungen und Druck werden über die Rezeptoren der Haut aufgenommen und in elektrische Impulse umgewandelt.
Vielleicht hast du schon einmal bemerkt, wie schnell du deine Hand von einer heißen Herdplatte zurückziehst, wenn du sie aus Versehen berührst. Diese schnelle Reaktion wird durch deine Nervenzellen ermöglicht. Die Nervenzellen leiten die Botschaft von deiner Hand über dein Rückenmark zu deinem Gehirn und zurück, um eine Reaktion auszulösen und dich zu schützen.
Was passiert, wenn wir uns mit einer Nadel in den Arm stechen? Wir empfinden Schmerz und ziehen die Hand zurück. Doch wie kommt es dazu?
Nehmen wir an, jemand tippt dir von hinten auf die Schulter. Die Dendriten der Nervenzelle leiten den Reiz zum Zellkörper weiter. Die Erregung durch das Antippen ist stark genug, dass am Axonhügel ein Aktionspotential entsteht. An der chemischen Synapse wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Dazu setzen die synaptischen Endknöpfchen chemische Moleküle (Neurotransmitter) in den synaptischen Spalt frei. Die Moleküle binden an Rezeptoren auf der anderen Seite des Spalts. Das führt zur Entstehung eines elektrischen Signals in der nächsten Zelle. Das Signal wird so über Nervenzellen bis in dein Gehirn geleitet. Dort wird es verarbeitet und das Gehirn erhält das Signal „Du wurdest berührt“.
Die sensorischen und motorischen Nervenbahnen sind Teil des peripheren Nervensystems. Die Nervenbahnen bestehen aus einzelnen Nervenzellen - davon besitzt der Mensch rund einhundert Milliarden.
Bedeutung von Nervenzellen für den Körper
Nervenzellen sind für die Reizweiterleitung in unserem Körper verantwortlich. Sie ermöglichen es uns, Sinneswahrnehmungen zu erleben, Bewegungen auszuführen und komplexe Denkprozesse durchzuführen. Die Nervenzelle ist eine hochkomplexe Struktur, deren regelrechte Funktion für die Kommunikation zwischen Gehirn, Organen und Geweben unerlässlich ist.
Ständig gereizt? Diese Frage müssten unsere Nervenzellen wohl eindeutig mit ja beantworten. Doch auch wenn sie dauernd unter Strom stehen, ist von Chaos im Nervensystem keine Spur. Mit höchster Präzision und Schnelligkeit arbeiten Milliarden von Nervenzellen koordiniert zusammen, um Informationen auszutauschen und uns so Handlungen, Gedanken und Emotionen zu ermöglichen.
Beeinträchtigungen der Nervenzellfunktion
Schädigungen der Nervenzellen oder ihrer Umhüllung können zu neurologischen Erkrankungen führen. Beispiele hierfür sind:
Multiple Sklerose (MS): Bei dieser Autoimmunerkrankung werden die Myelinscheiden im zentralen Nervensystem abgebaut, was zu einerVerlangsamung oder Blockierung der Signalübertragung führt. Wird die Myelinscheide der Nervenzelle beschädigt, so können Informationen nicht mehr mit der gewohnten Geschwindigkeit innerhalb des Nervensystems übermittelt werden. Zudem kann es zu Fehlreizen durch Kontakte mit benachbarten Zellen kommen, da die schützende Isolierung des Axons wegfällt. Krankheiten, bei denen die Nervenzellscheiden zerstört werden, sind unter anderem Multiple Sklerose (MS), die das Zentrale Nervensystem betrifft.
Guillain-Barré-Syndrom (GBS): Diese seltene Autoimmunerkrankung betrifft das periphere Nervensystem und führt zu einer Schädigung der Schwann-Zellen. Guillain-Barré-Syndrom (GBS), bei dem die Schwann-Zellen im Peripheren Nervensystem abgebaut werden.
Tetanus: Das Tetanustoxin unterdrückt die Freisetzung hemmender Botenstoffe, während aktivierende Transmitter ungehindert auf nachfolgende Muskelzellen wirken können.
Botulismus: Bei der Injektion von Botulinomtoxin (Botox), führt wiederum die Unterdrückung des Neurotransmitters Acetylcholin zum gewünschten Effekt.