Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die fundamentalen Bausteine des Nervensystems und spielen eine entscheidende Rolle bei der Reizweiterleitung im Körper. Sie ermöglichen die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Informationen aus der Umwelt und innerhalb des Körpers. Die enorme Anzahl von Neuronen, schätzungsweise 86 Milliarden allein im menschlichen Gehirn, ist zu komplexen Netzwerken verschaltet, die Wahrnehmung, Denken, Gedächtnis, Bewegungskoordination und viele andere kognitive und motorische Prozesse ermöglichen.
Aufbau einer Nervenzelle
Ein typisches Neuron besteht aus verschiedenen Abschnitten, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen:
Zellkörper (Soma): Das Soma ist das zentrale Element der Nervenzelle und enthält den Zellkern sowie die wichtigsten Zellorganellen wie Nissl-Schollen, Golgi-Apparat und Mitochondrien. Der Zellkörper ist für den Stoffwechsel und die Aufrechterhaltung der Zellfunktionen verantwortlich.
Dendriten: Dendriten sind kurze, verästelte Fortsätze, die vom Soma ausgehen. Sie dienen als Empfänger für Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren. Die Dendriten vergrößern die Oberfläche der Nervenzelle und ermöglichen so die Aufnahme einer Vielzahl von Signalen.
Axonhügel: Der Axonhügel ist der Übergangsbereich zwischen dem Soma und dem Axon. Hier werden die einkommenden elektrischen Signale gesammelt und summiert. Wenn ein bestimmter Schwellenwert, das Schwellenpotential, überschritten wird, wird ein Aktionspotential ausgelöst und an das Axon weitergeleitet.
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Axon (Neurit): Das Axon ist ein langer, schlanker Fortsatz, der vom Axonhügel ausgeht. Seine Hauptaufgabe ist die Weiterleitung von Aktionspotentialen zu anderen Nervenzellen oder Muskelzellen. Die Länge des Axons kann je nach Neuronentyp variieren und bis zu einem Meter oder mehr betragen.
Myelinscheide: Die meisten Axone sind von einer Myelinscheide umgeben, einer isolierenden Schicht, die aus spezialisierten Zellen, den Schwannschen Zellen (im peripheren Nervensystem) oder Oligodendrozyten (im zentralen Nervensystem), besteht. Die Myelinscheide ermöglicht eine schnelle und effiziente Weiterleitung elektrischer Signale entlang des Axons.
Ranviersche Schnürringe: Die Myelinscheide ist nicht durchgängig, sondern wird in regelmäßigen Abständen von unmyelinisierten Bereichen unterbrochen, den Ranvierschen Schnürringen. An diesen Schnürringen kann das Aktionspotential "springen", was die Geschwindigkeit der Erregungsleitung erheblich erhöht (saltatorische Erregungsleitung).
Synaptische Endknöpfchen: Am Ende des Axons befinden sich die synaptischen Endknöpfchen, die die Verbindungsstellen zu anderen Zellen bilden. Hier wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt, indem Neurotransmitter freigesetzt werden, die die Erregung auf die nächste Zelle übertragen.
Funktion der Nervenzelle: Reizweiterleitung
Die Hauptfunktion der Nervenzelle besteht in der Reizweiterleitung. Dieser Prozess lässt sich in folgende Schritte unterteilen:
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- Empfang von Signalen: Die Dendriten empfangen Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren. Diese Signale können erregend oder hemmend sein.
- Integration der Signale: Die empfangenen Signale werden im Soma integriert. Wenn die Summe der erregenden Signale einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird am Axonhügel ein Aktionspotential ausgelöst.
- Weiterleitung des Aktionspotentials: Das Aktionspotential wird entlang des Axons weitergeleitet. Die Myelinscheide und die Ranvierschen Schnürringe ermöglichen eine schnelle und effiziente Weiterleitung.
- Übertragung an die nächste Zelle: An den synaptischen Endknöpfchen wird das Aktionspotential in ein chemisches Signal umgewandelt. Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt und binden an Rezeptoren auf der Zielzelle, wodurch ein neues elektrisches Signal ausgelöst wird.
Klassifikation von Nervenzellen
Nervenzellen lassen sich anhand verschiedener Kriterien in Gruppen einteilen:
Morphologische Klassifikation
Unipolare Nervenzellen: Diese Zellen besitzen nur einen Fortsatz, der sowohl als Dendrit als auch als Axon fungiert. Sie sind typisch für das Nervensystem von Wirbellosen, kommen aber auch bei Wirbeltieren vor, insbesondere als sensorische Neuronen.
Bipolare Nervenzellen: Bipolare Neuronen haben zwei Fortsätze, einen Dendriten und ein Axon, die an gegenüberliegenden Polen des Somas entspringen. Sie sind hochspezialisierte sensorische Neuronen, die in der Retina (Sehsinn) und im olfaktorischen System (Geruchssinn) vorkommen.
Multipolare Nervenzellen: Dies ist der am häufigsten vorkommende Neuronentyp im Nervensystem von Wirbeltieren. Sie besitzen zahlreiche Dendriten und ein Axon. Multipolare Neuronen sind für komplexe Verarbeitungsprozesse und motorische Steuerung verantwortlich. Beispiele hierfür sind Pyramidenzellen in der Großhirnrinde und Purkinje-Zellen im Kleinhirn.
Pseudounipolare Nervenzellen: Bei diesen Zellen verschmelzen Dendrit und Axon in der Nähe des Somas zu einem einzigen Fortsatz, der sich später in zwei Äste aufteilt. Beide Äste haben die strukturellen und funktionellen Eigenschaften eines Axons. Pseudounipolare Neuronen sind sensorische Neuronen, die Informationen aus der Peripherie zum Zentralnervensystem leiten.
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Funktionelle Klassifikation
Sensorische Neuronen (afferente Neuronen): Diese Neuronen leiten Informationen von sensorischen Rezeptoren zum Zentralnervensystem. Sie sind an der Wahrnehmung von Reizen wie Berührung, Temperatur, Schmerz, Licht und Geruch beteiligt.
Motorische Neuronen (efferente Neuronen): Motorische Neuronen übertragen Signale vom Zentralnervensystem zu Muskeln oder Drüsen und steuern so Bewegungen und andere Körperfunktionen.
Interneuronen (assoziative Neuronen): Interneuronen sind im Zentralnervensystem lokalisiert und verbinden sensorische und motorische Neuronen miteinander. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Informationen und der Koordination von komplexen Verhaltensweisen.
Weitere Unterscheidungsmerkmale
Myelinisierung: Nervenfasern können markhaltig (myelinisiert) oder marklos (nicht-myelinisiert) sein. Myelinisierte Nervenfasern leiten Signale schneller als nicht-myelinisierte.
Neurotransmitter: Neuronen können anhand der von ihnen freigesetzten Neurotransmitter klassifiziert werden, z. B. cholinerge Neuronen (Acetylcholin), dopaminerge Neuronen (Dopamin) oder glutamaterge Neuronen (Glutamat).
Bipolare Neuronen im Detail
Bipolare Nervenzellen sind eine spezielle Art von Neuronen, die eine Schlüsselrolle bei der sensorischen Verarbeitung spielen. Sie zeichnen sich durch ihre charakteristische Struktur mit einem Soma und zwei Fortsätzen aus: einem Dendriten, der Signale empfängt, und einem Axon, das Signale weiterleitet.
Vorkommen und Funktion
Bipolare Neuronen finden sich vor allem in den folgenden Bereichen:
Retina (Netzhaut des Auges): In der Retina vermitteln Bipolarzellen die Signale von den Photorezeptoren (Stäbchen und Zapfen) zu den Ganglienzellen, die die Informationen über den Sehnerv zum Gehirn leiten. Es gibt verschiedene Arten von Bipolarzellen in der Retina, die auf unterschiedliche Aspekte des visuellen Reizes spezialisiert sind, z. B. Helligkeit, Farbe und Kontrast.
Olfaktorisches System (Riechsystem): Im olfaktorischen System übertragen Bipolarzellen die Signale von den Riechzellen in der Nasenschleimhaut zum Gehirn. Sie sind an der Wahrnehmung von Gerüchen beteiligt.
Bipolare Zellen in der Retina: Ein komplexes Zusammenspiel
Die Netzhaut ist ein komplexes System aus untereinander verschalteten Spezialisten. Die direkteste Informationsübertragung führt von den Fotorezeptoren über die Bipolarzellen zu den Ganglienzellen, deren Zellfortsätze, die Axone, den Sehnerv bilden. Nur die Fotorezeptoren, das heißt die Stäbchen und Zapfen, sind in der Lage, Licht wahrzunehmen. Diese Lichtsinneszellen wandeln elektromagnetische Wellen - den eigentlichen Sehreiz - erst in ein elektrisches und dann weiter in ein chemisches Signal um. Und damit in eine Sprache, die auch die anderen Zelltypen der Retina verstehen. So lange es dunkel ist, setzen sie kontinuierlich den Neurotransmitter Glutamat frei. Fällt jedoch ein Lichtstrahl auf die Fotorezeptoren, verringern sie die Ausschüttung dieser Signalsubstanz. Das Licht schaltet sozusagen den Photorezeptor aus. Das Ausmaß der Glutamatfreisetzung beeinflusst die nachfolgenden Bipolar- und Horizontalzellen, die über ihre Dendriten und Fortsätze mit den Fotorezeptoren in Verbindung stehen und die mittlere Schicht der Netzhaut bilden: Die Horizontalzellen geben die Informationen seitwärts weiter und können so Einfluss auf die Aktivität umliegender Fotorezeptoren und Bipolarzellen ausüben. Die Bipolarzellen hingegen übermitteln die Signale direkt an die Ganglienzellen, wiederum in chemischer Form über die Ausschüttung von Glutamat. Bipolarzellen stehen aber meist nicht nur mit einem oder einer Handvoll Fotorezeptoren in Kontakt, sondern mit Gruppen, die einige hundert Stäbchen und Zapfen umfassen können. Zusätzlich zu diesen direkten Verbindungen gehen sie über Horizontalzellen noch indirekte Verbindungen mit weiteren umliegenden Lichtsinneszellen ein. Der Retinabereich, von dem eine bestimmte Bipolarzelle - oder auch irgendeine andere Nervenzelle der Retina - Signale erhält, die zu einer Veränderung ihrer Aktivität führen können, wird als rezeptives Feld dieser Zelle bezeichnet. Allerdings reagieren nicht alle Bipolarzellen gleich auf den Input von ihren Fotorezeptoren. Hier muss man grundsätzlich zwei Gruppen von Bipolarzellen unterscheiden. OFF-Bipolarzellen depolarisieren, wenn das Licht ausgeschaltet ist, also wenn die Photorezeptoren mehr Glutamat freisetzen. Durch diese Depolarisation werden sie erregt und steigern ihrerseits die Ausschüttung des Neurotransmitters an den Kontaktstellen zu den nachgeschalteten Zellen. Licht hingegen hemmt die OFF-Bipolarzellen. Anders bei den ON-Bipolarzellen: Hier bewirkt wenig Glutamat von den Photorezeptoren eine Depolarisation. Sie werden also erregt, wenn das Licht angeht. Das Gesagte gilt aber nur im Zentrum des rezeptiven Feldes, in dem die Bipolarzelle direkt mit den Fotorezeptoren verbunden ist. Im Umfeld des rezeptiven Felds, wo die Information indirekt von den Horizontalzellen kommt, ist die Reaktion genau entgegengesetzt. Heißt, wenn Licht auf das Umfeld einer ON-Zelle trifft, wird diese nicht de- sondern hyperpolarisiert. Für die Informationsverarbeitung in der Netzhaut sind verschiedene Zelltypen zuständig, die zum Teil unterschiedlich auf einfallendes Licht reagieren und zudem komplex miteinander verschaltet sind. Schon das „Einflussgebiet“ einer einzigen Bipolarzelle besteht also aus einem umfangreichen Netzwerk von mehreren Zelltypen, in dem es zu einem komplexen Zusammenspiel von aktivierenden und hemmenden Einflüssen kommt. Wie genau dieses Ineinandergreifen funktioniert, ist noch nicht geklärt. Sicher ist aber: Bereits auf dieser Ebene findet eine Bearbeitung der Signale aus Stäbchen und Zapfen statt: eine Art Vorsortierung der Informationen und eine Komprimierung der Daten von den gut 125 Millionen Fotorezeptoren für die nur etwa eine Million retinalen Ganglienzellen, welche als nächstes für die Verarbeitung zuständig sind.
Klinische Bedeutung von Neuronen
Funktionsstörungen von Neuronen können zu einer Vielzahl von neurologischen Erkrankungen führen. Einige Beispiele sind:
Multiple Sklerose (MS): Eine Autoimmunerkrankung, bei der die Myelinscheide im zentralen Nervensystem angegriffen wird. Dies führt zu einerVerlangsamung oder Blockierung der Nervenimpulse und kann zu verschiedenen neurologischen Symptomen wie Muskelschwäche, Koordinationsstörungen und Sehstörungen führen.
Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Eine neurodegenerative Erkrankung, die durch den fortschreitenden Verlust von motorischen Neuronen gekennzeichnet ist. Dies führt zu Muskelschwäche, Muskelatrophie und schließlich zum Tod.
Parkinson-Krankheit: Eine neurodegenerative Erkrankung, die durch den Verlust von dopaminproduzierenden Neuronen in der Substantia nigra, einem Bereich im Mittelhirn, verursacht wird. Dies führt zu Zittern, Muskelsteifheit,Verlangsamung der Bewegungen und Gleichgewichtsstörungen.
Schizophrenie: Eine psychiatrische Erkrankung, die mit Veränderungen in der Struktur und Funktion von Neuronen im Gehirn einhergeht. Es wird vermutet, dass eine Überaktivität von Dopamin-Neuronen eine Rolle spielt.
Guillain-Barré-Syndrom (GBS): Eine seltene Autoimmunerkrankung, bei der das Immunsystem die Myelinscheide der peripheren Nerven angreift. Dies führt zu Muskelschwäche und Lähmungen.
Tollwut: Eine Viruserkrankung, die das Nervensystem befällt und zu Entzündungen des Gehirns und des Rückenmarks führt.
Bipolare Störung: Viele Untersuchungen weisen darauf hin, dass bipolare Störungen Hirnerkrankungen sind. Durch bildgebende Verfahren wurde bei Betroffenen während einer Krankheitsepisode eine veränderte Aktivität des so genannten limbischen Systems im Gehirn festgestellt. Das limbische System ist für das Empfinden und Verarbeiten von Gefühlen mit verantwortlich.
Neuronale Plastizität: Die Anpassungsfähigkeit der Nervenzellen
Ein bemerkenswerter Aspekt der Neuronen ist ihre Plastizität, die Fähigkeit, sich an Veränderungen anzupassen. Diese Plastizität ermöglicht es den Neuronen, sich durch wiederholte Aktivierung und Lernprozesse zu verändern, Verbindungen zu verstärken oder abzuschwächen und neue Verbindungen auszubilden. Neuronale Plastizität spielt eine entscheidende Rolle bei Lernen, Gedächtnis und Anpassung an neue Umgebungen.