Nervenzellen, auch Neurone genannt, sind die fundamentalen Bausteine unseres Nervensystems. Sie agieren wie biologische Kabel, die elektrische Signale durch unseren Körper leiten und es uns ermöglichen, zu denken, zu fühlen und zu handeln. Dieser Artikel beleuchtet den Aufbau, die Funktion und die Prinzipien der Erregungsleitung von Nervenzellen, basierend auf den Erkenntnissen von Santiago Ramón y Cajal und anderen Pionieren der Hirnforschung.
Der Aufbau einer Nervenzelle: Ein Baum des Nervensystems
Stell dir eine Nervenzelle wie einen kleinen, spezialisierten Baum vor, dessen einzelne Teile bestimmte Aufgaben erfüllen:
- Dendriten: Diese ähneln den Ästen eines Baumes und empfangen Signale von anderen Zellen. Sie leiten diese Informationen dann zum Zellkörper weiter.
- Zellkörper (Soma): Hier werden die eingehenden Signale verarbeitet.
- Axon: Das Axon ist ein langer "Kabelstrang", der bis zu einem Meter lang sein kann. Es leitet elektrische Impulse vom Axonhügel bis zur Synapse weiter.
- Ranviersche Schnürringe: Diese Unterbrechungen in der Isolierung des Axons ermöglichen eine schnellere Signalübertragung.
- Synapse: Hier findet die Umwandlung von elektrischen in chemische Signale statt.
Die Signalübertragung: Vom elektrischen Impuls zum chemischen Botenstoff
Die Erregungsleitung beginnt, wenn eine Nervenzelle ein Signal empfängt und sich die elektrische Spannung an ihrer Membran ändert. Dieses Aktionspotential rast mit bis zu 120 m/s das Axon entlang zum Endknöpfchen.
An der Synapse angekommen, werden elektrische Signale in chemische umgewandelt. Wenn ein elektrischer Impuls am Endknöpfchen ankommt, verschmelzen winzige Bläschen (Vesikel) mit der Zellmembran. Diese Vesikel enthalten Neurotransmitter, chemische Botenstoffe, die in den synaptischen Spalt freigesetzt werden.
Die Transmittermoleküle schwimmen rüber zur anderen Zelle und docken an spezielle Rezeptoren an (funktioniert nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip). Diese Bindung löst in der empfangenden Zelle eine Reaktion aus, die entweder erregend oder hemmend sein kann.
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Interessant ist, dass starke Reize viele Aktionspotentiale pro Sekunde erzeugen, während schwache Reize nur wenige auslösen. Das Gehirn kann anhand der Frequenz der Aktionspotentiale und des Bereichs des Nervensystems, in dem die Erregung verarbeitet wird, erkennen, welche Art von Reiz vorliegt (z.B. Schmerz, Berührung).
Cajals Beitrag: Die Neuronendoktrin
Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts war es unklar, ob das Gehirn ein zusammenhängendes Netzwerk oder aus einzelnen Zellen besteht. Camillo Golgi entwickelte eine Silbernitratfärbung, die einzelne Neurone sichtbar machte. Santiago Ramón y Cajal nutzte diese Technik und formulierte die Neuronendoktrin: Diskrete Nervenzellen sind die grundlegenden Bausteine des Gehirns. Für ihre Leistungen wurden Golgi und Cajal 1906 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.
Synaptische Plastizität: Die Grundlage des Lernens
Die Stärke der synaptischen Übertragung, also die Effizienz, mit der ein Aktionspotential in der sendenden Nervenzelle die Empfängerzelle erregt, lässt sich durch die chemische Signalübertragung verändern. Dieser zusätzliche Parameter, eine Empfindlichkeitsänderung für einen bestimmten Zeitraum, wäre mit einer simplen passiven Diffusion elektrischen Stroms von einer Zelle zur nächsten wohl kaum zu verwirklichen. Diese Anpassungsfähigkeit wird als Kurzzeitplastizität bezeichnet. Sie ermöglicht uns, aufgrund von Sinneseindrücken oder als Ergebnis gedanklicher Prozesse unser Verhalten schnell und flexibel zu ändern.
Lernen bedeutet im Grunde genommen, diesen Prozess so zu verändern, dass es leichter oder schwieriger wird, die Nervenzelle auf der anderen Seite des Spalts zu erregen. Wissenschaftler nennen das Phänomen synaptische Plastizität. Aber wie verändern Erfahrungen die Synapse?
Langzeitpotenzierung (LTP): Synapsen stärken
1973 entdeckten Timothy Bliss und Terje Lømo einen Mechanismus, die Langzeitpotenzierung (LTP). Wenn eine Nervenzelle A immer wieder eine Nervenzelle B aktiviere, ändere sich die Verschaltung der beiden Zellen so, dass es für A immer leichter werde, B zu stimulieren. Stark vereinfacht kann man sich so auch die Entstehung bestimmter Assoziationen vorstellen. Bekannt wurde das Prinzip als „Neurons that fire together, wire together“. Also: Zellen, die gleichzeitig aktiv sind, verschalten sich auch.
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In der frühen Phase der LTP wird als erstes der Bedarf an einer Potenzierung ermittelt. Bedarf besteht, wenn eine Synapse mit hoher Frequenz aktiviert wird, was bei einem starken Reiz der Fall ist, und sich so äußert, dass präsynaptisch Botenstoffe noch ausgeschüttet werden, während gleichzeitig bereits postsynaptisch elektrische Potenziale ausgelöst werden. Ist dies der Fall, strömt zusätzliches Ca2+ in die Zelle, es werden weitere Kanäle geöffnet und es wandert ein Botenstoff von der Postsynapse zur Präsynapse, wo er die Transmitter-Ausschüttung verstärkt. Schon nach dieser frühen Phase der LTP werden also vermehrt Botenstoffe ausgeschüttet, die postsynaptisch mehr Kanäle aktivieren können, wodurch dort die Entstehung eines elektrischen Potenzials erleichtert wird.
Um eine andauernde Veränderung der Synapse zu erreichen, braucht es die zweite Phase. Diese kommt erst durch weitere Reizung in Gang und sorgt für eine ganze Kaskade chemischer Prozesse. Wichtigster Aspekt dabei ist, dass nach dem ersten chemischen Botenstoff außerhalb der Zelle - dem Botenstoff des Senders - in der postsynaptischen Nervenzelle nun ein zweiter Botenstoff, ein so genannter „second messenger“, aktiviert wird. Er setzt in der Nervenzelle die Produktion von Proteinen in Gang, die vom Zellkern zur Synapse wandern und dort für deren Ausbau sorgen. Präsynaptisch findet ein ähnlicher Prozess statt, so dass auf beiden Seiten die Kontaktfläche vergrößert wird und zusätzlich neue Kontaktstellen gebildet werden können.
Neue Synapsen und Nervenzellen: Das Gehirn als dynamische Baustelle
Es entstehen immer noch neue Synapsen und andere wegfallen, Zellen sich also durch neue „Berührungspunkte“ stärker miteinander verknüpfen oder voneinander abkoppeln können. Darüber hinaus gibt es Bereiche im Gehirn, in denen auch beim erwachsenen Menschen ganz neue Nervenzellen nachwachsen. Zum Beispiel im Hippocampus.
Konnektomik: Die Kartierung des Gehirns
Das einzige Ziel des Denkens ist es letztlich zu berechnen, welche von allen möglichen Handlungen dem Organismus am meisten nützt und wie diese Handlung am besten in eine Abfolge von Muskelkontraktionen umzusetzen ist. Im Zentrum aller Rechenvorgänge steht der Fluss von Informationen. Dieser hängt wiederum davon ab, wie die einzelnen Schaltelemente - im Gehirn die Nervenzellen - miteinander verbunden sind. Wenn wir wissen, "wer mit wem in Verbindung steht", können wir der Information im Gehirn folgen und bestimmen, welche Signale miteinander wechselwirken können und welche nicht.
Mit der viel besseren, im Nanometerbereich (10-9 m) liegenden Auflösung der in den 1940er Jahren erfundenen Elektronenmikroskopie (EM) ist es nun möglich, jede Synapse zu erkennen und jedem Draht zu folgen und damit im Prinzip das komplette Verbindungsmuster (Konnektom) eines Gehirns zu bestimmen.
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Herausforderungen und zukünftige Forschung
Noch sind viele Fragen um Aufbau und Funktionsweise der Nervenzellen nicht geklärt. Denn wie bei so vielen Wissensgebieten zeigte sich auch bei der Hirnforschung: Je mehr wir wissen, desto mehr Fragen stellen sich. Und so ist die Forschung inzwischen nicht nur mit molekularbiologischen und genetischen Methoden auf der Suche nach neuen Antworten, sie stellt auch immer wieder als gängig geltende Theorien in Frage. Ein Beispiel ist die Rolle der Gliazellen im Gehirn. Lange auf die Rolle von reinem Kitt reduziert, der die Nervenzellen an Ort und Stelle hält, gibt es aktuell eine große Diskussion darüber, ob sie möglicherweise ein ganz eigenes Informationssystem innerhalb des Gehirns darstellen.
Die Konnektomik steht vor der Herausforderung, die enormen Datenmengen zu bewältigen, die bei der Kartierung des Gehirns entstehen. Die Entwicklung neuer Bilderkennungsalgorithmen und der Einsatz von leistungsstarken Rechnern sind dafür unerlässlich.
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