Die neuronale Steuerung des Zentralnervensystems (ZNS) ist ein komplexes und faszinierendes Feld, das die Mechanismen umfasst, durch die das Nervensystem Informationen verarbeitet und Reaktionen steuert. Das ZNS, bestehend aus Gehirn und Rückenmark, ist das Kontrollzentrum des Körpers und spielt eine entscheidende Rolle bei der Verarbeitung sensorischer Informationen, der Koordination von Bewegungen und der Steuerung kognitiver Funktionen.
Funktionelle Anatomie der neuronalen Steuerung
Die funktionelle Anatomie der neuronalen Steuerung beschreibt, wie Nervensysteme strukturiert sind, um ihre vielfältigen Aufgaben zu erfüllen. Dies ist ein zentraler Teil der Biologie, der das Verständnis, wie Lebewesen sich bewegen, reagieren und interagieren, ermöglicht. Das Nervensystem besteht aus verschiedenen strukturellen und funktionalen Einheiten:
- Neuronen: Spezialisierte Zellen, die elektrische Impulse übertragen. Ihre Struktur umfasst Dendriten, einen Zellkörper und ein Axon.
- Gliazellen: Unterstützende Zellen, die Neuronen bei der Funktion helfen, Nährstoffe bereitstellen und bei der Isolation helfen.
- Synapsen: Kontaktstellen zwischen Neuronen, an denen der Informationsaustausch stattfindet.
Diese Komponenten arbeiten zusammen, um schnelle und effiziente Reaktionen zu erzeugen.
Neuronen: Die Bausteine des Nervensystems
Neuronen, auch Nervenzellen genannt, sind die grundlegenden Einheiten des Nervensystems. Sie sind spezialisiert auf die Übertragung elektrischer Signale im Körper. Jedes Neuron besteht aus drei Hauptteilen:
- Dendriten: Diese verzweigten Fortsätze empfangen Signale von anderen Neuronen und leiten sie zum Zellkörper weiter.
- Zellkörper (Soma): Der Zellkörper enthält den Zellkern und andere Organellen, die für das Überleben und die Funktion des Neurons notwendig sind.
- Axon: Ein langer, dünner Fortsatz, der Signale vom Zellkörper weg zu anderen Neuronen, Muskeln oder Drüsen leitet. Das Axon kann von einer Myelinscheide umgeben sein, die die Signalübertragung beschleunigt.
Gliazellen: Die Helfer der Neuronen
Gliazellen sind nicht-neuronale Zellen, die eine Vielzahl von unterstützenden Funktionen im Nervensystem ausüben. Sie sind zahlreicher als Neuronen und spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Gesundheit und Funktion des Nervensystems. Es gibt verschiedene Arten von Gliazellen, darunter:
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- Astrozyten: Diese sternförmigen Zellen sind die häufigsten Gliazellen im Gehirn. Sie versorgen Neuronen mit Nährstoffen, regulieren die chemische Zusammensetzung der extrazellulären Flüssigkeit und bilden die Blut-Hirn-Schranke. Astrozyten können identifiziert werden, weil sie im Gegensatz zu anderen ausgereiften Gliazellen saures Gliafaserprotein (GFAP) exprimieren.
- Oligodendrozyten: Diese Zellen bilden die Myelinscheide um die Axone von Neuronen im ZNS. Die Myelinscheide isoliert die Axone und beschleunigt die Signalübertragung.
- Mikroglia: Diese Zellen sind die Immunzellen des ZNS. Sie phagozytieren Zelltrümmer und Krankheitserreger und spielen eine Rolle bei der Entzündung.
- Ependymzellen: Diese Zellen kleiden die Ventrikel des Gehirns und den Zentralkanal des Rückenmarks aus. Sie produzieren und zirkulieren die Zerebrospinalflüssigkeit. Säulenförmige Ependymzellen kleiden den Zentralkanal des Rückenmarks aus.
- Schwann-Zellen: Im peripheren Nervensystem (PNS) übernehmen die Schwann-Zellen die Funktion der Myelinisierung der Axone.
Synapsen: Die Verbindungsstellen zwischen Neuronen
Synapsen sind die Kontaktstellen zwischen Neuronen, an denen die Signalübertragung stattfindet. Es gibt zwei Arten von Synapsen:
- Chemische Synapsen: An chemischen Synapsen wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Wenn ein Aktionspotential das Axonende erreicht, werden Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt. Die Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Zelle und lösen dort eine Reaktion aus.
- Elektrische Synapsen: An elektrischen Synapsen sind die Neuronen durch Gap Junctions miteinander verbunden. Diese ermöglichen den direkten Durchtritt von Ionen und elektrischen Signalen von einer Zelle zur nächsten.
Funktionelle Organisation des Nervensystems
Das Nervensystem ist funktionell in zwei Hauptteile unterteilt:
- Zentralnervensystem (ZNS): Das ZNS besteht aus Gehirn und Rückenmark. Es ist das Kontrollzentrum des Körpers und verarbeitet Informationen, koordiniert Bewegungen und steuert kognitive Funktionen.
- Peripheres Nervensystem (PNS): Das PNS besteht aus allen Nerven und Nervenzellen, die sich außerhalb des ZNS befinden. Es verbindet das ZNS mit den Sinnesorganen, Muskeln und Drüsen.
Das PNS ist weiter unterteilt in:
- Somatisches Nervensystem: Steuert willkürliche Bewegungen der Skelettmuskulatur.
- Autonomes Nervensystem: Steuert unwillkürliche Funktionen wie Herzschlag, Atmung, Verdauung und Schweißproduktion.
Das autonome Nervensystem ist weiter unterteilt in:
- Sympathisches Nervensystem: Bereitet den Körper auf Stresssituationen vor ("Kampf oder Flucht"-Reaktion).
- Parasympathisches Nervensystem: Fördert Entspannung und Erholung ("Ruhe und Verdauung").
- Enterisches Nervensystem: Ein autonomes Nervensystem, das das Verdauungssystem unabhängig steuert.
Neuronale Steuerung der Muskelkontraktion
Die neuronale Steuerung der Muskelkontraktion beschreibt, wie Nervenimpulse Muskelbewegungen regulieren und kontrollieren. Dieses komplexe System ist entscheidend für die Durchführung geplanter und unbewusster Bewegungen.
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Signalübertragung und Muskelreaktion
Muskelkontraktionen werden durch ein koordiniertes Zusammenspiel von Nervensignalen und biochemischen Reaktionen gesteuert:
- Motoneuronen senden elektrische Signale vom zentralen Nervensystem zu den Muskeln.
- An den neuromuskulären Synapsen wird das Signal in den chemischen Botenstoff Acetylcholin umgewandelt, um es auf die Muskelfaser zu übertragen.
- Kalziumionen strömen in die Muskelfasern ein, um die Filamente Actin und Myosin zu aktivieren, die letztendlich zur Muskelkontraktion führen.
Bei jeder dieser Schritte wird Präzision benötigt, um sicherzustellen, dass die Muskeln genau so reagieren, wie das Gehirn es beabsichtigt.
Reflexbogen
Der Reflexbogen ist ein einfaches Beispiel für die funktionelle Anatomie der neuronalen Steuerung. Wenn ein Kniesehnenreflex ausgelöst wird, erfolgt eine direkte Kommunikation zwischen sensorischen und motorischen Neuronen, ohne dass das Gehirn zunächst eingreifen muss.
Techniken der neuronalen Steuerung
In der Biologie ist das Studium der Techniken der neuronalen Steuerung entscheidend, um zu verstehen, wie lebende Organismen ihre Körperfunktionen regulieren. Diese Steuerung ermöglicht es, auf interne und externe Reize effizient zu reagieren und ist ein zentraler Aspekt der Neurowissenschaften.
Neuronale Steuerung im ZNS
Das zentrale Nervensystem (ZNS) ist das Kontrollzentrum des Körpers und besteht hauptsächlich aus dem Gehirn und dem Rückenmark. Es spielt eine entscheidende Rolle in der neuronalen Steuerung durch:
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- Verarbeitung von sensorischen Informationen: Das ZNS verarbeitet und interpretiert Signale von den Sinnesorganen.
- Koordination von Bewegungen: Steuert sowohl willkürliche als auch unwillkürliche Muskelbewegungen.
- Kontrolle über kognitive Funktionen: Beeinflusst Denken, Erinnern und Lernen.
Neuronale Steuerung im Darmnervensystem
Das Darmnervensystem, auch bekannt als enterisches Nervensystem, arbeitet autonom, um die Verdauungsprozesse zu kontrollieren. Es spielt eine wesentliche Rolle in der neuronalen Steuerung des Verdauungstrakts durch:
- Regulierung der Motilität: Steuert die Bewegung von Nahrung durch den Verdauungstrakt.
- Verdauungsprozesse: Beeinflusst die Sekretion von Enzymen und die Aufnahme von Nährstoffen.
- Kommunikation mit dem ZNS: Sendet Signale an das ZNS, um den Ernährungszustand zu überwachen und notwendige Anpassungen zu treffen.
Intrinsische Steuerung des Axonwachstums durch die E3-Ligase Cdh1-APC
Axonales Wachstum ist während der Entwicklung des zentralen Nervensystems ein essenzieller Vorgang. Obgleich die extrinsischen Mechanismen gut charakterisiert wurden, gibt es wenig Einblick in intrinsische Signalwege, die das Axonwachstum steuern. In diesem Zusammenhang wurde die E3-Ligase Cdh1-APC als intrinsischer Wachstumshemmer in Neuronen identifiziert.
Cdh1-APC als Regulator des Zellzyklus und Axonwachstums
Die E3-Ubiquitin-Ligase Cdh1-APC ist ein essenzieller Regulator des Zellzyklus. Während der Zellteilung bindet Cdh1-APC an verschiedene Substratproteine und ubiquitiniert diese, was bedeutet, dass das Substrat mit dem hochkonservierten Protein Ubiquitin verbunden wird. Cdh1 erkennt seine Substrate aufgrund einer sog. D-Box (destruction box), welche die Bindung ermöglicht. Das Proteasom, die Proteinzerkleinerungsanlage der Zelle, erkennt die Ubiquitinierung und leitet den sofortigen Abbau der Substrate ein. Dadurch wird der Übergang zum nächsten Zellzyklusabschnitt sichergestellt. Cdh1-APC wird allerdings nicht nur in mitotischen Zellen exprimiert, sondern auch in Neuronen, die sich nicht mehr teilen.
Nukleäre Substrate der E3-Ligase Cdh1-APC
Da Cdh1-APC sich hauptsächlich im Nukleus der Neurone befindet und durch seine Aktivität dort das Axonwachstum bestimmt, wurde zunächst nach nukleären Substraten gesucht. Cdh1-APC bindet und ubiquitiniert die Transkriptionsfaktoren SnoN und ID2. Sowohl SnoN als auch ID2 stimulieren das Axonwachstum. Beide enthalten eine D-Box, wodurch sie von Cdh1 erkannt und abgebaut werden. Folglich sinkt ihre wachstumsstimulierende Aktivität und das Axonwachstum wird eingeschränkt.
Cytoplasmatische Substrate der E3-Ligase Cdh1-APC
Obwohl Cdh1-APC vorwiegend im Nukleus präsent und regulativ tätig ist, findet man Cdh1-Aktivität auch im Cytoplasma. Durch ein Schlüsselexperiment wurde die Vermutung unterstützt, dass die kleine GTPase RhoA im Zusammenhang mit Cdh1-APC an der Umsetzung der Inhibierung von Axonwachstum beteiligt ist. Weiterhin findet man unter Cdh1-RNAi -Bedingungen eine reduzierte Menge an RhoA am Wachstumskegel der Axone.
Cdh1-APC und der RhoA-Signalweg
Um eine Verbindung zwischen Cdh1-APC und RhoA herzustellen, wurde ein Kandidatenscreen durchgeführt, bei dem die E3-Ligase Smurf1 als neuer Bindungspartner von Cdh1 identifiziert wurde. Von Smurf1 war bekannt, dass es RhoA im Cytoplasma ubiquitiniert und seine Proteinmengen reguliert. Weiterhin konnte mit der RNAi-Methode gezeigt werden, dass Smurf1 das Axonwachstum beeinflusst, wofür die Lokalisation von Smurf1 sowohl im Nukleus als auch im Cytoplasma wichtig ist. Smurf1 bindet in einer D-Box-abhängigen Weise an Cdh1 und wird durch Cdh1-APC ubiquitiniert.
Ein weiterer neu identifizierter Bindungspartner von Cdh1 ist das Rho-GTPase-Aktivierungsprotein p250GAP, welches die Inaktivierung von RhoA bewirkt. p250GAP bindet an Cdh1 und stimuliert das Axonwachstum. Im Gegenteil zu Smurf1 scheint p250GAP nicht durch das Proteasom abgebaut zu werden.
Einfluss von körperlicher Aktivität auf das ZNS
Eine Fülle von Studien beschreibt den Einfluss akuter körperlicher Belastung auf ZNS-relevante Wachstumsfaktoren. In diesem Zusammenhang soll an dieser Stelle auf drei bekannte Vertreter dieser Gruppe, fokussiert werden. Neben dem Eingangs bereits erwähnten BDNF wird hier auch der Effekt auf den vascular endothelial growth factor (VEGF), sowie den insuline-like growth factor 1 (IGF-1) und deren Wirkung auf das ZNS besprochen. Für alle drei Faktoren ist bekannt, dass sie die Neurogenese stimulieren können, die zumindest partiell zu einer Volumenzunahme der Hirnmasse, z.B. im Hippocampus beitragen kann und direkt in Verbindung mit kognitiven Fähigkeiten steht. Darüber hinaus konnten Krityakiarana und Kollegen (34) im Tiermodell zeigen, dass auch die Proliferation von Oligodendrozyten durch körperliche Belastung stimuliert wird. Neben einem generellen neuroprotektiven Effekt lassen diese Studienergebnisse erahnen, welch großen Stellenwert die Bewegungstherapie bei neurologischen, bzw. neurodegenerativen Erkrankungen, wie Alzheimer, Parkinson und der multiplen Sklerose spielen kann.
BDNF und körperliche Aktivität
Bei Mäusen konnte infolge akuter körperlicher Belastungen ein drei bis vierfacher Anstieg der BDNF mRNA Expression in verschiedenen Hirnarealen festgestellt werden. Gomez-Pinilla et al. konnten zeigen, dass die zentrale belastungsabhängige BDNF Expression dabei epigenetischen Regulationsmechanismen unterliegt. Gut belegt sind in diesem Zusammenhang vorübergehende Steigerungen der peripheren BDNF Konzentration durch akute Ausdauerbelastungen von mindestens 30 minütiger Dauer. Das Ausmaß der akut ausdauerbelastungsinduzierten Steigerung der peripheren BDNF Konzentration zeigt sich dabei abhängig von der Intensität der Belastung.
Interessanterweise zeigen neurologisch oder psychiatrisch erkrankte Patienten bereits nach leichten bis moderaten Ausdauerbelastungen einen deutlichen Anstieg der peripheren BDNF Konzentration. In fast allen Studien zeigen neurologische und psychiatrische Patienten einen im Vergleich zu Gesunden geringeren BDNF Anstieg infolge von akuten Ausdauerbelastungen. Als Ursache hierfür wird eine reduzierte Bildungsrate oder ein erhöhter Umsatz von BDNF im geschädigten Nervensystem diskutiert.
Ein Schlüssel zum Verständnis der Beziehung zwischen Belastungsmodalitäten und BDNF Anstieg könnte ein Wirkzusammenhang zwischen aktivitätsinduzierter Laktatbildung und BDNF Expression darstellen. Für eine zentrale Rolle der Blutlaktatkonzentration bei belastungsinduziertem BDNF Anstieg spricht die Untersuchung von Schiffer und Kollegen, in der ein Anstieg der peripheren BDNF Serumkonzentration nach Laktatinfusion gezeigt werden konnte.
Für die Vermutung, dass die periphere die zerebrale BDNF Konzentration adäquat repräsentiert, sprechen jedoch Bestimmungen der arteriovenösen BDNF Differenz zwischen der A. radialis und der V. jugularis interna vor, während und nach verschiedenen Ausdauerbelastungen. Diese zeigen, dass sowohl in Ruhe als auch unter Belastung 70-80 % des zirkulierenden BDNF aus dem Hirn stammen.
Darüber hinaus ist bekannt, dass BDNF im ZNS über Bindung an seinen TrkB Rezeptor verschiedene Wirkkaskaden funktionaler und struktureller Hirnplastizität anregt, die die neuronale Grundlage von Lernen und Erinnerungsprozessen bilden.
Tierexperimentelle Befunde stützen die These von BDNF als entscheidendem Mediator akut aktivitätsinduzierter Verbesserungen von Leistungen des Langzeitgedächtnisses. Durch pharmakologische Blockade der zerebralen BDNF Expression konnte bei Ratten die belastungsinduzierte Verbesserung des räumlichen Gedächtnisses aufgehoben werden. Beim Menschen konnten signifikante positive Zusammenhänge zwischen dem belastungsinduzierten Anstieg der peripheren BDNF Konzentration und motorischen Gedächtnisleistungen sowie zwischen der Dauer der gesteigerten BDNF Level nach Belastung und verbalen Gedächtnisleistungen nachgewiesen werden.
Verglichen mit der Erforschung des Effekts akuter körperlicher Belastungen auf die periphere BDNF Konzentration, zeigt sich die Forschungslage zum Effekt von Trainingsinterventionen deutlich geringer ausgeprägt. Vorhandene Untersuchungen deuten darauf hin, dass Ausdauertraining die basale periphere BDNF Konzentration nicht beeinflusst.
Zusammengefasst deutet die gegenwärtige Forschungslage daraufhin, dass weder Ausdauer- noch Krafttraining zu einer Steigerung der basalen peripheren BDNF Konzentration führen. Vielmehr scheint eine ausgeprägte Ausdauerfitness mit einem verringerten BDNF Niveau vergesellschaftet zu sein. Darüber hinaus scheinen weder Ausdauer- noch Krafttraining die Reaktion der peripheren BDNF Konzentration auf akute Belastungen zu verstärken. Es gibt vielmehr Anzeichen dafür, dass der Anstieg an BDNF infolge von akuten Belastungen durch Ausdauertraining reduziert wird.
VEGF und körperliche Aktivität
Neben BDNF ist auch für das originär als Gefäßwachstumsfaktor beschriebene VEGF bekannt, dass dessen Expression durch bestimmte körperliche Belastungsinterventionen erhöht werden kann und mit einer Verbesserung von Gedächtnisleistungen einhergeht.
Mittlerweile weiß man, dass VEGF ähnlich wie BDNF die Neurogenese stimuliert und ferner zu einer verbesserten synaptischen Plastizität beiträgt, sowie neuroprotektive und regenerative Prozesse begünstigt.
Ähnlich wie bereits für den BDNF beschrieben, scheint auch hinsichtlich der VEGF Serumlevel eine Dosis-Wirkungsbeziehung zu bestehen, wobei höhere Intensitäten bei akuten Ausdauerinterventionen einen deutlich wirksameren Reiz darstellen.
IGF-1 und körperliche Aktivität
Mit dem IGF1 wird in der Literatur ein dritter Wachstumsfaktor beschrieben, dessen Expression sich durch körperliche Belastung erhöhen lässt und von dem bekannt ist, dass er sich ähnlich positiv auf die Neurogenese auswirkt.
Sowohl die Belastungsmodalität, als auch die Intensität dergleichen, scheinen einen maßgeblichen Einfluss auf die IGF1 Expression zu haben. Während intensive Ausdauerbelastungen mit einem deutlichen Anstieg der peripheren IGF1 Level assoziiert sind, haben moderate Ausdauerinterventionen weniger bis keinen Effekt auf die periphere IGF1 Serumkonzentration. Ähnliche Intensitäts-Wirkungs-Beziehungen lassen sich auch für Krafttrainingsinterventionen beobachten.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Sport in Abhängigkeit von Belastungsart, Dauer und Intensität die Konzentration neuronal wirksamer Wachstumsfaktoren beeinflusst. Die Literatur zeigt bislang, dass sich die damit einhergehende verstärkte Neurogenese v.a. positiv auf die Hippocampusformation auswirkt. Da diese fundamental zu Gedächtnisleistungen beiträgt, scheint es logisch, dass genau diese kognitive Domäne nach längeren Interventionen Verbesserungen aufweist.
Klinische Relevanz
Störungen der neuronalen Steuerung können zu einer Vielzahl von neurologischen Erkrankungen führen, darunter:
- Multiple Sklerose (MS): Eine chronische, entzündliche Autoimmunerkrankung, die zur Zerstörung von Oligodendrozyten und somit Demyelinisierung von Nerven im ZNS führt, was zur Schädigung und Degeneration von Axonen führt.
- Guillain-Barré-Syndrom (GBS): Eine Familie von immunvermittelten demyelinisierenden Polyneuropathien, die nach Infektionen auftreten, bei denen das Immunsystem die Myelinscheide und Schwann-Zellen angreift.
- Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Eine vereinzelt spontan auftretende oder vererbte neurodegenerative Erkrankung der ersten und zweiten Motoneurone.
- Parkinson-Krankheit: Eine fortschreitende neurodegenerative Erkrankung, die durch den Verlust von dopaminproduzierenden Neuronen in den Basalganglien (Stammganglien) des Gehirns verursacht wird.