Elektrische Isolierung von Nervenzellen: Funktion und Bedeutung

Die elektrische Isolierung von Nervenzellen ist ein fundamentaler Mechanismus, der eine schnelle und effiziente Signalübertragung im Nervensystem ermöglicht. Diese Isolierung wird hauptsächlich durch die Myelinscheide erreicht, eine lipidreiche Struktur, die Axone umgibt. Die Myelinisierung beeinflusst maßgeblich die Geschwindigkeit, mit der Aktionspotentiale entlang der Nervenfasern wandern.

Einführung in die Nervenzelle und ihre Bestandteile

Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die grundlegenden Bausteine des Nervensystems. Sie sind spezialisiert auf die Erzeugung, Weiterleitung und Übertragung elektrischer und chemischer Signale. Eine typische Nervenzelle besteht aus:

• Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und die grundlegenden Zellorganellen.
• Dendriten: Verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen und zum Zellkörper weiterleiten.
• Axon: Ein langer, kabelartiger Fortsatz, der elektrische Impulse (Aktionspotentiale) vom Zellkörper weg zu anderen Zellen transportiert.
• Synapsen: Kontaktstellen am Ende des Axons, wo die Nervenzelle Signale an andere Nervenzellen, Muskelzellen oder Drüsenzellen überträgt.

Die Rolle der Gliazellen

Neben den Neuronen spielen Gliazellen eine entscheidende Rolle im Nervensystem. Sie unterstützen die Neuronen in vielfältiger Weise, indem sie:

• Schützen und Abschirmen: Neuronen elektrisch abschirmen und so eine schnelle Erregungsleitung ermöglichen.
• Versorgen: Neuronen mit Nährstoffen versorgen.
• Abfedern: Gehirn und Rückenmark bei Erschütterungen abfedern.
• Filterfunktion: Sie halten die für die Nervenzellen erforderliche biochemische Umgebung aufrecht, produzieren für die Nervenfunktion erforderliche Substanzen, entsorgen störende Stoffwechselprodukte und bekämpfen eindringende Mikroorganismen.

Die Myelinscheide: Ein Isolator für Nervenfasern

Die Myelinscheide ist eine mehrschichtige, fettreiche Isolationsschicht, die Axone umgibt. Sie wird von speziellen Gliazellen gebildet:

• Oligodendrozyten: Im zentralen Nervensystem (ZNS)
• Schwann-Zellen: Im peripheren Nervensystem (PNS)

Die Myelinscheide besteht hauptsächlich aus Myelin, einer Mischung aus Proteinen und Lipiden. Sie umwickelt das Axon spiralförmig und bildet so eine isolierende Hülle.

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Myelinisierung

Myelinisierung ist die Umwicklung des Axons einer Nervenzelle mit einer Gliazelle. Die Myelinisierung lohnt sich für den Körper nur über längere Distanzen hinweg. Etwa 50 Prozent der Nervenzellen haben hier myelinisierte Axone.

Aufbau der Myelinscheide

Die Myelinscheide ist nicht durchgängig, sondern in Segmente unterteilt, die durch sogenannte Ranviersche Schnürringe voneinander getrennt sind. Diese Struktur ermöglicht eine saltatorische Erregungsleitung, bei der das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring springt, was die Geschwindigkeit der Signalübertragung erheblich erhöht.

Die Schwann-Zellen

Schwann-Zellen sind verantwortlich für den Aufbau der Isolation von Axonen. Sie verbrauchen in kürzester Zeit, meist in den Monaten nach der Geburt, grosse Mengen an verschiedenen Fettmolekülen (Lipide), um Axone mit Myelin zu ummanteln. Zentraler Schalter für den Aufbau der Fettmoleküle ist ein Enzym namens Fettsäure-Synthase (FASN), das in den Schwann-Zellen sitzt. Die Forscherinnen fanden, dass dieses Enzym unerlässlich ist für die richtige Lipid-Zusammensetzung in den Isolationsschichten und das gesunde Wachstum des Myelins. Die Zellen benötigen es zudem, um die Myelinisierung zu starten.

Funktion der elektrischen Isolierung durch Myelin

Die Myelinscheide erfüllt mehrere wichtige Funktionen:

• Beschleunigung der Erregungsleitung: Durch die saltatorische Erregungsleitung kann das Aktionspotential deutlich schneller übertragen werden als in unmyelinisierten Nervenfasern. Die Erregungsleitung ist die Weiterleitung von elektrischen Signalen zwischen Neuronen oder Neuronen und Muskeln.
• Energieeffizienz: Die saltatorische Erregungsleitung reduziert den Energieaufwand für die Aufrechterhaltung des Aktionspotentials, da nur an den Schnürringen Ionenkanäle geöffnet werden müssen.
• Schutz des Axons: Die Myelinscheide schützt das Axon vor Beschädigungen und äußeren Einflüssen.

Saltatorische Erregungsleitung

Ohne Myelin pflanzt sich ein solches Aktionspotential fort, indem es die Spannung an der Zellmembran Schritt für Schritt über die Gesamtlänge des Axons verändert. Wird ein bestimmter Schwellenwert überschritten, öffnen sich spannungsgesteuerte Membrankanäle, die schlagartig viele positiv geladene Natriumionen ins Zellinnere strömen lassen. Dadurch schnellt das Membranpotential an dieser Stelle noch weiter nach oben und schubst auch die weiter flussabwärts liegende Region über den Schwellenwert, sodass sich dort ebenfalls die spannungsgesteuerten Kanäle öffnen. Das Aktionspotential fließt so per Kettenreaktion bis zum Ende des Axons. Dieser Prozess läuft allerdings relativ langsam ab, mit einer Geschwindigkeit von rund einem Meter pro Sekunde.

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Dank der Isolierwirkung kann das lokal entstandene Aktionspotential sich vergleichsweise ungestört im Inneren des Axons als elektrisches Feld fortpflanzen. Dieses reicht aus, um an der nächsten Lücke, wo die Zellmembran freiliegt, dem Ranvierschen Schürring, den Schwellenwert für die Öffnung der spannungsgesteuerten Kanäle zu erreichen. Das Aktionspotential springt nun rasend schnell von einem Ring zum nächsten und ermöglicht so eine enorme Leitgeschwindigkeit - von bis zu 100 Metern pro Sekunde.

Faktoren, die die Leitungsgeschwindigkeit beeinflussen

Die Geschwindigkeit, mit der ein Aktionspotential entlang eines myelinisierten Axons reist, hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Axondurchmesser: Ein größerer Durchmesser reduziert den Längswiderstand und ermöglicht eine schnellere Ausbreitung des elektrischen Feldes.
• Dicke der Myelinscheide: Eine dickere Myelinscheide verbessert die Isolation und erhöht die Sprungweite des Aktionspotentials.
• Länge der Myelinsegmente: Kürzere Segmente erhöhen die Anzahl der Schnürringe und damit die Frequenz, mit der das Aktionspotential aktiv erneuert werden muss, was den Energieverbrauch erhöht.
• Temperatur: Wärmere Temperaturen vermögen die Reise zu beschleunigen.

Erkrankungen, die die Myelinscheide beeinträchtigen

Schädigungen der Myelinscheide können zu schweren neurologischen Erkrankungen führen, da die Signalübertragung im Nervensystem beeinträchtigt wird. Einige Beispiele sind:

• Multiple Sklerose (MS): Eine Autoimmunerkrankung, bei der das Immunsystem die Myelinscheide im ZNS angreift und zerstört. Dies führt zu Entzündungen und Demyelinisierung, was die Nervenleitgeschwindigkeit verlangsamt oder blockiert.
• Charcot-Marie-Tooth-Krankheit (CMT): Eine erbliche Neuropathie, die die peripheren Nerven betrifft und zu einem Abbau der Myelinscheide führt. Dies führt zu Muskelschwäche und sensorischen Störungen.

Multiple Sklerose

Bei der Krankheit der Multiplen Sklerose kommt es zur autoimmunen Entzündung und anschließenden Demyelinisierung der Nervenfasern im zentralen Nervensystem.

Forschung zur Myelinisierung und Remyelinisierung

Die Erforschung der Mechanismen der Myelinisierung und Remyelinisierung ist ein wichtiges Ziel der Neurowissenschaften. Das Verständnis, wie Oligodendrozyten und Schwann-Zellen die Myelinscheide bilden und reparieren, könnte zur Entwicklung neuer Therapien für Erkrankungen wie MS und CMT führen.

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Neuregulin-1 (Nrg-1)

Frühere Arbeiten aus dem Labor von Prof. Birchmeier hatten gezeigt, dass das Molekül Neuregulin-1 (Nrg-1) normalerweise die Transkription der Myelin-RNA auslöst. Nrg-1 aktiviert viele Signalwege. In der aktuellen Studie entdeckten Dr. Maria Sheean, Dr. Cyril Cheret und weitere Mitglieder der Forschungsgruppe von Prof. Carmen Birchmeier einen alternativen Signalweg, über den Zellen Myelinproduktion auslösen können.

Mek1

„Wir stimulierten den MAPK-Signalweg durch eine Form des Moleküls MAP kinase kinase 1 bzw. “„Mek1“, erläuterte Prof. Birchmeier. „Dieses Molekül aktiviert die Proteine Erk1, Erk2, S6 und eIF4E und führt zu einer kontinuierlichen Produktion neuer Myelinproteine und Enzyme, die Lipide produzieren. Mithilfe der SILAC-Methode erkannten wir, dass der Grund dafür nicht darin lag, dass die Zellen neue RNA produzieren. Die Wissenschaftler entdeckten, dass Schwann Zellen von Mäusen, die genetisch dahingehend verändert worden waren, dass sie eine überaktive Form von Mek1 produzierten, erhöhte Mengen von Myelin herstellten. Dies hatte zwei Effekte zur Folge: Der Rückgang der Myelin-Produktion, der normalerweise mit der Alterung einhergeht, wurde verhindert. Mit diesen Erkenntnissen bietet sich in der Suche nach neuen Behandlungsmöglichkeiten für Krankheiten, die die Myelinscheiden betreffen, ein mögliches neues Target an. „Mek1DD aktiviert den MAPK-Signalweg und überwindet die Kontrollmechanismen, die normalerweise die Myelinisierung beenden“, erläuterte Prof. Carmen Birchmeier.

Experimentelle Untersuchung von Nervenzellen und ihrer Eigenschaften

Nervenzellen können präpariert und freigelegt werden, um dann mit entsprechenden Werkzeugen und Gerätschaften daran spezielle Verschaltungsmuster, Nervenzell-Eigenschaften oder Potentialableitungen zu untersuchen.

Versuchsplanung zur Präparation von Nervenzellen

Vor der Präparation der Nervenzellen muss man sich zunächst die zellorganisatorischen Gegebenheiten des vorliegenden Organismus ins Gedächtnis rufen und den Versuch entsprechend planen. Eine Grille hat z.B. ein Strickleiternervensystem. Die Axone des Tintenfisches Loligo vulgaris z.B. sind unmyelinisiert und ziemlich groß und dick. Für eine elektrische Ableitung zur Messung des Ruhepotentials dieser Axone wird daher eine Verstärkeranlage für die Verstärkung des kleinen Signals benötigt. Das muss natürlich auch für die Bewertung und Diskussion der Ergebnisse berücksichtigt werden.

Beispiel: Ableitung des Aktionspotentials einer Grille bei optischem Reiz

1. Was möchte ich tun? Ableitung des Aktionspotentials des weiterleitenden Neurons bei einer Grille bei Konfrontation mit einem optischen Reiz
2. Welche Nervenzellen möchte ich messen, wo möchte ich ableiten und wie komme ich daran? Grillen besitzen gut identifizierbare Neurone, d.h., ein Reiz führt zur Erregung eines spezifischen Neurons und damit zu einem sehr großen, gut darstellbaren Aktionspotential. Die Grille hat ein sog. Strickleiternervensystem. Das bedeutet, es besteht aus einer Reihe von Ganglienpaaren, die über sogenannte Konnektive miteinander verbunden sind. Durch diesen Aufbau ähnelt das Aussehen des Nervenstrangs einer Strickleiter. Das Neuron für die optische Wahrnehmung kann im Brustbereich der Grille untersucht werden.
3. Präparation: Zunächst sollte man sich über die Anatomie der Grille informieren. Das Strickleiternervensystem der Grille liegt an der Bauchseite (ventral), d.h. nicht dorsal am Rücken wie bei Wirbeltieren. Für die Präparation müssen zunächst alle darüberliegenden Strukturen vorsichtig entfernt werden. Hierfür benötigt man kleine Präparationswerkzeuge und ein Mikroskop. Dann gilt: „Übung macht den Meister.“ Soll das Neuron komplett aus dem Organismus entnommen werden, sollte es vorsichtig herauspräpariert werden, um es so wenig wie möglich zu zerstören, und dann schnell überführt werden. ACHTUNG - Einzelne Neuronen können in der Regel nicht isoliert und überführt werden. Es sind immer Nervenstränge, d.h. Zusammenschlüsse von Neuronen, die mit einer Bindegewebsscheide geschützt sind. Ein Gegenbeispiel liefert allerdings Loligo mit seinem Riesenaxon dafür, dass unter bestimmten Gegebenheiten auch einzelne Zellen isoliert und verwendet werden können.
4. Messgeräte:
   • Ableit-Mikroelektrode: Diese Elektrode wird in das Neuron hineingestochen. Meist wird eine spitze Glaskapillare mit einem Draht, die mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt ist, verwendet. Durch den Draht ist sie mit einem Verstärker verbunden.
   • Verstärker: Vergrößert das Signal zur Darstellung
   • Vergleichs-/Referenzelektrode: Diese ist mit dem Außenmilieu verbunden und dient als Bezugspunkt, als Vergleich. Die Differenz ergibt das Ruhepotential in der Zelle (zumeist zwischen -70 und -90 mV)
   • Oszilloskop/PC: Das Oszilloskop bildet die Ladungsdifferenz (Spannungsmesser) auf einem Bildschirm ab. Wird ein Reiz aufgenommen und das Neuron erregt, kann man eine Veränderung erkennen. Das typische Aktionspotential-Bild wird dargestellt. Neben der Spannung können auch andere physikalische Parameter (Widerstand, Strom) gemessen werden.
5. Versuchsaufbau-Gestaltung: Zu Versuchsbeginn sollten alle benötigten Werkzeuge, Elektrolytlösungen, Messgeräte und Geräte zur Reizstimulation (in diesem Fall für einen optischen Reiz) bereitgestellt werden. Klassischer Versuchsaufbau zur Präparation einer Nervenzelle Der Nervenstrang wird komplett aus dem Modellorganismus isoliert und in eine dem zu untersuchenden Organismus entsprechende Elektrolytlösung überführt. Bei der Untersuchung eines lebenden Organismus wird der Nervenstrang mit einer Elektrode direkt angestochen. Zu Messung werden immer eine Messelektrode und einen Bezugspunkt durch die Referenzelektrode gewählt.

Neuronale Plastizität und Myelinisierung

Die Myelinisierung ist kein statischer Prozess, sondern kann sich im Laufe des Lebens verändern. Neuronale Plastizität, die Fähigkeit des Gehirns, sich an neue Erfahrungen anzupassen, beinhaltet auch Veränderungen in der Myelinisierung. Lernprozesse und Erfahrungen können die Struktur und Funktion der Myelinscheide beeinflussen, was sich auf die Geschwindigkeit und Effizienz der Signalübertragung auswirkt.

Lernen und Myelinisierung

Auch beim Menschen lässt sich beobachten, dass sich intensive und längerfristige Lernprozesse auf die weiße Substanz im Gehirn auswirken. Lernt man beispielsweise Jonglieren oder ein neues Instrument, nimmt die weiße Substanz im manchen Regionen zu; bestimmte Schaltkreise werden verstärkt myelinisiert, um die Signalübertragung dort zu verbessern. “Die Verschaltungen zwischen Neuronen über Synapsen sind nur eine Ebene der Kommunikation innerhalb eines Netzwerks, aber damit die Impulse auch zur richtigen Zeit am richtigen Ort ankommen, muss auch die Myelinisierung angepasst werden“, so Czopka.

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