Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die fundamentalen Bausteine des Nervensystems. Sie ermöglichen die schnelle Übertragung von Informationen in Form von elektrischen und chemischen Signalen. Eine spezialisierte Struktur, die eine entscheidende Rolle bei dieser Signalübertragung spielt, ist das Axon. Um das Axon herum finden sich Hüllzellen, die für die ordnungsgemäße Funktion des Nervensystems unerlässlich sind.
Was ist eine Nervenzelle?
Eine Nervenzelle ist eine spezialisierte Zelle, die Informationen in Form von elektrischen und chemischen Signalen empfängt, verarbeitet und übermittelt. Nervenzellen unterscheiden sich in ihrer Form stark von anderen Zellen des Körpers. Sie besitzen zwei Seiten: eine, um Informationen aufzunehmen und zu verarbeiten, und eine andere, um Informationen weiterzugeben.
Das Axon: Die Informationsautobahn der Nervenzelle
Das Axon, auch Neurit oder Nervenfaser genannt, ist ein langer, röhrenförmiger Ausläufer der Nervenzelle, der elektrische Impulse über weite Strecken im Körper überträgt. Es ist der Hauptfortsatz der Nervenzelle, der für die Weiterleitung von Informationen verantwortlich ist. Das Axon entspringt am Axonhügel, einer Verdickung am Zellkörper, wo Aktionspotentiale (elektrische Signale) generiert werden.
Die Hüllzelle: Schutz und Unterstützung für das Axon
Hüllzellen, auch Gliazellen oder Schwann-Zellen genannt, sind spezialisierte Zellen, die das Axon umhüllen und es dadurch elektrisch isolieren. Sie kommen nur im peripheren Nervensystem eines Wirbeltiers vor. Die Hüllzellen bilden die Myelinscheide, eine isolierende Schicht aus Fett und Protein, die das Axon umgibt. Im zentralen Nervensystem übernehmen Oligodendrozyten diese Aufgabe.
Aufbau der Hüllzelle
Schwann-Zellen kommen in Wirbeltieren immer in Kombination mit Neuronen vor. Sie sind in regelmäßigen Abständen an den Axonen von Neuronen lokalisiert, wobei sie die Substanz Myelin produzieren, die sich wie die Blätter auf einer Klopapierrolle um das Axon und die Schwann-Zelle legt. Die Abstände zwischen den einzelnen Schwann-Zellen werden Ranvier-Schnürringe genannt. Schwann-Zellen liegen somit immer im Verbund mit einem Axon zwischen dem Zellkörper (Soma) und den synaptischen Enden eines Neurons.
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Wird ein Querschnitt durch ein Axon mit seiner Ummantelung aus Schwann-Zellen gezogen, dann wird die Mantelstruktur der Schwann-Zellen erkennbar. Diese Mantelstruktur besteht aus einer Plasmamembran, die von den Schwann-Zellen produziert wird und zu einem Großteil aus Myelin besteht. Myelin ist ein lipidreiches Material, das den ummantelten Axonen eine weißliche Färbung gibt. Die eigentliche Schwann-Zelle hat dabei ihren Ursprung an der innersten Schicht der Myelinhülle und enthält in ihrem Inneren Mitochondrien. Wird Myelin produziert, wickelt es sich als Teil der Mantelstruktur von innen nach außen um die Schwann-Zelle und um das Axon. Die Umwicklung eines Axons mit Myelin wird Myelinscheide oder Markscheide genannt.
Funktion der Hüllzelle
Die Hüllzellen haben mehrere wichtige Funktionen:
- Elektrische Isolation: Die Myelinscheide wirkt wie ein Isolator und verhindert, dass elektrische Signale (Aktionspotentiale) entlang des Axons verloren gehen.
- Beschleunigung der Reizweiterleitung: Durch die Myelinscheide springen die Aktionspotentiale von Schnürring zu Schnürring (saltatorische Erregungsleitung), was die Geschwindigkeit der Reizweiterleitung deutlich erhöht.
- Stoffwechselunterstützung: Hüllzellen versorgen das Axon mit Nährstoffen und unterstützen den Stoffwechsel.
- Regeneration: Im peripheren Nervensystem können Schwann-Zellen beschädigte Axone regenerieren, indem sie eine Leitstruktur bilden, entlang der das Axon wieder auswachsen kann.
Markhaltige und marklose Nervenfasern
Je nach dem Vorhandensein einer Myelinscheide unterscheidet man zwischen markhaltigen und marklosen Nervenfasern.
- Markhaltige Nervenfasern: Diese Axone sind von einer Myelinscheide umgeben, die von Hüllzellen gebildet wird. Die Myelinscheide ist nicht durchgehend, sondern wird in regelmäßigen Abständen von den Ranvierschen Schnürringen unterbrochen. Die saltatorische Erregungsleitung ermöglicht eine sehr schnelle Reizweiterleitung.
- Marklose Nervenfasern: Diese Axone sind nicht von einer Myelinscheide umgeben. Die Reizweiterleitung erfolgt kontinuierlich entlang des Axons und ist daher langsamer als bei markhaltigen Nervenfasern.
Die saltatorische Erregungsleitung
Die saltatorische Erregungsleitung ist ein spezieller Mechanismus der Reizweiterleitung in markhaltigen Nervenfasern. Da die Myelinscheide das Axon isoliert, können Aktionspotentiale nur an den Ranvierschen Schnürringen entstehen, wo das Axon frei liegt. Das Aktionspotential "springt" also von Schnürring zu Schnürring, was die Geschwindigkeit der Reizweiterleitung deutlich erhöht.
Die Geschwindigkeit eines Aktionspotentials in einem Axon mit Schwann-Zellen und Myelinscheide beträgt ca. 100 m/s oder 360 km/h, was wesentlich schneller ist als die Weiterleitung in Axonen ohne Schwann-Zellen und Myelinscheiden. Das liegt an der weitaus höheren Anzahl der spannungsgesteuerten Ionenkanäle, die in einem Axon ohne Schwann-Zellen pro Strecke für eine Weiterleitung des Aktionspotentials geöffnet und geschlossen werden müssen. Schwann-Zellen ermöglichen durch die Ausbildung der Myelinscheiden eine schnellere Signalweiterleitung in den Axonen von Wirbeltieren.
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Vorteile und Nachteile der saltatorischen Erregungsleitung
Die Vorteile und Nachteile der saltatorischen Erregungsleitung durch Schwann-Zellen sind in der unten stehenden Tabelle zusammengefasst:
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Durch die erhöhte Weiterleitungsgeschwindigkeit sind bei gleichen Durchmessern von Axonen, schnellere Reaktionen möglich. | Schwann-Zellen und Myelinscheiden nehmen Platz ein, was besonders im Gehirn mit ca. 100 Milliarden Neuronen mit ihren Axonen ein Problem darstellt. |
| Axone mit einem geringeren Durchmesser können die gleiche Leistungsgeschwindigkeit erreichen, wodurch Material und Raum gespart wird. |
Axonale Schädigung und Regeneration
Axone können durch Verletzungen oder Krankheiten geschädigt werden. Die Durchtrennung von Axonen führt zur Degeneration (Abbau) von Teilen der betroffenen Neuronen. Im peripheren Nervensystem können Schwann-Zellen beschädigte Axone regenerieren, indem sie eine Leitstruktur bilden, entlang der das Axon wieder auswachsen kann. Im zentralen Nervensystem ist die Regeneration von Axonen jedoch stark eingeschränkt oder gar nicht möglich. Deshalb sind Schädigungen im zentralen Nervensystem (Gehirn & Rückenmark) besonders verheerend für den Organismus.
Neurobiologie: Die Erforschung des Nervensystems
Die Neurobiologie befasst sich mit der wissenschaftlichen Untersuchung des Nervensystems und dessen Funktionsweise. Im Fokus stehen die Struktur und Funktion von Nervenzellen, die Signalübertragung zwischen ihnen sowie komplexe neuronale Netzwerke. Die Forschung nutzt verschiedene Techniken wie Mikroskopie, Elektrophysiologie und bildgebende Verfahren.
Die Bedeutung der Hüllzelle für das Nervensystem
Die Hüllzelle spielt eine entscheidende Rolle für die Funktion des Nervensystems. Sie schützt und isoliert das Axon, beschleunigt die Reizweiterleitung und unterstützt den Stoffwechsel. Schädigungen der Hüllzellen können zu schweren neurologischen Erkrankungen führen, wie z.B. Multiple Sklerose, bei der die Myelinscheide abgebaut wird.
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