Unser Körper ist ein komplexes System, das aus vielen verschiedenen Zelltypen mit spezifischen Funktionen besteht. Eine dieser spezialisierten Zellen ist die Nervenzelle, auch Neuron genannt. Neuronen unterscheiden sich von anderen Zellen insbesondere in ihrem Aufbau und ihrer Funktion, die auf die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Reizen aus der Umwelt zugeschnitten sind. Um diese Funktion zu erfüllen, sind Milliarden von Nervenzellen zu riesigen Netzwerken verbunden. Allein in unserem Gehirn befinden sich bis zu 100 Milliarden Nervenzellen.
Was ist eine Nervenzelle (Neuron)?
Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die kleinste eigenständige Funktionseinheit des Nervensystems. Sie ist eine hochkomplexe Struktur, deren regelrechte Funktion für die Kommunikation zwischen Gehirn, Organen und Geweben unerlässlich ist. Neuronen sind spezialisierte Zellen, die elektrische Signale empfangen, verarbeiten und weiterleiten können. Sie ermöglichen so die Koordination und Steuerung aller körperlichen und geistigen Prozesse.
Aufbau einer Nervenzelle
Ein Neuron besteht aus mehreren charakteristischen Abschnitten:
Soma (Zellkörper): Das Soma ist das runde oder ovale Zentrum der Zelle und enthält den Zellkern mit den genetischen Informationen sowie das Perikaryon. Hier laufen lebenswichtige Vorgänge wie der Zellstoffwechsel, die Produktion von Proteinen und die Abwehr von Krankheitserregern ab. Das Soma ist somit für die Energieversorgung der Nervenzelle zuständig.
Dendriten: Dendriten sind kurze, oft stark verzweigte Fortsätze, die vom Soma ausgehen. Sie dienen als Signalempfänger und nehmen Informationen von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren auf. Dendriten sind quasi die Ohren des Neurons, sie empfangen also die Informationen von anderen Neuronen. Weil ein Neuron meist sehr viele Dendriten hat und diese sehr verzweigt sind, spricht man auch vom Dendritenbaum. Bei einer chemischen Kommunikation der Nervenzellen sind die Dendriten nicht direkt mit den Nachbarzellen verbunden, sondern es besteht ein kleiner, flüssigkeitsgefüllter Spalt zwischen den Zellen, der Synaptische Spalt. Die vorangegangene Nervenzelle gibt Neurotransmitter in diesen Spalt ab, damit sie an die Dendriten der nachfolgenden Zelle binden und so das Signal übertragen. Demgegenüber besteht bei elektrischer Kommunikation der Nervenzellen ein direkter Kontakt der Dendriten mit den benachbarten Zellen.
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Axonhügel: Der Axonhügel bezeichnet den Übergang vom Soma zum Axon. Hier werden Informationen bzw. elektrische Signale gesammelt und summiert, bis ein Schwellenwert überschritten ist, der ein sogenanntes Aktionspotential auslöst. Im Axonhügel entscheidet sich, ob ein Reiz stark genug ist, um fortgeleitet zu werden, oder ob es sich lediglich um einen Störimpuls handelt, der nicht weiter zu bearbeiten ist.
Axon (Neurit): Bei einem Axon handelt es sich um einen langen, unverzweigten Fortsatz, der der Weiterleitung der Signale durch den Körper dient. Das Axon ist oft der längste Teil der Nervenzelle. Über dieses "Nervenfaserkabel" werden elektrische Signale vom Zellkörper fortgeleitet - manchmal über Entfernungen von mehr als einem Meter! Ein Axon kann sich dabei zu mehreren Endverzweigungen aufsplitteten, an deren Spitzen die Synapsen sitzen. Das Axon enthält ein Proteingerüst, die Mikrotubuli. Gebunden an Transportproteine wandern die im Zellkörper gebildeten Transmitter entlang der Mikrotubuli ans Ende des Axons, wo sie auf ihre Ausschüttung warten.
Myelinscheide (Markscheide, Schwannsche Scheide): Bei Wirbeltieren werden die Axone häufig zudem von einer speziellen Form von Gliazellen, den sogenannten Schwannschen Zellen, umgeben. Diese Zellen liegen hintereinander um das jeweilige Axon, sodass es von einer lamellenartigen Hülle umgeben wird: der Markscheide, Myelinscheide oder auch Schwannschen Scheide. Viele Axone sind von einer Myelinscheide, einer Markscheide aus isolierenden Zellen, eingehüllt. In regelmäßigen Abständen finden sich zwischen diesen Zellen kurze Unterbrechungen der Markscheide, die sogenannten „Ranvierschen Schnürringe“. An diesen Stellen liegt das Axon frei, es ist nicht-myelinisiert. Kommt es am Axonhügel zur Auslösung einer elektrischen Erregung, einem Aktionspotenzial, so „springt“ das Signal von einem Schnürring zum nächsten und lässt dabei die myelinisierten Teile des Axons aus. Damit erreicht es das Ende des Axons sehr schnell. Das ist vor allem bei den langen Nervenfasern zwischen Rückenmark und unterer Extremität sehr wichtig. Im Zentralen Nervensystem, also dem Gehirn und den Hirnnerven, bilden Oligodendrozyten die Markscheide.
Ranviersche Schnürringe: Den nicht-umhüllten Bereich eines Axons nennst du Ranvierschen Schnürring.
Synaptische Endknöpfchen: Die synaptischen Endknöpfchen bilden das Ende eines Neurons. Das elektrische Signal wird hier auf die nächste Nervenzelle oder zum Beispiel auf eine Sinnes- oder Muskelzelle übertragen. Dazu wird das elektrische Signal meist in ein chemisches Signal umgewandelt. Die Verbindung am Ende einer Nervenzelle mit einer anderen Zelle nennst du Synapse. In den meisten Fällen sind das chemische Synapsen. Das Endknöpfchen setzt chemische Moleküle in den synaptischen Spalt - die Lücke zwischen den zwei Zellen - frei. Dort binden sie an Rezeptoren und geben die Erregung weiter.
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Funktion einer Nervenzelle
Die Aufgabe eines Neurons ist es, Informationen im Körper zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Neuronen funktionieren dabei wie biologische Kabel: Sie nehmen Reize (zum Beispiel Berührung, Licht, Geräusche) auf und wandeln sie in elektrische Signale um. Diese Signale werden über das Axon zur nächsten Zelle oder ins Gehirn transportiert. Durch diese Kommunikation steuern Neuronen unzählige Prozesse - von simplen Reflexen bis zu komplexem Denken, Erinnern und Lernen.
Reizaufnahme und Signalverarbeitung
An ihren Dendriten empfangen Neuronen Signale von anderen Zellen oder Sinnesrezeptoren. Im Soma werden diese Impulse verrechnet - du kannst dir das vorstellen wie ein „kleines Wahlstudio“: Erreichen die eingehenden Reize einen gewissen Schwellenwert, wird das Signal weitergeleitet.
Aktionspotential
Kommt es zur Signalübertragung, öffnet sich am Axonhügel eine Kaskade von Ionenkanälen. Natrium-Ionen strömen blitzartig in die Zelle (Depolarisation), das Membranpotenzial kippt, ein Aktionspotenzial entsteht. Dieses Aktionspotenzial wird entlang der Axone immer weitergeleitet, ohne an Stärke zu verlieren. Das Aktionspotenzial ist ein kurzer, elektrischer Impuls, der von der Nervenzelle erzeugt wird, wenn ein Reiz stark genug ist. Man kann es sich als eine Art 'Stromwelle' vorstellen, die das Axon entlangläuft. Das Aktionspotenzial sorgt dafür, dass Informationen auch über weite Strecken sehr schnell und zuverlässig innerhalb des Nervensystems übermittelt werden.
Reizweiterleitung
Das Aktionspotenzial läuft das Axon entlang bis zu den Synapsen. Dort sorgt ein weiterer ionengetriebener Prozess dafür, dass Neurotransmitter freigesetzt werden. Wenn das Aktionspotential die Synapsen erreicht, kommt es zur Ausschüttung der Botenstoffe in den synaptischen Spalt.
Synaptische Übertragung
Am Ende des Axons stehen die Synapsen. Sie sind die Schaltstellen, an denen Informationen von einer Nervenzelle zur nächsten weitergegeben werden. An der Synapse angekommen, wird das elektrische Signal meist in ein chemisches Signal, einen sogenannten Neurotransmitter, umgewandelt. Dieser überquert den synaptischen Spalt und löst in der nächsten Zelle ein neues elektrisches Signal aus. Das elektrische Signal des Axons wird an der Synapse in ein chemisches Signal umgewandelt, um dann am Dendriten der nächsten Nervenzelle wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden. Diese Übertragung dauert etwa eine Millisekunde.
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Über die synaptischen Endknöpfchen werden chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, freigesetzt. Neurotransmitter bewirken an den Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle eine vorübergehende Öffnung von Ionenkanälen.
Beispiel für die Reizweiterleitung
Gehen wir einmal anhand eines Beispiels durch, wie die Nervenzelle in ihrer Funktion der Reizweiterleitung arbeitet. Nehmen wir an, jemand tippt dir von hinten auf die Schulter. Die Dendriten der Nervenzelle leiten den Reiz zum Zellkörper weiter. Die Erregung durch das Antippen ist stark genug, dass am Axonhügel ein Aktionspotential entsteht. An der chemischen Synapse wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Dazu setzen die synaptischen Endknöpfchen chemische Moleküle (Neurotransmitter) in den synaptischen Spalt frei. Die Moleküle binden an Rezeptoren auf der anderen Seite des Spalts. Das führt zur Entstehung eines elektrischen Signals in der nächsten Zelle. Das Signal wird so über Nervenzellen bis in dein Gehirn geleitet. Dort wird es verarbeitet und das Gehirn erhält das Signal „Du wurdest berührt“.
Vielleicht hast du schon einmal bemerkt, wie schnell du deine Hand von einer heißen Herdplatte zurückziehst, wenn du sie aus Versehen berührst. Diese schnelle Reaktion wird durch deine Nervenzellen ermöglicht. Die Nervenzellen leiten die Botschaft von deiner Hand über dein Rückenmark zu deinem Gehirn und zurück, um eine Reaktion auszulösen und dich zu schützen.
Ein anderes Beispiel: Warum bleiben wir stehen, wenn wir eine rote Ampel sehen? Hierfür spielen Nervenzellen eine große Rolle. Wenn du zum Beispiel etwas siehst oder berührst, erfährt dein Körper einen Reiz. Der Grund: Über die Augen wurde ein Reiz wahrgenommen, etwa das Erblicken eines Balls, der über den Fahrradweg rollt. Das Gehirn „weiß“, dass dieser Ball dort nicht hingehört und eventuell eine Gefahr bedeuten könnte.
Arten von Nervenzellen
Du kannst die Nervenzellen anhand von verschiedenen Kriterien in Gruppen einteilen. Es gibt sensorische Nervenzellen, die Reize empfangen und zum Gehirn weiterleiten, motorische Nervenzellen, die nachfolgende Muskeln, Drüsen oder Gewebe stimulieren und Interneurone, die der direkten Reizmodulation und Verschaltung zwischen sensorischen und motorischen Nervenzellen dienen.
Alle Nervenzellen zusammen bilden in deinem Körper das Nervensystem. Neuronen lassen sich grob nach ihrer Funktion in drei Haupttypen unterteilen:
Sensorische (afferente) Neuronen: Sie nehmen Reize aus der Umwelt oder dem Körperinneren auf und leiten sie an das Gehirn und Rückenmark weiter. Sensorische Nervenzellen nehmen Reize aus dem Körper oder der Umgebung auf und leiten sie zur Verarbeitung an Rückenmark und Gehirn weiter.
Motorische (efferente) Neuronen: Sie leiten Befehle vom Gehirn oder Rückenmark an Muskeln oder Drüsen. Motorische Nervenzellen übertragen Informationen aus dem Gehirn an den Körper, um Reaktionen zu erzeugen. Trifft der motorische Reiz auf eine Muskelzelle, so kann eine aktive, bewusste Bewegung ausgelöst werden, beispielsweise das Öffnen der Augen oder das Heben des Arms. Auch unbewusste Steuerungsprozesse werden vom motorischen Nervensystem initiiert. Sie betreffen das autonome, vegetative Nervensystem, das sich in den Sympathikus und den Parasympathikus gliedert, welche die Reaktion des Körpers auf Stress und Bedrohungen sowie auf Phasen der Ruhe und Entspannung regulieren. Efferente Nerven leiten elektrische Impulse vom Zentrum (Gehirn, Rückenmark) zur Peripherie, beispielweise zur Skelettmuskulatur.
Interneuronen: Sie vernetzen verschiedene Neuronen untereinander - sie sind das „Schaltzentrum“ im zentralen Nervensystem und machen komplexe Reaktionen und Denkprozesse erst möglich. Bei den Interneuronen handelt es sich um eine besondere Gruppe von Nervenzellen, die weder dem motorischen noch dem sensorischen System direkt zugehörig sind. Sie verschalten und verarbeiten die Informationen im Gehirn und Rückenmark und vermitteln zwischen anderen Nervenzellen. Interneurone sind beispielsweise bei komplexen Reflexen wie dem Wegziehen der Hand bei einer Verbrennung beteiligt. Derartige Bewegungen erfordern die sofortige und gleichzeitige Aktivität vieler Muskeln. Indem die Interneurone unmittelbar die entsprechende Reaktion auslösen, ohne auf eine Rückantwort des Gehirns warten zu müssen, sorgen sie für eine viel schnellere Reaktion und vermindern den Schaden für das verletzte Gewebe. Afferente Nerven hingegen senden den Reiz von der Peripherie (z. B. der Haut) zum Gehirn.
Ein verbreiteter Irrtum ist anzunehmen, dass alle Nervenzellen die gleiche Struktur haben. Unipolare Nervenzellen haben nur einen kurzen Fortsatz (Axon) und keine Dendriten. Multipolare Nervenzellen kommen sehr häufig vor.
Je nachdem, welche Aufgabe der Nerv erfüllt bzw. in welche Richtung er die Informationen weiterleitet, wird er als efferenter (motorischer), afferenter (sensorischer) oder gemischter Nerv bezeichnet.
Auch das Nervensystem als Ganzes lässt sich in verschiedene Bereiche untergliedern: Wird anhand der Lage bzw. des Aufbaus differenziert, ist vom zentralen Nervensystem (ZNS) oder peripheren Nervensystem (PNS) die Rede. Erfolgt die Einordnung gemäß der Funktion, spricht die Neurobiologie vom somatischen (willkürlichen) Nervensystem und vom vegetativen (unwillkürlichen) Nervensystem. Sowohl peripheres und zentrales Nervensystem als auch das somatische und vegetative Nervensystem sind in ihrer Funktion miteinander gekoppelt.
Morphologische Klassifikation
In Bezug auf die Morphologie werden Nervenzellen in verschiedene Typen unterteilt, abhängig von ihrer äußeren Form und Struktur:
- Unipolare Nervenzellen: Sie besitzen einen einzigen Zellfortsatz, der sich nach Verlassen des Zellkörpers in einen empfangenden und einen aussendenden Anteil aufspaltet. Die Fasern innerhalb des Fortsatzes verlaufen anfänglich verflochten, sie sind lediglich in ihrer Funktion getrennt. Diese sind in der Lage, sensorische Informationen von der Peripherie zum Zentralnervensystem zu leiten.
- Bipolare Nervenzellen: Sie besitzen zwei Fortsätze, einen dendritischen und einen axonalen.
- Multipolare Nervenzellen: Sie besitzen viele Dendriten, mit denen sie die Informationen ihrer Nachbarzellen aufnehmen, und ein Axon, das die verarbeiteten Reize weitergibt. Typische multipolare Zellen sind motorische Neurone. Der am häufigsten vorkommende Typ von Neuronen sind jedoch multipolare Nervenzellen. Diese sind für komplexe Verarbeitungsprozesse und motorische Steuerung verantwortlich.
- Pseudounipolare Nervenzellen: Ähnlich wie unipolare besitzen auch pseudounipolare Nervenzellen einen einzelnen Fortsatz. Allerdings ist dieser in seinem Inneren von Anfang an klar in zwei parallel verlaufende Systeme getrennt: den dendritischen Empfänger und das ableitende Axon. Sensorische Nervenzellen sind klassische pseudounipolare Zellen. Ihre Zellkörper liegen im Rücken außerhalb des Rückenmarks in sogenannten Ganglien. Typisch für das periphere Nervensystem sind pseudounipolare Nervenzellen, die sensorische Signale von den Rezeptoren zum Zentralnervensystem weiterleiten.
- Apolare Nervenzellen: Apolare Nervenzellen hingegen weisen weder ein Axon noch Dendriten auf. Diese sind noch nicht entwickelt und haben daher noch keine Polarität. Finden sich v. a.
Neuronale Netzwerke
Neuronen bilden keine Einzelkämpfer, sondern verschalten sich zu hochkomplexen Netzwerken. Das neuronale Netz ist nun nichts anderes als eine Gruppe von Neuronen, die miteinander kommunizieren und auf diese Weise eine bestimmte Funktion ausüben. Jedes Neuron gibt dabei Informationen an beliebig viele andere Neuronen weiter und erhält gleichzeitig Signale von beliebig vielen anderen Neuronen. Schnittstellen sind immer die Synapsen.
Dieses neuronale Netz wird aber nicht etwa einmal geknüpft und dann für immer so belassen. Vielmehr ist es im Laufe des Lebens in ständiger Veränderung. Man spricht von neuronaler Plastizität: Neue Verbindungen zwischen Synapsen werden geschaffen (z.B. wenn wir etwas Neues lernen) und bestehende Verbindungen gekappt. Wird eine Synapse sehr häufig benutzt, verändert sich zudem ihre Struktur. Zum Beispiel werden mehr Rezeptoren an der postsynaptischen Membran eingebaut oder die Menge an ausgeschütteten Botenstoffen erhöht sich. Dadurch verbessert sich die synaptische Übertragung. Diesen Mechanismus bezeichnet man als Langzeitpotenzierung. Sie ist vermutlich die Grundlage dafür, dass wir Dinge erlernen oder langfristig im Gedächtnis abspeichern können, wenn wir sie in regelmäßigen Abständen wiederholen. Andersherum werden nicht genutzte Verbindungen mit der Zeit immer schwächer.
Plastizität und Lernen
Plastizität beschreibt die Fähigkeit, auf Erfahrungen, Lernen oder Verletzungen flexibel zu reagieren. Plastizität ermöglicht es den Neuronen, sich durch wiederholte Aktivierung und Lernprozesse zu verändern und Verbindungen zu verstärken / abzuschwächen oder neue Verbindungen auszubilden.
Erkrankungen der Nervenzellen
Wird die Myelinscheide der Nervenzelle beschädigt, so können Informationen nicht mehr mit der gewohnten Geschwindigkeit innerhalb des Nervensystems übermittelt werden. Zudem kann es zu Fehlreizen durch Kontakte mit benachbarten Zellen kommen, da die schützende Isolierung des Axons wegfällt. Krankheiten, bei denen die Nervenzellscheiden zerstört werden, sind unter anderem Multiple Sklerose (MS), die das Zentrale Nervensystem betrifft, sowie das Guillain-Barré-Syndrom (GBS), bei dem die Schwann-Zellen im Peripheren Nervensystem abgebaut werden.
- Morbus Alzheimer: Hier sterben bestimmte Nervenzelltypen im Gehirn ab, die Folge sind Gedächtnisprobleme bis hin zum vollständigen Verlust der Selbstständigkeit.
Manche Krankheitserreger nutzen den axonalen Transport, um sich entlang der Nervenzelle vom Ort ihres Eindringens in den Körper bis zum Gehirn fortzubewegen. Beispiele hierfür sind die Verursacher des Wundstarrkrampfes (Tetanus-Bakterien), die Auslöser der Tollwut (Rabies-Viren) und die Windpockenviren (Varizella Zoster). Beispielsweise unterdrückt Tetanustoxin die Freisetzung hemmender Botenstoffe, während aktivierende Transmitter ungehindert auf nachfolgende Muskelzellen wirken können. Bei der Injektion von Botulinomtoxin (Botox), führt wiederum die Unterdrückung des Neurotransmitters Acetylcholin zum gewünschten Effekt.