Neuronale Grundlagen: Ein umfassender Überblick über Nervenzelltypen und ihre Funktionen

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das für die Koordination und Steuerung aller Körperfunktionen verantwortlich ist. Seine grundlegenden Bausteine sind Nervenzellen, auch Neuronen genannt. Diese spezialisierten Zellen kommunizieren miteinander über elektrische und chemische Signale und ermöglichen so die Übertragung von Informationen im gesamten Körper. Um die Funktionsweise des Nervensystems zu verstehen, ist es wichtig, die verschiedenen Arten von Nervenzellen und ihre spezifischen Rollen zu kennen.

Nervenzelltypen: Definition und Überblick

Nervenzelltypen, auch Neuronentypen genannt, sind spezifische Arten von Nervenzellen, die unterschiedliche Funktionen im Nervensystem erfüllen. Sie sind die grundlegenden Bausteine des Nervensystems sowohl bei Menschen als auch bei Tieren.

Sensorische Neuronen

Sensorische Neuronen sind dafür verantwortlich, Signale von den Sinnesorganen zum Gehirn zu übertragen. Diese Neuronen wirken als erste Verbindung zwischen der Umwelt und dem zentralen Nervensystem und ermöglichen es uns, Reize wie Licht, Ton und Temperatur wahrzunehmen.

• Besonders wichtig für die sensorische Wahrnehmung
• Ihre Axone leiten Informationen weiter
• Verknüpft mit Rezeptoren in den Sinnesorganen

Ein Beispiel hierfür sind die Rezeptoren auf der Haut, die auf Temperatur reagieren. Diese senden Signale durch sensorische Neuronen zum Gehirn, wodurch wir Wärme oder Kälte empfinden.

Motorneuronen

Motorneuronen spielen eine wichtige Rolle bei der Bewegungskontrolle. Sie leiten Signale vom zentralen Nervensystem zu Muskeln und Drüsen, was zur Aktivierung und Steuerung von Muskelkontraktionen führt.

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Es gibt verschiedene Typen von Motorneuronen:

• Obere Motorneuronen: Leiten Befehle vom Gehirn an die unteren Motorneuronen.
• Untere Motorneuronen: Leiten letztendlich die Signale direkt an die Muskeln.

Die Degeneration von Motorneuronen kann zu schweren Erkrankungen wie ALS (Amyotrophe Lateralsklerose) führen.

Interneuronen

Interneuronen sind die Vermittler zwischen sensorischen und motorischen Neuronen. Sie sind maßgeblich an der Integration von Informationen und der Koordination von Reaktionen beteiligt.

• Hauptsächlich im Gehirn und Rückenmark zu finden
• Erleichtern die Kommunikation zwischen verschiedenen Nervenzelltypen
• Verantwortlich für Reflexe und komplexe Reaktionen

Interneuronen sind in der Lage, Erregungsmuster zu modulieren. Diese Fähigkeit ist entscheidend für das Lernen und das Gedächtnis, da sie die synaptische Plastizität beeinflussen, die wiederum die Fähigkeit des Gehirns zur Anpassung und Veränderung regelt.

Neuronale Strukturen und ihre Rolle

Neuronale Strukturen umfassen mehr als nur das einzelne Neuron. Jede Struktur hat eine spezifische Aufgabe, die zur Funktion des gesamten Nervensystems beiträgt. Die entscheidenden Abschnitte beinhalten den Dendrit, das Axon und den Synapsenendknopf. Jeder dieser Teile hat einzigartige Merkmale:

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• Dendriten: Empfangen Signale von anderen Neuronen. Dendriten sind oft die am kürzesten verzweigten und vielzähligen Teile einer Nervenzelle. Sie wirken wie die Antennen eines Neurons: Über Synapsen stehen sie in Kontakt mit Axonen oder Nervenzellkörpern, über welche sie hereinkommende Signale aufnehmen. Bis zu 10.000 Fortsätze dendritische Dornen kann ein einzelner Zellkörper haben.

• Axon: Leitet elektrische Impulse weiter. Das Axon wirkt wie ein Kabel, das die Signale des Neurons weiterleitet. Es kann sich über Entfernungen von bis zu einem Meter und mehr erstrecken. Leiten die Axone zum Gehirn, spricht man von afferenten Nervenfasern. Steuerbefehle vom Gehirn in die Peripherie, also etwa zu den Muskeln, nennt man efferent.

• Synapsenendknopf: Gibt Neurotransmitter frei, um Signale zu übertragen. Synapse: Der Bereich, an dem zwei Neuronen kommunizieren, indem sie chemische Botenstoffe, sogenannte Neurotransmitter, austauschen.

Ein typisches Beispiel für die Funktion neuronaler Strukturen zeigt sich in einem Reiz-Reaktionszyklus. Beispielsweise empfängt ein sensorisches Neuron einen Reiz über seine Dendriten, leitet den elektrischen Impuls über das Axon weiter und aktiviert schließlich ein motorisches Neuron an der Synapse, um eine Muskelbewegung auszulösen.

Synapsen und Neurotransmitter

Synapsen spielen eine entscheidende Rolle bei der Signalweiterleitung zwischen Nervenzellen. Sie nutzen Neurotransmitter als Botenstoffe, um Informationen von einem Neuron zum nächsten zu transportieren. Diese chemischen Substanzen sind maßgeblich daran beteiligt, die Richtung und Stärke der Signale zu regulieren.

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Neurotransmitter können entweder:

• Erregend: Erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass das nächste Neuron einen Impuls auslöst.
• Hemmend: Reduzieren die Wahrscheinlichkeit eines nachfolgenden Impulses.

Einige Neurotransmitter, wie Dopamin und Serotonin, sind entscheidend für Stimmung, Aufmerksamkeit und Belohnungssysteme im Gehirn. Diese Neurotransmitter können neuroplastische Veränderungen fördern, indem sie die synaptische Stärke durch Langzeitpotenzierung oder Langzeitdepression modifizieren. Dies beeinflusst Lernprozesse und Erinnerungen stark.

Neuroanatomie und Nervenzelltypen

Die Neuroanatomie ist ein weites Feld, das sich mit der Struktur und Funktion des Nervensystems befasst. Ein zentraler Bestandteil davon sind die verschiedenen Nervenzelltypen, die in ihrem Aufbau und ihrer Funktion differenzieren. Diese Zellen sind entscheidend für die Leistung des Gehirns und die verschiedenen Antworten auf Umweltreize.

Nervenzellen Funktion im Überblick

Nervenzellen, auch als Neuronen bekannt, sind spezialisierte Zellen, die elektrische und chemische Signale im Nervensystem übermitteln. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Zellkörper, Dendriten und einem Axon. Die strukturellen Unterschiede bestimmen, wie Informationen verarbeitet und übertragen werden.

• Dendriten empfangen Signale.
• Axone leiten Signale weiter.
• Synapsen übertragen Signale chemisch mit Hilfe von Neurotransmittern.

Ein detaillierterer Blick auf spezifische Nervenzelltypen zeigt Unterschiede in der Synapsendichte und -struktur. Einige Neuronen, insbesondere in Gehirnregionen wie dem Hippocampus, weisen eine dichtere Synapsenanordnung auf, was eine schnelle und effiziente Informationsverarbeitung begünstigt. Diese Synapsen sind in der Lage, durch Prozesse wie die Langzeitpotenzierung Lern- und Gedächtnisfunktionen zu unterstützen. Neuroplastizität ermöglicht es Neuronen, ihre Verbindungsmuster in Reaktion auf Reize zu verändern, was essenziell für Anpassungsprozesse ist.

Nervenzelltypen in neuronalen Netzwerken

Nervenzellen, auch als Neuronen bekannt, sind die entscheidenden Bausteine neuronaler Netzwerke. Unterschiedliche Nervenzelltypen haben sich entwickelt, um spezifische Funktionen im Nervensystem zu erfüllen. Diese Netzwerke sind komplex und ermöglichen die Vielseitigkeit der biologischen Funktionen.

Die Rolle eines Neurons innerhalb eines Netzwerkes wird häufig durch seine Struktur und Position bestimmt:

• Sensorische Neuronen: Nehmen externe Reize auf und leiten Informationen an das zentrale Nervensystem weiter.
• Motorische Neuronen: Übertragen Signale vom zentralen Nervensystem zu Muskeln und Drüsen, um Bewegungen oder Reaktionen auszulösen.
• Interneuronen: Stellen Verbindungen zwischen verschiedenen Neuronen her, insbesondere innerhalb des Gehirns und Rückenmarks.

Ein neuronales Netzwerk ist ein komplexes System aus interagierenden Neuronen, das Informationen verarbeitet und übermittelt, und so Funktionen im Nervensystem steuert und koordiniert.

Synaptische Verbindungen und Signalübertragung

Nervenzellen sind über Synapsen verbunden, spezielle Strukturen, die chemische und elektrische Signale übermitteln. Diese Verbindungen sind entscheidend für die neuronale Kommunikation:

• Erregende Synapsen: Verursachen eine Depolarisation, was die Wahrscheinlichkeit eines Aktionspotentials erhöht.
• Hemmende Synapsen: Führen zu einer Hyperpolarisation, was die Wahrscheinlichkeit eines Impulses verringert.

Diese Balance zwischen Erregung und Hemmung ist entscheidend für die richtige Funktion neuronaler Netzwerke.

Die Plastizität von Synapsen, die Fähigkeit, sich in Stärke und Anzahl zu verändern, ist wesentlich für das Lernen und die Gedächtnisbildung.

Entwicklung von Nervenzelltypen

Während der Embryonalentwicklung entwickeln sich Nervenzelltypen aus neuronalen Stammzellen im Neuralrohr. Diese Zellen durchlaufen Differenzierungsprozesse, die durch Signalmoleküle und genetische Faktoren gesteuert werden. Abhängig von ihrer Position und den Signalen entstehen verschiedene Nervenzelltypen wie Neuronen und Glia. Gliazellen unterstützen Nervenzellen, indem sie Nährstoffe bereitstellen, Abfallprodukte entfernen, die neuronale Erregbarkeit regulieren und Myelinscheiden bilden, die die Signalweiterleitung beschleunigen.

Identifizierung und Klassifizierung von Nervenzelltypen

Zur Identifizierung und Klassifizierung von Nervenzelltypen werden Methoden wie Elektrophysiologie, Genexpression-Analysen, Immunhistochemie, Einzelzellsequenzierung und bildgebende Verfahren wie konfokale oder Elektronenmikroskopie eingesetzt.

Die Kommunikation zwischen Nervenzellen

Um zu verstehen, wie Nervenzellen miteinander kommunizieren, muss man sich kurz den Aufbau einer Nervenzelle in Erinnerung rufen: Vereinfacht gesagt besteht ein Neuron in der Regel aus dem Zellkörper und mehreren Verästelungen, die mit anderen Nervenzellen in Kontakt stehen und über die Informationen empfangen oder gesendet werden. Der sendende Fortsatz heißt Axon, er kann bis zu einem Meter lang sein. Die empfangenden Fortsätze nennt man Dendriten. Ein Neuron kann mit 100.000 bis 200.000 Fasern anderer Nervenzellen in Austausch treten. Sind die ankommenden Signale von anderen Nervenzellen stark genug, wird also ein bestimmter Schwellenwert der Erregung überschritten, feuert das Neuron: Ein elektrischer Impuls, das so genannte Aktionspotenzial, schießt am Axon entlang in Richtung Synapse. Je nach Typ der Nervenzelle geht das langsam oder in schnellen Sprüngen: Im Extremfall kann die Erregungsleitung ein Tempo von 120 Metern pro Sekunde erreichen.

Gliazellen: Unterschätzter Klebstoff

Die Geschwindigkeit der elektrischen Weiterleitung hängt neben der Dicke des Axons (dicke Axone leiten schneller, dünne langsamer) auch von bestimmten Helferzellen ab, welche die Nervenfaser ummanteln: Im Gehirn und im Rückenmark sind das die Oligodentrozyten, im peripheren Nerv die Schwannzellen. Beide sind zwei Typen von Glia-​Zellen. Sie bilden häufig dichte, spiralförmige Hüllen um das Axon, die wie Perlen auf der Kette aufgereiht und von kleinen Aussparungen unterbrochen werden. Die Hüllen nennt man Myelin-​Scheiden, die Lücken dazwischen Ranvier´sche Schnürringe. Die Myelin-​Scheiden funktionieren wie die Isolierung eines Kabels. An diesen Stellen kann kein Aktionspotenzial entstehen - was dazu führt, dass sich der elektrische Impuls nicht kontinuierlich fortsetzt, sondern die Isolier-​Bereiche einfach überspringt.

Synaptische Endknöpfchen und Neurotransmitter

Das Aktionspotenzial erreicht schließlich das Ende des Axons, das synaptische Endknöpfchen. Dies ist die Kontaktstelle zu einer anderen Nervenzelle. Die Synapsen sind die zentralen Schaltstellen der Informationsübertragung im Gehirn. Jede Nervenzelle hat bis zu 10.000 davon, im Extremfall sogar mehr als 100.000. Weil aber die synaptischen Endigungen der Senderzelle die Empfängerzelle nicht direkt berühren, bleibt ein winziger Spalt von 20 bis 50 Nanometern zwischen beiden. Um diese Barriere zu überwinden, nutzen die meisten Synapsen chemische Botenstoffe - wenngleich es auch einige gibt, die rein elektrisch arbeiten. Bei chemischen Synapsen fusionieren nach der Ankunft eines Aktionspotenzials die so genannten synaptischen Vesikel - etwa 40 Nanometer kleine Bläschen - mit der Zellmembran und schütten Botenstoffe in den Spalt aus. Diese so genannten Neurotransmitter können den Spalt überqueren, der die präsynaptische von der postsynaptischen Zelle trennt.

Neurotransmitter: Botenmoleküle im Gehirn

Am postsynaptischen Neuron gibt es kompetente Annahmestellen für die Information: die Rezeptormoleküle. Jeder Rezeptor ist auf einen bestimmten Neurotransmitter spezialisiert wie ein Schlüssel und ein passendes Schloss. Die Neurotransmitter erzeugen in der Empfängerzelle das so genannte postsynaptische Potenzial, eine Veränderung im Membranpotenzial des Neurons: Das chemische Signal wird also wieder in ein elektrisches zurückübersetzt. Nervenzellen nutzen meist chemische Synapsen zur Kommunikation mit anderen Neuronen. An einem Neuron können hunderte bis tausende solcher Synapsen anderer Nervenzellen angedockt sein.

Das Alles-​oder-​Nichts-​Prinzip

Die Wirkung der Neurotransmitter ist nicht immer exzitatorisch, also erregend. Sie können auch inhibitorisch, hemmend agieren und so die Entstehung eines neuen Aktionspotenzials verhindern (Alles-​oder-​Nichts-​Prinzip). Die Information über die Stärke einer Erregung ist in der Anzahl der Aktionspotenziale und ihrem zeitlichen Abstand zueinander, der Frequenz, codiert. Besonders starke Reize lösen besonders viele und dicht aufeinanderfolgende Aktionspotenziale aus. Pro Sekunde kann eine Nervenzelle bis zu 500mal feuern.

Die synaptischen Vesikel

Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Jedes Nervenende im zentralen Nervensystem enthält durchschnittlich mehrere 100 synaptische Vesikel. Dennoch gibt es hier große Unterschiede: So gibt es beispielsweise Spezialisten unter den Synapsen, die mehr als 100.000 Vesikel enthalten. Dazu zählen die Synapsen, die unsere Muskeln steuern.

Wenn ein elektrisches Signal im Nervenende eintrifft, werden Calcium-Kanäle in der Plasmamembran aktiviert, durch die Calcium-Ionen vom Außenraum in das Innere der Synapse strömen. Sie treffen auf eine molekulare Maschine, die sich zwischen der Membran der Vesikel und der Plasmamembran befindet und die durch die hereinströmenden Calcium-Ionen aktiviert wird. Diese Maschine bewirkt, dass die Membran der Vesikel, die sich in der Startposition befinden, mit der Plasmamembran verschmilzt.

Die synaptischen Vesikel sind keineswegs nur eine Art membranumhüllte „Konservendose“ zur Speicherung der Botenstoffe. In ihrer Membran befindet sich eine ganze Reihe von Proteinen, die sich seit Millionen von Jahren durch die Evolution kaum verändert haben. Eine Gruppe dieser Proteine, die Neurotransmitter-Transporter, ist dafür verantwortlich, die Botenstoffe aus dem Zellplasma in die Vesikel hineinzupumpen und dort anzureichern. Dazu ist viel Energie erforderlich. Diese wird von einem weiteren Proteinmolekül bereitgestellt, einer Protonen-ATPase (V-ATPase), die unter Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) Protonen in die Vesikel hineinpumpt. Neben diesen für das „Auftanken“ erforderlichen Proteinen enthalten die Membranen synaptischer Vesikel weitere Komponenten, die dafür sorgen, dass die Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen können (darunter das SNARE-Protein Synaptobrevin und den Calcium-Sensor Synaptotagmin) und nach der Membranfusion wieder in das Nervenende zurücktransportiert werden. Die synaptische Vesikel werden anschließend im Nervenende über einige Zwischenschritte wieder recycelt und neu mit Botenstoffen befüllt.

Die Blut-Hirn-Schranke

Die Blut-Hirn-Schranke (BHS), ist eine physiologische Barriere zwischen dem Blutkreislauf und dem Zentralnervensystem. Aufgrund ihrer sehr selektiven Filterfunktion schützt die BHS das Gehirn einerseits vor Krankheitserregern und Giftstoffen. Andererseits erschwert diese Schutzfunktion zuweilen auch den Transfer von Neurotransmittern und Wirkstoffen, mit denen Ärzte eine neurobiologische Erkrankung behandeln wollen. Für die BHS sind vor allem zwei Zelltypen wichtig. Zum einen die Endothelzellen der Kapillaren: Sie kleiden die Blutgefäße zum Blut hin aus. Die Zellen sind über so genannte tight junctions eng miteinander verknüpft - das sind schmale Bänder von Membranproteinen, die sich straff um die Zellen herum winden. Diese tight junctions haben einen großen Anteil an der Schrankenfunktion der BHS. Zum anderen prägen Astrozyten die BHS: Sie bedecken mit ihren Fortsätzen („Füßchen“) die Kapillargefäße.

Die Anzahl der Neurone und Gliazellen im Gehirn

Die Zahl der Zellen im Gehirn ist schwierig zu bestimmen, schließlich kann man sie nicht alle einzeln zählen. Zudem ist nicht jedes Gehirn gleich, sodass sich zwangsläufig immer Abweichungen finden. Lange arbeitete man darum mit Schätzungen, denen zufolge es im Gehirn etwa 100 Milliarden Neurone und etwa zehnmal so viele Gliazellen geben soll. Eine viel beachtete Studie, die Wissenschaftler der Universität von Rio de Janeiro im Jahr veröffentlichten, ergibt jedoch ein anderes Bild. Die Forscher lösten vier Gehirne verstorbener Männer auf, nahmen jeweils Proben von den Flüssigkeiten und zählten nach. Neuesten Schätzungen zufolge gibt es im Gehirn etwa 86 Milliarden Neurone und ebensoviele Gliazellen.

Einteilung der Neurone nach Anzahl der Neuriten

Je nach Anzahl der Fortsätze werden Neurone in unterschiedliche Typen eingeteilt. Die meisten Neurone besitzen neben dem Axon viele Dendriten. Diese werden daher als multipolar bezeichnet. Eine bipolare Nervenzelle hat ein Axon und einen Dendriten, eine unipolare Nervenzelle besitzt nur ein Axon, aber keine Dendriten.

Weitere Klassifizierungen von Nervenzellen

Eine weitere Klassifizierung unterscheidet zwischen „bedornten“ oder „unbedornten“ Neuronen, wenn die Dendriten wie eine Rose kleine Dornen oder „spines“ aufweisen oder nicht. An diesen Dornen werden zumeist erregende Synapsen ausgebildet. Auch der Sitz im Körper und die spezifische Funktion einer Zelle können ausschlaggebend für ihre Bezeichnung sein. So werden Neurone, deren Neuriten an den sensorischen Oberflächen des Körpers sitzen, also zum Beispiel im Innenohr oder in der Netzhaut des Auges, als sensorische Neurone bezeichnet. Sie liefern Informationen an das Nervensystem weiter. Motorische Neurone oder Motoneurone haben Axone, die mit Muskeln Synapsen bilden und Bewegungen auslösen. Die meisten Neurone des Nervensystems sind jedoch mit anderen Neuronen verknüpft. Sie bezeichnet man als Interneurone. Sie haben meist kurze Axone und stehen mit Nervenzellen in der nahen Umgebung in Kontakt. Neurone, die mit anderen Nervenzellen im Kontakt stehen, deren Axone aber in weit entfernte Regionen des Gehirns reichen, nennt man Projektionsneurone.

Eine weitere Klassifizierung beruft sich auf die chemischen Eigenschaften von Nervenzellen. So werden jene Zellen, die an ihren Synapsen den Neurotransmitter Acetylcholin freisetzen, als cholinerg bezeichnet. Solche cholinergen Zellen sind zum Beispiel an der Kontrolle willkürlicher Bewegungen beteiligt. Um die Verwirrung komplett zu machen, werden manche Nervenzellen auch anhand ihres Aussehens und der Struktur ihrer Dendritenbäume eingeteilt. So gleicht der Zellkörper der Pyramidenzellen, die mit einem Durchmesser von bis zu 100 Mikrometern verhältnismäßig groß sind, einem Dreieck. Auch Sternzellen machen ihrem Namen alle Ehre. Körnerzellen wiederum haben ihre Bezeichnung erhalten, weil sie im Querschnitt des Hirngewebes körnig erscheinen.

Die Rolle der Gliazellen

Anfang der 80er Jahre entdeckten ein deutscher und ein amerikanischer Neurowissenschaftler parallel, dass auch die Membranen von Astrozyten, der häufigsten Gliazell-Art im Gehirn, Rezeptoren für Neurotransmitter besitzen - und somit mit anderen Zellen in Kontakt treten können. Daneben haben die Astroglia, Astrozyten oder Spinnenzellen im zentralen Nervensystem aber auch die Aufgabe, als Verkehrslotsen und Türsteher zu fungieren: Sie regulieren das chemische Milieu im extrazellulären Raum, indem sie Kalium-Ionen oder Glutamat aufnehmen können. Dadurch beeinflussen sie die Funktionen der benachbarten Zellen.

Eine ganz besondere Funktion erfüllen die Oligodendroglia (auch als Oligodendrozyten bezeichnet) im zentralen Nervensystem und die Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem. Sie bilden fettreiche Membranen aus, die sie in mehreren Schichten um ein Axon wickeln, um dieses zu isolieren. So bilden sie eine so genannte Myelinschicht (Myelin: griechisch für ‘Mark’) um die Axone. Da ein Axon in so einer Ummantelung aussieht wie ein Schwert in einer Scheide, sprechen Wissenschaftler auch von Markscheiden. Die Markscheiden beschleunigen die Weiterleitung von Nervenimpulsen entlang der Axone - dank der Myelinschicht werden sie zu regelrechten Datenautobahnen. Der Trick dabei: Die Myelinschicht wird immer wieder von kleinen Lücken durchbrochen, den Ranvier-Schnürringen. Die Weiterleitung der Reize im Axon erfolgt über elektrische Impulse. Weil aber an den Bereichen, an denen sich die Myelinschicht befindet, keine Erregung stattfinden kann, springt der elektrische Reiz sozusagen von Ranvier-Schnürring zu Ranvier-Schnürring. Die Forscher nennen das eine saltatorische Erregungsleitung.

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