Ständig gereizt? Diese Frage müssten unsere Nervenzellen wohl eindeutig mit "ja" beantworten. Doch auch wenn sie dauernd unter Strom stehen, ist von Chaos im Nervensystem keine Spur. Mit höchster Präzision und Schnelligkeit arbeiten Milliarden von Nervenzellen koordiniert zusammen, um Informationen auszutauschen und uns so Handlungen, Gedanken und Emotionen zu ermöglichen. Die Nervenzelle (med.: Neuron) ist eine hoch spezialisierte Zelle, die der Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Nervenimpulsen dient (sog. Erregungsleitung). Damit die Nervenzellen ihre Funktion als Kommunikationsspezialisten gut erfüllen können, sind sie zu einem großen Netzwerk, dem Nervensystem zusammengeschaltet. Allein in unserem Gehirn, dem Schalt- und Kontrollzentrum des Nervensystems, sind rund 100 Milliarden Nervenzellen im Einsatz.
Grundlagen der Neuronen
Aufbau und Funktion von Nervenzellen
Der Aufbau einer Nervenzelle ist komplex und faszinierend zugleich. Der Zellkörper der Nervenzelle, auch Soma genannt, enthält den Zellkern sowie alle Zellorganellen, die für die Funktionsfähigkeit der Zelle wichtig sind, darunter Nissl-Schollen, Golgi-Apparat und Mitochondrien. Von letzteren ist das Neuron aufgrund seines hohen Energiebedarfs in besonderem Maße abhängig. Dendriten sind feine Verästelungen des Zellkörpers (sog. Zellfortsätze), die über Synapsen mit anderen Nervenzellen in Kontakt stehen. Sie empfangen deren Signale und leiten sie anschließend an den Zellkörper weiter. Dendriten stellen also gewissermaßen die Antennenregion der Nervenzelle dar. Als Axon bzw. Neurit wird der Neuron Fortsatz bezeichnet, der aus dem Axonhügel hervorgeht und die elektrischen Impulse vom Zellkörper zum Ende der Nervenzelle leitet. Im Gegensatz zu den kürzeren Dendriten kann die Länge des Axons je nach Funktion und Lokalisation der Nervenzelle bis zu einem Meter und mehr betragen.
Der Axonhügel und die Impulsweiterleitung
Der Axonhügel bildet den Ursprung des Axons am Zellkörper der Nervenzelle. Hier werden die einkommenden elektrischen Impulse gesammelt und verrechnet, bis sie eine bestimmte Schwelle überschreiten. Haben sie das sogenannte Schwellenpotenzial erreicht, wird der Reiz (Aktionspotenzial) über das Axon zur nächsten Zelle weitergeschickt.
Schwannsche Zellen und die Myelinscheide
Schwannsche Zellen sind Stütz- und Hüllzellen der Neuronen im peripheren Nervensystem. Sie sind nicht direkt an der Reizweiterleitung beteiligt, sondern haben die Aufgabe, die Nervenzelle zu stabilisieren und zu ernähren. Als Myelinscheide oder Markscheide wird die von Schwannschen Zellen gebildete elektrische Isolationsschicht bezeichnet. Wie ein Verband legt sie sich um das Axon der Neuronen des peripheren Nervensystems herum und sorgt so nicht nur für deren Schutz, sondern auch für die Beschleunigung der Erregungsleitung.
Ranviersche Schnürringe und saltatorische Erregungsleitung
Im zentralen Nervensystem (ZNS), also dem Gehirn und Rückenmark, werden die Nervenzellen ebenfalls von einer Myelinscheide umgeben. Entlang des Axons ist die Myelinscheide immer wieder durch freiliegende Axonbereiche, die sogenannten Ranvierschen Schnürringe, unterbrochen. Diese Unterbrechungen ermöglichen es dem elektrischen Impuls, über längere umhüllte Bereiche zu springen und so eine höhere Geschwindigkeit zu erlangen. Die Forscher nennen das eine saltatorische Erregungsleitung.
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Synaptische Endknöpfchen und Neurotransmitter
Synaptische Endknöpfchen bilden das Ende der Nervenzelle, an dem mithilfe von Synapsen ankommende elektrische Signale zur nächsten Nervenzelle oder einer anderen Zelle (z. B. Meist wird das elektrische Potenzial dazu in sogenannten Neurotransmitter (Nervenbotenstoffe) „umgewandelt“. Zu den Neurotransmittern gehören eine Reihe chemischer Botenstoffe wie z. B. Acetylcholin, Noradrenalin, Dopamin oder Glutamat. Diese werden in chemischen Synapsen in kleinen Bläschen, den synaptischen Vesikeln, gelagert. In seltenen Fällen (z. B.
Die Rolle der Synapsen in der neuronalen Kommunikation
Zahlreiche Antennen und ein leistungsstarkes Datenkabel machen es möglich, dass Nervenzellen in Windeseile untereinander und mit anderen Körperzellen kommunizieren. Wichtige Schaltstellen bilden hierbei die Synapsen, deren Anzahl je nach Zelltyp zwischen genau einer und über 100.000 variieren. Trifft nun ein elektrisches Signal über das Axon am Nervenende ein, erhöht sich die elektrische Spannung an der präsynaptischen Membran, d. h. In der Folge bewegen sich mit Neurotransmittern gefüllte synaptische Vesikel in Richtung der Membran und verschmelzen mit ihr. Dabei werden die Botenstoffe in den synaptischen Spalt abgegeben und „wandern“ zur Empfängerzelle. Elektrisch geladene Teilchen strömen in die Zelle ein und verändern die Spannung der Empfänger Zelle (postsynaptisches Potenzial). Der entstehende Reiz wird anschließend über die Dendriten und dem Zellkörper zum Axonhügel weitergeleitet, wo bei einem ausreichend starken elektrischen Impuls ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Anschließend schließen sich die Natriumkanäle wieder. Die Spannung sinkt zurück auf das Ruhepotenzial (sogenannte Repolarisation). Nach dem Alles-oder-nichts-Gesetz lässt eine Erregung bei Überschreitung des Schwellenpotenzials immer ein Aktionspotenzial in gleicher Form, Größe und Dauer entstehen. Daher ist nicht die Größe des Aktionspotenzials für die Kommunikation der Nervenzellen entscheidend, sondern die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit (Frequenz). Dabei ist es wichtig, dass nach jeder Depolarisation mithilfe der Natrium-Kalium-Pumpe das Ruhepotenzial wieder hergestellt wird.
Klassifizierung von Nervenzellen
In der Neurobiologie können Nervenzellen nach verschiedenen Charakteristika eingeteilt werden.
Unipolare Nervenzellen: Definition und Besonderheiten
Unipolare Nervenzelle: Neuron mit einem Fortsatz (Axon); lange wurden die Sinneszellen der Augen dazu gezählt. In der Fachliteratur ist der Begriff "unipolare Nervenzelle" nicht ganz eindeutig definiert. Das Spektrum-Lexikon der Neurowissenschaften beispielsweise schreibt [1], dass unipolare Nervenzellen nur aus dem Soma und einem einzigen langen primären Fortsatz bestehen, der dann die Funktion eines Axons übernimmt. Nach Bear ist eine Nervenzelle unipolar, wenn das Soma einen einzigen Neuriten hat [2].
Bipolare Nervenzellen
Bipolare Nervenzelle: Neuron mit zwei separaten Fortsätzen (Axon und Dendrit); dient der Vermittlung bestimmter Sinne (z. B.
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Pseudounipolare Nervenzellen
Pseudounipolare Nervenzelle: Neuron, bei dem Dendrit und Axon aus einem gemeinsamen Fortsatz in der Nähe des Zellkörpers entspringen (z. B. Aus diesem Grund sind diese Zellen im Gegensatz zu unipolaren Nervenzellen nur "pseudo"-unipolar. Beide Fortsätze haben dabei die strukturellen und funktionellen Eigenschaften eines Axons. Der periphere, reizaufnehmende Fortsatz erhält seine Reize aus der Peripherie und dessen Fasern besitzen, ebenso wie der zentrale Fortsatz, eine Myelinscheide. Der zentrale Fortsatz leitet das Signal dann in das zentrale Nervensystem (ZNS). Das bei Erregung am Ende des peripheren Fortsatzes gebildete Aktionspotential wird also vom peripheren auf den zentralen Fortsatz direkt weitergeleitet.
Multipolare Nervenzellen
Multipolare Nervenzelle: Neuron mit vielen Dendriten und einem Axon; multipolare Nervenzellen gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nervenzellen (z. B.
Die Rolle der Dendriten
Dendriten als "Antennen" der Nervenzelle
Der Begriff "Dendrit" ist eine Bezeichnung für die baumartig verzweigten dünnen Zellfortsätze des Somas einer Nervenzelle. Die Dendriten sind die Informationsempfänger bzw. "Antennen" einer Nervenzelle. Sie sind meistens mit den synaptischen Endknöpfchen anderer Nervenzelle verbunden. Einige spezielle Nervenzellen besitzen keine Dendriten, so beispielsweise die Stäbchen und Zapfen der Netzhaut.
Dendritische Dornen und synaptische Verbindungen
Die Dendriten, die sich meist stark verzweigen, tragen kleine Fortsätze, die als dendritische Dornen (engl. "spines") bezeichnet werden. Diese 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.
Dendritenwachstum und neurologische Beeinträchtigungen
Das Gehirn des Menschen besteht aus ca. 100 Milliarden Neuronen, alle Dendriten dieser Zellen zusammen haben eine Gesamtlänge von vielen hundert Kilometern [2]. Würden all diese Dendriten unkontrolliert wachsen, wäre reines Chaos die Folge. 1970 verglichen Forscher die Dendriten geistig beeinträchtigter Kinder und normal entwickelter Kinde und fanden gravierende Unterschiede. Die Dendriten der geistig behinderten Kinder enthielten viel weniger Dornfortsätze als die Dendriten normal entwickelter Kinder. Die wenigen Dornfortsätze waren außerdem wesentlich länger bei den geistig behinderten Kindern, sie gleichen eher den Dornfortsätzen von ungeborenen Kindern.
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Weitere Zelltypen im Nervensystem
Gliazellen: Mehr als nur "Leim"
Um die zweite, wichtige Zellpopulation im Gehirn, die Gliazellen, halten sich trotz Gegenbelegen hartnäckig zwei Gerüchte. Das erste betrifft ihre Anzahl: Es gebe etwa zehnmal so viele Gliazellen wie Neuronen. Eine Studie von 2009 lässt aber vermuten, dass es wahrscheinlich genauso viele Gliazellen wie Neurone gibt. Das zweite Gerücht bezieht sich auf die Namensherkunft der Zellen: Das griechische Wort „glia“ bedeutet Leim. Lange Zeit glaubte man, die ausschließliche Funktion der Gliazellen sei, die Nachbarzellen zu isolieren, stützen und zu ernähren.
Astrozyten: Verkehrslotsen und Türsteher
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.
Oligodendroglia und Schwann-Zellen: Die "Isolatoren"
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.