Nervenzellen sind die Kommunikationszentren des Körpers, die es dem Gehirn ermöglichen, mit allen Körperteilen zu kommunizieren. Sie sind für die Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen verantwortlich, die alle Körperfunktionen, Bewegungen, Gedanken, Gefühle und Handlungen steuern. Lange Zeit standen sie im Schatten der Neuronen, doch nun wird immer deutlicher, wie viele und entscheidende Funktionen Gliazellen im zentralen Nervensystem besitzen.
Aufbau einer Nervenzelle
Stell dir eine Nervenzelle wie einen Baum vor: Sie hat Äste zum Empfangen, einen Stamm zum Verarbeiten und eine lange Wurzel zum Weiterleiten. Eine typische Nervenzelle besteht aus drei Hauptteilen:
- Zellkörper (Soma): Das Soma enthält den Zellkern und die meisten Zellorganellen. Hier werden Informationen verarbeitet und integriert. Es enthält einen Zellkern und Mitochondrien.
- Dendriten: Die Dendriten sind wie kleine Antennen, die elektrische Signale von anderen Nervenzellen aufnehmen und zum Soma weiterleiten. Sie sind Ausläufer, die Signale von anderen Neuronen empfangen und zum Zellkörper leiten.
- Axon: Das Axon ist der längste Teil der Nervenzelle und funktioniert wie ein Kabel, das elektrische Signale über große Distanzen zu anderen Nerven- oder Muskelzellen transportiert. Es ist ein langer, röhrenförmiger Ausläufer der Nervenzelle. Es dient der Weiterleitung der Signale durch den Körper.
Am Axonhügel, dem Übergang vom Soma zum Axon, werden alle eingehenden Signale gesammelt und "bewertet". Hier werden Informationen gesammelt und summiert, bis ein Schwellenwert überschritten ist, der ein sogenanntes Aktionspotential auslöst.
Das Axon im Detail
Das Axon, oft auch als "Neuraxon" bezeichnet, ist ein langer, röhrenförmiger Ausläufer der Nervenzelle. Der Begriff Neuraxon ist einfach ein zusammengesetztes Wort aus „Neuron" (Nervenzelle) und „Axon“. Das Axon ist in gewisser Weise wie eine Informationsautobahn. Elektrische Signale, die als Aktionspotentiale bekannt sind, reisen entlang des Axons von der "Axonhügel", der Nähe des Zellkörpers, zum "Axonterminal", wo die Signale dann auf andere Zellen übertragen werden. Stelle dir das Axon wie ein langgezogenes Kabel vor, an dessen einem Ende der Zellkörper und an dessen anderem Ende eine andere Zelle ist. Ein elektrisches Signal startet am Zellkörper und bewegt sich entlang des Kabels (des Axons), bis es das Ende erreicht. Dort wird es auf die nächste Zelle übertragen.
Interne Struktur des Axons
Das Axon ist mehr als nur eine einfache Leitung für elektrische Signale. Es hat einen speziellen inneren Aufbau, der eine effiziente Signalübertragung gewährleistet. Eine solche Struktur ist das Zytoskelett des Axons. Es besteht aus Mikrotubuli, Neurofilamenten und Aktinfasern.
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- Mikrotubuli: Sind röhrenförmige Moleküle, die dem Axon Stabilität und Form verleihen.
- Neurofilamente: Sind Proteinstränge, die ebenfalls zur Stärkung des Axons beitragen und dabei helfen können, den Durchmesser des Axons zu kontrollieren.
- Aktinfasern: Diese in der Membran des Axons verankerten Fasern können auch zur Beweglichkeit von Zellen beitragen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt des axonalen Aufbaus ist die Anwesenheit von Myelin.
Myelinscheide und Schwann'sche Zellen
Die Schwann'schen Zellen umhüllen das Axon wie eine Isolierung um ein Stromkabel und bilden die Myelinscheide. 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. Diese Isolation beschleunigt die Weiterleitung von elektrischen Signalen entlang des Axons. Die Gliazellen bilden eine Isolierung um die Axone, die Myelinschicht, eine lipidreiche Membran. Diese Ummantelung erlaubt eine schnellere Erregungsleitung.
Ranviersche Schnürringe
Unterbrochen wird die Myelinscheide von Ranvier’schen Schnürringen, an denen das Axon frei liegt. Ionenkanäle und Kontakt mit dem Außenmedium hat das Axon nur an den Ranvier’schen Schnürringen, das Aktionspotential springt dann von Schnürring zu Schnürring.
Synapse
Die Verbindungsstelle zwischen zwei Neuronen heißt Synapse. Am Ende des Axons sitzen synaptische Endknöpfe. Hier geschieht die Umwandlung des elektrischen Reizes in ein chemisches Signal. Ein chemischer Botenstoff (Neurotransmitter) wandert daraufhin von den Synapsen zu den Dendriten einer nachgeschalteten Nervenzelle. Diese empfangen den Reiz wiederum als elektrisches Signal. So verläuft die Übertragung als eine Art Kettenreaktion immer weiter bis zum Gehirn, welches das Signal verarbeitet. Hier wird das elektrische Signal meist in ein chemisches Signal umgewandelt, damit die Information zur nächsten Zelle "springen" kann. Über die synaptischen Endknöpfchen werden chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, freigesetzt. Neurotransmitter bewirken an den Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle eine vorübergehende Öffnung von Ionenkanälen.
Funktion der Nervenzelle
Nervenzellen dienen der Informationsweiterleitung von Reizen durch unseren ganzen Körper. Die Aufgabe von Nervenzellen ist die Weiterleitung von Informationen. Die Steuerung der Reizübertragung bedarf einer exakten Kontrolle und Koordination - übernommen von spezialisierten Nervenzellen. Diese lagern sich in den zwei Schaltzentralen des Körpers zusammen: Gehirn und Rückenmark.
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Die Dendriten einer Nervenzelle empfangen ein Signal und leiten es an den Axonhügel im Zellkörper weiter. Elektrische Potentiale, die von einer Nervenzelle über die Dendriten aufgenommen werden, sammeln sich am Axonhügel. Hier werden eingehende Signale gesammelt (Membranpotential) und erst weitergegeben, wenn ein bestimmter Schwellenwert überschritten ist. Hier werden alle ankommenden Potentiale miteinander verrechnet.
Aktionspotential
Am Übergang zwischen Soma und Axon befindet sich der Axonhügel. Dort werden Informationen bzw. Dieses Aktionspotenzial wird entlang der Axone immer weitergeleitet, ohne an Stärke zu verlieren. Wenn das Aktionspotential die Synapsen erreicht, kommt es zur Ausschüttung der Botenstoffe in den synaptischen Spalt.
Damit ein Aktionspotential ausgelöst wird, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein. Zum einen muss der Reiz bewirken, dass das Membranpotential positiver wird. Einige der Kanäle in der Membran sind spannungsabhängige Ionenkanäle, die erst ab einer bestimmten Spannung für Ionen durchlässig werden. Zum zweiten muss die Reizintensität so hoch sein, dass die Depolarisation einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Ist dieser Schwellenwert erreicht, so öffnen sich unabhängig von der Stärke des Reizes schlagartig die spannungsgesteuerten Natrium-Ionenkanäle und anschließend auch weitere Kalium-Kanäle. Wenn das Aktionspotential zum nächsten Schnürring weitergesprungen ist, schließen sich die Ionenkanäle wieder und es stellt sich das ursprüngliche Ionenverhältnis ein. In dieser Zeit befinden sich die spannungsgesteuerten Ionenkanäle in der sogenannten Refraktärzeit. Das ist die Zeit, in der diese Kanäle nicht wieder geöffnet werden können.
Rolle der Ionen
Eine wichtige Rolle bei der Weiterleitung von Informationen spielen verschiedene elektrisch geladenen Teilchen. Hierbei wird zwischen negativen- (Anionen, z.B. Die Biomembran an einem Axon ermöglicht einen gewissen Ionentransport und ist semi-permeabel. Im nicht erregtem Zustand ist die Axonmembran für Kalium-Ionen gut durchgängig, für Chlorid-Ionen etwas schlechter, für Natrium-Ionen sehr gering und für organische Anionen, die negativ geladen sind, überhaupt nicht. Die Kalium-Ionen strömen also entlang des Konzentrationsgefälles in den extrazellulären Raum. Eine elektrische Spannung ist dann die Folge: Innen besteht ein Überschuss an negativen Ladungen, außen hingegen ein Überschuss an positiven Ladungen. Diese Ladungsdifferenz wird zusätzlich durch einströmende Chlorid-Ionen erhöht, da ein Konzentrationsgradient vom Extrazelllularraum zum inneren der Zelle besteht. Kalium-Ionen strömen nicht bis zum vollständigen Konzentrationsausgleich nach außen, da die elektrische Spannung dem Ausströmen entgegen wirkt. Dadurch stellt sich ein Gleichgewicht ein.
Eine wichtige Rolle spielt auch der aktive Transport über die sogenannte NatriumKalium-Pumpe. Außerhalb der Zelle befindet sich eine relativ hohe Konzentration von Natrium-Ionen, im Inneren der Zelle dagegen eine hohe Konzentration an Kalium-Ionen. Beide strömen entlang ihres Konzentrationsgradienten, Natrium also nach innen, Kalium nach außen. Membran sind jedoch geschlossen, sodass die Ionen nicht einfach in die Zelle strömen können. Einige Natrium-Ionen schaffen es jedoch trotzdem in die Zelle, man spricht hier vom sogenannten Leckeinstrom. Damit dieser nicht zu stark wird und die Natrium-Ionen im inneren der Zelle nicht zu einer Depolarisation führen, werden die Natrium-Ionen aktiv gegen das Konzentrationsgefälle durch die Natrium-Kalium-Pumpe aus der Zelle heraus transportiert. Diese Pumpe tauscht drei Natrium-Ionen aus dem Inneren der Zelle gegen zwei Kalium-Ionen aus dem extrazellulären Raum. Eine elektrische Reizung am Axonhügel der Nervenzelle löst eine Veränderung der Ionenkonzentration an der Innen- und Außenseite der Axonmembran aus.
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Geschwindigkeit der Erregungsleitung
Die Erregungsleitung erfolgt blitzschnell und kann eine Höchstgeschwindigkeit von bis zu etwa 150 m/s, also 540 km/h, erreichen. Bei Wirbeltieren findet man um das Axon herum die Myelinscheiden, die für eine schnellere Weiterleitung der Informationen sorgen.
Beispiel für die Reizweiterleitung
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.
Axon Funktion: Ein Unterschied zu anderen Neuronstrukturen?
Im Vergleich zu anderen Strukturen eines Neurons nimmt das Axon eine besondere Stellung ein. Die Dendriten des Neurons, die oft als Bäume dargestellt werden, sind Ausläufer, die Signale von anderen Neuronen empfangen und zum Zellkörper leiten. Es ist nicht unüblich, das Axon als das "Sprechrohr" des Neurons zu bezeichnen während die Dendriten oft als "Ohren" des Neurons bezeichnet werden. So gesehen ist das Axon das Kommunikationsinstrument eines Neurons, das es ihm ermöglicht, Botschaften an andere Zellen zu senden - eine einzigartige und zentrale Funktion, die das Axon von anderen Strukturen eines Neurons unterscheidet.
Der längste Nerv im menschlichen Körper: Der Nervus ischiadicus (Ischiasnerv)
Der längste Nerv in deinem Körper ist der Ischiasnerv, der vom unteren Rücken bis zum Fuß reicht. Er kann über einen Meter lang sein! Die längsten Axone im menschlichen Körper - die den Ischias-Nerv ausmachen - messen etwa einen Meter. Der längste Nervenzelle im menschlichen Körper ist der Nervus ischiadicus.
Der Aufbau einer Nervenzelle des Ischias entspricht dabei genau dem der übrigen Neurone - nur eben sehr viel größer.
Gliazellen: Die Helfer der Nervenzellen
Gliazellen sind selbst nicht direkt an der Reizweiterleitung beteiligt, im menschlichen Nervensystem erfüllen sie aber dennoch äußerst wichtige Funktionen. Als Stützzellen schützen sie die Neurone (die eigentlichen Nervenzellen), indem sie sie elektrisch abschirmen (was für eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist) oder eingedrungenen Stoffen im Blut (zum Beispiel Medikamenten) den Zugang zum Gehirn versperren. Zudem sind die Gliazellen für die Versorgung der Neurone mit Nährstoffen zuständig. Sie steuern auch den Fluss der zerebrospinalen Flüssigkeit (auch Liquor oder Nervenwasser genannt), die Gehirn und Rückenmark bei Erschütterungen abfedert.
Gliazellen sind grob in drei Arten zu unterscheiden: Die häufigste Form sind Astrozyten, mit einem Anteil von etwa 80 Prozent der gesamten Glia. Daneben kommen noch Oligodendrozyten und Mikroglia im ZNS vor.
- Oligodendrozyten zum Beispiel sind für die Myelinisierung der Ausläufer der Neuronen, den sogenannten Axonen, zuständig.
- Die Mikroglia, stellen das Immun- und Verteidigungssystem des Gehirns dar. Sie schützen es gegen Krankheitserreger und Verletzungen.
- Astrozyten, die ihren Namen von ihrer sternförmigen Struktur haben, sind eine sehr heterogene Gruppe von Zellen, die alle Zellarten im Gehirn umfasst, die nicht zur Mikroglia, Neuronen oder zu den Oligodendrozyten gehören. Ihnen werden verschiedene Funktionen zugeschrieben. Außerdem nehmen Astrozyten aktiv an der Kommunikation zwischen Neuronen teil.
Vielfalt der Nervenzellen
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. Interneuronen haben eine Vermittlerfunktion.
Forschenden der ETH Zürich, Schweiz, ist es erstmals gelungen, aus menschlichen Stammzellen in der Petrischale Hunderte verschiedene Typen von Nervenzellen herzustellen. Nervenzelle ist nicht gleich Nervenzelle. Je nachdem, wie fein man unterteilt, gibt es nach neusten Berechnungen im menschlichen Gehirn mehrere Hundert bis mehrere Tausend verschiedene Typen von Nervenzellen. Sie unterscheiden sich unter anderem in ihrer Funktion, der Anzahl und Länge ihrer Zellfortsätze und ihrer Vernetzung.
Bedeutung der Nervenzellenforschung
Mit ihren In-vitro-Nervenzellen möchten die Forschenden Zellkulturmodelle entwickeln, um bedeutende neurologische Erkrankungen wie Schizophrenie, Alzheimer, Parkinson, Epilepsie, Schlafkrankheiten oder Multiple Sklerose zu erforschen.
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