Bevor wir uns mit den Unterschieden zwischen markhaltigen und marklosen Nervenzellen befassen, ist es wichtig, die grundlegende Struktur und Funktion einer Nervenfaser zu verstehen. Eine Nervenfaser ist ein langer, schnurähnlicher Teil einer Nervenzelle, der für die Weiterleitung von Signalen verantwortlich ist. Die Geschwindigkeit, mit der diese Signale übertragen werden, kann je nach Art der Nervenfaser variieren.
Was ist eine Nervenfaser?
Eine Nervenfaser ist ein Fortsatz einer Nervenzelle, der elektrische Impulse vom Zellkörper weg zu anderen Nervenzellen, Muskelzellen oder Drüsenzellen weiterleitet. Diese elektrischen Signale sind entscheidend für die Übertragung von Informationen und Anweisungen im Körper und ermöglichen Bewegungen, Empfindungen und die Regulation verschiedener Körperfunktionen. Das Axon entspringt am Axonhügel, einer spezialisierten Region der Nervenzelle, die sich typischerweise am Zellkörper (Soma) nahe dem Zellkern befindet.
Marklose Nervenfasern
Marklose Nervenfasern, auch nicht-myelinisierte Nervenfasern genannt, besitzen keine Gliazellen, die das Axon umhüllen. Das Axon liegt sozusagen "nackt" vor. Dies führt zu einer langsameren Reizweiterleitung.
Reizweiterleitung in marklosen Nervenfasern
Im Nervenzellkörper wird ein Reiz in ein elektrisches Signal umgewandelt, was zu einer Depolarisation der Zellmembran führt. Sobald ein bestimmter Schwellenwert erreicht ist, wird am Axonhügel ein Aktionspotenzial ausgelöst. Nachdem ein Aktionspotenzial durch eine Stelle der Nervenzelle gelaufen ist, muss das ursprüngliche Membranpotenzial wiederhergestellt werden. Hierfür werden Natrium-Kalium-Pumpen aktiviert, die Natrium aus dem Axon transportieren und Kalium in das Axon fließen lassen. Dieser Vorgang verbraucht Energie in Form von ATP. Die Axonwand ist regelmäßig mit Natrium-Kalium-Pumpen durchbrochen.
Vorkommen von marklosen Nervenfasern
Marklose Nervenfasern kommen vorwiegend in wirbellosen Tieren vor. Ein Beispiel ist die Biene, bei der eine Reizweiterleitung von etwa $\pu{3 m/s}$ aufgrund ihrer geringen Größe ausreichend ist. Beim Menschen finden sich marklose Nervenfasern beispielsweise in Magen und Darm.
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Beispiel: Das Riesenaxon des Tintenfisches
Ein bemerkenswertes Beispiel für eine marklose Nervenfaser ist das Riesenaxon des Tintenfisches. Mit einem Durchmesser von $\pu{500 - 1000 µm}$ ermöglicht es eine relativ schnelle Reizweiterleitung, obwohl es marklos ist.
Markhaltige Nervenfasern
Im Gegensatz zu marklosen Nervenfasern sind bei markhaltigen Nervenfasern in regelmäßigen Abständen Gliazellen um das Axon gewickelt, die Myelinschichten als Isolationsschicht bilden. Diese Gliazellen werden auch als Schwannsche Zellen bezeichnet. Zwischen benachbarten Schwannschen Zellen befindet sich jeweils ein Ranvierscher Schnürring.
Saltatorische Erregungsleitung
Die Schwannschen Zellen sind vorteilhaft für die Reizweiterleitung. Da eine Änderung des Membranpotenzials nur an den Ranvierschen Schnürringen stattfinden kann, erfolgt die Weiterleitung des Aktionspotenzials sprunghaft, auf saltatorische Weise. Mit einer Geschwindigkeit von bis zu $\pu{120 m/s}$ wandert der Reiz recht schnell, wodurch die Nervenfasern in der Informationsweitergabe effizienter arbeiten als marklose.
Natrium-Kalium-Ionenpumpen in markhaltigen Nervenfasern
Bei markhaltigen Nervenfasern besitzt das Axon nur an den Ranvierschen Schnürringen die Natrium-Kalium-Ionenpumpen. Durch diese räumliche Begrenzung konzentriert sich die Anzahl auf $\pu{12000 pro µm2}$. So können hohe Konzentrationen an Ionen schneller transportiert werden, ohne jedoch alle Pumpen in Gebrauch zu nehmen.
Bedeutung für den Menschen
Für Menschen sind markhaltige Nervenfasern für schnelle Reaktionen notwendig. Sie kommen überall im Körper vor und dienen nicht nur schnellen Bewegungen, sondern sind auch im Straßenverkehr für die Achtsamkeit und vor allem für Reaktionen auf Gefahrensituationen wichtig.
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Vergleich von markhaltigen und marklosen Nervenfasern
| Merkmal | Marklose Nervenfasern | Markhaltige Nervenfasern |
|---|---|---|
| Myelinscheide | Keine Myelinscheide | Myelinscheide durch Schwannsche Zellen |
| Reizweiterleitung | Kontinuierlich, langsamer | Saltatorisch, schneller |
| Geschwindigkeit | Niedriger, z.B. $\pu{3 m/s}$ bei Bienen | Höher, bis zu $\pu{120 m/s}$ |
| Natrium-Kalium-Pumpen | Gleichmäßig über das Axon verteilt | Konzentriert an den Ranvierschen Schnürringen |
| Vorkommen | Vorwiegend in wirbellosen Tieren, z.B. Magen und Darm | Überall im Körper von Wirbeltieren, z.B. für schnelle Reaktionen |
Die Rolle der Myelinscheide
Die Myelinscheide, die aus mehreren Schwannschen Zellen besteht, umwickelt die Axone mehrlagig und isoliert sie elektrisch. Die Ranvierschen Schnürringe zwischen den Schwannschen Zellen ermöglichen die saltatorische Erregungsleitung, bei der ein Aktionspotenzial an einem Schnürring ein neues Aktionspotenzial am nächsten Schnürring induziert.
Aufbau der Myelinscheide
Die Myelinscheide besteht aus Fetten und Proteinen und ist für die elektrische Isolierung verantwortlich. Bei marklosen Nervenfasern wickeln sich die Schwann'schen Zellen nur einfach um das Axon herum, ohne eine Myelinscheide zu bilden.
Funktion der Myelinscheide
Die Myelinscheide isoliert den Nervenzellfortsatz wie ein elektrisches Kabel. Dies ermöglicht eine deutlich schnellere Erregungsweiterleitung im Vergleich zu nicht myelinisierten Neuriten.
Einfluss des Axondurchmessers auf die Geschwindigkeit
Die Geschwindigkeit der Erregungsleitung hängt stark vom Durchmesser des Axons ab. Je dicker das Axon, desto schneller wird die Erregung weitergeleitet. Bei marklosen Axonen ist die Geschwindigkeit der Erregungsleitung der Quadratwurzel des Axondurchmessers proportional. Bei markhaltigen Axonen ist die Geschwindigkeit der Erregungsleitung dem Durchmesser des Axons proportional.
Historischer Kontext: Hermann von Helmholtz
Hermann von Helmholtz (1821 - 1894) leistete einen wichtigen Beitrag zur Erforschung der Nervenleitgeschwindigkeit. Ende des 19. Jahrhunderts konstruierte er eine Versuchsanordnung, mit der er die Geschwindigkeit der Erregungsleitung ziemlich genau bestimmen konnte. Er isolierte dazu einen Froschmuskel samt zuleitendem motorischen Nerv und reizte diesen elektrisch. Durch Messung der Zeit, die bis zum Zusammenzucken des Muskels verging, konnte er die Nervenleitgeschwindigkeit bestimmen.
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Axonaler Transport
Neben der Weiterleitung elektrischer Signale findet im Axon auch ein Stofftransport statt, der als axonaler Transport bezeichnet wird. Dabei können Stoffe wie Bestandteile von Synapsen, Zellorganellen oder Vesikel innerhalb des Nervensystems transportiert werden. Der anterograde Transport erfolgt über das Motorprotein Kinesin, der retrograde über Dynein.
Schädigung von Axonen
Eine Schädigung von Axonen, beispielsweise durch einen Unfall, kann zur Degeneration von Teilen der betroffenen Neuronen führen. Dies kann Probleme bei der Signalweiterleitung verursachen.
Klinische Relevanz: Multiple Sklerose
Bei der Multiplen Sklerose kommt es zur autoimmunen Entzündung und anschließenden Demyelinisierung der Nervenfasern im zentralen Nervensystem. Dies führt zu einer Beeinträchtigung der Nervenleitgeschwindigkeit und verschiedenen neurologischen Symptomen.
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