Modell einer Nervenzelle: Aufbau und Funktion

Unser Körper besteht aus einer Vielzahl von Zellen mit spezifischen Aufgaben. Nervenzellen, auch Neuronen genannt, unterscheiden sich von anderen Zellen vor allem in ihrem Aufbau und ihrer Funktion. Um diese Funktion zu erfüllen, sind unzählige Nervenzellen zu riesigen Netzwerken verbunden. Allein in unserem Gehirn befinden sich bis zu 100 Milliarden Nervenzellen. Nervenzellen sind hochspezialisierte tierische Zellen, die sich im Laufe der Zelldifferenzierung aus Stammzellen bilden können.

Was ist eine Nervenzelle?

Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die Bausteine des Nervensystems. Sie sind für die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Reizen verantwortlich. Diese Reize ermöglichen es uns zu riechen, zu sehen, zu schmecken, zu hören und zu fühlen. Nervenzellen ähneln in ihrem Aufbau Quallen: Ein großer Zellkörper, aus dem ein oder mehrere Tentakel hervorkommen.

Aufbau einer Nervenzelle

Eine Nervenzelle besteht aus verschiedenen Teilen, die jeweils eine spezifische Funktion haben:

• Soma (Zellkörper): Das Soma enthält den Zellkern und die Zellorganellen, die für die Funktion der Zelle notwendig sind, wie Ribosomen, endoplasmatisches Retikulum und Mitochondrien. Der Zellkern steuert die Stoffwechselprozesse und das Zellwachstum. Die Mitochondrien stellen die Energieversorgung der Nervenzelle sicher. Nach erfolgter Reizweiterleitung wird Energie in Form von ATP benötigt, um das Ruhepotential wiederherzustellen und aufrechtzuerhalten.
• Dendriten: Die Dendriten sind die stark verzweigten Fortsätze des Zellkörpers. Sie dienen der Aufnahme von Signalen von anderen Nervenzellen. Über Synapsen sind sie mit anderen Nervenzellen verbunden.
• Axonhügel: Am Axonhügel, dem Übergang vom Soma zum Axon, werden die von den Dendriten aufgenommenen Erregungen gesammelt und summiert. Wenn ein bestimmter Schwellenwert überschritten wird, entsteht hier ein Aktionspotential, welches dann über das Axon weitergeleitet wird. Das Aktionspotential entsteht nur, wenn der Reiz stark genug ist, um die Depolarisationsschwelle zu überschreiten.
• Axon (Nervenfaser): Das Axon ist ein langer, unverzweigter Fortsatz, der der Weiterleitung von Signalen dient. Bei Wirbeltieren ist das Axon oft von einer Myelinscheide umgeben, die die Reizweiterleitung beschleunigt. Der längste Nerv in deinem Körper ist der Ischiasnerv, der vom unteren Rücken bis zum Fuß reicht. Er kann über einen Meter lang sein!
• Myelinscheide: Die Myelinscheide besteht aus Schwannschen Zellen, einer speziellen Form von Gliazellen, die das Axon umhüllen. Sie dient der Isolation des Axons und ermöglicht eine schnelle, "springende" Weiterleitung des Signals von Ranvierschen Schnürring zu Ranvierschen Schnürring (saltatorische Erregungsleitung). Weichtiere hingegen besitzen keine myelinisierten Axone.
• Ranviersche Schnürringe: Zwischen den einzelnen Abschnitten der Myelinscheide befinden sich Ranviersche Schnürringe, an denen das Axon frei liegt. Hier kann die Depolarisation der Axonwand stattfinden.
• Synaptische Endknöpfchen: An den synaptischen Endknöpfchen, den Übergangsstellen zu anderen Nervenzellen oder Zielzellen, werden die Signale in chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, umgewandelt und an die nächste Zelle weitergegeben.

Funktion einer Nervenzelle

Nervenzellen sind für die Reizweiterleitung im Körper verantwortlich. Sie nehmen Reize auf, leiten sie weiter und verarbeiten sie. Dieser Prozess ermöglicht es uns zu reagieren, wenn wir etwas berühren, sehen oder hören.

Reizaufnahme

Die Dendriten nehmen Reize von anderen Nervenzellen oder Sinneszellen auf und leiten sie zum Soma weiter.

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Reizweiterleitung

Wenn die Summe der an den Dendriten eingehenden Reize am Axonhügel einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotential ausgelöst. Dieses Aktionspotential ist eine kurzzeitige Änderung des elektrischen Potentials an der Zellmembran, die sich entlang des Axons ausbreitet.

Die Erregungsleitung erfolgt blitzschnell und kann eine Geschwindigkeit von bis zu 150 m/s (540 km/h) erreichen. Die Axone mancher Neuronen sind von Hüllzellen umgeben, die eine isolierende Funktion übernehmen. In gewissen Abständen befinden sich Einschnürungen zwischen den Hüllzellen. Nur an diesen Einschnürungen kann es zum Aktionspotential bzw. zum Ladungsausgleich zwischen den Schnürringen kommen. Die Weiterleitung ist an Axonen mit Hüllzellen springend und schnell.

Reizübertragung

Am Ende des Axons, an den synaptischen Endknöpfchen, wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Dabei werden Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt, der die Verbindung zwischen zwei Nervenzellen darstellt. Die Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der Oberfläche der nächsten Zelle und lösen dort ein neues elektrisches Signal aus.

Beispiel für die Reizweiterleitung

Wenn du zum Beispiel eine heiße Herdplatte berührst, nehmen Rezeptoren in deiner Haut den Reiz "Hitze" wahr. Die Dendriten der Nervenzellen leiten diesen Reiz zum Zellkörper weiter. Wenn die Erregung durch die Hitze stark genug ist, entsteht am Axonhügel ein Aktionspotential. Dieses wird entlang des Axons zu den synaptischen Endknöpfchen weitergeleitet. Dort wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt, indem Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Die Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der Oberfläche der nächsten Nervenzelle und lösen dort ein neues elektrisches Signal aus. So wird das Signal über miteinander vernetzte Nervenzellen bis in dein Gehirn geleitet. Dort wird es verarbeitet und das Gehirn erhält das Signal "Du berührst etwas Heißes". Das Gehirn sendet daraufhin ein Signal an deine Muskeln, die deine Hand von der Herdplatte wegziehen.

Diese Reaktion erfolgt sehr schnell, um dich vor Verletzungen zu schützen.

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Ruhepotential und Aktionspotential

Wie entsteht in der Zelle eine Spannung, die elektrische Impulse bewirkt? Die im Inneren der Zelle befindlichen negativ geladenen organischen Stoffe können die Membran des Axons nicht passieren, während die positiv geladenen Kaliumionen durchaus durch die Membran treten können. Kaliumionen sind in hoher Zahl im Zellinneren vorhanden und strömen naturgemäß vom Ort der höheren Konzentration weg. Gleichzeitig verlassen damit jedoch positive Ladungen das Zellinnere, wodurch dieses eine negative Ladung erhält. Deshalb werden nach einer gewissen Zeit Kaliumionen wieder angezogen. Es entsteht ein Gleichgewicht zwischen den ausströmenden Kaliumionen und den vom negativen Zellinneren angezogenen. In der Summe stellt sich eine negative Spannung des Zellinneren gegenüber dem Zelläußeren ein - das Ruhepotential. Das Ruhepotential einer tierischen Nervenzelle beträgt etwa -75 mV.

Bei einem Reiz wird die Ionenverteilung im Axon aktiv verändert. Beginnend am Zellkörper werden zuerst die Natriumkanäle in der Membran geöffnet und Natriumionen strömen ein, wodurch die Ladung im Inneren positiv wird. Kurz darauf öffnen sich Kaliumkanäle und Kaliumionen strömen aus. Anschließend wird das Ruhepotential wieder hergestellt. Die Fortführung des Aktionspotentials entlang des Axons kann nur in eine Richtung erfolgen, da die zurückliegende Membran nicht erregt werden kann. Unter Energieverbrauch stellen Natrium/Kalium-Pumpen ein Konzentrationsgefälle zwischen intrazellulärem Raum der Nervenzelle und dem umgebenden extrazellulärem Raum her.

Vielfalt der Nervenzellen

Es ist ein weit verbreiteter Irrtum anzunehmen, dass alle Nervenzellen die gleiche Struktur haben. Tatsächlich gibt es verschiedene Arten von Nervenzellen, die sich in ihrer Struktur und Funktion unterscheiden:

• Unipolare Nervenzellen: Sie haben nur einen kurzen Fortsatz (Axon) und keine Dendriten.
• Multipolare Nervenzellen: Sie kommen sehr häufig vor und haben mehrere Dendriten und ein Axon.
• Interneuronen: Sie haben eine Vermittlerfunktion zwischen anderen Nervenzellen.

Es ist bekannt, dass Nervenzellen mit ihrer großen Vielfalt an Strukturen verschiedene Funktionen erfüllen und auf dieselben Reize unterschiedlich reagieren können.

Dendritische Konstanz

Die elektrischen Antworten der Zellen auf synaptische Reize ("Strominjektionen") in ihren komplexen und unterschiedlich großen Zellfortsätzen sind jedoch weniger klar. Dabei sind die synaptischen Reize viel näher an der biologischen Realität als die Strom-Reize im Zellkörper. Anstatt die Reaktionen auf künstliche Strominjektionen in den Zellkörper zu untersuchen, befassten sich die Arbeitsgruppen daher speziell mit der Frage, wie die Reaktionen der Zellen durch die dendritische Größe und Form im Falle von mehreren, verteilten synaptischen Eingängen entlang des gesamten dendritischen Baums beeinflusst werden. Sie konnten mit ihrer computergestützten Modellierung zeigen, dass die Reaktionen von Zellen für einen großen Bereich bestehender dendritischer Bäume und unter bestimmten Annahmen über mehrere räumliche Größenordnungen hinweg konstant sind.

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Die Feuerrate verhält sich auf synaptischen Reize und dendritische Fortsätze ("Kabel") interagieren so, als ob das dendritische Kabel zu einem einzigen Punkt zusammenfallen würde, was die zellulären Antworten unabhängig von der dendritischen Größe und Form macht. Daher bleibt die Funktion der Zelle (d. h. ihre Feuerrate) erhalten, auch wenn die Zelle dendritische Veränderungen erfährt. Infolgedessen kann das Prinzip der dendritischen Konstanz die anatomische Robustheit der Aktivität, also die Aufrechterhaltung des erwünschten Zustandes, der Nervenzelle unterstützen. Dies scheint ein wichtiger Mechanismus nicht nur während der Entwicklung der Zelle zu sein, sondern auch bei verschiedenen Störungen wie der Alzheimer-Krankheit oder Epilepsie.

Denn wenn eine Nervenzelle wächst und reift, trägt das Prinzip der dendritischen Konstanz dazu bei, dass die Aktivität unverändert bleibt. Gleichzeitig kann eine Zelle auf krankhafte Veränderungen bis zu einem gewissen Grad reagieren, indem sie ihren dendritischen Baum umgestaltet. Im Anfangsstadium einer Erkrankung bauen die Zellen ihre Dendriten um, um die Informationsverarbeitung im neuronalen Netzwerk so lange wie möglich aufrechtzuerhalten. Aufgrund dieses Prinzips kommen sie zu dem Schluss, dass Zellen und Dendriten sich ähnlicher sind als bisher angenommen.

Reflexbogen

Der Neuron - Aufbau und Funktion ist grundlegend für das Verständnis des Reflexbogens. Ein Reflex beginnt mit der Aufnahme eines Reizes durch spezielle Rezeptoren. Die Reizweiterleitung erfolgt über das afferente Nervensystem zum Zentralnervensystem (ZNS). Im Rückenmark wird der Reiz durch Interneuronen verarbeitet, die als Regulatoren mit erregenden und hemmenden Synapsen fungieren. Bei der Klassifizierung unterscheiden wir zwischen Eigenreflexen und Fremdreflexen. Beim Eigenreflex liegen Rezeptor und Erfolgsorgan nah beieinander - wie beim Kniereflex. Die Neuronen Synapsen spielen eine zentrale Rolle bei der Reflexverarbeitung. Eigenreflexe sind monosynaptisch aufgebaut, das heißt sie nutzen nur eine Synapse zwischen zwei Neuronen. Die Reflexzeit - also die Zeit zwischen Reiz und Reaktion - unterscheidet sich deutlich: Bei Eigenreflexen beträgt sie etwa 20 Millisekunden und ist konstant. Eine wichtige Eigenschaft von Reflexen ist ihre Anpassungsfähigkeit.

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