Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die fundamentalen Einheiten des Nervensystems und für die Reizweiterleitung im Körper verantwortlich. Sie ermöglichen es uns, die Welt um uns herum wahrzunehmen, zu denken, zu fühlen und zu handeln. Dieser Artikel beleuchtet den Aufbau und die Funktion von Nervenzellen, insbesondere die Rolle der Dendriten in Motoneuronen, und geht auf die Bedeutung dieser Strukturen für die Gesundheit und bei neurologischen Erkrankungen ein.
Aufbau und Funktion einer Nervenzelle
Eine Nervenzelle besteht aus verschiedenen Abschnitten, die jeweils spezifische Aufgaben erfüllen:
- Zellkörper (Soma oder Perikaryon): Enthält den Zellkern und die Organellen und ist das Stoffwechselzentrum der Zelle. Hier werden fast alle Stoffe synthetisiert, die die Zelle benötigt, und von dort in Axone und Dendriten transportiert. Das Cytosol, die flüssigen Bestandteile des Zytoplasmas, ist mit Wasser, Ionen und wasserlöslichen Molekülen gefüllt und wird von einem Netzwerk aus Proteinsträngen, dem Cytoskelett, durchzogen.
- Dendriten: Baumartig verzweigte Fortsätze, die aus dem Zellkörper hervorgehen und für den Empfang von Signalen von anderen Nervenzellen zuständig sind. Sie tragen Synapsen, die Kontaktstellen zu anderen Neuronen darstellen. Schätzungsweise 100 Milliarden Neurone im menschlichen Gehirn bilden etwa 100 Billionen Synapsen an ungefähr 150.000 Kilometern Dendritenkabel.
- Axonhügel: Übergangszone zwischen dem Zellkörper und dem Axon, in der elektrische Signale gesammelt und summiert werden. Wenn eine bestimmte Schwelle überschritten wird, wird ein Aktionspotential ausgelöst und an das Axon weitergeleitet.
- Axon (Neurit): Langer Fortsatz, der aus dem Axonhügel hervorgeht und Aktionspotentiale zu anderen Nervenzellen oder Muskelzellen leitet. Um eine schnelle und verlustfreie Weiterleitung zu gewährleisten, ist das Axon von Stütz- oder Hüllzellen umgeben. Außerhalb von Gehirn und Rückenmark werden diese Zellen als Schwann'sche Zellen bezeichnet.
- Myelinscheide: Isolierende Schicht um das Axon, die von Gliazellen (Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem, Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem) gebildet wird. Die Myelinscheide besteht aus lipidhaltigen Lamellen, die das Axon umhüllen und die Geschwindigkeit der Erregungsleitung erhöhen.
- Ranviersche Schnürringe: Freiliegende Axonbereiche zwischen den Myelinscheiden, die eine saltatorische Erregungsleitung ermöglichen, bei der das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring "springt" und so die Geschwindigkeit der Signalübertragung erhöht.
- Synaptische Endknöpfchen: Verdickte Enden des Axons, die Synapsen mit anderen Zellen bilden. Hier wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt, indem Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt werden, die dann an Rezeptoren der Zielzelle binden und die Erregung weiterleiten.
Die Rolle der Dendriten in Motoneuronen
Motoneurone sind spezialisierte Nervenzellen, die für die Ansteuerung der Muskeln verantwortlich sind. Sie erhalten synaptischen Input von anderen Nervenzellen über ihre Dendriten, die sich innerhalb des Rückenmarks befinden. Im Gegensatz dazu verlaufen die Axone der Motoneurone in peripheren Nerven bis zur Muskulatur und können eine Länge erreichen, die dem Zehntausendfachen des Durchmessers ihres Zellkörpers entspricht.
Die Dendriten der Motoneurone spielen eine entscheidende Rolle bei der Integration und Verarbeitung von Signalen, die von anderen Nervenzellen empfangen werden. Sie sind mit zahlreichen Synapsen besetzt, über die sie Informationen von anderen Neuronen erhalten. Diese Informationen werden dann zum Zellkörper weitergeleitet, wo sie verarbeitet und entschieden wird, ob ein Aktionspotential ausgelöst werden soll.
Eine zentrale Frage der neurobiologischen Grundlagenforschung ist, weshalb Nervenzellen derart viele Dendriten aufweisen. Die gängigen Hypothesen reichen von der Bereitstellung einer ausreichend großen Oberfläche für synaptischen Eingang bis zur Ausbildung hochspezifischer Kompartimentierungen für die molekulare Signalgebung und neuronale Informationsverarbeitung.
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Dendritische Architektur und Verhalten
Eine Studie an Motorneuronen von Drosophila hat gezeigt, dass die dendritische Architektur notwendig ist, um evolutionär festgelegte Verhaltensabläufe, die für den Paarungserfolg und das Überleben zentral sind, zu steuern. Die Forscher fanden heraus, dass das Entfernen der Dendriten die funktionelle Feinkontrolle dieser Motorneurone beeinträchtigt, was zu beträchtlichen Leistungseinbußen bei anspruchsvollem motorischen Verhalten wie etwa bei der Kontrolle der Flughöhe und dem Wechsel zwischen Gesangselementen beim Balzverhalten führt.
Dendriten und neurologische Erkrankungen
Strukturdefekte von Dendriten werden mit verschiedenen Gehirnerkrankungen in Verbindung gebracht wie etwa autistischen Störungen, Alzheimer-Demenz oder Schizophrenie. Allerdings ist oft unklar, ob strukturelle Defekte an Dendriten die Ursache oder die Folge von geschädigten Gehirnfunktionen sind.
Forschungsprojekte haben in Motoneuronen die Auswirkungen von Mutationen in Genen wie SMN, TDP-43 und FUS beobachtet, insbesondere die Verteilungsstörungen von mRNA-Molekülen und Veränderungen in der Translationskontrolle für die Proteinsynthese in Axonterminalen und deren Verzweigungspunkten. Diese Veränderungen können dazu führen, dass Nervenimpulse nicht auf den Muskel übertragen werden können.
Weiterhin nimmt das Ausmaß der Funktionseinbußen von Drosophila-Motorneuronen mit dem Umfang der Schädigung der Dendriten zu. Eine solche Korrelation des Grades der dendritischen Defekte mit dem Ausmaß der neuronalen Störung findet man auch während fortschreitender struktureller Schädigungen bei progressiven neurologischen Erkrankungen.
RNA-Transport und Proteinsynthese in Dendriten
Dendriten enthalten Ribosomen, die aus Ribonucleinsäure (RNA) und Proteinen bestehen und die lokale Synthese von Proteinen ermöglichen. Diese Proteine sind für die spezifischen Funktionen in den Dendriten relevant. RNA-Bindungsproteine wie TDP-43 und FUS spielen eine wichtige Rolle bei der Bindung und Prozessierung von RNA und Proteinkomplexen im Zellkern sowie dem Zellkörper von Motoneuronen.
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Die Blut-Hirn-Schranke
Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) ist eine physiologische Barriere zwischen dem Blutkreislauf und dem Zentralnervensystem, die das Gehirn vor Krankheitserregern und Giftstoffen schützt, aber auch den Transfer von Neurotransmittern und Wirkstoffen erschweren kann. Für die BHS sind vor allem die Endothelzellen der Kapillaren und die Astrozyten wichtig.
Forschung an Drosophila als Modellorganismus
Die Taufliege Drosophila wird als Modellorganismus verwendet, um dendritische Strukturen und Funktionen zu erforschen. Die experimentelle Herausforderung besteht darin, die Dendriten selektiv an einigen identifizierten Nervenzellen mit bekannter Funktion zu manipulieren, ohne andere Eigenschaften dieser Nervenzellen oder andere Nervenzellen zu beeinträchtigen, um dann die resultierenden Funktionsverluste zu analysieren.
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