Die Nervenzelle des Menschen: Aufbau, Funktion und Bedeutung

Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die grundlegende Baueinheit des Nervensystems. Sie ist hochspezialisiert für die Aufnahme, Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen in Form elektrischer und chemischer Signale. Unser Nervensystem besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die untereinander vernetzt sind und dadurch zu komplexen Rechenleistungen in der Lage sind.

Grundlegender Aufbau einer Nervenzelle

Alle Nervenzellen bestehen aus einem Zellkörper (Soma) mit Dendriten und einem Axon.

• Zellkörper (Soma): Das Soma enthält den Zellkern und die meisten Organellen. Es ist die Steuerzentrale der Zelle und reguliert wichtige Prozesse wie die Eiweißproduktion und die Zellaktivität. Das Soma bündelt die Dendriten im Axonhügel, welcher den Übergang zum Axon bildet.

• Dendriten: Dies sind fein verästelte Fortsätze des Zellkörpers. Sie bilden die Antennenregion der Nervenzelle und empfangen Signale von anderen Nervenzellen oder Sinneszellen. Eine einzige Nervenzelle kann bis zu 10.000 Verbindungen mit anderen Zellen eingehen. Die Dendriten nehmen Reize auf und leiten diese Erregungen an das Soma weiter.

• Axon: Das Axon ist ein langer, dünner Fortsatz, der vom Zellkörper ausgeht. Es leitet die Signale vom Soma weg zu anderen Nervenzellen, Muskelzellen oder Drüsenzellen. Manche Axone können über einen Meter lang werden. Das Axon kann sich am Ende zu sogenannten Kollateralen verzweigen, deren Enden dann synaptische Endknöpfchen (auch synaptische Endigungen genannt) bilden.

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• Axonhügel: Der Axonhügel bildet den Übergang zwischen Soma und Axon. Am Axonhügel werden alle Signale, die in eine Nervenzelle eingehen, gesammelt. Hier wird entschieden, ob ein Aktionspotenzial ausgelöst wird.

• Myelinscheide: Viele Axone sind von einer isolierenden Myelinscheide umgeben. Diese besteht aus Schwannschen Zellen (im peripheren Nervensystem) oder Oligodendrozyten (im zentralen Nervensystem), einer Art von Gliazellen, die das isolierende Myelin produzieren. Die Myelinscheide ist nicht durchgängig, sondern wird regelmäßig von Ranvierschen Schnürringen unterbrochen. Neuronen mit Myelinscheide nennt man markhaltig. Die Myelinscheide ist nicht nur ein mechanischer Schutz für das Axon sowie eine elektrische Isolierung, sondern hat vielfältigere Aufgaben.

• Ranviersche Schnürringe: An einigen Stellen fehlt die Myelinscheide, wodurch freie Stellen am Axon entstehen, die als Ranviersche Schnürringe bezeichnet werden. Die elektrischen Signale springen von Schnürring zu Schnürring (saltatorische Erregungsleitung).

• Endknöpfchen (Synaptische Endigungen): Das Axon endet mit dem Endknöpfchen, das mit benachbarten Nervenzellen oder Muskelzellen in Verbindung steht. Am synaptischen Endknöpfchen werden die Signale auf die folgende Nervenzelle übertragen.

Funktion der Nervenzelle: Reizweiterleitung und Informationsverarbeitung

Die Hauptaufgabe einer Nervenzelle ist die Reizweiterleitung und Informationsverarbeitung. Reize, die wir z. B. mit unseren Sinnesorganen aufnehmen, werden in elektrische Signale übersetzt. Diese Signale werden über die Nervenzellen an das Gehirn weitergeleitet.

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1. Reizaufnahme: Die Dendriten nehmen Reize von Sinneszellen oder anderen Nervenzellen auf.
2. Signalverrechnung: Am Axonhügel werden alle eingehenden Signale verrechnet. Wenn die Summe der Signale einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotential ausgelöst.
3. Signalweiterleitung: Das Aktionspotential wird entlang des Axons weitergeleitet. Bei markhaltigen Nervenzellen springt das Signal von Schnürring zu Schnürring, was die Geschwindigkeit der Reizweiterleitung deutlich erhöht (saltatorische Erregungsleitung).
4. Signalübertragung: Am Endknöpfchen wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt und binden an Rezeptoren der nächsten Nervenzelle.

Arten von Nervenzellen

Nervenzellen lassen sich nach ihrer Funktion in verschiedene Typen einteilen:

• Sensorische Nervenzellen (afferente Neuronen): Sie leiten Reize von den Sinnesorganen zum Gehirn oder Rückenmark.
• Motorische Nervenzellen (efferente Neuronen): Sie leiten Befehle vom Gehirn oder Rückenmark zu den Muskeln oder Drüsen.
• Interneuronen (Schaltneuronen): Sie verbinden sensorische und motorische Nervenzellen miteinander und verarbeiten Informationen innerhalb des Gehirns und Rückenmarks.

Synaptische Übertragung: Kommunikation zwischen Nervenzellen

Nervenzellen sind miteinander durch Synapsen verbunden, an denen Signale in Form von Botenstoffen übertragen werden. Anders als innerhalb der Nervenzelle erfolgt die Signalübertragung zwischen zwei Nervenzellen chemisch über sogenannte Neurotransmitter (Botenstoffe). Diese werden in den synaptischen Spalt abgegeben und binden an Rezeptoren der nächsten Nervenzelle.

Der synaptische Spalt

Zwischen der präsynaptischen Membran und der postsynaptischen Membran befindet sich der synaptische Spalt. Das synaptische Endknöpfchen ist gefüllt mit den synaptischen Vesikeln, das sind kleine membranumgebene Bläschen, die Neurotransmittern enthalten. Neurotransmitter sind chemische Substanzen, die in den synaptischen Spalt entlassen werden können und dann mit Proteinen der postsynaptischen Membran reagieren.

Synaptische Vesikel

Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Jedes Nervenende im zentralen Nervensystem enthält durchschnittlich mehrere 100 synaptische Vesikel. Dennoch gibt es hier große Unterschiede: So gibt es beispielsweise Spezialisten unter den Synapsen, die mehr als 100.000 Vesikel enthalten. Dazu zählen die Synapsen, die unsere Muskeln steuern.

Wenn ein elektrisches Signal im Nervenende eintrifft, werden Calcium-Kanäle in der Plasmamembran aktiviert, durch die Calcium-Ionen vom Außenraum in das Innere der Synapse strömen. Sie treffen auf eine molekulare Maschine, die sich zwischen der Membran der Vesikel und der Plasmamembran befindet und die durch die hereinströmenden Calcium-Ionen aktiviert wird. Diese Maschine bewirkt, dass die Membran der Vesikel, die sich in der Startposition befinden, mit der Plasmamembran verschmilzt. Auf der anderen Seite des synaptischen Spaltes treffen die Botenstoffe auf Andockstellen in der Membran des Empfänger-Neurons, die die elektrischen Eigenschaften dieser Membran regulieren. Dadurch ändert sich der Membranwiderstand. Die Empfängerzelle kann die Spannungsänderung, die dadurch entsteht, in einem rasanten Tempo verarbeiten Zwischen dem Eintreffen des Impulses bis zur Spannungsänderung auf der anderen Seite des synaptischen Spalts vergeht nur etwa eine tausendstel Sekunde. Damit stellt die synaptische Übertragung einen der schnellsten biologischen Vorgänge dar.

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Die synaptischen Vesikel sind keineswegs nur eine Art membranumhüllte „Konservendose“ zur Speicherung der Botenstoffe. In ihrer Membran befindet sich eine ganze Reihe von Proteinen, die sich seit Millionen von Jahren durch die Evolution kaum verändert haben. Eine Gruppe dieser Proteine, die Neurotransmitter-Transporter, ist dafür verantwortlich, die Botenstoffe aus dem Zellplasma in die Vesikel hineinzupumpen und dort anzureichern. Dazu ist viel Energie erforderlich. Diese wird von einem weiteren Proteinmolekül bereitgestellt, einer Protonen-ATPase (V-ATPase), die unter Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) Protonen in die Vesikel hineinpumpt. Neben diesen für das „Auftanken“ erforderlichen Proteinen enthalten die Membranen synaptischer Vesikel weitere Komponenten, die dafür sorgen, dass die Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen können (darunter das SNARE-Protein Synaptobrevin und den Calcium-Sensor Synaptotagmin) und nach der Membranfusion wieder in das Nervenende zurücktransportiert werden. Die synaptische Vesikel werden anschließend im Nervenende über einige Zwischenschritte wieder recycelt und neu mit Botenstoffen befüllt.

Forschung zu synaptischen Vesikeln

Die Funktionsweise der synaptischen Vesikel auf molekularer Ebene zu verstehen, ist eine aufwendige Arbeit. Wissenschaftler haben dazu ein umfassendes Inventar aller Vesikelbestandteile erstellt. Dabei mussten Probleme gelöst werden, die keineswegs so einfach waren, wie man annehmen möchte, z. B. das Auszählen der Vesikel in einer Lösung oder die quantitative Bestimmung des Gehaltes von Proteinen und Membranlipiden. Die Ergebnisse waren auch für Experten überraschend. So stellte sich heraus, dass ein biologisches Transportvesikel in seiner Struktur viel stärker durch Proteine bestimmt wird als zuvor angenommen: Wenn man von außen auf das Vesikelmodell schaut, kann man die Lipidmembran (gelb) vor lauter Proteinen kaum erkennen, und dabei sind im Modell nur ca. Diese Arbeiten bildeten die Grundlage zu weiterführenden Untersuchungen. So ist es gelungen, Vesikel, die unterschiedliche Botenstoffe transportieren, voneinander zu trennen und miteinander zu vergleichen. Anders als vorher vermutet, unterscheiden sie sich nur geringfügig in ihrer Zusammensetzung.

Ein zweiter Schwerpunkt der Forschung besteht darin, die Proteinmaschine, die die Membranfusion bewerkstelligt, in ihren funktionellen Details zu verstehen. Für die Fusion selber sind SNARE-Proteine verantwortlich - kleine Proteinmoleküle, die in der Plasmamembran wie in der Vesikelmembran sitzen. Kommen die Membranen nahe aneinander, lagern sich die dieser Proteine aneinander, wobei sie sich in Richtung der Membran wie Taue miteinander verdrillen. Bei dieser Zusammenlagerung wird Energie freigesetzt, die für das Verschmelzen der Membranen benutzt wird. Um zu verstehen, wie diese Zusammenlagerung die Verschmelzung der Membranen bewirkt, wurden die SNARE-Proteine in künstliche Membranen eingebaut, an denen man die Fusion mit hochauflösenden Methoden, darunter der Kryo-Elektronenmikroskopie, untersuchen konnte. Dabei wurden erstmalig Zwischenstufen der Fusionsreaktion identifiziert. Fortschritte sind ebenfalls bei der Frage erzielt worden, wie die einströmenden Calcium-Ionen die Fusionsmaschine aktivieren.

Trotz großer Fortschritte sind die komplexen molekularen Prozesse immer noch nicht vollständig verstanden: Umso erstaunlicher ist es, wie reibungslos Nervenzellen miteinander kommunizieren, wie effektiv die Fusionsmaschinerie in der Synapse funktioniert, bei jeder unserer Bewegungen, in unserem Fühlen und Denken. Deshalb forschen Wissenschaftler auf der ganzen Welt weiterhin daran, diese Prozesse noch besser zu verstehen.

Ruhepotential und Aktionspotential

Ruhepotential

Das Ruhepotential ist ein fundamentaler Aspekt der Nervenzelle Funktion. Es beträgt etwa -70 mV, wobei das Zellinnere negativer geladen ist als das Außenmedium. Die Zellkern Nervenzelle Funktion wird durch dieses elektrochemische Gleichgewicht maßgeblich beeinflusst. Das Ruhepotential wird durch das Zusammenspiel von Diffusionspotential und elektrostatischem Potential aufrechterhalten. Die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials ist von der kontinuierlichen Arbeit der Natrium-Kalium-Pumpe abhängig.

Aktionspotential

Das Aktionspotential ist ein fundamentaler Prozess in der Nervenzelle Funktion, der die Informationsweiterleitung im Nervensystem ermöglicht. Die Entstehung eines Aktionspotentials beginnt mit der Depolarisationsphase. Durch einen Reiz öffnen sich zunächst einige spannungsgesteuerte Natriumkanäle, wodurch Natriumionen in das Zellinnere einströmen. Sobald der Schwellenwert von etwa -50 mV erreicht wird, öffnen sich schlagartig weitere Natriumkanäle. Die Repolarisationsphase wird durch zwei Mechanismen eingeleitet: Die Natriumkanäle inaktivieren sich selbst, während sich gleichzeitig spannungsabhängige Kaliumkanäle öffnen. Der Ausstrom von Kaliumionen führt zur Wiederherstellung des negativen Membranpotentials. Die Weiterleitung von Aktionspotentialen erfolgt entlang des Axon Nervenzelle bis zu den Synapsen. Bei chemischen Synapsen führt das ankommende Aktionspotential zur Freisetzung von Neurotransmittern aus dem präsynaptischen Terminal. Diese Botenstoffe diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren der postsynaptischen Membran.

Bedeutung der Gliazellen

Die Funktion Axon Nervenzelle wird durch Gliazellen unterstützt, die eine essenzielle Rolle im Nervensystem spielen. Im peripheren Nervensystem bilden Schwann-Zellen die Myelinscheide um die Axone. Die Bedeutung der Gliazellen geht über ihre Stützfunktion hinaus. Im Gehirn übersteigt ihre Anzahl die der Neuronen um ein Vielfaches.

Klinische Relevanz

Störungen der Nervenzellfunktion können zu einer Vielzahl neurologischer Erkrankungen führen. Synapsen Krankheiten können entstehen, wenn die Ionenpumpen nicht mehr richtig funktionieren. Ein Beispiel ist die Störung der ATP-Synthese, die zum Zusammenbruch des Ruhepotentials führt.

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