Die Nissl-Färbung von Nervenzellen unter dem Mikroskop

Einführung

Die Nissl-Färbung ist eine histologische Färbetechnik, die in der Neurohistologie verwendet wird, um die Struktur von Nervenzellen im Gehirn und Rückenmark sichtbar zu machen. Diese Färbung, benannt nach dem deutschen Psychiater und Neurologen Franz Nissl (1860-1919), ermöglicht es Forschern, verschiedene Zelltypen im Nervensystem zu unterscheiden und die Organisation von Neuronen in verschiedenen Hirnregionen zu untersuchen. Die Methode wurde von Nissl entwickelt, als er als Medizinstudent nach einer Möglichkeit suchte, Nervenzellen darzustellen.

Grundlagen der Nissl-Färbung

Die Nissl-Färbung basiert auf der Affinität basischer Farbstoffe zu sauren Bestandteilen der Zelle, insbesondere zu Ribonukleinsäure (RNA). Diese Farbstoffe, wie beispielsweise Kresylviolett, binden an die Ribosomen im rauen endoplasmatischen Retikulum (rER) und an freie Ribosomen im Zytoplasma der Nervenzellen. Diese Ansammlungen von rER und Ribosomen erscheinen unter dem Lichtmikroskop als dunkle, schollenförmige Strukturen, die als Nissl-Schollen oder Nissl-Substanz bezeichnet werden.

Die Nissl-Substanz

Die Nissl-Substanz ist ein charakteristisches Merkmal von Neuronen und spiegelt ihre hohe Stoffwechselaktivität und intensive Proteinbiosynthese wider. Ultrastrukturell entspricht die Nissl-Substanz Ansammlungen von rauem endoplasmatischem Retikulum und freien Ribosomen, den Orten der Proteinbiosynthese. Die Morphologie und Verteilung der Nissl-Substanz kann je nach Nervenzelltyp variieren und sich bei bestimmten Krankheitsbildern verändern.

Durchführung der Nissl-Färbung

Um eine Nissl-Färbung durchzuführen, sind folgende Schritte erforderlich:

1. Fixierung: Das Gewebe wird fixiert, um die Zellstrukturen zu erhalten und Autolyse zu verhindern. Häufig wird Formaldehyd oder eine Perfusionsfixierung verwendet.
2. Einbettung: Das fixierte Gewebe wird in Paraffin oder Kunststoff eingebettet, um es zu härten und das Schneiden dünner Schnitte zu ermöglichen.
3. Schneiden: Mit einem Mikrotom werden dünne Gewebeschnitte (typischerweise 10-50 Mikrometer dick) hergestellt. Für die Elektronenmikroskopie können sogar Ultradünnschnitte von nur 50 Nanometern Dicke hergestellt werden.
4. Färbung: Die Gewebeschnitte werden mit einem basischen Farbstoff wie Kresylviolett oder Thionin gefärbt. Der Farbstoff dringt in alle Zellen ein, lagert sich aber bevorzugt an die RNA-reichen Strukturen im Zytoplasma der Neuronen an.
5. Differenzierung: Überschüssiger Farbstoff wird entfernt, um den Kontrast zu erhöhen und unspezifische Färbungen zu reduzieren.
6. Entwässerung und Eindeckung: Die gefärbten Schnitte werden entwässert, mit einem transparenten Medium eingedeckt und unter dem Mikroskop betrachtet.

Ein konkretes Beispiel für die Durchführung der Nissl-Färbung (wie vom Benutzer angegeben):

• Ein Stück Rückenmark von einer Kuh wurde in Paraffin geschnitten, in 4µm dicke Scheiben.
• 0,1 Gramm Cresylechtviolett-Azetat wurde gelöst in 100ml Aqua dest und nach erkalten filtriert.
• Arbeitslauf:
  • Schnitte entparaffinieren und in Aqua dest. bringen.
  • In Crsylechtviolett-Azetat färben, 30 Min. auf 35 Grad C.
  • Abspülen in Aqua dest.
  • Differenzieren in Ethanol 95% (sehr kurz, 15 Sek).
  • Isopropanol 100% 2x 4 Min.
  • Xylol, Harzeinschluß.
• Ergebnis: Nukleolus und Nissl-Schollen von die Neuronen werden Kräftig Blauviolett angefärbt so auch die Zellkerne von die Astrozyten. Weiteres Gewebe bleibt ungefärbt.

Anwendung der Nissl-Färbung

Die Nissl-Färbung findet breite Anwendung in der neuroanatomischen Forschung und der neuropathologischen Diagnostik. Sie ermöglicht:

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• Identifizierung von Neuronen: Die Nissl-Färbung ermöglicht die eindeutige Identifizierung von Neuronen aufgrund ihrer charakteristischen Nissl-Substanz.
• Unterscheidung von Zelltypen: Die Färbung erlaubt die Unterscheidung zwischen Neuronen und Gliazellen, da Gliazellen weniger Nissl-Substanz enthalten und ihre Zellkerne kleiner sind. Astrozyten haben einen etwas größeren Kern als die Oligodendrozyten.
• Studium der neuronalen Organisation: Die Nissl-Färbung ermöglicht die Untersuchung der Anordnung und Verteilung von Neuronen in verschiedenen Hirnregionen, wie z.B. der Großhirnrinde (Cortex cerebri) und der grauen Substanz des Rückenmarks (Substantia grisea).
• Nachweis von pathologischen Veränderungen: Veränderungen in der Menge, Verteilung oder Morphologie der Nissl-Substanz können auf neuronale Schädigungen oder Erkrankungen hinweisen.

Spezifische Beobachtungen in Nissl-gefärbten Präparaten

• Nissl-Schollen in Neuronen: Die Nissl-Schollen sind im Zytoplasma der Nervenzellen sichtbar. Sie sind nicht gleichmäßig in der Nervenzelle verteilt, sondern finden sich auch in den Dendriten.
• Axonhügel: Im Bereich des Axonhügels oder Ursprungskegels sind keine Nissl-Schollen vorhanden. Dies ermöglicht die Identifizierung des Axonabgangs.
• Zellkern: Der Zellkern ist locker strukturiert mit wenig angefärbtem Heterochromatin. Er enthält einen oder mehrere Nukleolen.
• Gliazellen: Die Zellkerne der Gliazellen (Astrozyten und Oligodendrozyten) sind ebenfalls angefärbt, aber kleiner als die der Neuronen.

Die Rolle der Gliazellen

Es ist wichtig zu beachten, dass Neurone nur etwa 10 Prozent des Gehirns ausmachen. Gliazellen spielen eine ebenso wichtige Rolle, indem sie metabolische und mechanische Aufgaben erfüllen. Sie kontrollieren die Zusammensetzung des extrazellulären Milieus und beeinflussen indirekt Transportvorgänge im ZNS und regulieren das Elektrolytengleichgewicht. Bei Schädigungen des Nervengewebes können Astrozyten eine Glianarbe bilden.

Ergänzende Färbemethoden

Obwohl die Nissl-Färbung wertvolle Informationen über die Struktur und Organisation von Nervenzellen liefert, hat sie auch ihre Grenzen. Sie ermöglicht beispielsweise keine detaillierte Darstellung der neuronalen Fortsätze (Axone und Dendriten). Daher wird die Nissl-Färbung häufig in Kombination mit anderen Färbemethoden eingesetzt, um ein umfassenderes Bild des Nervengewebes zu erhalten:

• Golgi-Färbung: Die Golgi-Färbung ermöglicht die Darstellung einzelner Neuronen mit ihren gesamten Fortsätzen (Axonen und Dendriten). Sie ist besonders nützlich, um die Morphologie und Konnektivität von Neuronen zu untersuchen.
• Myelinfärbungen: Myelinfärbungen, wie z.B. die Klüver-Barrera-Färbung oder die Luxolblau-Färbung, dienen der Darstellung der myelinisierten Nervenfasern in der weißen Substanz des Gehirns und Rückenmarks.
• Immunhistochemie: Die Immunhistochemie ermöglicht den Nachweis spezifischer Proteine in Nervenzellen und Gliazellen. Dies kann verwendet werden, um verschiedene Zelltypen zu identifizieren, neuronale Marker zu lokalisieren oder pathologische Veränderungen nachzuweisen.

Historischer Kontext: Golgi vs. Cajal

Die Entwicklung der Färbetechniken für Nervengewebe war entscheidend für das Verständnis der Struktur und Funktion des Nervensystems. Camillo Golgi entwickelte 1873 eine Methode, um einzelne Nervenzellen zu färben, was die Entwicklung der Neuronendoktrin ermöglichte. Santiago Ramón y Cajal nutzte Golgis Methode und entwickelte sie weiter. Beide Wissenschaftler erhielten 1906 den Nobelpreis für Medizin für ihre Arbeiten über die Struktur des Nervensystems.

Während Cajal die Neuronendoktrin vertrat, die besagt, dass das Gehirn aus einzelnen, autonomen Nervenzellen besteht, glaubte Golgi, dass die Nervenfasern ein durchgehendes Netzwerk bilden. Erst die Entwicklung der Elektromikroskope in den 1950er Jahren bestätigte endgültig Cajals Neuronendoktrin.

Die Neuronendoktrin

Die Neuronendoktrin, formuliert von Wilhelm von Waldeyer im Jahr 1891, besagt, dass das Nervensystem aus zahlreichen anatomisch und genetisch nicht zusammenhängenden Nerveneinheiten (Neuronen) besteht. Wichtige Punkte sind:

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• Das Neuron mit Dendriten und Axon ist der grundlegende Baustein des Gehirns.
• Die Axone bilden an ihrem Ende Kontaktstellen (Synapsen) mit den Dendriten anderer Neuronen.
• Neurone vernetzen sich nicht zufällig, sondern bauen spezifische Verbindungen auf.
• Signale laufen in Neuronen und Schaltkreisen stets in nur eine Richtung.

Obwohl sich diese Aussagen im Wesentlichen bis heute bestätigen, gibt es auch Ausnahmen und Erweiterungen der Neuronendoktrin, wie z.B. elektrische Synapsen und die Rolle der Gliazellen bei der Informationsverarbeitung.

Anwendungsbeispiele

• Untersuchung des Rückenmarks: Im Vorderhorn des Rückenmarks liegen große Alpha- und kleine Gamma-Motoneurone. Die Alpha-Motoneurone innervieren quergestreifte Skelettmuskelfasern über motorische Endplatten, während die Gamma-Motoneurone die intrafusalen Muskelfasern der Muskelspindeln innervieren. Die Nissl-Färbung ermöglicht die Visualisierung dieser Neurone und die Untersuchung ihrer Struktur.
• Analyse von Spinalganglien: Die Spinalganglien enthalten pseudounipolare Nervenzellen, deren Perikaryen (Zellkörper) in den Ganglien liegen. Die Nissl-Färbung ermöglicht die Darstellung dieser Zellkörper und die Untersuchung ihrer Organisation.
• Hirnforschung: Die Nissl-Färbung wird in der Hirnforschung eingesetzt, um die zytoarchitektonische Organisation verschiedener Hirnregionen zu untersuchen und pathologische Veränderungen bei neurologischen Erkrankungen zu identifizieren.

Vor- und Nachteile der Nissl-Färbung

Vorteile:

• Einfache und kostengünstige Methode
• Ermöglicht die Identifizierung von Neuronen und die Unterscheidung von Gliazellen
• Geeignet für die Untersuchung der neuronalen Organisation in verschiedenen Hirnregionen
• Hilfreich bei der Diagnose neuropathologischer Erkrankungen

Nachteile:

• Liefert keine detaillierten Informationen über die neuronalen Fortsätze (Axone und Dendriten)
• Kann Artefakte verursachen, die auf die Präparationsmethode zurückzuführen sind
• Erfasst nicht den lebendigen Zustand des Gewebes

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