Nervenzelle: Symbol, Bedeutung und Funktion im Nervensystem

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das es uns ermöglicht, auf unsere Umwelt zu reagieren, Informationen zu verarbeiten und zu speichern. Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die grundlegende Baueinheit dieses Systems. Dieser Artikel beleuchtet die Bedeutung der Nervenzelle, ihren Aufbau, ihre Funktion und ihre Rolle bei verschiedenen neurologischen Prozessen und Erkrankungen.

Einleitung

Jeder Nicht-Anatom hat ein charakteristisches Bild des Gehirns im Kopf: ein helmförmiges Gebilde, die Oberfläche von Windungen und Furchen durchzogen. Dieser äußerste Teil des Gehirns - gut geschützt vom Schädelknochen und der darunterliegenden Hirnhaut - ist der Cortex cerebri, die Großhirnrinde.

Aufbau und Struktur der Nervenzelle

Ein Neuron ist die strukturelle und funktionelle Einheit des Nervensystems. Es empfängt, verarbeitet und leitet elektrische Signale zu und von anderen Teilen des Nervensystems weiter. Es gibt verschiedene Arten von Neuronen, die aufgrund ihrer anatomischen Struktur und Funktion als sensorische Neuronen, Motoneuronen und Interneuronen klassifiziert werden können.

Die funktionellen Komponenten eines Neurons umfassen:

• Dendriten: Empfangen Signale von anderen Neuronen.
• Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und ist für den Zellstoffwechsel verantwortlich.
• Axon: Leitet Impulse zu Zielzellen weiter. Der Axonhügel ist die Ursprungsstelle des Axons am Zellkörper.
• Synaptische Verbindungen: Spezialisierte Verbindungen zwischen Neuronen, die die Übertragung von Impulsen zwischen ihnen erleichtern. Sie kommen außerdem zwischen Axonen und Effektor-/Zielzellen, wie Muskel- und Drüsenzellen, vor.

Die Myelinscheide

Die Myelinscheide ist eine isolierende Schicht, die das Axon umgibt und von Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem oder Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem gebildet wird. Ihre Hauptfunktion besteht in der elektrischen Isolation des Axons, was eine schnelle und effiziente Signalübertragung ermöglicht. Die Myelinschicht bildet keine durchgehende Umhüllung, sondern ist im Abstand von etwa 0,5-2 mm immer wieder unterbrochen. Diese Unterbrechungen werden Ranviersche Schnürringe genannt.

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Funktion der Nervenzelle: Erregungsleitung und -übertragung

Die Hauptfunktion der Nervenzelle besteht darin, elektrische Signale zu erzeugen und weiterzuleiten. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte:

Ruhepotential

Das Ruhepotential ist der essentielle Grundzustand der Nervenzelle. Es entsteht durch die selektive Durchlässigkeit der Zellmembran für verschiedene Ionen. Im Intrazellulärraum befinden sich hauptsächlich Kalium-Ionen (K+) und negativ geladene Anionen, während der extrazelluläre Raum von Natrium-Ionen (Na+) und Chlorid-Ionen dominiert wird. Die Natrium-Kalium-Pumpe spielt eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung des Ruhepotentials, indem sie aktiv drei Na+-Ionen nach außen und zwei K+-Ionen nach innen transportiert.

Aktionspotential

Das Aktionspotential ist ein fundamentaler Prozess der neuronalen Signalübertragung. Es beginnt mit der Depolarisation der Zellmembran, bei der sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen. Wenn der Schwellenwert von -50mV erreicht wird, öffnen sich schlagartig alle Na+-Kanäle, wodurch die Spannung bis auf +35mV ansteigt. Nach der Depolarisation folgt die Repolarisation, bei der sich die Natriumkanäle schließen und Kaliumkanäle öffnen, wodurch K+-Ionen aus der Zelle ausströmen und das Ruhepotential wiederherstellen. Die Refraktärzeit ist ein wichtiger Mechanismus für die gerichtete Reizweiterleitung Nervenzelle.

Synaptische Übertragung

Die synaptische Übertragung ist der Prozess, bei dem ein elektrisches Signal von einer Nervenzelle auf eine andere übertragen wird. Dies geschieht an den Synapsen, den Kontaktstellen zwischen den Nervenzellen. Bei der chemischen Synapse erfolgt die Signalübertragung durch Neurotransmitter. Calcium-Ionen spielen dabei eine Schlüsselrolle, indem sie die Freisetzung von Transmittern aus den synaptischen Vesikeln triggern. Die freigesetzten Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran, was zu einer Depolarisation oder Hyperpolarisation der Zielzelle führt.

Erregende und hemmende Synapsen

Es gibt zwei Arten von Synapsen: erregende und hemmende. Erregende Synapsen erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass die Zielzelle ein Aktionspotential auslöst, während hemmende Synapsen diese Wahrscheinlichkeit verringern. Die räumliche und zeitliche Summation beschreibt, wie verschiedene synaptische Signale zusammenwirken, um die Aktivität der Zielzelle zu bestimmen.

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Kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung

Es gibt zwei Arten der Erregungsleitung: kontinuierliche und saltatorische. Bei der kontinuierlichen Erregungsleitung wandert der Reiz gleichmäßig am Axon entlang. Diese Art der Weiterleitung ist vergleichsweise langsam. Bei der saltatorischen Erregungsleitung "springt" das Aktionspotential von einem Ranvierschen Schnürring zum nächsten. Die saltatorische Erregungsleitung ist ein hocheffizienter Mechanismus zur schnellen Signalweiterleitung in Nervenzellen. Durch die Isolation kann die Leitungsgeschwindigkeit deutlich erhöht werden.

Die Großhirnrinde (Cortex cerebri)

Die Rinde des Großhirns - der Cortex cerebri - bedeckt fast das gesamte von außen sichtbare Gehirn. Sie ist stark gefaltet und durchzogen von zahlreichen Furchen, wodurch voneinander abgrenzbare Bereiche entstehen. Jede Großhirnhälfte (Hemisphäre) gliedert sich in vier von außen sichtbaren Lappen, die Lobi: den Stirnlappen (Frontallappen), Scheitellappen (Parietallappen), Schläfenlappen (Temporallappen) und Hinterhauptslappen (Okzipitallappen). Hinzu kommt der Insellappen (Lobus insularis), der tief in der seitlichen Großhirnfurche verborgen liegt und von außen nicht sichtbar ist. Etwa 90 Prozent des Cortex bestehen aus dem evolutionär jungen Neocortex, der durchgehend aus sechs Zellschichten aufgebaut ist.

Das Großhirn mit seinen beiden Hemisphären und dem sie verbindenden Balken (Corpus callosum ist der entwicklungsgeschichtlich jüngste und größte Teil des Gehirns. Es macht etwa 85 Prozent der gesamten Gehirnmasse aus. Zieht man das innen Großhirnmark - vor allem bestehend aus Nervenfasern und den darin eingebetteten Basalganglien (Nuclei basales) - ab, bleibt die Großhirnrinde, eine zwei bis fünf Millimeter dicke Schicht, die als graue Substanz bezeichnet wird. Sie ist reich an Nervenzellkörpern, die ihr eine rotbraune bis graue Farbe verleihen. Schätzungen gehen von etwa 17 Milliarden Nervenzellen (Neuronen) in der menschlichen Großhirnrinde aus; Individuelle Unterschiede zwischen Frauen und Männern hängen vor allem mit der im Durchschnitt größeren Gehirn- und Körpergröße von Männern zusammen - sie erlauben keinesfalls Rückschlüsse auf geistige Fähigkeiten.

Im Cortex entsteht aus den Signalen der Sinnesorgane und vorgeschalteter Hirnregionen ein zusammenhängender Eindruck der Umwelt. Zudem kann er Informationen speichern und bildet damit die biologische Grundlage unseres Gedächtnisses.

Funktionelle Organisation des Cortex

Für eine grobe Orientierung lassen sich die großen Furchen und Lappen heranziehen. Eine präzisere Gliederung geht jedoch auf die Arbeiten von Korbinian Brodmann sowie Cecile und Oskar Vogt zurück. Brodmann unterschied anhand der Feinheiten im zellulären Aufbau beim Menschen 52 Felder, die bis heute als Brodmann-Areale bekannt sind. Manche Darstellungen nennen andere Zahlen, da einzelne Felder anfangs nicht eindeutig abgegrenzt waren. In der modernen Forschung wurden Brodmanns Felder zudem weiter differenziert oder zusammengefasst. Obwohl Brodmann seine Areale ausschließlich nach dem zellulären Aufbau beschrieb, lassen sich vielen von ihnen bestimmte Funktionen zuordnen.

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Eingehende Signale werden von Nervenzellen im Thalamus umgeschaltet und an entsprechende Rindenregionen weitergeleitet. Im Falle des Sehens etwa wird die primäre Sehrinde im Okzipitallappen aktiv. Sie verarbeitet die visuellen Signale und leitet sie an Rindenregionen weiter, die komplexe Leistungen wie die Wiedererkennung von Gegenständen oder Gesichtern ermöglichen. Primäre somatosensorische Felder im Scheitellappen nehmen die Sinnesinformation über Berührung, Vibration, Druck, Dehnung oder Schmerz auf, verarbeiten sie und leiten sie an „höhere“ Rindenfelder weiter, wo dann zum Beispiel aus der Berührung eines Gegenstandes eine Vorstellung über dessen Form entsteht. Analoges gilt für das Hören: Aus der Wahrnehmung unterschiedlicher Schallfrequenzen in der primären Hörrinde im Schläfenlappen kann die Wahrnehmung einer Melodie oder Sprache in „höheren“ Rindenfeldern entstehen. Wie die sensorischen Zentren für Sinneseindrücke zuständig sind, gibt es für die Steuerung von Bewegungen die motorischen Zentren. Dort lassen sich bestimmten Körperteilen, sogar einzelnen Muskelgruppen und Bewegungen, Areale zuordnen - etwa der rechten Hand ein Bereich im linken Frontallappen.

Aus den vielfältigen Funktionen der Großhirnrinde ergeben sich die möglichen Folgen örtlicher Verletzungen und Ausfälle. Ist das primäre Sehzentrum betroffen, besteht Blindheit trotz funktionierender Augen; fallen bestimmte „höhere“ Rindenfelder aus, sieht der Mensch zwar, erkennt aber je nach Lokalisation der Störung nicht Gesichter, Farben oder Bewegungen. Bei einer Schädigung des hinteren Drittels der unteren Windung im Frontallappen, dem Broca-​Zentrum, wird die Fähigkeit zu sprechen geschädigt. Und Läsionen im vorderen Teil des Frontallappens führen zu Persönlichkeitsveränderung und Verminderung der intellektuellen Fähigkeiten.

Stützzellen (Gliazellen)

Neben den Neuronen gibt es im Nervensystem auch Stützzellen, die als Gliazellen bezeichnet werden. Diese Zellen leiten keine elektrischen Signale, sondern unterstützen die Neuronen in verschiedenen Funktionen. Es gibt verschiedene Arten von Gliazellen:

• Oligodendrozyten: Produzieren und erhalten die Myelinscheide im zentralen Nervensystem.
• Astrozyten: Versorgen Neuronen mit Nährstoffen, induzieren die Bildung der Blut-Hirn-Schranke und puffern extrazelluläre Ionenkonzentrationen. Astrozyten können identifiziert werden, weil sie im Gegensatz zu anderen ausgereiften Gliazellen saures Gliafaserprotein (GFAP) exprimieren.
• Mikroglia: Immunzellen des Nervensystems, die bei Entzündungen und Verletzungen aktiv werden.
• Ependymzellen: Kleiden die Ventrikel des Gehirns und den Zentralkanal des Rückenmarks aus.
• Schwann-Zellen: Bilden die Myelinscheide im peripheren Nervensystem.
• Mantelzellen: Umgeben die Zellkörper der Neuronen im peripheren Nervensystem.

Rückenmark: Verbindung zwischen Gehirn und Körper

Das Rückenmark ist ein wichtiger Teil des Zentralnervensystems, der das Gehirn mit dem peripheren Nervensystem verbindet. Es verjüngt sich am unteren Ende zum Conus medullaris und endet als dünner Strang (Filum terminale). Das Rückenmark wird von den Wirbelarterien und den Segmentarterien mit Blut versorgt.

Aufbau des Rückenmarks

Das Rückenmark besteht aus grauer und weißer Substanz. Die graue Substanz befindet sich im Inneren des Rückenmarks und besteht hauptsächlich aus Nervenzellkörpern. Sie ist in drei Regionen unterteilt:

• Hinterhorn: Empfängt sensorische Informationen.
• Seitenhorn: Enthält Nervenzellen des autonomen Nervensystems (vegetative Nervenzellen).
• Vorderhorn: Enthält Motoneuronen, die Muskeln innervieren.

Die weiße Substanz umgibt die graue Substanz und besteht hauptsächlich aus myelinisierten Nervenfaserbahnen. Die größte vom Gehirn durch das Rückenmark absteigende Bahn ist die Pyramidenbahn.

Funktion des Rückenmarks

Das Rückenmark erfüllt mehrere wichtige Funktionen:

• Leitung von Nervenimpulsen: Es leitet sensorische Informationen vom Körper zum Gehirn und motorische Befehle vom Gehirn zum Körper.
• Reflexe: Es ist an der Auslösung von Reflexen beteiligt. Manche Erregungen (Reize) werden von den aufsteigenden Bahnen im Rückenmark gar nicht erst zum Gehirn weitergeleitet, sondern unmittelbar auf derselben oder einer höher gelegenen Rückenmarksebene umgeschaltet. Diesen Weg der Erregungsübertragung nennt man Reflexbogen, und eine so ausgelöste Muskelreaktion nennt man Reflex. Reflexe werden bei jeder körperlichen Untersuchung geprüft.
• Koordination von Bewegungen: Es spielt eine Rolle bei der Koordination von Bewegungen.

Erkrankungen des Nervensystems

Erkrankungen des Nervensystems können verschiedene Ursachen haben, darunter genetische Defekte, Infektionen, Verletzungen und Autoimmunreaktionen. Einige Beispiele für neurologische Erkrankungen sind:

• Multiple Sklerose (MS): Eine chronische, entzündliche Autoimmunerkrankung, die zur Zerstörung von Oligodendrozyten und somit Demyelinisierung von Nerven im ZNS führt, was zur Schädigung und Degeneration von Axonen führt.
• Guillain-Barré-Syndrom (GBS): Eine Familie von immunvermittelten demyelinisierenden Polyneuropathien, die nach Infektionen auftreten, bei denen das Immunsystem die Myelinscheide und Schwann-Zellen angreift.
• Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Eine vereinzelt spontan auftretende oder vererbte neurodegenerative Erkrankung der ersten und zweiten Motoneurone.
• Parkinson-Krankheit: Eine neurodegenerative Erkrankung, die durch den Verlust von Dopamin-produzierenden Neuronen in den Basalganglien verursacht wird.
• Hirntumoren: Tumoren, die im Gehirn entstehen, wie z.B. Astrozytome, Oligodendrogliome und Ependymome.
• Tollwut (Rabies): Eine Virusinfektion, die am häufigsten durch den Biss eines infizierten Tieres auf den Menschen übertragen wird. Das Tollwutvirus befällt vor allem neurales Gewebe und dringt in die peripheren motorischen und sensorischen Nerven ein, um retrograd zum ZNS zu wandern.

Forschung und medizinische Fortschritte

Die Erforschung der Nervenzellen hat zu wichtigen medizinischen Fortschritten geführt. Das Verständnis der Struktur und Funktion der Nervenzellen ist fundamental für medizinische Anwendungen. Die Forschung zur Myelinscheide reparieren ist von großer medizinischer Bedeutung.

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