Nervenzellen und Synapsen: Aufbau, Funktion und ihre Bedeutung für das Nervensystem

Die Nervenzelle (Neuron) ist die grundlegende Baueinheit des Nervensystems. Ihre Fähigkeit, Informationen aufzunehmen, zu verarbeiten und weiterzuleiten, ermöglicht komplexe Funktionen wie Denken, Bewegung und Sinneswahrnehmung. Synapsen spielen eine zentrale Rolle bei der Kommunikation zwischen Nervenzellen, indem sie als spezialisierte Verbindungsstellen den Informationsfluss im Nervensystem ermöglichen.

Aufbau der Nervenzelle (Neuron)

Das Neuron ist perfekt an seine Funktion der Reizaufnahme und -weiterleitung angepasst. Die typische Struktur einer Nervenzelle umfasst:

• Dendriten: Verzweigte Fortsätze, die vom Zellkörper ausgehen und für die Aufnahme und Weiterleitung von Nervenimpulsen zuständig sind. Sie bilden die Antennenregion des Neurons, wo Signale von anderen Nervenzellen empfangen werden.
• Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern, der als Schaltzentrale der Zelle fungiert, sowie weitere wichtige Zellorganellen. Hier werden die von den Dendriten empfangenen Signale verarbeitet.
• Axonhügel: Der Bereich, an dem die im Zellkörper verarbeiteten Informationen weitergeleitet werden. Hier werden elektrische Signale gesammelt und summiert, bis ein bestimmter Schwellenwert überschritten wird, der ein Aktionspotential auslöst.
• Axon (Neurit): Ein langer Fortsatz, der aus dem Axonhügel hervorgeht und die Aktionspotentiale zu Nerven- oder Muskelzellen weiterleitet.
• Myelinscheide: Eine Isolationsschicht, die das Axon umgibt und den Austausch von Wasser und Ionen verhindert. Sie besteht aus Gliazellen, die das Axon spiralförmig umwickeln. Im peripheren Nervensystem werden diese Zellen als Schwann-Zellen bezeichnet.
• Ranviersche Schnürringe: Freiliegende Axonbereiche zwischen den Myelinscheiden. Sie ermöglichen eine saltatorische Erregungsleitung, bei der das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring "springt", was die Geschwindigkeit der Reizweiterleitung erheblich erhöht.
• Synapsen (synaptische Endknöpfchen): Verbindungsstellen am Ende des Axons, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen oder zwischen Nervenzellen und Muskelzellen ermöglichen. Hier wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt, um die Erregung an die nächste Zelle weiterzugeben.

Diese detaillierte Struktur ermöglicht eine effiziente Aufnahme, Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen im Nervensystem.

Funktion der Nervenzelle: Reizaufnahme und -weiterleitung

Nervenzellen sind für die Reizweiterleitung in unserem Körper verantwortlich. Sie nehmen Reize aus der Umwelt oder dem Körperinneren auf, verarbeiten diese und leiten sie als elektrische Signale weiter. Die Reizweiterleitung erfolgt in folgenden Schritten:

1. Reizaufnahme: Dendriten nehmen Reize auf und leiten sie zum Zellkörper weiter.
2. Erregungsentstehung: Wenn die Erregung stark genug ist, entsteht am Axonhügel ein Aktionspotential.
3. Erregungsleitung: Das Aktionspotential wird entlang des Axons weitergeleitet. Die Myelinscheide und die Ranvierschen Schnürringe ermöglichen eine schnelle saltatorische Erregungsleitung.
4. Signalübertragung an der Synapse: Am Ende des Axons, an den synaptischen Endknöpfchen, wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt und binden an Rezeptoren der nächsten Zelle.

Ruhepotential und Aktionspotential

Das Ruhepotential ist der elektrische Zustand einer Nervenzelle im unerregten Zustand. Es wird durch die Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten, die unter Energieverbrauch (ATP) Natrium-Ionen aus der Zelle und Kalium-Ionen in die Zelle transportiert.

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Das Aktionspotential ist eine plötzliche Spannungsänderung von etwa 1 ms Dauer, die zur Reizweiterleitung in der Nervenzelle dient. Es entsteht, wenn der Schwellenwert am Axonhügel überschritten wird. Das Alles-oder-Nichts-Gesetz besagt, dass ein Aktionspotential nur ausgelöst wird, wenn der Schwellenwert überschritten wird.

Der detaillierte Prozess der Repolarisation zeigt die Rückkehr zum Ruhezustand nach einem Aktionspotential.

Die Synapse: Schaltstelle der neuronalen Kommunikation

Synapsen sind spezialisierte Verbindungsstellen, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen ermöglichen. Sie sind essenziell für die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten und somit für die gesamte Informationsverarbeitung im Nervensystem.

Aufbau der Synapse

Eine typische Synapse besteht aus drei Hauptteilen:

• Präsynaptische Membran: Die Membran des sendenden Neurons, die Vesikel mit Neurotransmittern enthält.
• Synaptischer Spalt: Der schmale Raum zwischen der präsynaptischen und postsynaptischen Membran.
• Postsynaptische Membran: Die Membran des empfangenden Neurons, die Rezeptoren für Neurotransmitter enthält.

Arten von Synapsen

Man unterscheidet hauptsächlich zwei Arten von Synapsen:

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• Chemische Synapsen: Die Mehrheit der Synapsen im menschlichen Gehirn. Sie verwenden Neurotransmitter, um Signale zu übertragen. Die Signalübertragung ist oft nur in eine Richtung möglich (unidirektional).
• Elektrische Synapsen: Bestehen aus Gap Junctions, die einen direkten Fluss von Ionen zwischen den Zellen ermöglichen. Sie sind sehr schnell und ermöglichen auch eine bidirektionale Signalübertragung.

Funktionsweise der chemischen Synapse

1. Aktionspotential erreicht die Präsynapse: Ein elektrisches Signal (Aktionspotential) erreicht das präsynaptische Nervenende.
2. Calcium-Einstrom: Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich, und Calcium-Ionen strömen in die Präsynapse ein.
3. Neurotransmitter-Freisetzung: Der Calcium-Einstrom löst die Verschmelzung von Vesikeln mit der präsynaptischen Membran aus, wodurch Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt werden (Exozytose).
4. Bindung an Rezeptoren: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
5. Ionenkanalöffnung: Die Bindung der Neurotransmitter öffnet Ionenkanäle auf der postsynaptischen Membran.
6. Postsynaptisches Potential: Der Ionenstrom verändert das Membranpotential der postsynaptischen Zelle, was zu einem erregenden (EPSP) oder hemmenden (IPSP) postsynaptischen Potential führt.
7. Signalbeendigung: Die Neurotransmitter werden aus dem synaptischen Spalt entfernt, entweder durch Wiederaufnahme in die Präsynapse, Abbau durch Enzyme oder Diffusion.

Neurotransmitter: Chemische Botenstoffe der Synapse

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an Synapsen freigesetzt werden, um Signale zwischen Nervenzellen zu übertragen. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Erregungsübertragung und -hemmung.

• Acetylcholin: Häufig erregende Eigenschaften, wichtig für Synapsen im Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark. Bindet an muscarinerge oder nicotinerge Rezeptoren.
• Monoamine (Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin, Histamin, Serotonin): Noradrenerge Synapsen finden sich vor allem im Hirnstamm und in vegetativen, sympathischen Fasern. Histamin ist an der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus beteiligt. Dopamin befindet sich in den Basalganglien und im limbischen System. Serotonin ist ebenfalls ein Neurotransmitter des limbischen Systems.
• GABA (γ-Aminobuttersäure): Wirkt in vielen Bereichen des zentralen Nervensystems hemmend.
• Neuropeptide: Beeinflussen vielfältige Prozesse wie Schmerzempfinden, Appetit, Schlaf, Stimmung oder Stressreaktionen.

Erregende und hemmende Synapsen

Synapsen können entweder erregend oder hemmend wirken, je nachdem, welcher Neurotransmitter freigesetzt wird und welche Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran vorhanden sind.

• Erregende Synapsen: Sorgen für eine Depolarisation (Erregung) der Zielzelle. Ein typisches Beispiel ist Glutamat, das stimulierend im Gehirn wirkt.
• Hemmende Synapsen: Hyperpolarisieren ihre Zielzelle und bremsen somit den Signalfluss. Beispiele sind GABA oder Glycin.

Synaptische Plastizität: Die Anpassungsfähigkeit der Synapsen

Synaptische Plastizität ist die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke und Effizienz zu verändern - je nachdem, wie oft und wie stark sie benutzt werden. Sie ermöglicht es dem Gehirn, auf Erfahrungen zu reagieren und sich anzupassen. Ein bekanntes Beispiel ist die Langzeitpotenzierung (LTP), bei der Synapsen, die über längere Zeit wiederholt aktiviert werden, besonders leistungsfähig werden. Diese Anpassungsfähigkeit ist die Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse.

Bedeutung von Synapsen für Gesundheit und Krankheit

Synapsen sind nicht nur für die normale Funktion des Nervensystems unerlässlich, sondern spielen auch eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Behandlung von Krankheiten.

Erkrankungen und Störungen der synaptischen Funktion

• Depressionen: Störungen der synaptischen Signalübertragung, insbesondere der Neurotransmitter Serotonin, Noradrenalin und Dopamin, spielen eine zentrale Rolle.
• Lambert-Eaton-Syndrom: Eine Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört, indem Antikörper gegen spannungsabhängige Calciumkanäle gebildet werden.
• Myasthenia gravis: Eine Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört, indem Autoantikörper gegen Acetylcholinrezeptoren gebildet werden.
• Vergiftungen: Bestimmte Gifte, wie z.B. Phosphorsäureester (Parathion), können die Funktion von Synapsen beeinträchtigen und zu schweren gesundheitlichen Schäden führen.

Medikamentöse Beeinflussung von Synapsen

Viele Medikamente entfalten ihre Wirkung an Synapsen, indem sie die Freisetzung, Aufnahme oder den Abbau von Neurotransmittern beeinflussen.

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• Antidepressiva: Verhindern die Wiederaufnahme von Noradrenalin oder Serotonin in die Präsynapse, wodurch die Konzentration dieser Neurotransmitter im synaptischen Spalt erhöht wird.
• Botulinumtoxin (Botox): Wird in der Medizin gezielt eingesetzt, um übermäßige Muskelaktivität oder Drüsentätigkeit zu hemmen, indem es die Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Synapse blockiert.

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