Nervenzellen: Histologie, Aufbau und Funktion

Das menschliche Gehirn ist ein Wunderwerk der Natur, das mit seinen etwa 100 Milliarden Nervenzellen und einer noch größeren Anzahl an Kontaktpunkten die Grundlage für komplexe Fähigkeiten wie Lernen und Gedächtnis bildet. Die Vorstellung, dass das Gehirn ein Leben lang lernfähig bleibt, ist wissenschaftlich unumstritten. Doch wie sind diese Nervenzellen aufgebaut, und wie funktioniert ihre komplexe Kommunikation? Dieser Artikel beleuchtet die Histologie, den Aufbau und die Funktion von Nervenzellen (Neuronen) und ihren Bestandteilen, insbesondere des Axons, sowie die Rolle der Gliazellen.

Das Neuron: Die Grundeinheit des Nervensystems

Nervenzellen, auch Neurone genannt, sind die fundamentalen Bausteine des Nervensystems. Sie sind spezialisiert auf die Aufnahme, Verarbeitung und Weiterleitung von elektrischen Signalen. Ein typisches Neuron besteht aus drei Hauptbestandteilen:

• Zellkörper (Soma oder Perikaryon): Das Stoffwechselzentrum des Neurons, enthält den Zellkern und die Organellen.
• Dendriten: Verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Neuronen oder Sinneszellen empfangen.
• Axon (Neurit): Ein langer, schlanker Fortsatz, der Signale vom Zellkörper weg zu anderen Neuronen oder Zielzellen (z. B. Muskelzellen, Drüsenzellen) leitet.

Der Zellkörper (Soma)

Der Zellkörper ist das Stoffwechselzentrum des Neurons. Er enthält den Zellkern mit dem genetischen Material (DNA) sowie die für die Zellfunktion notwendigen Organellen wie Mitochondrien, Ribosomen und den Golgi-Apparat. Das Zytosol, die Flüssigkeit im Zellkörper, enthält Ionen, Proteine und andere Moleküle. Das Zytoskelett, ein Netzwerk aus Proteinfäden, gibt der Zelle ihre Form und Stabilität. Im Zellkörper findet auch die Proteinsynthese statt, wobei die synthetisierten Stoffe anschließend über den dendritischen und axonalen Transport in die Fortsätze transportiert werden. Im Zytoplasma finden sich Strukturen, die als Nissl-Substanz (Tigroid-Substanz) bezeichnet werden und Orte intensiver Membransynthese darstellen.

Die Dendriten: Empfangsantennen des Neurons

Dendriten sind Fortsätze des Somas, die sich meist stark verzweigen und zur Peripherie des Neurons ziehen. Sie dienen hauptsächlich dem Empfang von Signalen von anderen Neuronen oder Sinneszellen. Die Dendritenoberfläche ist oft mit kleinen Ausstülpungen, den dendritischen Dornen (Spines), besetzt, die die Kontaktstellen (Synapsen) zu anderen Neuronen bilden. Ein einzelner Zellkörper kann bis zu 10.000 solcher Dornen besitzen. Die Vielfalt der Dendritenstrukturen ist groß und spiegelt die unterschiedlichen Funktionen der Neuronen wider.

Das Axon: Signalübertragung auf Distanz

Das Axon, auch Neurit genannt, ist der Leitungsapparat des Neurons. Es leitet elektrische Signale (Aktionspotentiale) vom Zellkörper weg zu anderen Neuronen oder Zielzellen. Das Axon entspringt einem speziellen Bereich des Somas, dem Axonhügel oder Initialsegment. Die Länge eines Axons kann variieren und bis zu einem Meter oder mehr betragen. Der Durchmesser liegt in der Regel zwischen 1 und 10 µm. Die Dicke des Axons trägt zur Leitungsgeschwindigkeit des elektrischen Impulses bei.

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Am Ende des Axons befindet sich die präsynaptische Endigung, die über einen synaptischen Spalt von der Zielzelle getrennt ist. Die Kontaktstelle zwischen zwei Neuronen oder zwischen einem Neuron und einer Zielzelle wird als Synapse bezeichnet. Im Axon befinden sich zahlreiche Mikrotubuli, die für den Transport von Organellen und Enzymen entlang des Axons verantwortlich sind.

Die Synapse: Schaltstelle der neuronalen Kommunikation

Die Synapse ist die spezialisierte Kontaktstelle, an der die Signalübertragung zwischen Neuronen stattfindet. Sie besteht aus der präsynaptischen Endigung des Axons, dem synaptischen Spalt und dem postsynaptischen Empfangsteil der Zielzelle (z. B. Dendrit, Zellkörper oder Axon eines anderen Neurons).

Mechanismen der Signalübertragung

Wenn ein Aktionspotential die präsynaptische Endigung erreicht, werden Neurotransmitter freigesetzt. Diese chemischen Botenstoffe diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran. Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren löst in der Zielzelle eine Reaktion aus, die entweder erregend (Depolarisation) oder hemmend (Hyperpolarisation) sein kann. Ob ein Neurotransmitter eine erregende oder hemmende Wirkung hat, hängt von der Art des Rezeptors ab, an den er bindet.

Es gibt verschiedene Arten von Synapsen, die sich in ihrer Struktur und Funktion unterscheiden. Axo-dendritische Synapsen verbinden ein Axon mit einem Dendriten, axo-somatische Synapsen verbinden ein Axon mit dem Zellkörper, und axo-axonische Synapsen verbinden ein Axon mit einem anderen Axon. Die meisten Synapsen im Gehirn sind chemische Synapsen, bei denen die Signalübertragung durch Neurotransmitter erfolgt. Es gibt aber auch elektrische Synapsen (Gap Junctions), bei denen die Zellen direkt miteinander verbunden sind und die Signalübertragung sehr schnell erfolgt.

Neurotransmitter: Die Botenstoffe des Gehirns

Neurotransmitter sind chemische Substanzen, die an den Synapsen freigesetzt werden und die Signalübertragung zwischen Neuronen ermöglichen. Es gibt eine Vielzahl von Neurotransmittern, die unterschiedliche Funktionen im Gehirn haben. Zu den wichtigsten Neurotransmittern gehören:

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• Acetylcholin: Beteiligt an der Muskelkontraktion, Gedächtnis und Aufmerksamkeit.
• Glutamat: Der wichtigste erregende Neurotransmitter im Gehirn.
• GABA (Gamma-Aminobuttersäure): Der wichtigste hemmende Neurotransmitter im Gehirn.
• Dopamin: Beteiligt an der Steuerung von Bewegungen, Motivation und Belohnung.
• Serotonin: Beteiligt an der Regulation von Stimmung, Schlaf und Appetit.
• Noradrenalin: Beteiligt an der Steuerung von Aufmerksamkeit, Erregung und Stressreaktion.

Arten von Neuronen

Neurone lassen sich nach verschiedenen Kriterien einteilen, z. B. nach der Anzahl ihrer Fortsätze, ihrer Form, ihrer Funktion oder ihren biochemischen Eigenschaften.

Einteilung nach Anzahl der Fortsätze

• Unipolare Neurone: Besitzen nur einen Fortsatz, der sich in der Regel in ein Axon und einen Dendriten teilt. Diese Neurone kommen vor allem in den Ganglien des VIII. Hirnnervs vor.
• Bipolare Neurone: Besitzen zwei Fortsätze, ein Axon und einen Dendriten. Diese Neurone finden sich z. B. in der Retina des Auges.
• Multipolare Neurone: Besitzen mehrere Fortsätze, ein Axon und mehrere Dendriten. Dies ist der häufigste Neuronentyp im Gehirn. Beispiele für multipolare Neurone sind Pyramidenzellen in der Großhirnrinde und Purkinje-Zellen im Kleinhirn.

Einteilung nach Funktion

• Sensorische Neurone (afferente Neurone): Leiten Informationen von Sinnesorganen zum Zentralnervensystem (Gehirn und Rückenmark).
• Motorische Neurone (efferente Neurone): Leiten Signale vom Zentralnervensystem zu Muskeln oder Drüsen und lösen Bewegungen oder die Sekretion von Stoffen aus.
• Interneurone (Schaltneurone): Vermitteln Signale zwischen sensorischen und motorischen Neuronen oder zwischen anderen Interneuronen. Sie sind an komplexen neuronalen Schaltkreisen beteiligt.

Neuronale Schaltkreise und Netzwerke

Neurone sind nicht isoliert, sondern bilden komplexe Schaltkreise und Netzwerke, die die Grundlage für die Informationsverarbeitung im Nervensystem bilden. Diese Schaltkreise sind nach strengen Regeln aufgebaut und ermöglichen komplexe Funktionen wie Wahrnehmung, Denken, Lernen und Gedächtnis.

Divergenz und Konvergenz

In neuronalen Schaltkreisen können Informationen divergieren (sich ausbreiten) oder konvergieren (zusammenlaufen). Divergenz bedeutet, dass ein Neuron mit vielen anderen Neuronen verbunden ist und sein Signal an viele Zielzellen weiterleiten kann. Konvergenz bedeutet, dass ein Neuron Signale von vielen anderen Neuronen empfängt und diese Informationen integriert.

Reflexbogen

Ein einfacher Reflexbogen besteht aus einem sensorischen Neuron, einem Interneuron und einem motorischen Neuron. Wenn ein sensorischer Reiz (z. B. Schmerz) auftritt, wird das sensorische Neuron aktiviert und leitet das Signal an das Interneuron im Rückenmark weiter. Das Interneuron aktiviert das motorische Neuron, das wiederum einen Muskel kontrahiert und eine Reflexbewegung auslöst.

Neuronale Netzwerke

Neuronale Netzwerke sind komplexe Verbände von Neuronen, die miteinander verbunden sind und gemeinsam eine bestimmte Funktion ausführen. Diese Netzwerke können sich über verschiedene Hirnregionen erstrecken und sind an komplexen kognitiven Prozessen beteiligt.

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Gliazellen: Die Helfer des Nervensystems

Neben den Neuronen gibt es im Nervensystem eine zweite wichtige Zellpopulation: die Gliazellen (Neuroglia). Gliazellen sind Stützzellen, die die Neuronen umgeben und verschiedene wichtige Funktionen erfüllen. Im Zentralnervensystem (ZNS) gibt es vier Haupttypen von Gliazellen:

• Astrozyten: Versorgen Neurone mit Nährstoffen, regulieren den Stofftransport, puffern extrazelluläre Ionenkonzentrationen und bilden einen Teil der Blut-Hirn-Schranke. Astrozyten können identifiziert werden, weil sie im Gegensatz zu anderen ausgereiften Gliazellen saures Gliafaserprotein (GFAP) exprimieren.
• Oligodendrozyten: Bilden die Myelinscheide um die Axone der Neurone im ZNS. Die Myelinscheide isoliert die Axone und beschleunigt die Signalübertragung.
• Mikroglia: Die Immunzellen des Gehirns. Sie phagozytieren Zelltrümmer und Krankheitserreger und spielen eine Rolle bei Entzündungsprozessen. Nestin-positive Mikroglia können in der Hirnrinde gefunden werden.
• Ependymzellen: Kleiden die Hirnventrikel und den Zentralkanal des Rückenmarks aus. Sie produzieren die Zerebrospinalflüssigkeit (Liquor) und tragen zur Aufrechterhaltung der Homöostase im ZNS bei.

Im peripheren Nervensystem (PNS) gibt es zwei Haupttypen von Gliazellen:

• Schwann-Zellen: Bilden die Myelinscheide um die Axone der Neurone im PNS.
• Satellitenzellen (Mantelzellen): Umgeben die Zellkörper der Neurone in den Ganglien des PNS und unterstützen deren Funktion.

Die Myelinscheide: Isolation und Beschleunigung

Oligodendrozyten im ZNS und Schwann-Zellen im PNS bilden die Myelinscheide um die Axone der Neurone. Die Myelinscheide besteht aus mehreren Schichten von Zellmembran, die um das Axon gewickelt sind. Sie wirkt wie eine Isolierschicht und verhindert, dass elektrische Signale entlang des Axons verloren gehen.

Die Myelinscheide ist nicht kontinuierlich, sondern wird in regelmäßigen Abständen von Ranvierschen Schnürringen unterbrochen. An den Schnürringen ist das Axon unmyelinisiert und enthält viele Natriumkanäle. Die Aktionspotentiale springen von Schnürring zu Schnürring, was die Geschwindigkeit der Signalübertragung deutlich erhöht (saltatorische Erregungsleitung).

Histologie des Nervengewebes

Das Nervengewebe besteht aus Neuronen und Gliazellen, die in unterschiedlicher Weise angeordnet sind. Im Zentralnervensystem unterscheidet man zwischen grauer und weißer Substanz.

Graue Substanz

Die graue Substanz besteht hauptsächlich aus Zellkörpern von Neuronen, Dendriten und unmyelinisierten Axonen. Sie befindet sich im Gehirn vor allem in der Großhirnrinde und im Kleinhirn sowie in den Kernen (Nuclei) tief im Gehirn. Im Rückenmark befindet sich die graue Substanz im Zentrum und ist von der weißen Substanz umgeben. Die graue Substanz ist der Ort, an dem die meisten neuronalen Berechnungen stattfinden.

Weiße Substanz

Die weiße Substanz besteht hauptsächlich aus myelinisierten Axonen. Sie befindet sich im Gehirn unterhalb der Großhirnrinde und im Kleinhirn sowie im Rückenmark in der Peripherie. Die weiße Substanz verbindet verschiedene Hirnregionen miteinander und ermöglicht die schnelle Kommunikation zwischen ihnen.

Ganglien

Ganglien sind Ansammlungen von Nervenzellkörpern außerhalb des Zentralnervensystems. Sie sind von einer Schicht Gliazellen (Mantelzellen) umgeben. Ganglien kommen im peripheren Nervensystem vor, z. B. als Spinalganglien (sensorische Ganglien) und als autonome Ganglien (sympathische und parasympathische Ganglien).

Nerven

Nerven sind Bündel von Nervenfasern (Axonen und Dendriten), die von Bindegewebe umhüllt sind. Das Epineurium ist die äußerste Schicht des Bindegewebes, das Perineurium umgibt die Nervenfaserbündel (Faszikel), und das Endoneurium umgibt die einzelnen Nervenfasern.

Erkrankungen des Nervensystems

Es gibt viele Erkrankungen, die das Nervensystem betreffen können. Einige Beispiele sind:

• Multiple Sklerose (MS): Eine Autoimmunerkrankung, bei der die Myelinscheide im ZNS zerstört wird.
• Guillain-Barré-Syndrom (GBS): Eine Autoimmunerkrankung, bei der die Myelinscheide im PNS zerstört wird.
• Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Eine neurodegenerative Erkrankung, die die motorischen Neurone betrifft.
• Parkinson-Krankheit: Eine neurodegenerative Erkrankung, die die Basalganglien betrifft.
• Alzheimer-Krankheit: Eine neurodegenerative Erkrankung, die zum Verlust von Neuronen und Synapsen führt.
• Gliome: Tumore, die von Gliazellen ausgehen.
• Tollwut (Rabies): Eine Viruserkrankung, die das Nervensystem befällt.

Forschungsmethoden in der Neurohistologie

Die Neurohistologie ist ein wichtiger Bereich der Neurowissenschaften, der sich mit der Struktur und Organisation des Nervengewebes befasst. Es gibt verschiedene Methoden, die in der Neurohistologie eingesetzt werden, um das Nervensystem zu untersuchen. Zu den wichtigsten Methoden gehören:

• Mikroskopie: Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie werden verwendet, um die Struktur von Neuronen, Gliazellen und Synapsen zu untersuchen.
• Färbemethoden: Verschiedene Färbemethoden werden verwendet, um bestimmte Zelltypen oder Strukturen im Nervengewebe sichtbar zu machen. Beispiele sind die Golgi-Färbung (zur Darstellung einzelner Neuronen), die Nissl-Färbung (zur Darstellung von Zellkörpern) und die Myelin-Färbung (zur Darstellung von myelinisierten Axonen).
• Immunhistochemie: Antikörper werden verwendet, um spezifische Proteine in den Zellen des Nervengewebes zu identifizieren.
• Magnetresonanztomographie (MRT): Eine bildgebende Technik, die verwendet wird, um die Struktur und Funktion des Gehirns zu untersuchen.
• Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT): Eine spezielle Form der MRT, die verwendet wird, um die Aktivität verschiedener Hirnregionen während bestimmter Aufgaben zu messen.

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