Ständig gereizt? Diese Frage würden unsere Nervenzellen wohl eindeutig bejahen. Doch auch wenn sie dauernd unter Strom stehen, ist von Chaos im Nervensystem keine Spur. Mit höchster Präzision und Schnelligkeit arbeiten Milliarden von Nervenzellen koordiniert zusammen, um Informationen auszutauschen und uns so Handlungen, Gedanken und Emotionen zu ermöglichen. Die Nervenzelle (med.: Neuron) ist eine hoch spezialisierte Zelle, die der Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Nervenimpulsen dient (sog. Erregungsleitung). Damit die Nervenzellen ihre Funktion als Kommunikationsspezialisten gut erfüllen können, sind sie zu einem großen Netzwerk, dem Nervensystem, zusammengeschaltet. Allein in unserem Gehirn, dem Schalt- und Kontrollzentrum des Nervensystems, sind rund 100 Milliarden Nervenzellen im Einsatz.
Aufbau und Funktion der Nervenzelle (Neuron)
Der Aufbau einer Nervenzelle ist komplex und faszinierend zugleich. Das Neuron lässt sich in unterschiedliche Abschnitte gliedern.
Zellkörper (Soma)
Der Zellkörper der Nervenzelle, auch Soma genannt, enthält den Zellkern sowie alle Zellorganellen, die für die Funktionsfähigkeit der Zelle wichtig sind, darunter Nissl-Schollen, Golgi-Apparat und Mitochondrien. Von letzteren ist das Neuron aufgrund seines hohen Energiebedarfs in besonderem Maße abhängig.
Dendriten: Die Antennen der Nervenzelle
Dendriten sind feine Verästelungen des Zellkörpers (sog. Zellfortsätze), die über Synapsen mit anderen Nervenzellen in Kontakt stehen. Sie empfangen deren Signale und leiten sie anschließend an den Zellkörper weiter. Dendriten stellen also gewissermaßen die Antennenregion der Nervenzelle dar. Jedes Neuron besitzt üblicherweise ein bis zwölf Dendriten. Diese gehen vom Soma der Nervenzellen als Fortsätze ab, wobei sie meist auf der gegenüberliegenden Seite vom Abgang des Axons zu finden sind.
Dendriten im Detail
Dendriten sind kürzer als Axone, unmyelinisiert und ähneln von der zytoplasmatischen Zusammensetzung eher dem Soma (somatodendritisches Kompartiment). Manche Dendriten verfügen über Dornen (Membranausstülpungen, an denen Postsynapsen lokalisiert sind). Dendriten haben einen breitbasigen Ursprung an Nervenzellkörperchen.
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Wegen der Ähnlichkeit der Zusammensetzung des Zytoplasmas von Soma und Dendrit scheinen die beiden Abschnitte beinahe fließend ineinander überzugehen. Ihre Einheit wird deshalb auch als somatodendritisches Kompartiment bezeichnet. Manche Dendriten verfügen über sogenannte Dornen. Dabei handelt es sich um Membranausstülpungen, die ihren Namen von ihrem stacheligen Aussehen haben. An diesen Dornen befinden sich Synapsen, über die der Dendrit Informationen von anderen Nervenzellen empfängt.
Es gibt verschiedene Typen von Neuronen, die man anhand ihres Aufbaus unterscheiden kann. Kriterien für die Unterscheidung sind v. a. Anzahl und Anordnung der Dendriten und Axone. Insgesamt unterscheidet man zwischen unipolaren, pseudounipolaren, bipolaren und multipolaren Nervenzellen.
Funktion der Dendriten
Die primäre Funktion von Dendriten ist die Aufnahme elektrischer Reize und die Weiterleitung zum Soma. Diese Reize werden mithilfe von Synapsen übertragen. Am häufigsten sind die chemischen Synapsen vertreten, die zwischen verschiedenen Bauteilen von Nervenzellen bestehen können. Nicht an jeder Synapse muss zwangsläufig ein Dendrit beteiligt sein.
Die Funktion von Dendriten geht noch über die reine Entgegennahme von Signalen hinaus: Aktionspotentiale können nicht nur in Richtung Zellkörper geschickt werden, sondern können auch in die andere Richtung im Dendrit zurücklaufen. Vor allem das Calcium, das sich nach Depolarisation in den Dendriten ausbreitet, kann über verschiedene Mechanismen die Empfangseigenschaften der Dendriten verändern.
Dendritische Dornen
Manche Dendriten verfügen über sogenannte Dornen. Dabei handelt es sich um Membranausstülpungen, die ihren Namen von ihrem stacheligen Aussehen haben. An diesen Dornen befinden sich Synapsen, über die der Dendrit Informationen von anderen Nervenzellen empfängt.
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Axon: Die Datenleitung der Nervenzelle
Als Axon bzw. Neurit wird der Neuron Fortsatz bezeichnet, der aus dem Axonhügel hervorgeht und die elektrischen Impulse vom Zellkörper zum Ende der Nervenzelle leitet. Im Gegensatz zu den kürzeren Dendriten kann die Länge des Axons je nach Funktion und Lokalisation der Nervenzelle bis zu einem Meter und mehr betragen.
Der Axonhügel bildet den Übergang vom Soma zum Axon. Die elektrischen Signale werden hier solange gesammelt und summiert, bis eine bestimmte Schwelle oder ein Schwellenpotential überschritten wird. Erst dann wird ein Signal an das Axon weitergeleitet. Diese Signale nennt man Aktionspotentiale.
Schwannsche Zellen und Myelinscheide: Isolation und Beschleunigung
Schwannsche Zellen sind Stütz- und Hüllzellen der Neuronen im peripheren Nervensystem. Sie sind nicht direkt an der Reizweiterleitung beteiligt, sondern haben die Aufgabe, die Nervenzelle zu stabilisieren und zu ernähren. Als Myelinscheide oder Markscheide wird die von Schwannschen Zellen gebildete elektrische Isolationsschicht bezeichnet. Wie ein Verband legt sie sich um das Axon der Neuronen des peripheren Nervensystems herum und sorgt so nicht nur für deren Schutz, sondern auch für die Beschleunigung der Erregungsleitung.
Im zentralen Nervensystem (ZNS), also dem Gehirn und Rückenmark, werden die Nervenzellen ebenfalls von einer Myelinscheide umgeben. Entlang des Axons ist die Myelinscheide immer wieder durch freiliegende Axonbereiche, die sogenannten Ranvierschen Schnürringe, unterbrochen. Diese Unterbrechungen ermöglichen es dem elektrischen Impuls, über längere umhüllte Bereiche zu springen und so eine höhere Geschwindigkeit zu erlangen.
Synaptische Endknöpfchen und Neurotransmitter: Signalübertragung
Synaptische Endknöpfchen bilden das Ende der Nervenzelle, an dem mithilfe von Synapsen ankommende elektrische Signale zur nächsten Nervenzelle oder einer anderen Zelle übertragen werden. Meist wird das elektrische Potenzial dazu in sogenannten Neurotransmitter (Nervenbotenstoffe) „umgewandelt“. Zu den Neurotransmittern gehören eine Reihe chemischer Botenstoffe wie z. B. Acetylcholin, Noradrenalin, Dopamin oder Glutamat. Diese werden in chemischen Synapsen in kleinen Bläschen, den synaptischen Vesikeln, gelagert.
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Mitochondrien: Die Kraftwerke der Nervenzelle
Nervenzellen sind von einer Membran umgeben und haben einen Zellkern sowie weitere Organellen, wie beispielsweise die „Kraftwerke der Zellen“, die Mitochondrien. Die Neuronen kommen aber einer ganz besonderen Aufgabe nach, nämlich der Erzeugung und Weiterleitung von elektrischen Erregungen, den sogenannten Aktionspotentialen.
Mitochondrien werden oft als die Kraftwerke der Zelle bezeichnet, weil sie Energie produzieren. Aber sie tun noch viel mehr als das - sie helfen, den Stoffwechsel zu regulieren, halten die Zellen gesund und ermöglichen ihnen, miteinander zu kommunizieren. Wie kann ein einziges Mitochondrium so viele Aufgaben bewältigen?
Frühe Forschungsarbeiten deuteten darauf hin, dass Mitochondrien aufgrund ihrer Lage innerhalb eines Neurons spezialisiert sein könnten, aber die meisten Studien konzentrierten sich eher auf ihre Form als auf ihre Funktion. Bisher hat noch niemand systematisch untersucht, ob Mitochondrien in verschiedenen Teilen eines Neurons tatsächlich unterschiedliche Aufgaben erfüllen.
Durch die Entwicklung neuer Methoden zur Isolierung von Mitochondrien aus den Nervenzellen von Mäusen hat die Forschungsgruppe herausgefunden, dass sich die Mitochondrien im Zellkörper auf die Energieproduktion und die Herstellung ihrer eigenen Proteine zu konzentrieren scheinen - zwei wesentliche Funktionen, um das Mitochondrium sowie das Neuron am Leben und funktionsfähig zu halten. Die Mitochondrien in den Axonen scheinen dagegen eine spezialisiertere Rolle im lokalen Stoffwechsel zu spielen, vielleicht bei Funktionen, die mit der Weiterleitung von Signalen in Nervenzellen zusammenhängen.
Mitochondriale Fusion und neuronale Plastizität
Die Forschungsgruppe um Professor Dr. Matteo Bergami vom Exzellenzcluster für Alternsforschung CECAD an der Universität zu Köln untersuchte diese Prozesse anhand von Mausmodellen mithilfe von Bildgebung, Signalverfolgung mit Viren, und elektrophysiologischen Techniken. Sie fanden heraus, dass bei der Reifung neuer Neuronen die Mitochondrien (die Kraftwerke der Zellen) entlang der Dendriten sich zunehmend durch Fusion verbinden und dadurch länglichere Formen bilden. Dieser Prozess ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Plastizität neuer Synapsen und die Anpassung bereits bestehender neuronaler Netze als Reaktion auf komplexe Erfahrungen.
Die adulte Neurogenese findet im Hippocampus statt, die Region des Gehirns, die kognitive und emotionale Prozesse steuert. Es konnte bestätigt werden, dass Veränderungen der Neurogenese im Hippocampus mit neurodegenerativen und depressiven Störungen korrelieren. Obwohl bekannt ist, dass die neu produzierten Neuronen dort über längere Zeiträume reifen, um eine hohe Plastizität zu gewährleisten, ist unser Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen begrenzt. Die Ergebnisse von Bergami und seinem Team deuten darauf hin, dass das Tempo der mitochondrialen Fusion in den Dendriten die neuronale Plastizität der neuen Nervenzellen steuert, nicht aber deren Reifung an sich.
Die Ergebnisse erweitern das Wissen, dass mitochondriale Dysfunktionen (z.B. während der Fusion) neurologische Störungen beim Menschen verursachen. Zudem deuten sie darauf hin, dass die Fusion eine viel komplexere Rolle als bisher angenommen bei der Kontrolle der synaptischen Funktion und ihrer Fehlfunktion bei Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson spielen kann.
Vielfalt der Nervenzellen: Einteilung nach Struktur
In der Neurobiologie können Nervenzellen nach verschiedenen Charakteristika eingeteilt werden.
- Unipolare Nervenzelle: Neuron mit einem Fortsatz (Axon); lange wurden die Sinneszellen der Augen dazu gezählt.
- Bipolare Nervenzelle: Neuron mit zwei separaten Fortsätzen (Axon und Dendrit); dient der Vermittlung bestimmter Sinne (z. B. Netzhaut).
- Pseudounipolare Nervenzelle: Neuron, bei dem Dendrit und Axon aus einem gemeinsamen Fortsatz in der Nähe des Zellkörpers entspringen (z. B. Spinalganglien).
- Multipolare Nervenzelle: Neuron mit vielen Dendriten und einem Axon; multipolare Nervenzellen gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nervenzellen (z. B. Pyramidenzellen, Purkinje-Zellen).
Die Kommunikation der Nervenzellen: Ein komplexes Zusammenspiel
Zahlreiche Antennen (Dendriten) und ein leistungsstarkes Datenkabel (Axon) machen es möglich, dass Nervenzellen in Windeseile untereinander und mit anderen Körperzellen kommunizieren. Wichtige Schaltstellen bilden hierbei die Synapsen, deren Anzahl je nach Zelltyp zwischen genau einer und über 100.000 variieren kann.
Trifft nun ein elektrisches Signal über das Axon am Nervenende ein, erhöht sich die elektrische Spannung an der präsynaptischen Membran. In der Folge bewegen sich mit Neurotransmittern gefüllte synaptische Vesikel in Richtung der Membran und verschmelzen mit ihr. Dabei werden die Botenstoffe in den synaptischen Spalt abgegeben und „wandern“ zur Empfängerzelle. Elektrisch geladene Teilchen strömen in die Zelle ein und verändern die Spannung der Empfänger Zelle (postsynaptisches Potenzial). Der entstehende Reiz wird anschließend über die Dendriten und dem Zellkörper zum Axonhügel weitergeleitet, wo bei einem ausreichend starken elektrischen Impuls ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Anschließend schließen sich die Natriumkanäle wieder. Die Spannung sinkt zurück auf das Ruhepotenzial (sogenannte Repolarisation).
Nach dem Alles-oder-nichts-Gesetz lässt eine Erregung bei Überschreitung des Schwellenpotentials immer ein Aktionspotenzial in gleicher Form, Größe und Dauer entstehen. Daher ist nicht die Größe des Aktionspotenzials für die Kommunikation der Nervenzellen entscheidend, sondern die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit (Frequenz). Dabei ist es wichtig, dass nach jeder Depolarisation mithilfe der Natrium-Kalium-Pumpe das Ruhepotenzial wieder hergestellt wird.
Lernen und Gedächtnis auf zellulärer Ebene
Lernen und Gedächtnis laufen im Gehirn auf verschiedenen Ebenen ab, beruhen letztendlich aber auf Molekülveränderungen. Diese winzigen Spuren versuchen wir sichtbar zu machen, um die molekularen Schritte des Lernens zu verstehen. Eine fundamentale Rolle spielt offensichtlich die Produktion neuer Proteine direkt vor Ort, an Kommunikationsstellen zwischen Nervenzellen.
Die Fähigkeit von Synapsen, unabhängig von anderen Synapsen des gleichen Neurons langfristig ihre Übertragungsstärke zu verändern, gilt als Lernen und Gedächtnis auf Zellebene. Die Produktion neuer Proteine, den Arbeitsmaschinen einer Zelle, spielt dabei eine entscheidende Rolle. Sowohl Lernen als auch das langfristige Verstellen der Übertragungsstärke an Synapsen funktionieren nicht mehr, wenn die Proteinproduktion verhindert wird.
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