Die Signalübertragung in Nervenzellen ist ein komplexer Prozess, der die Grundlage für die Funktion unseres Gehirns und die Steuerung unseres Körpers bildet. Dieser Artikel beleuchtet die Richtung der Signalübertragung in Nervenzellen, von der Reizaufnahme bis zur Weiterleitung an andere Zellen.
Die Grundlagen: Nervenzellen und ihre Bestandteile
Das menschliche Gehirn besteht aus mehr als 100 Milliarden Nervenzellen, auch Neurone genannt, die in komplexen Netzwerken miteinander verschaltet sind. Diese Neurone sind die Bausteine des Nervensystems und ermöglichen es uns, Sinneseindrücke zu verarbeiten, Gedanken zu formen und Handlungen auszuführen.
Ein Neuron besteht typischerweise aus drei Hauptbestandteilen:
- Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und die grundlegenden zellulären Strukturen.
- Dendriten: Verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Neuronen empfangen und zum Zellkörper weiterleiten.
- Axon: Ein langer, schlanker Fortsatz, der Signale vom Zellkörper weg zu anderen Neuronen oder Zielzellen transportiert.
Signalübertragung innerhalb einer Nervenzelle
Innerhalb einer Nervenzelle wird ein einkommendes Signal elektrisch weitergeleitet. Solange ein Neuron nicht "feuert", befindet es sich im Ruhezustand. In dieser Phase herrscht an der Außenhaut der Zelle, der Membran, eine bestimmte Spannung, das Ruhepotenzial vor. Wird das Neuron entsprechend gereizt, etwa durch eine andere Nervenzelle oder einen sensorischen Input, entsteht an der Membran des Axons eine veränderte elektrische Spannung, die sich bis zu den Synapsen fortpflanzt. Man spricht vom Aktionspotenzial, das beim Menschen etwa eine Millisekunde andauert.
Die elektrische Weiterleitung funktioniert nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip: Erst wenn die Stärke des Signals einen Schwellenwert übersteigt, wird im Axon das Aktionspotenzial generiert. Der Wechsel vom Ruhe- zum Aktionspotenzial erfolgt, indem bestimmte Ionen über die Zellmembran des Axons ein- und ausströmen. Im Ruhezustand sind mehr Kalium-Ionen im Inneren des Axons, während sich außerhalb mehr Natrium-Ionen befinden.
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Kommt ein geeigneter Reiz, öffnen sich in der Membran kurzzeitig Ionen-Kanäle, über die sehr schnell positiv geladene Natrium-Ionen einströmen. Nun wird das Potenzial im Inneren positiver, mehr Kanäle öffnen sich, man spricht von einer Depolarisation. Nur wenn diese stark genug ist, sie also einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, tritt das Aktionspotenzial als eine Art explosionsartige Umpolarisierung der Membran auf („Alles-oder-Nichts-Prinzip“). Während das Aktionspotenzial wie eine Welle das Axon entlangschießt, beginnt am Axonhügel nahe dem Zellkörper bereits die Repolarisation: Kalium-Ionen treten über sich jetzt öffnende eigene Kanäle nach außen, während sich die Natrium-Kanäle wieder schließen. Das Ungleichgewicht der Ladungen verringert sich, bis der Ruhezustand wieder erreicht ist. Im Folgenden sorgen dann aktive Natrium-Kalium-Pumpen dafür, dass die eingeströmten Natrium-Ionen wieder nach außen und die Kalium-Ionen nach innen transportiert werden.
Die Synapse: Schaltstelle der neuronalen Kommunikation
Die Signalübertragung zwischen Nervenzellen erfolgt über spezielle Kontaktstellen, die als Synapsen bezeichnet werden. Eine Synapse ist der Verbindungsbereich zwischen zwei Zellen, meist Nervenzellen. Ihre Funktion ist das Übertragen von chemischen oder elektrischen Signalen von einer Nervenzelle zu ihrer Nachbarzelle. Die Kommunikation zwischen Nervenzellen bildet die wesentliche Grundlage der Funktion unseres Gehirns. Zellen geben ihre Signale an andere Zellen weiter, so werden Sinneseindrücke verarbeitet und so entstehen Gedanken. Die Signalübertragung erfolgt dabei meist nur in einer Richtung, über sogenannte Synapsen.
Es gibt zwei Haupttypen von Synapsen:
- Chemische Synapsen: Die häufigste Form der Synapse, bei der die Signalübertragung durch die Freisetzung von chemischen Botenstoffen, den Neurotransmittern, erfolgt.
- Elektrische Synapsen: Eine seltenere Form, bei der die Signalübertragung direkt über Ionenströme zwischen den Zellen erfolgt.
Chemische Synapsen: Ein komplexer Übertragungsprozess
An chemischen Synapsen wird das elektrische Signal des Aktionspotenzials in ein chemisches "übersetzt": Sie setzen Botenstoffe, Neurotransmitter, in den Spalt zwischen Sender- und Empfängerzelle frei. Die Empfängerzelle kann die Neurotransmitter über Rezeptoren aufnehmen und in ein elektrisches Signal, das postsynaptische Signal, übersetzen.
Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig. Wenn ein Aktionspotential das synaptische Endknöpfchen erreicht, öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle. Der Anstieg der Calciumionenkonzentration löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der Membran aus. Die Neurotransmitter können an der postsynaptischen Membran an für sie spezifische Rezeptoren (Andockstellen) binden. Die Kanäle sind also nicht spannungsgesteuert, sondern ligandengesteuert. Das bedeutet: Die Ionenkanäle öffnen sich, sobald ein Transmitter (= Ligand) an den entsprechenden Rezeptor gebunden hat. Dieser Ein- und Ausstrom hat eine positive oder negative Veränderung der Spannung zur Folge (= postsynaptisches Potential). Die Erregung / Hemmung findet solange statt, wie die Neurotransmitter an den Rezeptoren gebunden sind. Dann können sie wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen und erneut verwendet werden.
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Die Erregung der Afferenzen erfolgt in Rezeptoren der peripheren Nervenendigungen, die der Efferenzen in einem Neuron des ZNS. Allgemeine Viszeroefferenzen: Sind autonom und leiten Informationen zu Gefäßen, glatter Muskulatur der Organe und Drüsen Spezielle Viszeroefferenzen: Leiten Informationen zu den sog.
Elektrische Synapsen: Direkte Kommunikation
Neben chemischen Synapsen wurden auch elektrische Synapsen entdeckt. Bei dieser elektrischen Kommunikation zweier Zellen spielen so genannte ‚gap junctions‘ eine Rolle - aus Proteinen bestehende Kanäle, die die Zellflüssigkeiten von zwei Neuronen verbinden. So können elektrische Signale Ionenströme durch diese Kanäle ohne Umwege direkt von Zelle zu Zelle weitergeben. „Mit gap junctions kann man viele Zellen über eine größere Entfernung miteinander synchronisieren“, sagt Nils Brose, Direktor der Abteilung für Molekulare Neurobiologie am Max-Planck-Institut für Experimentelle Medizin. „Wenn eine Zelle ein Signal erhält, dann geht das gleich auf die anderen Zellen über, da sie wie Stecker und Steckdose miteinander verbunden sind.“ Das mobilisiert in kürzester Zeit größere Nervenzellgruppen. Obwohl das sehr effizient klingt, kommt diese rein elektrische Form der Weiterleitung eher bei einfacher entwickelten Tieren wie Krebsen vor, wo sie zum Beispiel schnelle Fluchtreaktionen steuern.
Elektrische Synapsen sind weitaus seltener als chemische und übertragen die Erregung zwischen zwei Zellen über einen Ionenstrom. Die Erregungsübertragung kann in beide Richtungen („bidirektional“) und ohne Zeitverlust erfolgen. Man findet elektrische Synapsen zwischen neuronalen Zellen, z.B. in der Retina. Membranen von prä- und postsynaptischer Zelle Gap Junctions (Nexus): Zell-Zell-Kanäle zwischen Prä- und Postsynapse, gebildet aus Connexin-Proteinkomplexen (sog.
Neurotransmitter: Die Botenstoffe des Nervensystems
Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die für die Signalübertragung an chemischen Synapsen unerlässlich sind. Es gibt eine Vielzahl von Neurotransmittern, die unterschiedliche Funktionen im Nervensystem erfüllen. Einige wichtige Neurotransmitter sind:
- Acetylcholin: Spielt eine Rolle bei der Muskelkontraktion, der Gedächtnisbildung und der Aufmerksamkeit.
- Dopamin: Beteiligt an der Steuerung von Bewegung, Motivation und Belohnung.
- Serotonin: Reguliert Stimmung, Schlaf und Appetit.
- Glutamat: Der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im Gehirn.
- GABA (Gamma-Aminobuttersäure): Der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im Gehirn.
Die Wirkung der Neurotransmitter ist nicht immer exzitatorisch, also erregend. Sie können auch inhibitorisch, hemmend agieren und so die Entstehung eines neuen Aktionspotenzials verhindern (Alles-oder-Nichts-Prinzip).
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Faktoren, die die Signalübertragung beeinflussen
Die Signalübertragung in Nervenzellen ist ein komplexer Prozess, der von verschiedenen Faktoren beeinflusst werden kann. Dazu gehören:
- Medikamente: Viele Medikamente wirken auf das Nervensystem, indem sie die Produktion, Freisetzung, Wiederaufnahme oder den Abbau von Neurotransmittern beeinflussen.
- Drogen: Einige Drogen wie Kokain, Amphetamin und Halluzinogene erhöhen u.a. die Dopaminkonzentration im synaptischen Spalt, was zu einer Stimulation des Dopamin-vermittelten Belohnungssystems und damit zu einer psychischen Abhängigkeit führt.
- Erkrankungen: Verschiedene neurologische und psychiatrische Erkrankungen können die Signalübertragung in Nervenzellen beeinträchtigen. So wird zum Beispiel bei der Alzheimer-Krankheit ein Gedächtnisverlust durch eine Insuffizienz des Neurotransmitters Acetylcholin in den Synapsen postuliert, der das Ablegen neuer Erinnerungen vermittelt.
- Genetische Faktoren: Genetische Variationen können die Funktion von Neurotransmittern und Rezeptoren beeinflussen und somit die Signalübertragung verändern.
Die Bedeutung der Signalübertragung für das Gehirn
Die schnelle und zuverlässige Signalübertragung zwischen den Nervenzellen ist die Grundlage eines funktionierenden Gehirns. Die Modifizierbarkeit der Übertragungsstärke an Synapsen wird von vielen Forschern derzeit als die Grundlage des Lernens angesehen. Unser Gedächtnis wird einem bestimmten Hirnareal zugeschrieben, dem Hippocampus. Bei Lernvorgängen kommt es hier zu funktionellen Veränderungen an bestimmten Synapsen, die dazu führen, dass die elektrischen Antworten in den Empfängerzellen stärker werden. Man kann sich das wie einen Trampelpfad durch den Wald vorstellen: Je häufiger er benutzt wird, desto leichter zugänglich wird er - man kann ihn leichter wiederfinden und sich immer besser auf ihm fortbewegen. Genauso kann er aber wieder zuwuchern, wenn er nicht gebraucht wird. Das passiert auch im Gehirn - Neues lernen lässt neue Verbindungen entstehen, werden sie nicht gebraucht, werden sie auch wieder abgebaut.
Ohne eine funktionierende Signalübertragung wären grundlegende Prozesse wie Wahrnehmung, Bewegung, Denken und Gedächtnis nicht möglich. Störungen in der Signalübertragung können zu einer Vielzahl von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen.
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