Neuronale Funktion ohne Myelinscheide: Auswirkungen auf das Nervensystem

Ständig gereizt? Diese Frage müssten unsere Nervenzellen wohl eindeutig mit ja beantworten. 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 von Nervenzellen

Der Aufbau einer Nervenzelle ist komplex und faszinierend zugleich. 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 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.

Das Axon: Informationsleitung

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 Ursprung des Axons am Zellkörper der Nervenzelle. Hier werden die einkommenden elektrischen Impulse gesammelt und verrechnet, bis sie eine bestimmte Schwelle überschreiten. Haben sie das sogenannte Schwellenpotenzial erreicht, wird der Reiz (Aktionspotenzial) über das Axon zur nächsten Zelle weitergeschickt.

Myelinscheide und Schwannsche Zellen

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

Synaptische Endknöpfchen bilden das Ende der Nervenzelle, an dem mithilfe von Synapsen ankommende elektrische Signale zur nächsten Nervenzelle oder einer anderen Zelle (z. B. 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. In seltenen Fällen (z. B. Zahlreiche Antennen und ein leistungsstarkes Datenkabel 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. Trifft nun ein elektrisches Signal über das Axon am Nervenende ein, erhöht sich die elektrische Spannung an der präsynaptischen Membran, d. h. 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 Schwellenpotenzials 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.

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Klassifizierung von Nervenzellen

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.
• Pseudounipolare Nervenzelle: Neuron, bei dem Dendrit und Axon aus einem gemeinsamen Fortsatz in der Nähe des Zellkörpers entspringen (z. B.
• Multipolare Nervenzelle: Neuron mit vielen Dendriten und einem Axon; multipolare Nervenzellen gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nervenzellen (z. B.

Die Bedeutung der Myelinscheide

Nervenzellen enthalten Axone, lange faserartige Fortsätze, die Signale an andere Zellen übermitteln. Viele von ihnen sind von einer Myelinscheide umgeben, einer dicken, fetthaltigen Schicht, die dem Schutz und der schnellen Weiterleitung von Reizen dient. Die Myelinisierung neuronaler Axone durch Oligodendrozyten dient der Erhöhung der Leitgeschwindigkeit und gehört zu den komplexesten Interaktionen von Zellen im zentralen Nervensystem. Wissenschaftler entdeckten eine neue Funktion der Oligodendrozyten, die Unterstützung des Stoffwechsels von Axonen. Genetische Experimente in der Maus zeigen, dass es sich dabei um den Transfer von energiereichen Metaboliten handelt, die von glykolytischen Oligodendrozyten am Axon freigesetzt werden.

Funktionelle Einteilung von Nervenfasern

Eine Nervenfaser ist ein Kabel unseres Körpers, das elektrische Signale leitet und damit Effekte in verschiedenen Organen hervorruft. Ihre funktionelle Einteilung entscheidet über die Geschwindigkeit und Qualität ihrer Effekte. Die Nervenfasern sind Fortsätze von Nervenzellen (Neurone) und entsprechen im Prinzip ihren Axonen. In zentralen und peripheren Nervensystem gibt es Nervenfasern, die mit und ohne Myelinscheide auftreten. Im zentralen Nervensystem (ZNS) bilden Oligodendrozyten die Myelinscheide. Dabei bildet ein Oligodendrozyt mehrere Myelinscheiden um mehrere Axone. Die Dicke kann je nach Faserart sehr unterschiedlich sein. Nervenfasern des peripheren Nervensystems (PNS) werden durch Schwann-Zellen myelinisiert. Die Schwann-Zelle wickelt sich dabei um das Axon und somit kann jede Schwann-Zelle nur eine Myelinscheide bilden. Auch hier variieren die Dicken der Fasern je nach Typ. Die nicht-myelinisierten Fasern des PNS haben dagegen eine Dicke von unter zwei Mikrometern. Myelinisierte Axone werden generell von einzelnen Myelinscheiden umgeben. Zwischen den Scheiden ist die Nervenfaser frei von Isolierung. Dieser kleine Bereich wird als Ranvier’scher Schnürring bezeichnet. Am Ende der Nervenfaser verbinden sich die Axone mit Neuronen oder anderen Zellen und bilden Synapsen. Über diese Strukturen werden die elektrischen Signale chemisch über Neurotransmitter übertragen.

Arten von Nervenfasern

Allgemein ist das Ziel der Nervenfaser elektrische Signale durch den Körper zu leiten. Efferente Fasern leiten Informationen vom ZNS in die Peripherie und sind in aller Regel motorisch. Afferente Fasern dagegen leiten sensible Informationen aus der Peripherie ans ZNS. Dabei lassen sich anhand des Aufbaus und der Leitungsgeschwindigkeit verschiedene Typen klassifizieren. Entscheidend für diese Einteilung sind die Myelinisierung der Durchmesser der Faser und die Leitungsgeschwindigkeit. So werden dann die Fasern in Typ A, B und C eingeteilt. Untergruppen dieser Typen werden dann durch griechische Buchstaben (z.B.

• Fasern des Typs Aα sind extrem schnell leitende, myelinisierte Fasern (ca. 60-120 m/s) und dazu noch die dicksten mit einem Durchmesser von etwa 15 Mikrometern. Ihre wahrscheinlich berühmtesten Vertreter sind die α-Motoneurone, die zum Beispiel motorische Informationen aus dem Rückenmark zum entsprechenden Muskel leiten.
• Typ Aβ-Fasern sind vertreten als myelinisierte afferente Fasern, die sensible Informationen aus den Mechanorezeptoren der Haut leiten. Sie sind mit etwa 8 Mikrometer Durchmesser etwas dünner und langsamer (ca.
• Die mit Myelin überzogenen Aγ-Fasern leiten langsamer (ca. 2-30 m/s) und weisen mit etwa 5 Mikrometern einen dünneren Durchmesser auf.
• Ähnlich sind die Fasern des Typs Aδ, denn sie leiten mit einer ähnlichen Geschwindigkeit von circa 2-30 Metern pro Sekunde. Allerdings sind sie ein wenig dünner mit einem Durchmesser von etwa 3 Mikrometern und nur sehr dünn von Myelinscheiden umgeben.
• Fasern, die als Typ B eingestuft sind ebenfalls wie alle A-Fasern myelinisiert, leiten aber relativ langsam (ca. 3-15 m/s) im Vergleich, da sie nur weniger als 3 Mikrometer Durchmesser messen.
• C-Fasern sind nicht myelinisiert und nur etwa einen Mikrometer im Durchmesser. Sie leiten nur sehr langsam mit einer Geschwindigkeit von circa 0,25 bis 1,5 Metern pro Sekunde. Typischerweise handelt es sich bei ihnen um die langsamen, schmerzleitenden Nervenfasern, die den dumpfen und späten Schmerz leiten.

Funktion ohne Myelinscheide

Ohne Myelin funktioniert die Nervenzelle und damit das Nervensystem nur eingeschränkt und es besteht die Gefahr, dass Nervenzellen degenerieren.

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Auswirkungen auf die Signalübertragung

Die wichtigste Aufgabe des Axons ist also die Weiterleitung elektrischer Erregungen vom Zellkörper an das Ende der Nervenzelle. hin leiten. Dann nennst du das ein afferentes Axon. Es kann aber abgesehen vom elektrischen Transport auch ein Stofftransport im Axon stattfinden. Das bezeichnest du als axonalen Transport. Dabei können Stoffe (z.B. Es kann aber auch passieren, dass die Neuriten ihre Funktion nicht mehr ausführen können. Zum Beispiel kann es infolge eines Unfalls zu einer axonalen Schädigung kommen. Die Durchtrennung von Axonen führt zur Degeneration (Abbau) von Teilen der betroffenen Neuronen. Sie können nur teilweise wieder nachwachsen, was zu Problemen in der Signalweiterleitung führen kann. Jetzt weißt du also, dass mithilfe des Neurits Signale innerhalb einer Nervenzelle weitergeleitet werden. Aber wie wird denn nun die Erregung auf die nächste Zelle übertragen? Myelinisierte und nicht myelinisierte Nervenfasern spielen eine entscheidende Rolle im… Dieser Abschnitt befasst sich mit den strukturellen und funktionellen Unterschieden zwischen markhaltigen (myelinisierten) und marklosen (nicht myelinisierten) Nervenfasern. Bei markhaltigen Nervenfasern umhüllen Schwann'sche Zellen das Axon mehrmals und bilden eine isolierende Myelinscheide. Diese Myelinscheide besteht aus Fetten und Proteinen und ist für die elektrische Isolierung verantwortlich. Im Gegensatz dazu wickeln sich bei marklosen Nervenfasern die Schwann'schen Zellen nur einfach um das Axon herum, ohne eine Myelinscheide zu bilden. Die Schwann'sche Zelle Funktion geht über die Myelinisierung hinaus.

Degenerative Erkrankungen

Multiple Sklerose (MS) ist eine der Erkrankungen, die auf einen Abbau der Myelinhülle zurückgeht. Sie entsteht durch aufeinanderfolgende Schübe, bei denen MS-Patienten nach und nach ihre Nervensystemfunktionen verlieren. Im Wesentlichen ist die MS durch eine fortschreitende Demyelinisierung von Axonen im zentralen Nervensystem (ZNS) gekennzeichnet. Diese Zerstörung der Myelinscheiden geschieht durch eine Autoreaktivität des eigenen Immunsystems. Das bedeutet, dass eigene T-Lymphozyten sich aus noch ungeklärten Gründen gegen die körpereigenen Myelinstrukturen richten und diese durch hervorgerufene Entzündungsreaktionen untergehen lassen. Damit ist die Leitungsgeschwindigkeit der betroffenen Neurone stark eingeschränkt. Zusätzlich ist der zelluläre Stoffwechsel gestört, was eine Degeneration der Nervenzellen zur Folge hat. Ein häufiges Erstsymptom sind Sehstörungen, darunter auch das Sehen von Doppelbildern. Die Prognose sowie der Verlauf der Multiplen Sklerose ist sehr individuell und kann sich durchaus enorm unterschiedlich präsentieren. So wirkt sich ein Erkrankungsbeginn nach dem 35. Lebensjahr eher ungünstiger auf die Prognose aus. Gesunde Myelinhüllen sind eine Grundvoraussetzung für ein funktionierendes peripheres oder zentrales Nervensystem. Erfolgt eine Schädigung im peripheren Nervensystem, etwa durch einen Unfall an Armen oder Beinen, können sich die Axone und die Myelinummantelung der Axone relativ gut erholen. "Das periphere Nervensystem ist in dieser Hinsicht recht effizient, es könnte aber noch verbessert werden", so Prof. Dr. Im Zentralnervensystem liegt der Fall anders: Hier findet nach einer Läsion keine effiziente Wiederherstellung der Axone und der Myelinhülle statt. Daher führen Verletzungen zu permanenter Lähmung - ebenso bei Multipler Sklerose. Multiple Sklerose ist die häufigste neurodegenerative Erkrankung des zentralen Nervensystems und geht auf den Abbau der Myelinhüllen von Neuronen zurück. Durch wiederholte Läsionen kann ein permanenter Verlust der Funktion eintreten, wenn die Wiederherstellung der Ummantelung mit Myelin fehlschlägt. Diese Fähigkeit zur Wiederherstellung, als Remyelinisierung bezeichnet, nimmt mit dem Alter dramatisch ab.

Forschung und Therapieansätze

Das Team von Neurobiologin Prof. Dr. Claire Jacob hat einen wichtigen Mechanismus aufgedeckt, der die Wiederherstellung der Myelinhülle nach einer Verletzung durch ein Trauma oder eine degenerative Erkrankung reguliert. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden geschädigte Myelinscheiden bei Mäusen durch die Behandlung mit dem Wirkstoff Theophyllin regeneriert und so die Funktion der Nervenzellen wiederhergestellt. In der neuen Studie hat ihre Arbeitsgruppe untersucht, wie die Remyelinisierung sowohl im peripheren als auch im zentralen Nervensystem von Mäusen erfolgt. "Wir wollten zunächst den Prozess verstehen, der die Myelinisierung verhindert. Im zweiten Schritt ging es uns dann darum, wie man dieser Verhinderung oder Blockade begegnen kann." Jacob und die beteiligten Neurowissenschaftlerinnen und Neurowissenschaftler identifizierten das Protein eEF1A1 als zentralen Faktor in dem Geschehen: Ist eEF1A1 durch Acetylierung aktiviert, wird der Prozess zur Remyelinisierung unterbunden. Ist eEF1A1 durch Deacetylierung deaktiviert, kann die Myelinschicht wieder aufgebaut werden. Sozusagen gestoppt wird eEF1A1 durch die Histon-Deacetylase HDAC2. "Nachdem wir diesen Prozess verstanden hatten, wollten wir ihn modulieren, indem wir die Aktivität und die Synthese von HDAC2 in den Zellen erhöhen", erläutert Jacob. Dies wird mit dem Wirkstoff Theophyllin erreicht, der unter anderem in Teeblättern vorkommt und schon lange in der Therapie von Asthma eingesetzt wird. Mäuse, die vier Tage lang mit Theophyllin behandelt wurden, zeigten deutliche Verbesserungen. Die Wiederherstellung der Myelinscheide war im peripheren Nervensystem besonders beeindruckend und die Neurone erholten sich vollständig. Auch im zentralen Nervensystem verlief die Regeneration viel besser, sodass sowohl bei jungen als auch bei alten Mäusen nach einem Monat ein schneller und effizienter Aufbau der Myelinumhüllung festzustellen war. "Dieser Studie zufolge erscheint Theophyllin als ein sehr vielversprechendes Präparat, um es in künftigen translationalen Studien zu testen, damit die Remyelinisierung nach einer traumatischen Verletzung oder im Zusammenhang mit Demyelinisierungserkrankungen beschleunigt und gefördert wird", schreiben die Autorinnen und Autoren in einem Beitrag im Fachjournal Nature Communications. Prof. Dr.

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