Neuronale Signalübertragung: Mechanismen und Bedeutung

Einführung

Das Nervensystem, bestehend aus Gehirn, Rückenmark und peripheren Nerven, ist ein komplexes Netzwerk, das die Grundlage für Wahrnehmung, Denken, Gedächtnis, Bewegungskoordination und viele andere kognitive und motorische Prozesse bildet. Die Nervenzelle (Neuron) ist die grundlegende funktionelle Einheit dieses Systems. Neuronen sind spezialisierte Zellen, die in der Lage sind, elektrische Signale zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Diese Fähigkeit ermöglicht die Kommunikation zwischen den verschiedenen Teilen des Nervensystems und somit die Koordination und Steuerung aller körperlichen und geistigen Prozesse. Die Signalübertragung zwischen Neuronen ist ein komplexer Prozess, der sowohl elektrische als auch chemische Komponenten beinhaltet.

Aufbau und Funktion von Neuronen

Ein Neuron besteht typischerweise aus drei Hauptbestandteilen:

• Dendriten: Baumartige Zellfortsätze, die Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren empfangen. Hier befinden sich in der Regel erregende/aktivierende Synapsen.
• Soma (Zellkörper): Enthält den Zellkern und integriert die von den Dendriten empfangenen Signale. Die eingehenden Signale aller Dendriten laufen hier zusammen.
• Axon: Ein langer, dünner Fortsatz, der Signale vom Soma weg zu anderen Neuronen oder Zielzellen transportiert.

Der Bereich zwischen dem Soma und dem Axon wird als Axonhügel bezeichnet. Hier wird das EPSP, wenn es denn stark genug ist, in Aktionspotentiale umgewandelt oder übersetzt. Das Axon ist meistens von einer Myelinscheide umgeben, die überwiegend aus Lipiden und Proteinen besteht. Sie bildet, ähnlich wie bei einem Stromkabel, eine Art Isolierschicht um das Axon und ermöglicht somit die Saltatorische Erregungsleitung. Dabei werden elektrische Signale in schnellen Sprüngen entlang des Axons weitergeleitet. Im Körper findet man auch Axone ohne Myelinscheiden.

Elektrische Signalübertragung innerhalb eines Neurons

Innerhalb eines Neurons wird ein einkommendes Signal elektrisch weitergeleitet. Wenn 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.

Ruhepotential und Aktionspotential

Das Ruhepotential entsteht durch eine unterschiedliche Ionenverteilung innerhalb und außerhalb der Zelle. Im Ruhezustand sind mehr Kalium-Ionen im Inneren des Axons, während sich außerhalb mehr Natrium-Ionen befinden. Da Kalium-Ionen im Ruhezustand besser durch die Membran nach außen wandern können als Natrium-Ionen in die umgekehrte Richtung, herrscht an der Außenseite der Membran ein positiv geladenes Milieu, im Inneren der Zelle ein negatives. Dadurch entsteht eine Spannung über der Membran, die bei etwa -70 Millivolt liegt.

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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 Aktionspotential, das beim Menschen etwa eine Millisekunde andauert. 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 Botschaft und Dringlichkeit eines Signals zeigt sich an der Anzahl und der Frequenz der Aktionspotenziale. Solange ein Neuron nicht „feuert“, befindet es sich im Ruhezustand. Je größer die Amplitude eines ESPS am Axonhügel ist, desto mehr Aktionspotentiale entstehen. Nach dem Axonhügel bis zur Präsynapse wird die Stärke des Signals nicht mehr in der Größe der Amplitude ausgedrückt, sondern in der Anzahl der Aktionspotentiale pro Zeit.

Saltatorische Erregungsleitung

Viele Axone im peripheren Nervensystem (der Teil des Nervensystems, der nicht zu Gehirn und Rückenmark gehört) werden durch einen Mantel aus speziellen Zellen (Schwann-Zellen = Hüll- und Stützzellen) elektrisch isoliert. Dabei entsteht keine durchgängige Umhüllung. Die Abschnitte, an denen das Axon frei liegt, werden Ranviersche Schnürringe genannt und dienen einer schnelleren Übertragung von Nervensignalen - die Erregung wird hierbei in Sprüngen von einem Schnürring zum nächsten weitergegeben (saltatorische Erregungsleitung). Die Geschwindigkeit der elektrischen Weiterleitung hängt neben der Dicke des Axons (dicke Axone leiten schneller, dünne langsamer) auch von bestimmten Helferzellen ab, welche die Nervenfaser ummanteln: Im Gehirn und im Rückenmark sind das die Oligodentrozyten, im peripheren Nerv die Schwannzellen. Beide sind zwei Typen von Glia-​Zellen. Sie bilden häufig dichte, spiralförmige Hüllen um das Axon, die wie Perlen auf der Kette aufgereiht und von kleinen Aussparungen unterbrochen werden. Die Hüllen nennt man Myelin-​Scheiden, die Lücken dazwischen Ranvier´sche Schnürringe. Die Myelin-​Scheiden funktionieren wie die Isolierung eines Kabels. An diesen Stellen kann kein Aktionspotenzial entstehen - was dazu führt, dass sich der elektrische Impuls nicht kontinuierlich fortsetzt, sondern die Isolier-​Bereiche einfach überspringt.

Chemische Signalübertragung an Synapsen

An den Synapsen, den Kontaktstellen zwischen Neuronen, wird das elektrische Signal in der Regel chemisch über Neurotransmitter übertragen. Die Synapsen sind die zentralen Schaltstellen der Informationsübertragung im Gehirn. Jede Nervenzelle hat bis zu 10.000 davon, im Extremfall sogar mehr als 100.000. Weil aber die synaptischen Endigungen der Senderzelle die Empfängerzelle nicht direkt berühren, bleibt ein winziger Spalt von 20 bis 50 Nanometern zwischen beiden. Um diese Barriere zu überwinden, nutzen die meisten Synapsen chemische Botenstoffe - wenngleich es auch einige gibt, die rein elektrisch arbeiten.

Ablauf der synaptischen Übertragung

Am synaptischen Endknöpfchen, was dem Ende des Axons entspricht, wird der elektrische Impuls in ein chemisches Signal umgewandelt. Das Aktionspotenzial erreicht schließlich das Ende des Axons, das synaptische Endknöpfchen. Dies ist die Kontaktstelle zu einer anderen Nervenzelle. Bei chemischen Synapsen fusionieren nach der Ankunft eines Aktionspotenzials die so genannten synaptischen Vesikel - etwa 40 Nanometer kleine Bläschen - mit der Zellmembran und schütten Botenstoffe in den Spalt aus. Diese so genannten Neurotransmitter können den Spalt überqueren, der die präsynaptische von der postsynaptischen Zelle trennt.

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Neurotransmitter und Rezeptoren

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an Synapsen freigesetzt werden und die Kommunikation zwischen Neuronen ermöglichen. Am postsynaptischen Neuron gibt es kompetente Annahmestellen für die Information: die Rezeptormoleküle. Jeder Rezeptor ist auf einen bestimmten Neurotransmitter spezialisiert wie ein Schlüssel und ein passendes Schloss. Die Neurotransmitter erzeugen in der Empfängerzelle das so genannte postsynaptische Potenzial, eine Veränderung im Membranpotenzial des Neurons: Das chemische Signal wird also wieder in ein elektrisches zurückübersetzt. Nervenzellen nutzen meist chemische Synapsen zur Kommunikation mit anderen Neuronen. An einem Neuron können hunderte bis tausende solcher Synapsen anderer Nervenzellen angedockt sein.

Erregende und hemmende Synapsen

Aber Achtung: 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).

Elektrische Synapsen

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.

Neuronale Netzwerke und Signalintegration

Neuronale Signale werden im Gehirn durch Aktionspotenziale zwischen Neuronen über Synapsen übertragen. Die Integration der Signale erfolgt in neuronalen Netzwerken, die Informationen verarbeiten, speichern und darauf reagieren. An einem Neuron können hunderte bis tausende solcher Synapsen anderer Nervenzellen angedockt sein. Inmitten einer Informationsflut, die mittels tausender hemmender und erregender Synapsen innerhalb von Millisekunden auf sie einströmt, bewahren sie den Überblick und leiten die integrierten Impulse über große Netzwerke weiter - immer in Teamarbeit mit anderen Zellen.

Plastizität neuronaler Verbindungen

Neurale Signale beeinflussen Lernen und Gedächtnis, indem sie synaptische Verbindungen zwischen Neuronen stärken oder schwächen. Diese Plastizität ermöglicht die Anpassung und Speicherung von Informationen im Gehirn. Die synaptischen Vesikelproteine und die Proteine der sogenannten aktiven Zone ebenso wie die Adhäsionsproteine, die die Synapse zusammenkleben nehmen alle den gleichen Bus. Diese Änderungen nennt man Plastizität und bildet die Grundlage für Lernprozesse. Daher kommen diesen Stellen an denen Signalumwandlungen stattfinden besondere Bedeutung zu. Die Rolle von Signalübertragungsänderungen am Axonhügel sind bisher noch nicht richtig untersucht, wohingegen die Rolle der Signalübertragungsänderung an der Synapse für Lernen und Gedächtnisbildung gut belegt und untersucht ist.

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Bedeutung der Signalübertragung für das Nervensystem

Die neuronale Signalübertragung ist entscheidend für die Funktion des Nervensystems. Sie ermöglicht:

• Sensorische Wahrnehmung: Rezeptorzellen nehmen Signale aus der Umgebung auf und wandeln sie in elektrische Impulse um, die ans Gehirn weitergeleitet werden.
• Motorische Steuerung: Signale vom Gehirn aktivieren Muskeln und ermöglichen Bewegung.
• Kognitive Prozesse: Denken, Gedächtnis, Lernen und andere kognitive Funktionen basieren auf der komplexen Interaktion von Neuronen in neuronalen Netzwerken.
• Homöostase: Das Nervensystem reguliert lebenswichtige Körperfunktionen wie Atmung, Herzschlag und Körpertemperatur.

Störungen der Signalübertragung

Störungen in der Übertragung neuraler Signale können zu neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie, Multiple Sklerose oder Parkinson führen.

Aktuelle Forschung und zukünftige Perspektiven

Die Erforschung der neuronalen Signalübertragung ist ein aktives Forschungsgebiet. Aktuelle Studien konzentrieren sich auf:

• Mechanismen der synaptischen Plastizität: Wie werden synaptische Verbindungen verstärkt oder geschwächt?
• Rolle von Gliazellen: Welche Rolle spielen Gliazellen bei der Signalübertragung und der Aufrechterhaltung der neuronalen Funktion?
• Entwicklung neuer Therapien für neurologische Erkrankungen: Können wir die Signalübertragung gezielt beeinflussen, um neurologische Erkrankungen zu behandeln?

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