Um eine menschliche Aktivität zu ermöglichen, ist immer eine Muskelaktivität nötig. Nervenzellen, die auch als Neuronen bezeichnet werden, sind die Grundbausteine unseres Nervensystems und spielen eine zentrale Rolle bei der Signalübertragung im Körper. Sie ermöglichen es uns, Reize wahrzunehmen, Informationen zu verarbeiten und Bewegungen auszuführen. Dieser Artikel beleuchtet detailliert die Struktur und Funktion von Neuronen, insbesondere im Zusammenhang mit der Muskelaktivität und der Reizweiterleitung.
Die Struktur eines Neurons
Jede Nervenzelle ist wie ein perfekt organisierter Übertragungsweg aufgebaut. Der Zellkörper, auch Soma genannt, mit dem Zellkern ist die Zentrale der Nervenzelle. Von hier aus erstrecken sich zwei Arten von Fortsätzen: Dendriten und Axone.
- Dendriten: Diese dünnen Fortsätze der Neuronen sind für die Reizaufnahme zuständig. Sie empfangen Signale von anderen Neuronen und leiten diese zum Zellkörper weiter. Aufgrund ihrer vielfachen Verzweigungen werden sie auch als Dendritenbaum bezeichnet.
- Axon: Das Axon ist der längste Zellfortsatz und funktioniert wie ein Kabel. Es leitet elektrische Signale vom Axonhügel, einer Struktur am Zellkörper, zu den Endknöpfchen weiter. 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.
Die Reizweiterleitung im Nervensystem
Die Reizweiterleitung im Nervensystem ist ein komplexer Vorgang, bei dem elektrische sowie chemische Potenziale angewandt werden - und das im Bruchteil einer Sekunde. Denn nur so können wir schnell reagieren, beispielsweise im Straßenverkehr, wenn wir einem Auto ausweichen müssen. Ganz allgemein kann ein Reiz unterschiedlicher Natur sein: zum Beispiel das Wahrnehmen einer Temperaturveränderung, ein visueller Reiz oder Schmerz.
Ruhepotential
Deine Nervenzellen sind auch im "Ruhezustand" alles andere als inaktiv. Wenn kein Reiz weitergegeben werden muss, zeigt das Neuron folgende Verteilung elektrischer Ladung: Im Zellinneren herrscht eine hohe Konzentration an Kaliumionen (K+) und organischen Anionen (zum Beispiel Eiweiß), während außerhalb überwiegend Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl-) anzutreffen sind. Diese Ladungstrennung entsteht durch clever verteilte Ionen. Kalium-Ionen sind innen hoch konzentriert und wollen nach außen diffundieren. Das Problem: Die Membran ist nicht komplett dicht. Im Ruhezustand besteht ein Gleichgewicht zwischen der Zellinnen und -außenseite, das durch verschiedene Transportmechanismen (Kaliumkanäle und Natrium-Kalium-Pumpen) aufrechterhalten wird (Ruhepotential). Auf der Innenseite der Zellmembrane ist die Ladung zunächst negativ. Früher haben Forscher tatsächlich winzige Elektroden in Nervenzellen gestochen, um das Ruhepotenzial zu messen. Heute nutzt man die elegante Patch-Clamp-Technik. Dabei wird eine hauchdünne Glaspipette sanft auf die Membran aufgesetzt und ein winziges Stück "abgesaugt". Das Geniale daran: Du siehst am Oszilloskop exakt, wann sich ein Kanal öffnet oder schließt.
Aktionspotential
Die Reizaufnahme im Nervensystem geschieht über die Dendriten, dünne Fortsätze der Neuronen. Der Axonhügel sammelt die bei den Dendriten eingehenden elektrischen Potenziale. Nur wenn eine bestimmte Potenzialschwelle überschritten wird, gibt der Axonhügel das elektrische Potenzial an das Axon weiter. Dies ist eine Art Schutzmaßnahme des Nervensystems, um eine Reizüberflutung, die nicht verarbeitet werden kann, zu verhindern. Wenn ein Reiz stark genug ist, explodiert deine Nervenzelle förmlich in Aktivität. Im Falle eines elektrischen Impulses, der durch einen Reiz ausgelöst wurde, öffnen sich unter anderem die Natrium-Kanäle der Zellmembran und Natriumionen strömen vermehrt ins Zellinnere. In der Depolarisation öffnen sich blitzartig die Natrium-Kanäle, sobald die Reizschwelle überschritten wird. Natrium-Ionen stürmen rein und machen die Zelle plötzlich positiv - bis zu +40mV! Dies bedeutet, dass abschnittsweise die Ladung an der Innen- und Außenseite des Neurons umgekehrt wird. Durch diese lokale Ladungsänderung wird der elektrische Impuls entlang des Axons bis zum Ende weitertransportiert. Die Repolarisation bremst den Prozess: Kalium-Kanäle öffnen sich und pumpen positive Ladung wieder raus. Deine Nervenzellen haben zwei geniale Methoden entwickelt, um Aktionspotenziale weiterzuleiten. Bei der kontinuierlichen Erregungsleitung wandert das Signal wie eine Welle das ganze Axon entlang.
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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 saltatorische Erregungsleitung ist dagegen der Ferrari unter den Signalübertragungen. Bei Parkinson oder Multiple Sklerose ist genau diese Isolierung beschädigt. Die wichtigste Aufgabe der Ranvier-Schnürringe liegt in der Sicherstellung einer schnellen und energieeffizienten Weiterleitung von Aktionspotentialen. Ohne diese Strukturen wäre die Geschwindigkeit neuronaler Kommunikation deutlich eingeschränkt. Das wichtigste Prinzip, das mit dem Ranvier-Schnürring verbunden ist, ist die saltatorische Erregungsleitung. Dabei „springt“ das Aktionspotential von einem Schnürring zum nächsten, anstatt kontinuierlich entlang der gesamten Axonmembran zu laufen. Dies ist möglich, weil die Myelinscheide die Abschnitte dazwischen elektrisch isoliert und die Depolarisation elektrotonisch weitergeleitet wird.
Synaptische Übertragung
Noch ist das Nervensystem des Fußballers nicht so weit, dass es einen Stimulus an die Muskeln aussenden und er den Ball des Mitspielers annehmen kann. Am synaptischen Endknöpfchen, was dem Ende des Axons entspricht, wird der elektrische Impuls in ein chemisches Signal umgewandelt. Das elektrische Potenzial, das dort ankommt, löst die Ausschüttung chemischer Botenstoffe (sogenannte Neurotransmitter) aus. An den Synapsen wird's richtig spannend - hier verwandeln sich elektrische Signale in chemische Botschaften. Durch die Depolarisation öffnen sich Calcium-Kanäle und Calcium-Ionen strömen rein. Dort löst der Neurotransmitter erneut einen elektrischen Impuls aus, der wieder am Axon entlangwandert und so von Zelle zu Zelle weitergegeben wird. Acetylcholin ist der Star unter den Transmittern. Es dockt an der anderen Seite an ligandengesteuerte Natrium-Kanäle an und öffnet sie. Dein Gehirn ist ein Rechengenie - jede Nervenzelle verrechnet hunderte von Signalen gleichzeitig. Bei der räumlichen Summation kommen gleichzeitig EPSPs und IPSPs von verschiedenen Synapsen an. Entscheidung: Mehr EPSPs als IPSPs = Signal wird weitergeleitet. An der Synapse zählt die Frequenz (wie oft), am Zellkörper die Amplitude (wie stark).
Motorische Einheiten und Muskelkontraktion
Um eine menschliche Aktivität zu ermöglichen, ist immer eine Muskelaktivität nötig. Neurone, deren Fortsätze direkt mit Muskelzellen in Verbindung stehen, werden als Motoneuronen bezeichnet. Üblicherweise verzweigen sich die Fortsätze eines solchen Neurons, so dass mehrere Muskelzellen auf einmal mit dem Motoneuron verbunden sind. Die Gesamtheit der beteiligten Muskelzellen mit dem Motoneuron wird als motorische Einheit bezeichnet. Wie viele Muskelzellen an einer solchen Einheit beteiligt sind, ist dabei nicht genau definiert. Im Bereich der Augenmuskulatur sind nur etwa zehn Muskelfasern Teil einer motorischen Einheit, bei der Armmuskulatur hingegen sogar bis zu 2000.
Von der Nervenzelle zum Muskel - hier wird aus elektrischen Signalen echte Bewegung! Wenn das Signal ankommt, wird die Muskelmembran depolarisiert. Die Muskelkontraktion selbst ist ein faszinierender Tanz zwischen Aktin und Myosin.
Muskelkontraktion im Detail
Liegt ein Aktionspotential in einem Motoneuron vor, so wird es bis zu den beteiligten Muskelfasern weitergeleitet. Die Muskelzelle verkürzt sich in Folge, solange das Potential anliegt. In Folge erschlafft sie wieder. Die Verkürzung der einzelnen Zellen führt zu einer Aktivierung des Muskels und zu seiner Kontraktion. Bewegungen erfolgen zumeist gegen einen Widerstand. Dies kann ein Gewicht sein, welches wir anheben wollen, oder auch nur das Eigengewicht eines Körperteils, welches wir gegen die Schwerkraft bewegen wollen. Auch das Abbremsen aus dem Laufen oder sogar aus dem Sprung ist eine Bewegung gegen einen Widerstand.
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Im Ruhezustand ist der Muskel entspannt. Wird ein Aktionspotential an die Muskelzelle geleitet, erfolgt eine Ausschüttung von Calciumionen. Somit wird ein elektrisches Signal in ein chemisches umgewandelt. In der Muskelzelle sind die Proteine Aktin und Myosin vorhanden und liegen dort zunächst nebeneinander vor. Das Calcium führt nun dazu, dass die Enzymtätigkeit von Myosin angeregt wird. Hierbei wird ein spezieller Energieträger benötigt: das Adenosintriphosphat, kurz ATP. Diese besonders energiereiche Phosphatverbindung, welche in der Zelle angelagert ist, wird aufgespalten. In Folge binden sich Aktin und Myosin miteinander, wobei sie förmlich ineinander gleiten. Das aufgespaltene ATP liegt nun als ADP und P vor. ADP führt dazu, dass Myosin mechanische Energie freisetzt, man kann sich vorstellen, dass es ein Stück zur Seite kippt. Dabei zieht es das Aktin mit sich, und beide kippen gemeinsam wie eine Art Hebelarm. Diese Kippung führt zu einer Verkürzung der Muskelzelle und somit der Kontraktion. Ohne ATP würde dein Muskel in der kontrahierten Position "einfrieren" - deshalb werden Leichen nach dem Tod starr (Totenstarre).
Schwann-Zellen und Myelinscheiden
Schwann'sche Zellen oder Schwann-Zellen sind eine Form der Gliazellen. Schwann-Zellen umhüllen Axone im peripheren Nervensystem (PNS) und versorgen sie dabei mit Nährstoffen, elektrischer Isolation und mechanischer Stabilität. Gliazellen sind wie Neuronen Zellen des Nervensystems. Im Gegensatz zu Neuronen sind Gliazellen nicht direkt an der Erregungsweiterleitung beteiligt, sondern haben unterstützende Funktionen für Neuronen inne. Das periphere Nervensystem ist eine anatomische Einteilung des Nervensystems, das alle Zellen des Nervensystems umfasst, die außerhalb des zentralen Nervensystems (Gehirn und Rückenmark) liegen. Im zentralen Nervensystem (ZNS) werden ihre Aufgaben von den Oligodendrozyten übernommen, während Astrocyten die Zellen der Blut-Hirn-Schranke ausbilden.
Schwann-Zellen kommen in Wirbeltieren immer in Kombination mit Neuronen vor und könnten deren “stumme Partner” genannt werden. Sie sind in regelmäßigen Abständen an den Axonen von Neuronen lokalisiert, wobei sie die Substanz Myelin produzieren, die sich wie die Blätter auf einer Klopapierrolle um das Axon und die Schwann-Zelle legt. Die Abstände zwischen den einzelnen Schwann-Zellen werden Ranvier-Schnürringe genannt. Schwann-Zellen liegen somit immer im Verbund mit einem Axon zwischen dem Zellkörper (Soma) und den synaptischen Enden eines Neurons.
Funktion der Schwann-Zellen
Schwann-Zellen dienen der Ernährung, Stützung und elektrischen Isolierung von Axonen. Die elektrische Isolierung ist hierbei für die Reizweiterleitung innerhalb des Organismus von Wirbeltieren von besonderer Bedeutung. Schwann-Zellen ermöglichen durch die Ausbildung der Myelinscheiden eine schnellere Signalweiterleitung in den Axonen von Wirbeltieren. Der größte Vorteil der Schwann-Zellen ist neben der elektrischen Isolierung der Axone die axonale Regeneration. Schwann-Zellen ermöglichen es, beschädigte Axone bzw. Nervenfasern wieder zusammenwachsen zu lassen und haben somit einen regenerativen Effekt auf das Nervensystem. Oligodendrozyten haben die gleichen Funktionen im zentralen Nervensystem wie die Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem, allerdings können sie zerstörte Nervenfasern nur stark eingeschränkt oder gar nicht regenerieren. Deshalb sind Schädigungen im zentralen Nervensystem (Gehirn & Rückenmark) besonders verheerend für den Organismus.
Ranviersche Schnürringe
Der Ranvier-Schnürring ist eine wichtige anatomische Struktur im Nervensystem, die eine entscheidende Rolle für die schnelle Weiterleitung von elektrischen Signalen entlang myelinisierter Nervenfasern spielt. Er ist ein Paradebeispiel dafür, wie fein abgestimmte mikroskopische Strukturen die Grundlage für makroskopische Funktionen wie Bewegung, Wahrnehmung und Reflexe bilden. Unter einem Ranvier-Schnürring versteht man die ringförmige Einschnürung eines Axons, an der die ansonsten kontinuierliche Myelinscheide kurz unterbrochen ist. Diese freiliegende Stelle der Axonmembran weist eine besonders hohe Dichte an spannungsabhängigen Natriumkanälen auf. Sie kommt sowohl im zentralen Nervensystem zwischen den Myelinsegmenten von Oligodendrozyten als auch im peripheren Nervensystem zwischen den Segmenten von Schwann-Zellen vor.
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Aufbau und Funktion
Grundsätzlich handelt es sich um eine kurze Region des Axons, an der die isolierende Myelinscheide endet und die Plasmamembran der Nervenzelle frei liegt. Die Membran im Bereich des Schnürrings weist eine außerordentlich hohe Dichte an spannungsgesteuerten Natriumkanälen auf. Während in den internodalen Segmenten nur sehr wenige dieser Kanäle vorhanden sind, konzentrieren sie sich hier in extrem hoher Zahl, was für die Funktion entscheidend ist. Im Paranodium, dem direkt angrenzenden Bereich, wird das Axon durch spezialisierte Verbindungen fest mit der Myelinscheide verankert. Wichtige Moleküle in diesem Zusammenhang sind Proteine wie Contactin oder das Contactin-assoziierte Protein (Caspr), die für die Ausbildung sogenannter septater Junctions sorgen. Ein weiterer Aspekt ist zudem die Interaktion zwischen Gliazellen und Axon. Im ZNS sind Oligodendrozyten gleichzeitig für mehrere Internodien verschiedener Axone verantwortlich, während im PNS jeweils eine Schwann-Zelle ein einzelnes Internodium bildet.
Im Bereich des Ranvier-Schnürrings sind tausende spannungsgesteuerte Natriumkanäle dicht gepackt. Sobald ein Aktionspotential ankommt, öffnen sich diese Kanäle, und es kommt zu einem massiven Einstrom von Natriumionen. Diese schnelle Depolarisation wird durch eine ebenfalls erhöhte Dichte spannungsgesteuerter Kaliumkanäle ergänzt, die für die Repolarisation sorgen. Die angrenzenden Paranodien wirken als funktionelle Übergangsbereiche, die eine elektrische Isolation sichern und verhindern, dass Ionenströme unkontrolliert entweichen. Sie stabilisieren die „Sprungpunkte“ der Erregung und sorgen dafür, dass das Signal zielgerichtet von Schnürring zu Schnürring weitergeleitet wird.
Klinische Bedeutung
Störungen der Ranvier-Schnürringe und ihrer umgebenden Strukturen können schwerwiegende neurologische Folgen haben. Viele Erkrankungen des Nervensystems lassen sich zumindest teilweise auf eine Schädigung dieser Bereiche zurückführen. Bei Erkrankungen wie der Multiplen Sklerose (MS) im zentralen Nervensystem oder dem Guillain-Barré-Syndrom im peripheren Nervensystem werden die Myelinscheiden zerstört. Dadurch verlieren die Axone ihre elektrische Isolation, und die saltatorische Erregungsleitung wird massiv beeinträchtigt. Auch genetisch determinierte Neuropathien wie die Charcot-Marie-Tooth-Erkrankung sind eng mit Veränderungen an Myelinscheiden und Schnürringen verknüpft. Hier führen Mutationen in Proteinen, die am Aufbau von Myelin oder an der Stabilität des Paranodiums beteiligt sind, zu strukturellen Defekten. Auch mechanische Verletzungen von Nerven oder die Exposition gegenüber neurotoxischen Substanzen können die Integrität von Ranvier-Schnürringen stören. Dabei kommt es oft zu einer Unterbrechung der saltatorischen Leitung, was mit Taubheitsgefühlen, Schmerzen oder motorischen Ausfällen einhergeht.