Das menschliche Gehirn, eine der komplexesten Strukturen, die wir kennen, entsteht aus einer einzigen befruchteten Eizelle. Im Laufe der Embryonalentwicklung differenzieren sich Zellen und begeben sich auf unterschiedliche Pfade, um das Nervensystem zu bilden. Neuronen, die grundlegenden Bausteine des Nervensystems, und Epithelzellen, die schützenden Barrieren des Körpers, spielen dabei eine entscheidende Rolle.
Entstehung und Differenzierung
Neuronen
Nervenzellen entstehen aus dem Ektoderm, der äußersten Zellschicht des Embryos. Während der Neurulation faltet sich das Ektoderm zum Neuralrohr, dem Vorläufer von Gehirn und Rückenmark. Die meisten Neuronen stammen von einem speziellen Stammzelltyp ab: radialen Gliazellen. Diese Zellen können nicht nur Nervenzellen und andere neuronale Vorläufer produzieren, sondern auch andere Gliazellen. Junge Neuronen wandern entlang der langen Fortsätze der radialen Gliazellen in äußere Hirnschichten. Die Art der Nervenzelle, zu der sich ein neues Neuron entwickelt, wird bald nach seiner letzten Teilung festgelegt. Bereits im Neuralrohr verteilen sich Signalstoffe in unterschiedlichen Konzentrationen entlang der Achsen und bestimmen so das Schicksal der Zellen.
Epithelzellen
Epithelzellen sind spezialisierte Zellen, die alle äußeren und inneren Oberflächen des Körpers bedecken und so eine schützende Barriere bilden. Sie kleiden Körperhöhlen und Organe aus und dienen primär als Schutzbarriere, die Nährstoffe und Flüssigkeiten aufnimmt und absondert. Epithelzellen organisieren sich anfangs in zwei Schichten - bis dann einige Zellen aus der äußeren Schicht in die Mitte wandern. Mit diesem ersten großen Faltprozess, Gastrulation genannt, entstehen die drei Keimblätter, das Ektoderm, Mesoderm und Endoderm. Gemeinsam bilden sie das Ausgangsmaterial für die gesamte spätere Organentwicklung.
Wanderung und Reifung
Neuronen
Die meisten Neuronen wandern über weite Strecken von ihrem Geburtsort im Inneren des Gehirns zu ihren Bestimmungsorten. Einmal angekommen, schicken sie ihr wachsendes Axon auf Reisen. Junge Neuronen werden auf ihrem Weg von den Wachstumskegeln an den Spitzen ihrer Fortsätze unterstützt. Diese sind Sinnes- und Fortbewegungsorgan zugleich und verwandeln sich später in die synaptischen Enden der Dendriten und des Axons. Frisch geborene Neuronen ähneln eher Teletubbies oder Minions: Anstelle eines Axons haben sie mehrere kürzere Fortsätze, Neurite genannt, von denen sich einer schließlich zum Axon entwickelt, während andere zu Dendriten reifen oder wieder eingezogen werden.
Epithelzellen
Im Gegensatz zu Neuronen wandern Epithelzellen nicht in dem Maße. Sie bilden feste Zellverbände und sind durch Zell-Zell-Verbindungen miteinander verbunden. Diese Verbindungen sorgen für eine dichte Barriere, die den Körper vor äußeren Einflüssen schützt.
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Aufbau und Funktion
Neuronen
Ein Neuron, auch Nervenzelle genannt, besteht aus mehreren charakteristischen Abschnitten: Den Anfang machen die Dendriten - das sind baumartige Ausläufer, die Signale von anderen Zellen empfangen. Diese leiten die Informationen weiter an das Soma, den Zellkörper. Im Soma befinden sich wichtige Zellorganelle wie Zellkern und Mitochondrien. Vom Soma geht der Axonhügel aus. Hier werden alle eintreffenden elektrischen Signale gesammelt und „entschieden“, ob sie als Aktionspotenzial weitergeleitet werden. Das Axon ist dann wie ein langer Kabelstrang, der die elektrische Erregung bis zum synaptischen Endknöpfchen weiterleitet. Viele Axone sind von einer Myelinscheide umhüllt - das sorgt für eine schnellere Signalübertragung. Die Aufgabe eines Neurons ist es, Informationen im Körper zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Neuronen funktionieren dabei wie biologische Kabel: Sie nehmen Reize (zum Beispiel Berührung, Licht, Geräusche) auf und wandeln sie in elektrische Signale um. Diese Signale werden über das Axon zur nächsten Zelle oder ins Gehirn transportiert. Durch diese Kommunikation steuern Neuronen unzählige Prozesse - von simplen Reflexen bis zu komplexem Denken, Erinnern und Lernen.
Epithelzellen
Epithelzellen sind spezialisierte Zellen, die alle äußeren und inneren Oberflächen des Körpers bedecken und so eine schützende Barriere bilden. Sie kleiden Körperhöhlen und Organe aus und dienen primär als Schutzbarriere, die Nährstoffe und Flüssigkeiten aufnimmt und absondert. Epithelzellen sind in der Lage, elektrische Impulse auszusenden, insbesondere nach einer Verletzung. Diese Impulse ähneln den Aktionspotenzialen von Neuronen, sind aber um ein Vielfaches langsamer. Die Aktionspotenziale breiten sich von der Wunde mit einer Geschwindigkeit von rund zehn Millimetern pro Sekunde aus und wandern teils mehrere hundert Mikrometer weit. Es wird vermutet, dass Kalziumionen eine wichtige Rolle bei der Entstehung dieser langsamen Aktionspotenziale spielen.
Signalübertragung
Neuronen
Die Signalübertragung im Neuron beginnt mit der Aufnahme eines Reizes durch die Dendriten. Dieser Reiz erzeugt kleine elektrische Änderungen an der Zellmembran. Überschreitet die Summe dieser Änderungen am Axonhügel einen Schwellenwert, entsteht ein Aktionspotenzial - eine Art elektrischer Impuls. Dieser Impuls „springt“ dank der Myelinscheide sehr schnell von Schnürring zu Schnürring das Axon entlang bis zu den synaptischen Endknöpfchen. An der Synapse angekommen, wird das elektrische Signal meist in ein chemisches Signal, einen sogenannten Neurotransmitter, umgewandelt. Dieser überquert den synaptischen Spalt und löst in der nächsten Zelle ein neues elektrisches Signal aus. Das Aktionspotenzial ist ein kurzer, elektrischer Impuls, der von der Nervenzelle erzeugt wird, wenn ein Reiz stark genug ist. Man kann es sich als eine Art 'Stromwelle' vorstellen, die das Axon entlangläuft. Das Aktionspotenzial sorgt dafür, dass Informationen auch über weite Strecken sehr schnell und zuverlässig innerhalb des Nervensystems übermittelt werden.
Epithelzellen
Im Gegensatz zu den schnellen Neurotransmitter-Ausstößen von Nervenzellen sind Epithelzellen auf Ionenströme - insbesondere von Kalzium - angewiesen, die Signale erzeugen, die deutlich langsamer sind als die von Nervenzellen, aber ähnliche Spannungen aufweisen.
Neuronale Netzwerke und Schaltkreise
Neuronen
Neuronen bilden keine Einzelkämpfer, sondern verschalten sich zu hochkomplexen Netzwerken. Jeder Gedanke, jede Erinnerung, jeder Lerneffekt basiert darauf, dass Verbindungen (Synapsen) angepasst, verstärkt oder gelöscht werden. Reflexe zeigen, wie direkt ein Signal vom Sinnesrezeptor übers Rückenmark direkt zum Muskel durchgeschaltet wird - ganz ohne bewusste Steuerung. Neurone sind in Schaltkreisen organisiert, die nach strengen Regeln aufgebaut sind. Diese Schaltkreise bilden die Grundlage der Arbeitsweise des Nervensystems in Form von neuronalen Netzwerken.
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Epithelzellen
Epithelzellen bilden Zellverbände, die als Barrieren oder Auskleidungen von Organen dienen. Sie kommunizieren miteinander, um die Integrität der Barriere aufrechtzuerhalten und auf äußere Reize zu reagieren. Die Kommunikation zwischen Epithelzellen kann über verschiedene Mechanismen erfolgen, darunter elektrische Signale, chemische Botenstoffe und mechanische Kräfte.
Neuroglia: Die unterstützenden Zellen des Nervensystems
Neben Neuronen gibt es im Nervensystem auch Stützzellen, die als Neuroglia oder Gliazellen bezeichnet werden. Diese Zellen leiten keine elektrischen Signale, sondern unterstützen die Neuronen auf vielfältige Weise. Im ZNS gibt es vier Arten von Gliazellen: Oligodendrozyten, Astrozyten, Mikroglia und Ependymzellen. Im PNS werden die unterstützenden Zellen als periphere Neuroglia bezeichnet und umfassen Schwann-Zellen, Mantelzellen und verschiedene andere Zellen mit spezifischen Strukturen und Funktionen. Schwann-Zellen umgeben die Fortsätze von Nervenzellen und isolieren sie von benachbarten Zellen und der extrazellulären Matrix, indem sie eine lipidreiche Myelinscheide bilden, die eine schnelle Weiterleitung von Nervenimpulsen gewährleistet. Mantelzellen ähneln Schwann-Zellen, umgeben jedoch die Zellkörper der Nervenzellen. Im ZNS produzieren und erhalten Oligodendrozyten die Myelinscheide. Astrozyten versorgen Neuronen mit Nährstoffen und induzieren die Bildung von endothelialen Tight Junctions, die eine wichtige Rolle für Blut-Hirn-Schranke spielen. Sie füllen auch den Extrazellularraum des ZNS aus. Mikroglia sind die Fresszellen des Nervensystems und beseitigen Zelltrümmer und Krankheitserreger. Ependymzellen kleiden die Ventrikel des Gehirns und den Zentralkanal des Rückenmarks aus und produzieren die Zerebrospinalflüssigkeit.
Klinische Relevanz
Störungen der Funktion von Neuronen und Epithelzellen können zu einer Vielzahl von Erkrankungen führen.
Neuronale Erkrankungen
- Multiple Sklerose (MS): Eine chronische, entzündliche Autoimmunerkrankung, die zur Zerstörung von Oligodendrozyten und somit Demyelinisierung von Nerven im ZNS führt, was zur Schädigung und Degeneration von Axonen führt. Die Übertragung von Aktionspotentialen wird beeinträchtigt. Das klinische Erscheinungsbild ist sehr unterschiedlich, umfasst jedoch typischerweise neurologische Symptome, die das Sehvermögen, die motorischen Funktionen, die Sensorik und die autonomen Funktionen beeinflussen.
- Guillain-Barré-Syndrom (GBS): Eine Familie von immunvermittelten demyelinisierenden Polyneuropathien, die nach Infektionen auftreten, bei denen das Immunsystem die Myelinscheide und Schwann-Zellen angreift. Ein typisches GBS ist durch eine akute monophasische neuromuskuläre Lähmung gekennzeichnet, die symmetrisch und aufsteigend verläuft. Wenn die Atemmuskulatur betroffen ist, kann GBS zum Atemstillstand führen, was eine intensivmedizinische Betreuung erfordert.
- Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Eine vereinzelt spontan auftretende oder vererbte neurodegenerative Erkrankung der ersten und zweiten Motoneurone. Der genaue Mechanismus ist unbekannt, scheint aber multifaktoriell zu sein. Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist durch Anzeichen und Symptome gekennzeichnet, die auf die Koexistenz von Degeneration beider Motoneurone hinweisen. Die Diagnose wird klinisch gestellt. Die Therapie ist supportiv und symptomatisch.
- Parkinson-Krankheit: Die Parkinson-Krankheit ist gekennzeichnet durch einen Ruhetremor der Gliedmaßen, insbesondere in den Händen, Starrheit/Steifigkeit in allen Muskeln (Rigor), langsame Bewegung (Bradykinesie), Unfähigkeit zur Einleitung einer Bewegung (Akinesie), Beeinträchtigung des Stehens (posturale Instabilität) Mangel an spontanen Bewegungen, kleinschrittiger Gang, undeutliche Sprache und Langsamkeit des Denkens.
- Rabiesvirus (Tollwut): Eine Virusinfektion, die am häufigsten durch den Biss eines infizierten Tieres auf den Menschen übertragen wird. Das Tollwutvirus befällt vor allem neurales Gewebe und dringt in die peripheren motorischen und sensorischen Nerven ein, um retrograd zum ZNS zu wandern. Koma und Tod.
Epitheliale Erkrankungen
- Krebs: Epithelzellen sind die häufigste Quelle von Krebs. Mutationen in Genen, die das Zellwachstum und die Zelldifferenzierung regulieren, können zu unkontrolliertem Zellwachstum und zur Bildung von Tumoren führen.
- Chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) und Lungenfibrose: Das Zusammenspiel von Immun- und Epithelzellen in der Lunge und dessen Veränderung im Alter kann zu gestörter Regeneration und chronischen Erkrankungen wie COPD oder Lungenfibrose führen.
- Wundheilungsstörungen: Eine gestörte Kommunikation zwischen Epithel- und Immunzellen bei der Wundheilung kann zu chronischen Wunden führen.
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