Nicht erregbare Neuron Funktion: Eine umfassende Betrachtung

Nervenzellen sind die grundlegenden Bausteine des Nervensystems, die für die Übertragung von Informationen im Körper verantwortlich sind. Während die meisten Menschen mit der elektrischen Erregbarkeit von Neuronen vertraut sind, gibt es auch nicht erregbare Neuron Funktionen, die eine entscheidende Rolle in der neuronalen Kommunikation und Homöostase spielen. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte dieser Funktionen, von den beteiligten Zelltypen bis hin zu den molekularen Mechanismen und ihrer Bedeutung für die Gesundheit des Nervensystems.

Grundlagen der Nervenzellenstruktur und -funktion

Das Nervengewebe besteht aus zwei Haupttypen von Zellen: Neuronen und Gliazellen. Neuronen sind die elektrisch erregbaren Zellen, die Informationen in Form von Aktionspotentialen empfangen, verarbeiten und weiterleiten. Gliazellen hingegen sind Stützzellen, die die Neuronen umgeben und verschiedene unterstützende Funktionen ausüben.

Neuronen: Die Informationsträger

Ein Neuron besteht typischerweise aus folgenden Komponenten:

• Dendriten: Empfangen Signale von anderen Neuronen.
• Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und andere Organellen; integriert die empfangenen Signale.
• Axon: Ein langer Fortsatz, der Aktionspotentiale zu Zielzellen weiterleitet.
• Synaptische Verbindungen: Spezialisierte Verbindungen, die die Übertragung von Impulsen zwischen Neuronen oder zwischen Neuronen und Effektor-/Zielzellen ermöglichen.

Gliazellen: Die Unterstützer

Gliazellen sind für die Aufrechterhaltung der neuronalen Funktion unerlässlich. Es gibt verschiedene Arten von Gliazellen mit unterschiedlichen Funktionen:

• Astrozyten: Die häufigsten Gliazellen im Zentralnervensystem (ZNS); versorgen Neuronen mit Nährstoffen, regulieren die chemische Umgebung und bilden die Blut-Hirn-Schranke.
• Oligodendrozyten: Bilden die Myelinscheide um Axone im ZNS, was die Geschwindigkeit der Signalübertragung erhöht.
• Mikroglia: Immunzellen des ZNS; beseitigen Zelltrümmer und wirken bei Entzündungen mit.
• Ependymzellen: Kleiden die Ventrikel des Gehirns und den Zentralkanal des Rückenmarks aus; produzieren und zirkulieren die Zerebrospinalflüssigkeit.
• Schwann-Zellen: Bilden die Myelinscheide um Axone im peripheren Nervensystem (PNS).
• Mantelzellen: Umgeben die Zellkörper von Neuronen im PNS.

Nicht erregbare Funktionen von Neuronen und Gliazellen

Obwohl Neuronen hauptsächlich für ihre elektrische Erregbarkeit bekannt sind, spielen auch nicht erregbare Funktionen eine wichtige Rolle für ihre Funktion und das gesamte Nervensystem. Ebenso üben Gliazellen eine Vielzahl von nicht erregbaren Funktionen aus, die für die Unterstützung und Aufrechterhaltung der neuronalen Aktivität unerlässlich sind.

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Ruhepotential und seine Aufrechterhaltung

Nerven-, Sinnes- und Muskelzellen haben die Fähigkeit, ihr Potenzial bei Erregung durch bestimmte Reize zu verändern. Dem liegt der Ausgangszustand der Zelle, das Ruhepotenzial (auch Ruhemembranpotenzial oder Membranpotenzial genannt), zugrunde. Beim Ruhepotenzial kommt es zu einem Gleichgewichtszustand, der aufrechterhalten wird. Im Ruhezustand liegt eine Spannung zwischen dem Zellinneren und der Zwischenzellflüssigkeit vor, die durch eine ungleiche Verteilung an positiv und negativ geladenen Ionen entsteht. Der Wert des Ruhepotenzials eines Neurons liegt bei ca. -70 mV.

Mechanismen zur Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials:

• Brownsche Molekularbewegung: Ionen bewegen sich und verteilen sich, mit dem Ziel, für einen Konzentrationsausgleich entlang des chemischen Gradienten zu sorgen.
• Semipermeabilität der Nervenzellmembran: Die Durchlässigkeit der Membran ist im Ruhezustand der Zelle selektiv und lässt nur die Ausbreitung einiger Ionen zu. Kalium-Ionen können beispielsweise die Membran durch Ionenkanäle passieren und sorgen so zunehmend für eine negative Ladung im Zellinneren. Kaliumionen bewegen sich zur Entstehung des Ruhepotenzials durch die Axonmembran in den Zellzwischenraum.
• Natrium-Kalium-Pumpe: Unter dem Verbrauch des energiereichen Stoffs ATP befördert sie jeweils drei Natrium-Ionen aus dem Zellinneren heraus und zwei Kalium-Ionen aus der Zellumgebung in die Zelle herein. Sie sorgt also fortlaufend für die Entstehung eines Ungleichgewichtes entgegen des Leckstroms, das für das Ruhepotenzial nötig ist.

Astrozyten: Die Alleskönner des Gehirns

Astrozyten sind die häufigsten Gliazellen im ZNS und üben eine Vielzahl von Funktionen aus, die für die neuronale Funktion unerlässlich sind.

Funktionen der Astrozyten:

• Bildung der Blut-Hirn-Schranke: Astrozyten umgeben die Blutgefäße im Gehirn und bilden eine selektive Barriere, die den Übertritt von Substanzen aus dem Blut in das Gehirn kontrolliert.
• Nährstoffversorgung der Neuronen: Astrozyten transportieren Nährstoffe wie Glukose und Laktat aus dem Blut zu den Neuronen.
• Flüssigkeitsregulation im Gehirn: Astrozyten helfen, den Flüssigkeitshaushalt im Gehirn aufrechtzuerhalten und Ödeme zu verhindern.
• Aufrechterhaltung des Kalium-Haushaltes: Astrozyten nehmen überschüssiges Kalium aus dem extrazellulären Raum auf und verhindern so eine Übererregung der Neuronen.
• Regulation des extrazellulären pH-Wertes: Astrozyten puffern den pH-Wert im extrazellulären Raum und schützen die Neuronen vor Schäden durch Azidose oder Alkalose.
• Abfallentsorgung im Zentralnervensystem: Astrozyten beseitigen Zelltrümmer und andere Abfallprodukte aus dem Gehirn.
• Informationsverarbeitung: Astrozyten können Neurotransmitter freisetzen und auf neuronale Aktivität reagieren, was auf eine Beteiligung an der Informationsverarbeitung hindeutet.
• Bildung von Glianarben: Nach einer Hirnverletzung bilden Astrozyten Glianarben, die das beschädigte Gewebe stabilisieren und die Ausbreitung der Schädigung begrenzen.
• Bildung von Apolipoprotein E: Astrozyten produzieren Apolipoprotein E, das für den Transport von Cholesterin zu den Neuronen wichtig ist.
• Versorgung der Nervenzellen mit Cholesterin
• Energiespeicher des Gehirns
• Unterstützung der Synapsenbildung und -reifung

Modulation der neuronalen Aktivität durch BDNF

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Prof. Arthur Konnerth, Institut für Physiologie der LMU, berichtet in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature, dass einer dieser Wachstumsfaktoren auch an der Weiterleitung von Informationen im Gehirn beteiligt ist. (Bd. 419, S. 687-693, 2002). Der Wachstumsfaktor "brain-derived neurotrophic factor", kurz BDNF, bewirkt eine massive und direkte Aktivierung von Nervenzellen durch Vorgänge, die bislang unklar waren. "Unsere Arbeit identifiziert einen grundlegend neuen molekularen Mechanismus, der für diese schnelle Aktivierung von Neuronen verantwortlich ist", so Prof. Konnerth.

Das Team um Prof. Konnerth konnte zeigen, dass auch der Wachstumsfaktor BDNF, der von Neuronen produziert und in das umliegende Medium abgegeben wird, innerhalb von Millisekunden die Öffnung von Natrium-Kanälen bei der Weiterleitung von Aktionspotentialen auslösen kann, was eine Umkehr des Membranpotentials auslöst. Das neue Ergebnis ist besonders interessant, weil bisher nur Neurotransmitter, also Signalstoffe, die zwischen zwei Nervenzellen wirken, dafür bekannt waren, das Membranpotential von Neuronen innerhalb so kurzer Zeit zu verändern.

Das Neurotrophin bindet an den Rezeptor TrkB und bewirkt dadurch, dass sich die Konformation des Natrium-Kanals Nav1.9 so ändert, dass Natrium-Ionen in die Zelle einströmen können. Wurden ganz gezielt diese Kanäle blockiert, konnte BDNF keinen Ionen-Import mehr auslösen. Neu an diesem Ergebnis ist, dass ein Ionen-Kanal in der Zellmembran einer Nervenzelle durch ein Protein, das von einem benachbarten Neuron produziert wird, geöffnet werden kann.

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Einige Studien haben gezeigt, dass BDNF ein wichtiger Faktor für die Entwicklung und Funktion von Nervenzellen sowohl im peripheren als auch im zentralen Nervensystem ist. So spielt er z.B. eine entscheidende Rolle im Hippocampus, einer Gehirnstruktur, die mit der Bildung von Erinnerungen in Nagern und Menschen in Zusammenhang gebracht wird. Der von BDNF regulierte Natriumkanal Nav1.9 wurde bisher vor allem an sensorischen Nerven im Rückenmark untersucht. Er soll hier eine wichtige Rolle bei Mechanismen der Verarbeitung von Schmerzsignalen spielen. Die Arbeit von Prof. Konnerth und seinem Team zeigt nun erstmals, dass dieser Kanal auch im Gehirn, z.B.

Klinische Relevanz nicht erregbarer Neuron Funktionen

Die nicht erregbaren Funktionen von Neuronen und Gliazellen sind für die Gesundheit des Nervensystems unerlässlich. Störungen dieser Funktionen können zu einer Vielzahl von neurologischen Erkrankungen führen.

Multiple Sklerose

Multiple Sklerose ist 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.

Guillain-Barré-Syndrom (GBS)

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)

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.

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Andere neurologische Erkrankungen

Weitere Beispiele für neurologische Erkrankungen, die mit Störungen der nicht erregbaren Neuron Funktionen in Verbindung stehen, sind:

• Astrozytome: Tumore, die von Astrozyten ausgehen.
• Oligodendrogliome und Ependymome: Tumore, die von Oligodendrozyten bzw. Ependymzellen ausgehen.
• Parkinson-Krankheit: Eine neurodegenerative Erkrankung, die durch den Verlust von dopaminproduzierenden Neuronen in den Basalganglien verursacht wird.
• Alzheimer-Krankheit: Eine neurodegenerative Erkrankung, die durch den Verlust von Neuronen und Synapsen im Gehirn gekennzeichnet ist.
• Schizophrenie und andere psychiatrische Erkrankungen: Bei denen Störungen der neuronalen Funktion und der synaptischen Übertragung eine Rolle spielen.
• 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.

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