Peripheres Nervensystem: Mechanismen der Erregungsübertragung

Das Nervensystem ist das übergeordnete Koordinations- und Steuerungssystem des Organismus. Um die Komplexität dieses Systems zu verstehen, ist es hilfreich, sich die anatomischen und physiologischen Grundlagen der Erregungsübertragung im peripheren Nervensystem (PNS) anzusehen. Das PNS verbindet das zentrale Nervensystem (ZNS) mit den Organen, Muskeln, der Haut und den Sinnesorganen. Es besteht aus Nerven, die außerhalb des Gehirns und des Rückenmarks liegen, einschließlich der Hirnnerven und Spinalnerven.

Anatomische Grundlagen des Nervensystems

Anatomisch wird das Nervensystem in das zentrale Nervensystem (ZNS), bestehend aus Gehirn und Rückenmark, und das periphere Nervensystem (PNS) unterteilt. Das gesamte Nervengewebe besteht aus einer großen Anzahl von Nerven, wobei zahlreiche Nervenfaserbündel einen Nerv bilden. Diese Nervenfaserbündel bestehen wiederum aus gebündelten Nervenfasern, die von Bindegewebe umgeben sind. Eine Nervenfaser setzt sich aus mehreren Neuronen, den Nervenzellen, zusammen. Das Neuron bildet die kleinste funktionelle Einheit im Nervensystem. Im menschlichen Gehirn gibt es etwa 13 Milliarden Neuronen. Je besser die Vernetzung zwischen diesen einzelnen Teilen ist, desto effektiver sind die Reaktionen und Leistungen. Ein Neuron hat neben dem Zellleib (Soma) einen langen und einen kurzen Zellfortsatz. Der Zellleib enthält den Zellkern sowie Mitochondrien.

Physiologische Grundlagen der Reizwahrnehmung

Menschen sind durch ihre fünf Sinne - Sehen, Hören, Riechen, Schmecken und Tasten - in der Lage, verschiedenartige Reize wahrzunehmen. Dafür besitzen sie in der Peripherie physiologische Rezeptoren, sogenannte Sensoren, die auf die unterschiedlichsten Reizqualitäten reagieren können. Dies können physikalische, chemische, von der Umwelt ausgelöste oder vom Organismus selbst verursachte Reize sein. Anatomisch sind Sensoren sehr unterschiedlich aufgebaut. So gibt es zum Beispiel in der Haut Druck-, Schmerz- und Temperatursensoren; in den Gefäßwänden von Arterien übernehmen Pressorezeptoren die Blutdruckmessung, während Chemosensoren für die Messung der Atemgaskonzentration im Blut zuständig sind. Die Netzhautsensoren im Auge reagieren auf Lichtreize, und die Haarzellen im Innenohr werden durch Schallwellen erregt.

Eine Reizauslösung kann nur durch überschwellige Reize gelingen, die ausreichend stark sind, um die Reizschwelle zu überwinden. Es erfolgt eine unmittelbare Umwandlung in neurale Erregungen, also Aktionspotentiale (AP), die weitergeleitet werden. Um die einzelnen Teile des Nervensystems zu verbinden, stehen Leitungsbahnen zur Verfügung.

Afferente und Efferente Leitungsbahnen

Afferente Leitungsbahnen, auch Afferenzen genannt, führen von der Peripherie zum ZNS. Aufsteigende Bahnen von einem Sinnesorgan wie Ohr oder Auge werden als sensorisch bezeichnet. Viszerale Bahnen führen von den Eingeweiden nach oben, motorische Afferenzen entspringen der quergestreiften Muskulatur. Einige davon werden zusätzlich als sensible Bahnen bezeichnet, da sie Erregungen wie Schmerz oder Druck aus den jeweiligen Regionen ins ZNS leiten.

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Absteigende, sogenannte efferente Leitungsbahnen oder Efferenzen leiten Informationen vom ZNS zur Peripherie. Motorische Bahnen führen zur quergestreiften Muskulatur, vegetative Efferenzen zur glatten Muskulatur, sekretorische Bahnen zu einer Drüse und viszerale zu den Eingeweiden. Die Reizleitungsgeschwindigkeit der Nervenfasern erreicht Spitzengeschwindigkeiten von rund 100 Metern pro Sekunde.

Mechanismen der Erregungsweiterleitung

Die Erregungsweiterleitung wird in zwei Arten unterschieden: die kontinuierliche und die saltatorische Erregungsweiterleitung.

Kontinuierliche Erregungsleitung

Die Neurite von marklosen Fasern besitzen keine Myelinscheiden und können die Erregungen nur langsam weiterleiten.

Saltatorische Erregungsleitung

Evolutionär jüngere Fasern sind markhaltige Fasern mit einer anatomischen Besonderheit: Die Umhüllung des Neuriten mit Bindegewebszellen, den Myelinscheiden, die in periodischen Abständen von den Ranvierschen Schnürringen unterbrochen sind. Dadurch wird der Neuron isoliert und mechanisch wie elektrisch vor der Umgebung geschützt, was zu einer sehr schnellen Weiterleitung der Erregung führt. Die Erregung wird hierbei in Sprüngen von einem Schnürring zum nächsten weitergegeben (saltatorische Erregungsleitung). Viele Axone im peripheren Nervensystem werden durch einen Mantel aus speziellen Zellen (Schwann-Zellen) elektrisch isoliert.

Ruhe- und Aktionspotential

Ruhepotential

Wenn die Natriumionen-Konzentration (Na+) außen größer als innen und die Kaliumionen-Konzentration (K+) innen größer als außen ist, befindet sich die Nervenzelle im Ruhepotential, ist also nicht erregt. Ihre Membran ist selektiv permeabel (durchlässig) für K+-Ionen, sodass diese ständig von innen nach außen und zurück passieren können. Ihr Ausstrom wird durch Protein-Anionen reguliert, die aufgrund ihrer Größe nicht durch die Membran diffundieren können. Außerdem ist die Membran für Na+-Ionen praktisch undurchlässig. Die Nervenzelle ist im Inneren negativ und außerhalb der Membran positiv geladen. Das Ruhepotential wird auch als ein K+-Ionen-Diffusionspotential bezeichnet. Im Ruhezustand besteht ein Gleichgewicht zwischen der Zellinnen- und -außenseite, das durch verschiedene Transportmechanismen (Kaliumkanäle und Natrium-Kalium-Pumpen) aufrechterhalten wird. Auf der Innenseite der Zellmembrane ist die Ladung zunächst negativ.

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Aktionspotential

Ein ausreichend starker Reiz führt zur ersten Phase des Aktionspotentials, der Depolarisation. Durch die Öffnung von spannungsabhängigen Na+-Kanälen erfolgt eine schlagartige Permeabilitätsänderung der Nervenzellmembran. Die Na+-Ionen passieren nun ungehindert die Membran und strömen in das Innere der Nervenzelle ein. Die Protein-Anionen bleiben aufgrund ihrer Größe zurück. Der Na+-Ionen-Einstrom erfolgt nicht nur bis zum Ladungsausgleich, sondern geht sogar bis zur Ladungsumkehr. Die Nervenzelle ist jetzt im Inneren positiv und außerhalb der Membran negativ geladen. Das Aktionspotential wird als Na+-Ionen-Diffusionspotential bezeichnet. Durch diese lokale Ladungsänderung wird der elektrische Impuls entlang des Axons bis zum Ende weitertransportiert.

Die ursprünglichen Permeabilitätsverhältnisse der Membran werden innerhalb weniger Millisekunden wieder hergestellt. Es folgt nun die zweite Phase, die Repolarisation. Der ursprüngliche Zustand der Ionenverteilung muss wieder hergestellt werden. Dazu befördert die Na+-K+-Pumpe Na+-Ionen aus dem Nervenzellinneren heraus und K+-Ionen im Gegenzug hinein. Hierfür wird Energie benötigt, es handelt sich also um einen aktiven Transport, denn es müssen über den Konzentrationsausgleich hinaus bis zum Erreichen des Ruhepotentials und gegen das Konzentrationsgefälle Na+-Ionen nach außen transportiert werden.

In der anschließenden Refraktärphase ist die Nervenzelle refraktär, also nicht erregbar. Ankommende Reize führen nicht zum Auslösen eines weiteren Aktionspotentials.

Synaptische Übertragung

Die Verbindungsstelle zwischen zwei Nervenzellen stellt die Synapse dar, sie wird auch Endknöpfchen genannt. In diesem Fall handelt es sich dann um eine interneuronale Synapse. Andere Arten von Synapsen dienen der Informationsübertragung von Neuronen zu Muskelzellen oder Drüsenzellen. An dieser Stelle ist eine sehr schnelle Reizübertragung möglich, sie liegt im Bereich von nur wenigen Millisekunden. Synapsen sind Kontaktstellen zwischen mehreren Neuronen und nachgeschalteten Muskel-, Nerven- und Drüsenzellen. Hier findet die Erregungsübertragung sowie die Weiterleitung der Aktionspotentiale statt.

Aufbau einer Synapse

Vom Aufbau sind alle Synapsen immer gleich. Sie besitzen viele Vesikel, das sind mit Neurotransmittern (NT) gefüllte Bläschen. Neurotransmitter sind Überträgerstoffe oder Mediatoren im Nervensystem und damit Agonisten an ihren spezifischen Rezeptoren. Der synaptische Spalt trennt als Zwischenraum die Synapse vom benachbarten Neuron. Die präsynaptische Membran befindet sich auf der Seite der Synapse, und die postsynaptische Membran liegt gegenüber auf der Seite des Neurons. Synapsen bestehen grob aus drei Teilen:

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1. Die präsynaptische Membran: Sie enthält Neurotransmitter, die in Vesikel verpackt sind. Diese Neurotransmitter dienen als Botenstoffe für die Erregungsübertragung.
2. Der synaptische Spalt: Diese ist der Zwischenraum zwischen prä- und postsynaptischer Membran und besteht aus extrazellulärer Matrix.
3. Die postsynaptische Membran: Hier gibt es Rezeptoren, die Informationen über Dendriten empfangen.

Ablauf der Erregungsübertragung an der Synapse

Über das erste Neuron wird ein elektrischer Reiz mittels eines Aktionspotentials weitergeleitet und führt an der Synapse zur Freisetzung des Neurotransmitters aus den Vesikeln in den synaptischen Spalt. Hier ergeben sich verschiedene Möglichkeiten, was nun mit dem Neurotransmitter passieren kann:

1. Ein großer Teil diffundiert durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran des zweiten Neurons und koppelt an seinem spezifischen Rezeptor an. Damit löst er die Bildung von Aktionspotentialen aus, deren Weiterleitung über das zweite Neuron erfolgt.
2. Freigesetzte Neurotransmitter können schon unmittelbar im synaptischen Spalt von speziellen Enzymen biotransformiert werden. Dadurch kann der Effekt entweder nicht zustande kommen beziehungsweise abgeschwächt werden.
3. Eine Wiederaufnahme, ein sogenannter Reuptake, ist möglich. Das bedeutet, dass der Neurotransmitter zurück zur präsynaptischen Membran diffundiert und wieder von den Vesikeln aufgenommen wird.
4. Der Neurotransmitter kann zurück zur präsynaptischen Membran diffundieren und dort an einen präsynaptischen Autorezeptor koppeln. Dies führt meist zu einer Hemmung der weiteren Neurotransmitter-Freisetzung. Man bezeichnet diesen Vorgang als negativen Feedback-Mechanismus.

Elektrische Synapse: Ablauf Erregungsübertragung

Das Aktionspotential wird ohne Verzögerung auf die nachfolgende Zelle übertragen. Elektrische Synapsen kommen dort vor, wo eine schnelle Erregungsübertragung notwendig ist, wie z. B. beim Lidreflex oder in den Herzmuskelzellen. Im Körper selbst sind sie allerdings nicht sehr oft vorhanden. Bei der elektrischen Synapse stehen Prä- und Postsynapse in direktem Kontakt miteinander und sind nur durch einen schmalen Spalt voneinander getrennt. Die Reizweiterleitung kann in beide Richtungen - also bidirektional - verlaufen. Das geschieht über direkte Zell-Zell-Verbindungen - die Gap Junctions. Gap Junctions verbinden benachbarte bzw. aneinander grenzende Zellen miteinander. Sie sind Poren in der Zellmembran und verbinden die Intrazellularräume der Nachbarzellen über Ionenkanäle. Die Verbindung über Ionenkanäle erlaubt eine Diffusion von Molekülen wie z. B. von sekundären Botenstoffen. Außerdem ist bei elektrischen Synapsen die Übertragung von Änderungen des Membranpotentials bei relativ geringem ohmschen (elektrischen) Widerstand möglich. Gap Junctions werden durch Connexine gebildet. Sechs Connexine bilden ein Connexon (Hemikanal). Treten zwei Connexone zwei benachbarter Zellen in Kontakt, bilden sie einen Ionenkanal, der durch beide Membranen verläuft.

Chemischen Synapse: Ablauf Erregungsübertragung

Kommt es zur Erregung eines Motoneurons, wandern Aktionspotenziale axonabwärts zu den Endknöpfchen. Das Aktionspotential erreicht ein synaptisches Endknöpfchen und depolarisiert es. Dieses elektrische Signal hat zur Folge, dass sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen und Ca+-Ionen in das synaptische Endknöpfchen einströmen. Die präsynaptische Speichervesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind, verschmelzen mithilfe des Calciums mit der präsynaptischen Membran. Der Transmitter wird anschließend in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Neurotransmitter sind Liganden. Sie binden spezifisch nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an Rezeptoren und lösen Folgereaktionen aus. Die Transmitter diffundieren dann zur postsynaptischen Membran und binden an dessen Rezeptoren. Diese Rezeptoren sind mit Ionenkanälen verbunden, die ligandengesteuert sind. Die Bindung der Transmittermoleküle mit ihrem Rezeptor verändert die Form des Rezeptors und führt zur Öffnung von Na+-Kanälen. Es strömen Natrium-Ionen in die Zelle und depolarisieren die postsynaptische Membran. So entsteht ein postsynaptisches Potenzial (PSP). In den synaptischen Vesikeln ist der Transmitter Acetylcholin gespeichert.

Erregendes postsynaptisches Potential (EPSP)

Ein erregendes postsynaptisches Potential entsteht, wenn sich Ionenkanäle öffnen und es zu einem Einstrom von Na+-Ionen in die postsynaptische Membran kommt. Das Potential steigt an, da die Natrium-Ionen positiv geladen sind. Wird die Spannung positiver bzw. nimmt die negative Spannung ab, spricht man von einer Depolarisierung. Die ankommenden EPSPs summieren sich und werden in Form eines Aktionspotentials weitergegeben, wenn der Schwellenwert von ca. -50 mV überschritten wird. Die Wahrscheinlichkeit für die Auslösung eines Aktionspotentials ist umso höher, je mehr EPSPs eintreffen und desto länger die Depolarisation anhält. Die Ionenkanäle bleiben nämlich so lange geöffnet, je mehr Transmitter sich im synaptischen Spalt befinden bzw. je mehr Transmitter freigesetzt wurden.

Inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP)

Bei einer hemmenden Synapse kann es zu einem inhibitorischen postsynaptischen Potential kommen. Die Spannung der Postsynapse nimmt ab, bis unter dem Wert des Ruhepotentials (ca. -70 mV) und stoppt dadurch die Erregung. Das wird auch als Hyperpolarisation bezeichnet. Ursache hierfür sind Kalium- und Chloridkanäle, die durch Neurotransmitter geöffnet werden. K+-Ionen strömen aus der Zelle heraus und Cl--Ionen in die Zelle hinein. Die Ladung im Zellinneren wird dadurch negativer und die Synapse kann Reize nicht mehr weiterleiten - sie ist gehemmt. Ob eine verstärkte (EPSP) oder gehemmte (IPSP) Erregung weitergeleitet wird, kommt nicht auf den Transmitter, sondern auf die Synapse an.

Dauer der Erregungsübertragung

Der Transmitter bindet nur sehr kurz an den Rezeptor, um eine Repolarisierung der Postsynapse zu ermöglichen. Eine permanente Aktivierung der Postsynapse muss nämlich verhindert werden. Die Reizweitergabe findet so lange statt, wie Acetylcholin im synaptischen Spalt noch vorhanden ist. Das Enzym Cholinesterase im synaptischen Spalt baut den Neurotransmitter ab. Acetylcholin wird in Acetat (Essigsäure) und Cholin gespalten und diffundiert wieder zurück zur präsynaptischen Membran. Je länger dieser Abbau dauert, umso länger dauert auch die Reizweitergabe. Pro Sekunde kann ein Enzymmolekül ca. 25.000 Acetylcholin-Moleküle zu nicht reaktivem Acetat und Cholin spalten. Diese werden dann per Endozytose in die Präsynapse wieder aufgenommen, um dort erneut Acetylcholin zu resynthetisieren und in Vesikel zu verpacken. Damit schließt sich der Acetylcholin-Kreislauf. Gäbe es keine Cholinesterase, wären die postsynaptischen Natrium-Kanäle permanent geöffnet und die Postsynapse dauerhaft depolarisiert. Wird die Cholinesterase z. B. in der Herz- bzw. Rippenmuskulatur deaktiviert, würde das zu einem Herzstillstand oder einer Atemlähmung führen.

Kurz gesagt, ein chemisches Signal - in diesem Fall entsteht das über die Weitergabe des Neurotransmitters - entsteht aus einem elektrischen Signal - dem Aktionspotenzial. Im Folgedendrit sorgt es erneut für ein elektrisches Signal.

Neurotransmitter und ihre Funktionen

Neurotransmitter sind essenzielle Botenstoffe, die an den Synapsen für die Übertragung von Informationen zwischen Nervenzellen verantwortlich sind. Sie können erregende oder hemmende Wirkungen haben, je nach Art des Rezeptors, an den sie binden. Zu den wichtigsten Neurotransmittern gehören:

• Acetylcholin: Spielt eine wichtige Rolle bei der Muskelkontraktion und im vegetativen Nervensystem.
• Adrenalin und Noradrenalin: Beteiligt an der Steuerung von Aufmerksamkeit, Wachheit und Stressreaktionen.
• Dopamin: Wichtig für die Steuerung von Bewegungen, Motivation und Belohnung.
• Serotonin: Beeinflusst Stimmung, Schlaf und Appetit.
• GABA (Gamma-Aminobuttersäure): Der wichtigste hemmende Neurotransmitter im Gehirn.
• Glutamat: Der wichtigste erregende Neurotransmitter im Gehirn.

Rezeptoren und ihre Rolle

Rezeptoren sind Proteine auf der Oberfläche von Zellen, an die Neurotransmitter binden können. Die Bindung eines Neurotransmitters an einen Rezeptor löst eine Kaskade von Ereignissen in der Zelle aus, die zu einer Veränderung der Zellaktivität führen kann. Rezeptoren besitzen eine bestimmte Selektivität und Affinität. Agonisten sind dabei Substanzen, die stimulierend auf einen Rezeptor wirken, Antagonisten wirken hemmend. An den Dendriten und den Zellkörpern der meisten Nervenzellen findet sich ein Gemisch aus hemmenden und erregenden Synapsen.

Bei Eindringen bestimmter Ionen aus dem Ionenkanal in die Zielzelle wird das Potenzial der Zelle entweder erhöht oder verringert. Die Ladung der durch die Ionenkanäle wandernden Ionen bestimmt, ob es sich bei der Synapse um eine erregende oder hemmende Synapse handelt. Positiv geladene Ionen erhöhen das Potenzial im Inneren der Zelle und damit die Wahrscheinlichkeit, dass die Zelle Transmittersubstanzen freisetzt. In diesem Fall nennt man die Synapse erregend (excitatorisch).

Pathophysiologie und Therapieansätze

Viele psychische Erkrankungen sind auf Störungen im Zusammenspiel der Neuronen und ihrer Neurotransmitter im Gehirn zurückzuführen. Unter anderem versuchen Psychopharmaka das Neurotransmittergleichgewicht wieder herzustellen. Therapieansätze mit zentralwirksamen Arzneistoffen können unterschiedlich sein:

• Sollen zentrale Rezeptoren zusätzlich angeregt werden, weil die Konzentration des physiologischen Neurotransmitters zu gering ist und deswegen zu wenig postsynaptische Rezeptoren besetzt werden können, wird eine Erhöhung der Konzentration des Neurotransmitters angestrebt. Zum Beispiel indem dessen enzymatischer Abbau im synaptischen Spalt vermindert oder die Hemmung des Reuptakes gesteigert wird. Weiterhin wäre auch die Gabe eines Agonisten mit Affinität und intrinsic activity möglich.
• Soll es in der Therapie zur Blockade von zentralen Rezeptoren kommen, da zu viele davon besetzt werden, ist die Gabe eines Antagonisten mit Affinität und keiner intrinsic activity möglich. Eine Steigerung des physiologischen Abbaus oder die Erhöhung des Reuptakes führt auch zu einer Konzentrationssenkung des Neurotransmitters.

Die Rolle des Rückenmarks

Das Rückenmark ist ein wichtiger Teil des zentralen Nervensystems und dient als Verbindungsglied zwischen Gehirn und peripherem Nervensystem. Es enthält aufsteigende (afferente) und absteigende (efferente) Nervenfasern, die Informationen zwischen Gehirn und Körper austauschen. Das Rückenmark ist auch an der Steuerung von Reflexen beteiligt.

Reflexe

Manche Erregungen (Reize) werden von den aufsteigenden Bahnen im Rückenmark gar nicht erst zum Gehirn weitergeleitet, sondern unmittelbar auf derselben oder einer höher gelegenen Rückenmarksebene umgeschaltet. Die aufsteigenden Fasern verlaufen in diesem Fall statt zum Gehirn direkt zu Zellen des Vorderhorns und übertragen dort die Erregung. Diesen Weg der Erregungsübertragung nennt man Reflexbogen, und eine so ausgelöste Muskelreaktion nennt man Reflex. Reflexe werden bei jeder körperlichen Untersuchung geprüft. Bei einem Eigenreflex wird ein Muskel durch einen sachten Schlag auf eine Sehne kurz gedehnt. Durch diese Reizung wird der oben beschriebene Reflexbogen ausgelöst, der die betroffene Rückenmarksebene nicht verlässt. Bei der Prüfung der Eigenreflexe wird unter anderem die Stärke dieser Muskelanspannung bewertet. Bei einem Fremdreflex gehören Reizempfänger und Reizbeantworter verschiedenen Organsystemen an. Es werden Sinneszellen in der Haut gereizt und dadurch ein Reflexbogen ausgelöst, der sich über verschiedene Höhen des Rückenmarks (des Hirnstamms) ausbreitet. Beispielsweise kommt es beim Babinski-Reflex durch Bestreichen des Fußsohlenrandes zu einer Streckung von Fuß und Großzehe sowie Spreizung der übrigen Zehen im Sinne einer Fluchtreaktion, die den schädigenden Reiz entfernen soll. Dieses Babinski-Phänomen ist normal für Neugeborene und Kinder im ersten Lebensjahr. Im Allgemeinen deuten abgeschwächte Reflexe auf eine Schädigung im Bereich des peripheren Nervensystems hin, gesteigerte Reflexe auf Störungen des Zentralnervensystems.

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