Ranviersche Schnürringe: Funktion, Aufbau und Bedeutung im Nervensystem

Die Ranvierschen Schnürringe sind essenzielle Strukturen im Nervensystem, die eine entscheidende Rolle bei der schnellen und effizienten Weiterleitung von Nervenimpulsen spielen. Diese mikroskopischen Einschnürungen in der Myelinscheide von Nervenfasern ermöglichen die saltatorische Erregungsleitung, einen Mechanismus, der die Geschwindigkeit der neuronalen Kommunikation erheblich steigert.

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. 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. 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.

Grundlagen der Nervenleitung

Das Nervensystem ist ein Netzwerk aus Milliarden von Nervenzellen (Neuronen). Diese kommunizieren über lange Fortsätze (Axone) und die Information wird in Form von elektrischen Impulsen übertragen, die entlang der Axone zu weit entfernten Synapsen auf Zielneuronen gelangen. 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 Axone der Wirbeltiere sind normalerweise von einer Myelinscheide umhüllt. Myelin, eine mehrlagige Membran, isoliert das Axon elektrisch und erhöht damit seine Leitgeschwindigkeit auf bis zu 100 Meter pro Sekunde. Die Myelinscheiden können bis zu einem halben Millimeter lang werden und noch deutlich länger im peripheren Nervensystem, wo eine vergleichbare Aufgabe von den sog. Schwannzellen übernommen wird. Zwischen den einzelnen myelinisierten Segmenten bleiben "Ranvier'sche Schnürringe" offen, an denen elektrische Aktionspotenziale entstehen.

Struktur und Aufbau der Ranvierschen Schnürringe

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.

Um die Funktion des Ranvier-Schnürrings nachvollziehen zu können, ist ein genauer Blick auf seinen strukturellen Aufbau notwendig. 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.

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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.

1. sind Lücken zwischen benachbarten Schwann-Zellen bzw. den Oligodendroglia, in denen der Kontakt zwischen der Axonmembran und der extrazellulären Flüssigkeit bestehen bleibt.

Die Saltatorische Erregungsleitung

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.

Im Bereich der isolierend wirkenden Myelinscheide wird die Erregung elektrotonisch weitergeleitet. Entsteht nun ein Aktionspotenzial an einem dieser Schnürringe, so erzeugt die Spannungsumkehr der Axonmembran ein elektrisches Feld, das so stark ist, dass es bis zu den benachbarten Schnürringen reicht. Dort wird der für die Bildung von Aktionspotenzialen erforderliche Schwellenwert von -50 mV überschritten, und es entstehen quasi sofort neue Aktionspotenziale in dem benachbarten Schnürring, der "stromaufwärts" liegt.

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. 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. 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. 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. 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. Dort löst der Neurotransmitter erneut einen elektrischen Impuls aus, der wieder am Axon entlangwandert und so von Zelle zu Zelle weitergegeben wird.

Der Impuls „springt“ von Schnürring zu Schnürring, was zu einer schnelleren Weiterleitung führt, als wenn der Impuls über die gesamte Faserlänge übertragen würde.

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Bedeutung der Ionenkanäle

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.

Die von den Schwannschen bedeckten Bereiche das Axons enthalten so gut wie keine spannungsgesteuerten Ionenkanäle, Aktionspotenziale können dort also nicht entstehen. Die spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumkanäle treten dagegen in den Ranvierschen Schnürringen besonders gehäuft auf.

Klinische Bedeutung: Erkrankungen und Störungen

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. Ist die Myelinschicht, die die Nervenfaser umgibt, geschädigt oder zerstört, werden Nervenimpulse langsamer oder gar nicht übertragen. Durch Läsionen verlangsamte bzw. blockierte Nervenimpulse führen zu einer Vielzahl von Symptomen, die alle Ausdruck der gestörten Aktivität des Nervensystems sind. Dazu gehören sensorische Beeinträchtigungen (z.B. unscharfes Sehen), Schwierigkeiten bei der Bewegungskoordination sowie Probleme mit körperlichen Funktionen.

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. Eine häufig auftretende Fußfehlstellung bei Patienten mit Charcot-Marie-Tooth ist der Hohlfuß. Die Charcot-Marie-Tooth-Erkrankung (auch hereditäre motorisch-sensible Neuropathie Typ 2) ist eine seltene genetisch bedingte Erkrankung des peripheren Nervensystems. Sie führt dazu, dass Nervenimpulse aus dem Gehirn nicht mehr bei den entsprechenden Muskeln ankommen. Die Folge ist ein Abbau der Muskulatur. Erste Symptome können bereits im Kindesalter auftreten. Die Muskelschwäche beginnt in den Händen und Füßen und breitet sich dann zum Körper hin aus. Die Bewegungsfähigkeit der Betroffenen nimmt immer weiter ab. Zudem kann es zu Sensibilitätsstörungen, Schmerzen und Muskelkrämpfen kommen. Eine Heilung der Krankheit ist bis heute nicht möglich.

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.

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Multiple Sklerose: Bei der multiplen Sklerose, der „Krankheit mit den 1 000 Gesichtern“, handelt es sich um eine chronisch-entzündliche Erkrankung des zentralen Nervensystems. Dabei wird die Myelinschicht zerstört. Das kann in unterschiedlicher Größe willkürlich, über das gesamte zentrale Nervensystem verteilt, passieren. Besonders häufig findet man solche Zerstörungen am Sehnerven, im Hirnstamm, im Kleinhirn und an den Hintersträngen des Rückenmarks. An den beschädigten Bereichen der Markscheiden ist die Weiterleitung der Erregung gestört und die elektrischen Impulse können sich zwischen den verschiedenen Nerven- und Körperzellen (z. B. Muskelzellen) nicht mehr ungehindert ausbreiten.

Myelinisierung und Metabolismus

Die Myelinisierung neuronaler Axone durch Oligodendrozyten dient der Erhöhung der Leitgeschwindigkeit und gehört zu den komplexesten Interaktionen von Zellen im zentralen Nervensystem. Wissenschaftler des MPI entdeckten eine neue Funktion der Oligodendrozyten, die Unterstützung des Stoffwechsels von Axonen. Genetische Experimente in der Maus zeigen, dass es sich dabei um den Transfer von energiereichen Metaboliten handelt, die von glykolytischen Oligodendrozyten am Axon freigesetzt werden.

Die Myelinscheide des Axons stellt aber nicht nur eine elektrische, sondern auch eine effiziente physische Isolierung dar. Die axonale Oberfläche ist über 99 Prozent von Myelin abgedeckt. Myelin ist eine mehrlagige kompakte Struktur, die aus der oligodendroglialen Zellmembran hervorgeht, aber daneben gibt es ein Netzwerk von Kanälen aus nicht kompaktem Myelin, das die Myelinscheide begleitet und eine Fortsetzung des Zytosols der Oligodendrozyten darstellt. Es handelt sich dabei um die gleichen Kanäle, die in der Entwicklung den erforderlichen Transport von Membranvesikeln zur Wachstumszone des Myelins an der Spitze des Gliazellfortsatzes ermöglichen, der sich spiralig um das Axon verlängert. Diese Beobachtungen wurden erst durch Methoden der Hochdruck-Kryopräparation von myelinisierten Nerven möglich. Durch die zytosolischen Kanäle des Myelins, die auch im adulten Nervensystem zum Teil weiter bestehen, bleibt die Oligodendrozyte metabolisch mit dem Innenraum der Myelinscheide, der inneren Lippe verbunden, der dem Axon eng anliegt. Dort kommt es zum Übertritt von Metaboliten aus dem Zytosol der Oligodendrozyten in das Lumen des Axons. Tatsächlich haben die Wissenschaftler um Klaus-Armin Nave in den letzten Jahren eine Modellvorstellung entwickelt, nach der Oligodendrozyten über zytosolische Kanäle myelinisierte Axone mit energiereichen Metaboliten versorgen können. Sie gehen davon aus, dass die myelinisierenden Gliazellen aus dem Extrazellularraum Glukose aufnehmen, die z. B. über die Bluthirnschranke und Astrozyten dorthin gelangt ist. Glukose kann allerdings nicht direkt an das Axon weitergegeben werden, sondern wird zunächst durch oligodendrogliale Enzyme zerlegt (Glykolyse). Der Übertritt von Milchsäure aus der Oligodendrozyte in das myelinisierte Axon ist technisch nur schwer nachzuweisen, da es sich um Distanzen im Nanometerbereich handelt und die Metaboliten nicht markiert gemacht werden können.

Louis-Antoine Ranvier: Der Entdecker

LOUIS-ANTOINE RANVIER war französischer Arzt und Pathologe, der im 19. Jahrhundert gearbeitet hat. Sein Hauptforschungsgebiet war das Nervensystem und die Erregungsleitung. Lebenslauf LOUIS-ANTOINE RANVIER wurde am 02.10.1835 in Lyons, Frankreich, geboren. Nach dem Abschluss der Schulausbildung studierte er Medizin in Lyons. Nach erfolgreicher Grundausbildung trat er 1860 eine Stelle als Assistenzarzt in einem Pariser Hospital an. 1865 schloss er das Medizinstudium ab und gründet gemeinsam mit VICTOR CORNIL (1837-1908) ein kleines privates Laboratorium. Dort boten sie Medizinstudenten Kurse in Histologie an. 1875 erhielt LOUIS-ANTOINE RANVIER eine Professur für Allgemeine Anatomie am College de France. Sein großes Interesse galt dem Nervensystem und der Erregungsleitung. Bereits im Jahr 1871 beschrieb er die periodischen Einschnürungen von Nervenfasern, die später nach ihm benannt wurden, ranviersche Schnürringe, und entdeckte im Jahr 1878 Myelin. Im Jahr 1897 gründete er gemeinsam mit BALBIANI (dieser entdeckte übrigens Riesenchromosomen bei Zweiflüglern) das Archiv der anatomischen Mikroskopie (Archives d'anatomie microscopique). Mit 65 Jahren trat er seinen wohlverdienten Ruhestand an und wechselte auf seinen Landsitz nach Thèlys. Wissenschaftliche Leistungen LOUIS-ANTOINE RANVIER war französischer Arzt und Pathologe, der im 19. Jahrhundert gearbeitet hat. Sein Hauptforschungsgebiet war das Nervensystem und die Erregungsleitung. Obwohl er einige Merkmale des Nervensystems beschrieb, ist er durch die Entdeckung des Myelins und der nach ihm benannten ranvier'schen Schnürringe berühmt geworden. Myelin und ranvier'scher Schnürring Das wichtigste Merkmal des Myelins ist seine hohe elektrische Isolation. Dadurch wird der Durchtritt geladener Ionen durch die Membran verhindert. Ionische Wanderungen sind daher nur begrenzt auf den freiliegenden Abschnitt eines Axons, an dem zwei Schwann-Zellen zusammentreffen. Diese Stelle wird als ranvierscher Schnürring bezeichnet. Genau an dieser Stelle ist nämlich die Myelinscheide unterbrochen. Ranviersche Schnürringe findet man entlang des myelinisierten Axons in einem Abstand von ca. 1-1,5 mm. Den Abschnitt zwischen zwei Ringen bezeichnet man als Internodium (auch internodales Segment).

Unterschätzte Bedeutung: Der Entdecker Ranvier hielt die Schnürringe zunächst für Stellen, an denen Stoffwechselprodukte zwischen Axon und Umgebung ausgetauscht werden.

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