Reizweiterleitung im Neuron: Eine verständliche Erklärung

Ständig gereizt? Diese Frage müssten unsere Nervenzellen wohl eindeutig mit ja beantworten. Doch auch wenn sie dauernd unter Strom stehen, ist von Chaos im Nervensystem keine Spur. Mit höchster Präzision und Schnelligkeit arbeiten Milliarden von Nervenzellen koordiniert zusammen, um Informationen auszutauschen und uns so Handlungen, Gedanken und Emotionen zu ermöglichen. 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.

Die Nervenzelle (Neuron): Kommunikationsspezialist

Die Nervenzelle (med.: Neuron) ist eine hoch spezialisierte Zelle, die der Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Nervenimpulsen dient (sog. Erregungsleitung). Damit die Nervenzellen ihre Funktion als Kommunikationsspezialisten gut erfüllen können, sind sie zu einem großen Netzwerk, dem Nervensystem zusammengeschaltet. Allein in unserem Gehirn, dem Schalt- und Kontrollzentrum des Nervensystems, sind rund 100 Milliarden Nervenzellen im Einsatz.

Aufbau einer Nervenzelle

Der Aufbau einer Nervenzelle ist komplex und faszinierend zugleich. Eine Nervenzelle ist aus folgenden Bestandteilen aufgebaut: Dendriten, Zellkörper, Axon, Schnürringen, Hüllzellen und Endknöpfchen.

• Zellkörper (Soma): Der Zellkörper der Nervenzelle, auch Soma genannt, enthält den Zellkern sowie alle Zellorganellen, die für die Funktionsfähigkeit der Zelle wichtig sind, darunter Nissl-Schollen, Golgi-Apparat und Mitochondrien. Von letzteren ist das Neuron aufgrund seines hohen Energiebedarfs in besonderem Maße abhängig. Der Zellkörper besitzt einen langen, dünnen Fortsatz, der als Axon der Nervenzelle bezeichnet wird. Der Axonhügel bildet den Übergang zwischen Soma und Axon.
• Dendriten: Dendriten sind feine Verästelungen des Zellkörpers (sog. Zellfortsätze), die über Synapsen mit anderen Nervenzellen in Kontakt stehen. Sie empfangen deren Signale und leiten sie anschließend an den Zellkörper weiter. Dendriten stellen also gewissermaßen die Antennenregion der Nervenzelle dar. Reize, die wir z. B. mit unseren Sinnesorganen aufnehmen, werden in elektrische Signale übersetzt. Diese Signale werden über die Nervenzellen an das Gehirn weitergeleitet. Die Aufgabe einer Nervenzelle ist also die Reizweiterleitung. Nervenzellen, die Reize von den Sinnesorganen zum Gehirn weiterleiten, werden als sensorische Nervenzellen bezeichnet. Motorische Nervenzellen leiten Befehle vom Gehirn zu den Muskeln. Die Dendriten stehen mit Sinneszellen oder anderen Nervenzellen in Kontakt.
• Axon (Neurit): Als Axon bzw. Neurit wird der Neuron Fortsatz bezeichnet, der aus dem Axonhügel hervorgeht und die elektrischen Impulse vom Zellkörper zum Ende der Nervenzelle leitet. Im Gegensatz zu den kürzeren Dendriten kann die Länge des Axons je nach Funktion und Lokalisation der Nervenzelle bis zu einem Meter und mehr betragen. Die Aufgabe des Axons ist die Weiterleitung der Aktionspotentiale zu Nerven- oder Muskelzellen.
• Axonhügel: Der Axonhügel bildet den Ursprung des Axons am Zellkörper der Nervenzelle. Hier werden die einkommenden elektrischen Impulse gesammelt und verrechnet, bis sie eine bestimmte Schwelle überschreiten. Haben sie das sogenannte Schwellenpotenzial erreicht, wird der Reiz (Aktionspotenzial) über das Axon zur nächsten Zelle weitergeschickt. Am Axonhügel werden alle Signale, die in eine Nervenzelle eingehen, gesammelt. Die elektrischen Signale werden hier solange gesammelt und summiert, bis eine bestimmte Schwelle oder ein Schwellenpotential überschritten wird. Erst dann wird ein Signal an das Axon weitergeleitet. Diese Signale nennst du Aktionspotentiale. Das verhindert, dass unser Körper jedes kleinste Signal weiterleitet.
• Schwannsche Zellen und Myelinscheide: Schwannsche Zellen sind Stütz- und Hüllzellen der Neuronen im peripheren Nervensystem. Sie sind nicht direkt an der Reizweiterleitung beteiligt, sondern haben die Aufgabe, die Nervenzelle zu stabilisieren und zu ernähren. Als Myelinscheide oder Markscheide wird die von Schwannschen Zellen gebildete elektrische Isolationsschicht bezeichnet. Wie ein Verband legt sie sich um das Axon der Neuronen des peripheren Nervensystems herum und sorgt so nicht nur für deren Schutz, sondern auch für die Beschleunigung der Erregungsleitung. Im zentralen Nervensystem (ZNS), also dem Gehirn und Rückenmark, werden die Nervenzellen ebenfalls von einer Myelinscheide umgeben. Damit die Weiterleitung der elektrischen Signale möglichst schnell und ohne Verluste funktioniert, ist das Axon sozusagen wie ein elektrisches Kabel isoliert. Dazu wird der Fortsatz durch Stütz- oder Hüllzellen umhüllt. Die Hüllzellen umgeben das Axon.
• Ranviersche Schnürringe: Entlang des Axons ist die Myelinscheide immer wieder durch freiliegende Axonbereiche, die sogenannten Ranvierschen Schnürringe, unterbrochen. Diese Unterbrechungen ermöglichen es dem elektrischen Impuls, über längere umhüllte Bereiche zu springen und so eine höhere Geschwindigkeit zu erlangen. An einigen Stellen befinden sich am Axon keine Hüllzellen. Diese freien Stellen bilden die Schnürringe. Die elektrischen Signale springen von Schürring zu Schnürring (saltatorische Erregungsleitung).
• Synaptische Endknöpfchen: Synaptische Endknöpfchen bilden das Ende der Nervenzelle, an dem mithilfe von Synapsen ankommende elektrische Signale zur nächsten Nervenzelle oder einer anderen Zelle (z. B. Meist wird das elektrische Potenzial dazu in sogenannten Neurotransmitter (Nervenbotenstoffe) „umgewandelt“. Am synaptischen Endknöpfchen, was dem Ende des Axons entspricht, wird der elektrische Impuls in ein chemisches Signal umgewandelt. Am synaptischen Endknöpfchen werden die Signale auf die folgende Nervenzelle übertragen. Anders als innerhalb der Nervenzelle erfolgt die Signalübertragung zwischen zwei Nervenzellen chemisch über sogenannte Neurotransmitter (Botenstoffe). Diese werden in den synaptischen Spalt abgegeben und binden an Rezeptoren der nächsten Nervenzelle.

Vielfalt der Nervenzellen: Einteilung nach Charakteristika

In der Neurobiologie können Nervenzellen nach verschiedenen Charakteristika eingeteilt werden.

• Unipolare Nervenzelle: Neuron mit einem Fortsatz (Axon); lange wurden die Sinneszellen der Augen dazu gezählt.
• Bipolare Nervenzelle: Neuron mit zwei separaten Fortsätzen (Axon und Dendrit); dient der Vermittlung bestimmter Sinne (z. B.
• Pseudounipolare Nervenzelle: Neuron, bei dem Dendrit und Axon aus einem gemeinsamen Fortsatz in der Nähe des Zellkörpers entspringen (z. B.
• Multipolare Nervenzelle: Neuron mit vielen Dendriten und einem Axon; multipolare Nervenzellen gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nervenzellen (z. B.

Das Ruhepotential: Grundlage für die Erregbarkeit

Das Ruhepotential einer Nervenzelle ist ein grundlegender Zustand, bei dem eine Potenzialdifferenz zwischen dem Inneren und Äußeren der Zelle besteht. Die Membran der Nervenzelle ist selektiv permeabel, was bedeutet, dass sie für verschiedene Ionen unterschiedlich durchlässig ist. Das Ruhepotential entsteht durch die Wanderung bestimmter Ionen durch die Membran, was zu einer Ladungsdifferenz zwischen dem Innen- und Außenraum der Nervenzelle führt.

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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.

Die Erregungsleitung: Wie Nervenzellen Signale weiterleiten

Die Reizweiterleitung im Nervensystem ist ein komplexer Vorgang, der sich in mehrere Phasen unterteilt. Im Ruhezustand befindet sich die Nervenzelle im sogenannten Ruhepotential, bei dem der Zellinnenraum gegenüber dem Außenraum negativ geladen ist. 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.

Die Erregungsleitung in Nervenzellen ist ein essenzieller Vorgang für die neuronale Kommunikation. Die Erregungsleitung ist die Weiterleitung elektrischer Signale in Nerven- und Muskelzellen. Eine Erregung entsteht immer am Axonhügel eines Neuron. weitergeleitet. Das Aktionspotential einer Nervenzelle wird entlang des Nervenzellfortsatzes - dem Axon - weitergeleitet. Dieser Vorgang heißt Erregungsleitung.

Kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung

Die Erregungsleitung ist ein bioelektrischer Prozess, der die Grundlage für die Funktion der Nervenzelle und des zentralen Nervensystems bildet. Sie ermöglicht die neuronale Kommunikation durch die Übertragung elektrischer Signale.

Es gibt zwei Arten der Erregungsleitung:

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• Kontinuierliche Erregungsleitung: Axone ohne Myelinscheide, auch marklose Nervenfasern genannt, finden sich bei inneren Organen und Nozizeptoren (auch Schmerzrezeptoren genannt). Hier wird das Aktionspotenzial entlang des gesamten Axons fortgeleitet, ohne zu „springen“. Diese Methode ist energetisch aufwendiger als die saltatorische Erregungsleitung. Zudem macht das die Leitung langsamer als in myelinisierten Nervenfasern, ermöglicht aber eine genaue und graduelle Signalübertragung. Dies ist besonders wichtig in Bereichen unseres Körpers, wo präzise und fein abgestimmte Bewegungen erforderlich sind. Wenn Nervenzellen nicht isoliert sind, müssen sie die elektrischen Signale kontinuierlich (fortlaufend) weiterleiten. Diese Art der Weiterleitung ist deshalb vergleichsweise langsam. kann aber erhöht werden, indem der Durchmesser der Leitungsbahn erhöht wird.
• Saltatorische Erregungsleitung: Ein Axon mit Myelinscheide, umwickelt von schwannschen Zellen im peripheren oder Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem, ermöglicht eine effiziente und schnelle Übertragung von Aktionspotenzialen. 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). Diese springen von einem ranvierschen Schnürring zum nächsten, was die Leitungsgeschwindigkeit erhöht. Die Myelinscheide Funktion spielt bei der Reizweiterleitung eine entscheidende Rolle. Diese Isolierschicht, die von Schwannschen Zellen gebildet wird, ermöglicht die saltatorische Erregungsleitung. An den Ranvierschen Schnürringen entstehen Aktionspotentiale, die von einem Schnürring zum nächsten "springen".

Die Synapse: Schaltstelle zwischen den Nervenzellen

Die Signalübertragung zwischen Nervenzellen erfolgt an speziellen Kontaktstellen, den Synapsen. Hier wird das elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt. Am synaptischen Endknöpfchen werden die Signale auf die folgende Nervenzelle übertragen. Anders als innerhalb der Nervenzelle erfolgt die Signalübertragung zwischen zwei Nervenzellen chemisch über sogenannte Neurotransmitter (Botenstoffe). Diese werden in den synaptischen Spalt abgegeben und binden an Rezeptoren der nächsten Nervenzelle. Die Signalübertragung an Synapsen kann sowohl erregend (EPSP) als auch hemmend (IPSP) sein. Bei der zeitlichen Summation addieren sich mehrere schnell aufeinanderfolgende Signale an einer Synapse.

Synapse: sorgt für die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrische in chemische Information erfolgt. Eine Synapse bildet das Verbindungsstück, über das eine Nervenzelle mit anderen Zellen (weitere Nervenzellen, aber auch Sinneszellen, Drüsenzellen, Muskelzellen) in Kontakt steht. Die neuromuskuläre Synapse an der motorischen Endplatte des Axons ist ein typisches Beispiel. Sie verbindet das Axon eines Muskelneurons mit einer Muskelfaser. Synapsen sorgen auch für die Reiz-/Erregungsweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer Informationen in chemische Information erfolgt. Diese Verbindungen zwischen Neuronen, sogenannte interneuronale Synapsen, können auf mehrere Arten ausgestaltet sein: Verbindungen können zwischen Axon, Dendriten und Somata bestehen.

Chemische und elektrische Synapsen

Je nach Funktionalität unterscheidet man im Allgemeinen zwei Typen von Synapsen:

• Chemische Synapse: Die Übertragung der Erregung erfolgt durch einen Neurotransmitter, einem chemischen Botenstoff. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor und wird in diesem Kapitel behandelt.
• Elektrische Synapse: Die Übertragung der Erregung erfolgt an zwei eng aneinanderliegenden Membranen über spezielle Ionenkanäle, den Konnexionen. Es findet ein direkter Austausch von Ladungsträgern statt, die zur Erzeugung eines Aktionspotentials führen. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Die Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist.

Neurotransmitter: Die chemischen Botenstoffe

Zu den Neurotransmittern gehören eine Reihe chemischer Botenstoffe wie z. B. Acetylcholin, Noradrenalin, Dopamin oder Glutamat. Diese werden in chemischen Synapsen in kleinen Bläschen, den synaptischen Vesikeln, gelagert.

Faktoren, die die Reizweiterleitung beeinflussen

Die Geschwindigkeit der Reizweiterleitung wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, insbesondere durch die Myelinisierung der Axone. Verschiedene Faktoren wirken dem entgegen: Kationen und Anionen aus dem Cytoplasma und der Zellzwischenflüssigkeit ziehen sich über die Membran hinweg an. Kleine, bewegliche Ionen können durch die Membran hindurch diffundieren. Das Ergebnis sind Leckströme. Hierbei sind die Axone von isolierenden Myelinscheiden umgeben, welche die Anziehung von Ionen zwischen dem Zellinneren und -äußeren verringert. Zusätzlich reduziert diese Myelinisierung das Vorkommen von Leckströmen.

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Reiz-Reaktions-Schema

Das Reiz-Reaktions-Schema bildet die Grundlage für die Verarbeitung von Sinneseindrücken im Nervensystem. Ein Reiz wird über ein Sinnesorgan aufgenommen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird dann über sensorische Nerven zum Gehirn weitergeleitet, wo es verarbeitet und ausgewertet wird. Nehmen wir an, jemand tippt dir von hinten auf die Schulter. Die Dendriten der Nervenzelle leiten den Reiz zum Zellkörper weiter. Die Erregung durch das Antippen ist stark genug, dass am Axonhügel ein Aktionspotential entsteht. An der chemischen Synapse wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Dazu setzen die synaptischen Endknöpfchen chemische Moleküle (Neurotransmitter) in den synaptischen Spalt frei. Die Moleküle binden an Rezeptoren auf der anderen Seite des Spalts. Das führt zur Entstehung eines elektrischen Signals in der nächsten Zelle. Das Signal wird so über Nervenzellen bis in dein Gehirn geleitet. Dort wird es verarbeitet und das Gehirn erhält das Signal „Du wurdest berührt“.

Gliazellen: Die Helfer der Nervenzellen

Gliazellen spielen eine entscheidende Rolle im Nervensystem. Sie umgeben die Nervenzellen, schützen sie und vermitteln ihre Versorgung mit Nährstoffen und Sauerstoff. Gliazellen sind spezialisierte Zellen, die Nervenzellen umgeben, schützen und versorgen.

Multiple Sklerose: Eine Erkrankung der Myelinscheide

Bei der Multiplen Sklerose werden die Myelinscheiden der Nervenfasern teilweise oder vollständig abgebaut. Diese sind in gesunden Fasern für die Isolierung der Axone zuständig. Wird diese verringert, erhöht sich zum einen die Gefahr von Leckströmen und zum anderen die Anziehung von Ionen zwischen dem Cytoplasma und der Zwischenzellflüssigkeit. Beide Faktoren führen zu einer Reduktion der Erregungsleitgeschwindigkeit. Multiple Sklerose ist eine Autoimmunerkrankung. Das bedeutet, dass körpereigene Immunzellen die Markscheiden der Axone angreifen und sogenannte Entmarkungsherde entstehen. Diese können überall im zentralen Nervensystem auftreten und vielfältige Symptome, wie Sehstörungen, Spasmen oder Schluckbeschwerden, auslösen.

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