Reizweiterleitung in Nervenzellen: Wissenschaftliche Grundlagen

Die Reizweiterleitung in Nervenzellen ist ein fundamentaler Prozess für die Funktion des Nervensystems. Sie ermöglicht die schnelle und effiziente Übertragung von Informationen im gesamten Körper. Die Neurobiologie befasst sich umfassend mit der Struktur und Funktion von Nervenzellen, der Reizweiterleitung und der Kommunikation zwischen Neuronen. Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die grundlegenden Bausteine des Nervensystems. Sie sind spezialisierte Zellen, die für die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Reizen aus der Umwelt verantwortlich sind.

Aufbau einer Nervenzelle

Ein Neuron besteht typischerweise aus drei Hauptbestandteilen:

• Zellkörper (Soma oder Perikaryon): Das Stoffwechselzentrum der Zelle, enthält den Zellkern und die Organellen. Hier werden fast alle Stoffe synthetisiert, welche die Zelle braucht, und von dort in Axone und Dendriten transportiert. Der Zellkörper ist gefüllt mit Cytosol, den flüssigen Bestandteilen des Zytoplasmas, und wird von einem Cytoskelett durchzogen.
• Dendriten: Verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Nervenzellen oder Sinneszellen empfangen und zum Zellkörper weiterleiten. Sie tragen oft kleine Fortsätze, die als dendritische Dornen bezeichnet werden, welche wie Antennen wirken und über Synapsen mit anderen Zellen in Kontakt stehen.
• Axon (Neurit): Ein langer, dünner Fortsatz, der Signale vom Zellkörper weg zu anderen Nervenzellen, Muskelzellen oder Drüsenzellen transportiert. Das Axon kann sich über Entfernungen von bis zu einem Meter und mehr erstrecken.

Der Axonhügel bildet den Übergang vom Soma zum Axon. Hier werden elektrische Signale gesammelt und summiert, bis eine bestimmte Schwelle überschritten wird, woraufhin ein Aktionspotential entsteht und weitergeleitet wird.

Das Ruhepotential

Das Ruhepotential ist der elektrische Zustand einer Nervenzelle, wenn sie sich nicht in Erregung befindet. Es besteht ein Potentialunterschied zwischen dem Inneren der Zelle und dem umgebenden Extrazellularraum. Typischerweise liegt das Ruhepotential bei etwa -70 mV. Dieser Wert wird durch die unterschiedliche Verteilung von Ionen (hauptsächlich Natrium- und Kaliumionen) innerhalb und außerhalb der Zelle aufrechterhalten.

Das Aktionspotential

Das Aktionspotential ist eine kurzzeitige, lokale Veränderung des Membranpotentials, die sich entlang des Axons fortpflanzt. Es ist die Grundlage der Reizweiterleitung in Nervenzellen. Ein Aktionspotential entsteht, wenn ein Reiz die Membran depolarisiert und den Schwellenwert von etwa -40 mV erreicht. Dies führt zu einer Kaskade von Ereignissen:

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1. Depolarisation: Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, wodurch Natriumionen in die Zelle einströmen. Dies führt zu einem schnellen Anstieg des Membranpotentials auf positive Werte. Die Depolarisation besteht aus einer Initialphase und einem explosionsartigen Aufstrich, wenn der Schwellenwert überschritten wird.
2. Repolarisation: Nach kurzer Zeit schließen sich die Natriumkanäle wieder, und spannungsgesteuerte Kaliumkanäle öffnen sich. Kaliumionen strömen aus der Zelle, wodurch das Membranpotential wieder sinkt.
3. Hyperpolarisation: Das Membranpotential kann kurzzeitig unter das Ruhepotential fallen, da die Kaliumkanäle etwas verzögert schließen.
4. Wiederherstellung des Ruhepotentials: Durch die Aktivität von Ionenpumpen, insbesondere der Natrium-Kalium-Pumpe, wird das Ruhepotential wiederhergestellt.

Arten der Erregungsleitung

Es gibt zwei Hauptarten der Erregungsleitung in Nervenzellen:

• Kontinuierliche Erregungsleitung: Diese findet in unmyelinisierten Axonen statt, wie sie beispielsweise bei Tintenfischen vorkommen. Das Aktionspotential breitet sich kontinuierlich entlang des Axons aus, indem es benachbarte Membranbereiche depolarisiert. Die kontinuierliche Erregungsleitung ist relativ langsam (ca. 1 m/s).
• Saltatorische Erregungsleitung: Diese Art der Erregungsleitung kommt in myelinisierten Axonen vor, wie sie bei Wirbeltieren (einschließlich des Menschen) vorkommen. Myelinscheiden werden von Gliazellen gebildet - im zentralen Nervensystem von Oligodendrozyten, im peripheren Nervensystem von Schwannschen Zellen. Die Myelinscheide wirkt wie eine Isolierung und verhindert, dass Ionen durch die Membran fließen können. An den Ranvierschen Schnürringen, den Lücken zwischen den Myelinscheiden, ist das Axon jedoch unbedeckt. Hier befinden sich viele spannungsgesteuerte Natriumkanäle. Das Aktionspotential "springt" von Schnürring zu Schnürring, was die Leitgeschwindigkeit erheblich erhöht (bis zu 100 m/s).

Die saltatorische Erregungsleitung ist deutlich schneller als die kontinuierliche Erregungsleitung. Hermann von Helmholtz isolierte Ende des 19. Jahrhunderts einen Froschmuskel samt zuleitendem motorischen Nerv und reizte diesen elektrisch. Er maß die Zeit bis zum Zusammenzucken des Muskels und stellte fest, dass die Reizweiterleitung eine messbare Zeit benötigt. Seine Ergebnisse zeigten eine Erregungsleitungsgeschwindigkeit von etwa 32 m/s, was für die damaligen bescheidenen Mittel beeindruckend war.

Die Geschwindigkeit der Erregungsleitung hängt stark vom Durchmesser des Axons ab. Je dicker das Axon, desto schneller wird die Erregung weitergeleitet, da die Oberfläche des Axons linear mit dem Radius ansteigt.

Die Synapse

Die Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und einer Muskel- oder Drüsenzelle. Hier wird ein Reiz von einer Zelle zur nächsten übertragen. Die Übertragung erfolgt in der Regel chemisch:

1. Wenn ein Aktionspotential das synaptische Endknöpfchen erreicht, öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle.
2. Calciumionen strömen in die Zelle und bewirken, dass Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind, mit der präsynaptischen Membran verschmelzen.
3. Die Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt.
4. Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
5. Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren löst in der postsynaptischen Zelle eine Reaktion aus, beispielsweise die Öffnung von Ionenkanälen und die Entstehung eines neuen Aktionspotentials.

Die Reizweiterleitung Synapse ist somit ein komplexer Prozess, der für die Kommunikation zwischen Nervenzellen essentiell ist. Zwischen dem Eintreffen des Impulses bis zur Spannungsänderung auf der anderen Seite des synaptischen Spalts vergeht nur etwa eine tausendstel Sekunde. Damit stellt die synaptische Übertragung einen der schnellsten biologischen Vorgänge dar. Die synaptischen Vesikel sind keineswegs nur eine Art membranumhüllte „Konservendose“ zur Speicherung der Botenstoffe. In ihrer Membran befindet sich eine ganze Reihe von Proteinen, die sich seit Millionen von Jahren durch die Evolution kaum verändert haben.

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Neuronale Verrechnung und Plastizität

Die neuronale Verrechnung ist ein wichtiger Aspekt der Informationsverarbeitung im Nervensystem. Nervenzellen empfangen Signale von vielen anderen Zellen und verrechnen diese, um zu entscheiden, ob sie selbst ein Signal weiterleiten.

Neuronale Plastizität bezieht sich auf die Fähigkeit des Nervensystems, seine Struktur und Funktion als Reaktion auf Erfahrungen zu verändern. Dies kann beispielsweise durch die Bildung neuer Synapsen, die Stärkung oder Schwächung bestehender Synapsen oder die Veränderung der Anzahl von Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran geschehen. Neuronale Plastizität spielt eine wichtige Rolle beim Lernen und Gedächtnis. Von neuronaler Plastizität spricht man beim Lernprozess, wenn sich die Effizienz der Reizweiterleitung in den Synapsen verbessert. Dies geschieht durch Erhöhung der Neurotransmitter (wie Glutamat), Vermehrung der Rezeptoren an der postsynaptischen Membran und durch Bildung neuer Synapsen. Diese strukturellen Veränderungen führen zur Entstehung von neuronalen Netzen, die für das Langzeitgedächtnis wichtig sind.

Gliazellen

Neben den Nervenzellen gibt es im Nervensystem auch Gliazellen. Lange Zeit glaubte man, die ausschließliche Funktion der Gliazellen sei, die Nachbarzellen zu isolieren, stützen und zu ernähren. Es gibt verschiedene Arten von Gliazellen, die unterschiedliche Funktionen haben:

• Astrozyten: Regulieren das chemische Milieu im extrazellulären Raum und beeinflussen die Funktionen der benachbarten Zellen. Sie bedecken mit ihren Fortsätzen die Kapillargefäße und prägen so die Blut-Hirn-Schranke.
• Oligodendrozyten (im zentralen Nervensystem) und Schwann-Zellen (im peripheren Nervensystem): Bilden die Myelinscheiden um die Axone und beschleunigen so die Reizweiterleitung.

Die Blut-Hirn-Schranke

Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) ist eine physiologische Barriere zwischen dem Blutkreislauf und dem Zentralnervensystem. Sie schützt das Gehirn vor Krankheitserregern und Giftstoffen, erschwert aber auch den Transfer von Neurotransmittern und Wirkstoffen, die zur Behandlung neurobiologischer Erkrankungen eingesetzt werden. Für die BHS sind vor allem die Endothelzellen der Kapillaren und die Astrozyten wichtig.

Neurotransmitter und ihre Rolle bei Depressionen

Es gibt viele verschiedene Botenstoffe (Neurotransmitter), die Hirnfunktionen beeinflussen. Einer davon, der mit Depression in Verbindung gebracht wird, ist das Serotonin. Die meisten Antidepressiva beeinflussen die Wirkung des Serotonins, was zu der Annahme führt, dass eine Störung im Serotoninsystem eine Rolle bei der Depressionsentstehung spielt. Es gibt jedoch kein einzelnes "Depressionsgen", das hauptverantwortlich für die Erkrankung ist. Bei eineiigen Zwillingen leiden in etwa 50 % der Fälle beide an einer depressiven Erkrankung, was darauf hindeutet, dass auch andere Faktoren eine Rolle spielen.

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