Etwa 86 Milliarden Neuronen sind Schätzungen zufolge im menschlichen Gehirn vorhanden. Die Nervenzelle (Neuron) ist die grundlegende funktionelle Einheit des Nervensystems. Es handelt sich um eine spezialisierte Zelle, die in der Lage ist, elektrische Signale zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Neuronen sind für die Kommunikation zwischen den verschiedenen Teilen des Nervensystems verantwortlich und ermöglichen so die Koordination und Steuerung aller körperlichen und geistigen Prozesse. Die komplexen Funktionen des Nervensystems, wie Wahrnehmung, Denken, Gedächtnis, Bewegungskoordination und viele andere kognitive und motorische Prozesse, werden durch Neuronen ermöglicht. Nervenzellen sind für die Reizweiterleitung in unserem Körper verantwortlich. Wie sie aufgebaut sind und welche Funktionen die einzelnen Bausteine übernehmen, wird in diesem Artikel erläutert.
Aufbau eines Neurons
Das Neuron lässt sich in unterschiedliche Abschnitte gliedern. Das Neuron lässt sich in unterschiedliche Abschnitte gliedern:
Soma (Zellkörper): Hier befindet sich der Zellkern. Die eingehenden Signale aller Dendriten laufen hier zusammen. Das Soma enthält einen Zellkern und Mitochondrien.
Dendriten: Sind baumartige Zellfortsätze, auf denen sich in der Regel erregende/aktivierende Synapsen befinden. Dendriten sind kurze, verästelte Fortsätze, die vom Soma ausgehen. Sie dienen als Empfänger für Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren. Die Dendriten sind die verästelten Ausläufer des Somas und Kontaktstelle zu Zellen oder anderen Neuronen. Bei Ihnen kommt ein Reiz zuerst an. Ihnen kommt dann die Aufgabe zu, diese Erregungen an das Soma weiterzuleiten.
Axonhügel: Hier wird das EPSP, wenn es denn stark genug ist, in Aktionspotentiale umgewandelt oder übersetzt. Der Bereich zwischen dem Soma und dem Axon wird als Axonhügel bezeichnet. 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. Das verhindert, dass unser Körper jedes kleinste Signal weiterleitet. Am Übergang zwischen Soma und Axon befindet sich der Axonhügel. Dort werden Informationen bzw. elektrische Signale gesammelt und summiert, bis ein Schwellenwert überschritten ist, der ein sogenanntes Aktionspotential auslöst.
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Axon: Transportier das Signal in Form von Aktionspotentialen bis zur Präsynapse. Das Axon schließlich ist ein langer Fortsatz, der vom Soma ausgeht und Signale von diesem weg transportiert. Es dient gewissermaßen als Übertragungskabel für elektrische Impulse, die vom Neuron erzeugt werden und kann sich über große Entfernungen erstrecken. Das Axon ist meistens von einer Myelinscheide umgeben, die überwiegend aus Lipiden und Proteinen besteht. Sie bildet, ähnlich wie bei einem Stromkabel, eine Art Isolierschicht um das Axon und ermöglicht somit die Saltatorische Erregungsleitung. Dabei werden elektrische Signale in schnellen Sprüngen entlang des Axons weitergeleitet. Der lange Fortsatz der Nervenzelle, der aus dem Axonhügel hervorgeht, heißt Axon oder Neurit. Die Aufgabe des Axons ist die Weiterleitung der Aktionspotentiale zu Nerven- oder Muskelzellen. 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. Bei Wirbeltieren werden die Axone häufig zudem von einer speziellen Form von Gliazellen, den sogenannten schwannschen Zellen, umgeben. Diese Zellen liegen hintereinander um das jeweilige Axon, sodass es von einer lamellenartigen Hülle umgeben wird: der Markscheide, Myelinscheide oder auch schwannschen Scheide. Die Umhüllung ist immer wieder durch freiliegende Axonbereiche unterbrochen. Den nicht-umhüllten Bereich eines Axons nennst du Ranvierschen Schnürring. Den nicht-umhüllten Bereich eines Axons nennst du Ranvierschen Schnürring. Die Erregungsleitung erfolgt blitzschnell und kann eine Höchstgeschwindigkeit von bis zu etwa 150 m/s, also 540 km/h, erreichen.
Ranviersche Schnürringe: Den nicht-umhüllten Bereich eines Axons nennst du Ranvierschen Schnürring. erhöht wird. Denn die Erregung kann auch von einem Schnürring zum nächsten „springend“ weitergeleitet werden. 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).
Synaptische Endknöpfchen: Die synaptischen Endknöpfchen bilden das Ende eines Neurons. Das elektrische Signal wird hier auf die nächste Nervenzelle oder zum Beispiel auf eine Sinnes- oder Muskelzelle übertragen. Dazu wird das elektrische Signal meist in ein chemisches Signal umgewandelt. Die Verbindung am Ende einer Nervenzelle mit einer anderen Zelle nennst du Synapse. In den meisten Fällen sind das chemische Synapsen. Das Endknöpfchen setzt chemische Moleküle in den synaptischen Spalt - die Lücke zwischen den zwei Zellen - frei. Dort binden sie an Rezeptoren und geben die Erregung weiter. Am Ende der Nervenzelle befinden sich die Übergangsstellen zu weiteren Neuronen oder zu bestimmten Zielzellen. Diese Übergangsstellen nennt man Endknöpfchen oder auch Synapsen. An den Synapsen werden die Erregungen in chemische Reaktionen übertragen, die es ermöglicht, diese Erregungen weiterzugeben. Über die synaptischen Endknöpfchen werden chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, freigesetzt.
Funktion der Neuronen
Die Nervenzellen sind also für die Weiterleitung von Reizen verantwortlich. 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“. Die Dendriten der Nervenzelle leiten den Reiz zum Zellkörper weiter. Es entsteht ein elektrisches Signal in der nächsten Nervenzelle und so geschieht die Reizweiterleitung über miteinander vernetzte Nervenzellen bis in dein Gehirn. 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. 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.
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.
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Klassifikation von Nervenzellen
Du kannst die Nervenzellen anhand von verschiedenen Kriterien in Gruppen einteilen. Alle Nervenzellen zusammen bilden in deinem Körper das Nervensystem. Ein verbreiteter Irrtum ist anzunehmen, dass alle Nervenzellen die gleiche Struktur haben. Unipolare Nervenzellen haben nur einen kurzen Fortsatz (Axon) und keine Dendriten. Multipolare Nervenzellen kommen sehr häufig vor. Interneuronen haben eine Vermittlerfunktion. Die Klassifikation von Nervenzellen erfolgt auf unterschiedliche Weise, basierend auf Beobachtungen einzelner Zellen oder den ihnen zugeordneten Eigenschaften in Zellverbänden. In Bezug auf die Morphologie werden Nervenzellen in verschiedene Typen unterteilt, abhängig von ihrer äußeren Form und Struktur. Hierzu gehören zum einen unipolare Nervenzellen, die in der Lage sind, sensorische Informationen von der Peripherie zum Zentralnervensystem zu leiten. Typisch für das periphere Nervensystem sind pseudounipolare Nervenzellen, die sensorische Signale von den Rezeptoren zum Zentralnervensystem weiterleiten. Der am häufigsten vorkommende Typ von Neuronen sind jedoch multipolare Nervenzellen. Diese sind für komplexe Verarbeitungsprozesse und motorische Steuerung verantwortlich. Apolare Nervenzellen hingegen weisen weder ein Axon noch Dendriten auf. Diese sind noch nicht entwickelt und haben daher noch keine Polarität. Eine andere Möglichkeit zur Klassifikation ist die Betrachtung der Funktion der Neuronen. Motorische Nervenzellen sind für die Steuerung von Bewegungen verantwortlich, sowohl im somatomotorischen Bereich als auch im vegetativen Bereich, wo sie viszeromotorisch wirken und den sympathischen oder parasympathischen Zweig des autonomen Nervensystems regulieren.
Gliazellen
Die Nervenzellen sind aber nicht die einzigen Zellen, die man im Gehirn findet. Neben den Nervenzellen gibt es auch Gliazellen (von glia griechisch für Leim) welche viele verschiedene Funktionen übernehmen, wie Stütz- und Haltefunktion (daher der Name), sie bilden die Immunabwehr des Gehirns und formen die Bluthirnschranke, sind bei der Signalweiterleitung beteiligt und sorgen für die elektrische Isolation der Nervenzellen. Stützzellen werden als Neurogliazellen bezeichnet und befinden sich in der Nähe der Neuronen; diese Zellen leiten keine elektrischen Signale. Das ZNS besteht aus 4 Arten von Gliazellen: Oligodendrozyten, Astrozyten, Mikroglia und Ependymzellen, die jeweils eine andere Funktion haben. Im PNS werden die unterstützenden Zellen als periphere Neuroglia bezeichnet und umfassen Schwann-Zellen, Mantelzellen und verschiedene andere Zellen mit spezifischen Strukturen und Funktionen. Schwann-Zellen umgeben die Fortsätze von Nervenzellen und isolieren sie von benachbarten Zellen und der extrazellulären Matrix, indem sie eine lipidreiche Myelinscheide bilden, die eine schnelle Weiterleitung von Nervenimpulsen gewährleistet. Mantelzellen ähneln Schwann-Zellen, umgeben jedoch die Zellkörper der Nervenzellen. Im ZNS produzieren und erhalten Oligodendrozyten die Myelinscheide.
Nervensystem
Das Nervensystem wird grob eingeteilt in peripheres (am Rande befindlich oder auch außen) und zentrales Nervensystem. Das zentrale Nervensystem wird gebildet aus dem Rückenmark und dem Gehirn.
Rezeptorzellen
Nervenzellen gibt es unter anderem als Rezeptorzellen. Dann nehmen sie Signale aus der Umgebung auf. Egal um welchen Sinn es geht, von Schmecken, Richen, Sehen, Hören, Tastsinn, Schmerz, Propriozeption (Sinneszellen, die die Lage und Stellung der Körperteile an das Gehirn zurückmelden), Wärme- und Kälterezeptoren usw. Diese Rezeptorzellen geben die Signale weiter an zwei mögliche Arten von Nervenzellen. Entweder an Nervenzellen, die zwei Nervenzellen miteinander verbinden, die sich am selben Ort befinden, eine lokale Verknüpfung, dann nennt man dieses Neuron ein Interneuron oder es handelt sich um eine Nervenzelle, die zwei Nervenzellen miteinander verbindet, die an verschiedenen Orten liegen, dann nennt man so ein Neuron ein Projektionsneuron. Projektionsneurone sind also die Neurone, die die weiten Strecken in unserem Körper überbrücken, oder verschiedene Gehirnareale miteinander verbinden. Die längsten Neurone können über einen Meter lang werden.
Muskelbewegung
Wenn reagiert wird, dann geschieht das in der Regel durch irgendeine Art von Muskelbewegung (es können natürlich auch Drüsen angesteuert werden, wie die Nebennierenrinde, die das Adrenalin ausschüttet, wenn man das Gehirn erkannt hat, dass es sich in einer Gefahrensituation befindet - aber das lassen wir jetzt mal beiseite). Vom Sprechen über Augenbewegungen zu Laufen und Winken wenn immer wir uns Ausdrücken, so sind Muskeln im Spiel. Die Signale im Körper laufen immer in diese Richtung. Von der Rezeptorzelle zu den Motorneuronen. Nie anders herum. Neurone haben also eine Richtung in der sie Signale transportieren.
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Synapsen
Synapsen gibt es in zwei Arten, als elektrische und als chemische Synapse. Die meisten Neuronen sind über besondere Kontaktstellen miteinander verbunden, die man chemische Synapse nennt. Hier wird das Signal in Form von kleinen chemischen Molekülen weitergegeben, die man chemische Botenstoffe oder Neurotransmitter nennt. Daher der Name chemische Synapse. Nur soviel: Diese besondere Kontaktstelle, genannt Synapse, besteht aus drei Teilen. Von der Präsynapse werden Neurotransmitter in den synaptischen Spalt frei gesetzt und dann werden diese Neurotransmitter von Rezeptoren an der Postsynapse gebunden und sorgen so für ein Signal in der folgenden Nervenzelle. Dieses Signal ist dann ein analoges, elektrisches Signal. Da es sich in der Regel um ein erregendes Signal handelt, also um ein Signal, dass dazu führt, dass das Membranpotential sich erhöht (Wer mehr erfahren möchte über Membranpotentiale sollte sich den Beitrag zum Ruhe- und zum Aktionspotential ansehen.) nennt man dieses Signal auch ein erregendes postsynaptisches Potential oder auch ein EPSP. Das wichtige an diesen EPSPs ist, das mit Hilfe dieser Signale die eigentliche Verrechnung von Signalen in der Nervenzelle stattfindet. Auf dem Weg von ihrem Entstehungsort, der Postsynapse, zum Axonhügel, breiten sich die Signale wellenartig aus und sind daher immer in Bewegung. Von den Dendriten über das Soma bis zum Axonhügel bestimmt die Höhe des Wellenberges über die Stärke des Signals (s. Abbildung oben). Aus dem EPSP wird am Axonhügel ein Aktionspotential, wenn der Schwellenwert erreicht wird. Das Aktionspotential hat immer die gleiche Amplitude, daher spricht man hier von einem digitalen Signal. Entweder es gibt ein Aktionspotential oder es gibt keines. Ein schwaches Signal, das den Schwellenwert gerade erreicht löst ein einziges Aktionspotential aus. Ein starkes Signal, das den Schwellenwert längere Zeit überschreitet löst immer wieder ein Aktionspotential aus, bis der Schwellenwert wieder unterschritten wird. (In der Realität ist es natürlich etwas komplizierter.) Es entstehen so also mehrere Aktionspotentiale bei einem starken Signal. Daher gilt, je größer die Amplitude eines ESPS am Axonhügel ist, desto mehr Aktionspotentiale entstehen. Nach dem Axonhügel bis zur Präsynapse wird die Stärke des Signals nicht mehr in der Größe der Amplitude ausgedrückt, sondern in der Anzahl der Aktionspotentiale pro Zeit. In der Präsynapse wird dann das Signal der Aktionspotentiale in ein chemisches Signal umgewandelt, so dass ein mehrere eintreffende Aktionspotentiale mehr Neurotransmitter frei setzen, als ein einzelnes Aktionspotential. Wichtig ist, dass bei jeder Umwandlung des Signals (1. von chemisch- zu amplitudenkodiert; 2. von amplituden- zu frequenzkodiert und 3. Diese Werte sind für jedes Neuron verschieden und können sich im Laufe der Zeit für ein einzelnes Neuron, abhängig davon wie aktiv das Neuron war, ändern. Diese Änderungen nennt man Plastizität und bildet die Grundlage für Lernprozesse. Daher kommen diesen Stellen an denen Signalumwandlungen stattfinden besondere Bedeutung zu. Die Rolle von Signalübertragungsänderungen am Axonhügel sind bisher noch nicht richtig untersucht, wohingegen die Rolle der Signalübertragungsänderung an der Synapse für Lernen und Gedächtnisbildung gut belegt und untersucht ist.
Nervengewebe
Nervengewebe besteht aus 2 Haupttypen von Zellen: Neuronen und Stützzellen. Ein Neuron ist die strukturelle und funktionelle/elektrisch erregbare Einheit des Nervensystems, die elektrische Signale empfängt, verarbeitet und über ihre Zellfortsätze zu und von anderen Teilen des Nervensystems weiterleitet. Es gibt mehrere Arten von Neuronen, die aufgrund ihrer anatomischen Struktur und Funktion als sensorische Neuronen, Motoneuronen und Interneuronen klassifiziert werden können. Zu den funktionellen Komponenten eines Neurons gehören Dendriten (um Signale zu empfangen), ein Zellkörper (für den Zellstoffwechsel), ein Axon (um Impulse zu Zielzellen weiterzuleiten) und synaptische Verbindungen (spezialisierte Verbindungen zwischen Neuronen, die die Übertragung von Impulsen zwischen ihnen erleichtern; sie kommen außerdem zwischen Axonen und Effektor-/Zielzellen, wie Muskel- und Drüsenzellen, vor).
Erkrankungen des Nervensystems
- Multiple Sklerose: 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. Das klinische Erscheinungsbild ist sehr unterschiedlich, umfasst jedoch typischerweise neurologische Symptome, die das Sehvermögen, die motorischen Funktionen, die Sensorik und die autonomen Funktionen beeinflussen. Magnetresonanztomographie (MRT) des gesamten ZNS und Untersuchung des Liquors.
- 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): 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. Die Diagnose wird klinisch gestellt. Die Therapie ist supportiv und symptomatisch.
- Parkinson-Krankheit: Basalganglien (Stammganglien) des Gehirns verursacht wird. Muskelphysiologie der Skelettmuskulatur verantwortlich. Die Parkinson-Krankheit ist gekennzeichnet durch einen Ruhetremor der Gliedmaßen, insbesondere in den Händen, Starrheit/Steifigkeit in allen Muskeln (Rigor), langsame Bewegung (Bradykinesie), Unfähigkeit zur Einleitung einer Bewegung (Akinesie), Beeinträchtigung des Stehens (posturale Instabilität) Mangel an spontanen Bewegungen, kleinschrittiger Gang, undeutliche Sprache und Langsamkeit des Denkens.
- Rabiesvirus (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. Koma und Tod. Die Ribonukleinsäure - Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA im Biopsiegewebe, Serum, Liquor oder Speichel gestellt. Es gibt keine wirksame Behandlung für symptomatische Erkrankungen.