Sensorische Neuronen: Axonfunktion und ihre Bedeutung

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 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. 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.

Sensorische Neuronen sind spezialisierte Nervenzellen, die sensorische Informationen, wie Licht, Geräusche und Berührungen, von den Sinnesorganen an das zentrale Nervensystem leiten. Diese Nervenzellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Wahrnehmung der Umgebung und der Koordination von Reaktionen darauf. Sie sind ein zentraler Bestandteil des Nervensystems und spielen eine entscheidende Rolle in unserem täglichen Leben. Diese spezialisierten Nervenzellen sind dafür verantwortlich, sensorische Informationen aus der Umwelt zu empfangen und an das Gehirn weiterzuleiten, damit Du auf sie reagieren kannst.

Aufbau und Funktion des Axons sensorischer Neuronen

Der Aufbau einer Nervenzelle ist komplex und faszinierend zugleich. 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. 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.

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. 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.

Ein Axon ist ein dünner Fortsatz einer Nervenzelle, der dazu dient, elektrische Signale über kurze oder weite Strecken innerhalb des Nervensystems zu übertragen. Es ermöglicht die Kommunikation zwischen verschiedenen Teilen des Nervensystems oder zwischen dem Nervensystem und anderen Körperteilen.

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Das Axon leitet elektrische Impulse, auch Aktionspotentiale genannt, von der Nervenzelle weg zu anderen Nervenzellen, Muskelzellen oder Drüsenzellen weiter. Diese elektrischen Signale sind entscheidend für die Übertragung von Informationen und Anweisungen im Körper, ermöglichen Bewegungen, Empfindungen und die Regulation verschiedener Körperfunktionen. Im Axon befinden sich Mitochondrien. Diese Zellorganellen sind für die Energieversorgung der Zelle zuständig, indem sie ATP (Adenosintriphosphat) produzieren, welches für die Aufrechterhaltung der Aktionspotentiale und die Funktion der Nervenzelle essenziell ist.

Das Axon entspringt am Axonhügel, einer spezialisierten Region der Nervenzelle, die sich typischerweise am Zellkörper (Soma) nahe dem Zellkern befindet.

Myelinscheide und Ranviersche Schnürringe

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.

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. 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. 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). Den nicht-umhüllten Bereich eines Axons nennst du Ranvierschen Schnürring. Die Erregungsleitung wird dadurch erhöht wird. Denn die Erregung kann auch von einem Schnürring zum nächsten „springend“ weitergeleitet werden.

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“. 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. In seltenen Fällen (z. B.

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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. 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.

Klassifikation von Neuronen

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. Beispiele für multipolare Neuronen: Pyramiden- und Purkinje-Zellen. Pyramidenzellen in der Großhirnrinde, gefärbt mit einem monoklonalen Antikörper gegen das Neurofilament-Protein (SMI32): Die Soma (Körper) werden mit mehreren daran verbundenen Dendriten, die mit langen Axonen verbunden sind, fast dreieckig sichtbar.

Funktionsweise sensorischer Neuronen

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.2 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.

Noch ist das Nervensystem des Fußballers nicht so weit, dass es einen Stimulus an die Muskeln aussenden und er den Ball des Mitspielers annehmen kann. 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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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“.

Funktionelle Elektrostimulation (FES)

Bei der Übertragung von Informationen im Nervensystem und der Kontraktion von Muskeln spielen Aktionspotenziale eine entscheidende Rolle. Ein Aktionspotenzial entsteht, wenn eine Nervenzelle durch einen Reiz ausreichend erregt wird. Dieser Reiz kann zum Beispiel eine elektrische Spannungsänderung sein, die an der Zellmembran auftritt. Durch das Öffnen der Ionenkanäle strömen Ionen wie Natrium (Na+) in die Zelle, wodurch es zu einer vorübergehenden Depolarisation der Zellmembran kommt. Dies bedeutet, dass das Innere der Zelle kurzzeitig positiv und das Äußere negativ geladen werden. Dieser schnelle Wechsel des Membranpotenzials von einem negativen Ruhepotential zu einem positiven Wert wird als Aktionspotenzial bezeichnet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es sich bei Neuronen um Zellen handelt, die die Informationen verarbeiten und weiterleiten. Aktionspotenziale werden von den Neuronen genutzt, um diese Informationen über längere Strecken zu transportieren. Wenn sich Neuronen miteinander verbinden, können sie neuronale Schaltkreise bilden. Diese Schaltkreise ermöglichen dem Menschen, Informationen zu verarbeiten, zu speichern und abzurufen.

Die funktionelle Elektrostimulation (FES) nutzt die Aktionspotenziale im Körper, um gezielt Muskeln oder Nerven zu stimulieren. Bei der funktionellen Elektrostimulation werden externe elektrische Impulse erzeugt, um Muskeln oder Nerven zu stimulieren und Bewegungen auszulösen. Die elektrischen Impulse der funktionellen Elektrostimulation aktivieren die Muskeln, indem sie die natürlichen elektrischen Signale imitieren. Durch die gezielte Anregung der Muskeln können Bewegungen erzeugt werden, wenn die körpereigene Steuerung nicht oder nicht ausreichend funktioniert. Mehrkanalstimulatoren wie KT Motion fördern den Ausgleich fehlender Funktionen bei peripheren und zentralen Lähmungen. Bis zu vier Muskelgruppen können stimuliert und komplexe, alltagsrelevante Bewegungen gezielt ausgeführt werden. Mit KT Motion können Patienten mehrmals täglich bequem von zuhause aus verloren gegangene Bewegungen trainieren.

Axonverästelung und Signalmoleküle

Nervenzellen müssen sich verschalten, damit ein funktionstüchtiges Nervensystem entstehen kann. Sie bilden dazu Zellfortsätze (Axone) aus, die von einem Wachstumskegel an ihrer Spitze geleitet, sich ihren Weg zu anderen Nervenzellen bahnen. Um möglichst viele Zielzellen zu erreichen, verzweigen sich die Axone. Wie sie das tun, war bisher völlig unklar. Neurobiologen des Max-Delbrück-Centrums für Molekulare Medizin (MDC) Berlin-Buch, die sich mit der embryonalen Entwicklung des Nervensystems befassen, haben erstmals Licht in diesen Schlüsselprozess gebracht. Sie identifizierten zwei Signalmoleküle, die eine entscheidende Rolle bei der Axonverästelung spielen.

„Wie ein Autofahrer auf der Strasse sich nach den Verkehrszeichen richtet, orientieren sich Axone auf ihrem Weg durch das sich entwickelnde Gehirn an molekularen Signalen, um zu ihrem Ziel, sprich anderen Nervenzellen, zu gelangen“, erläutert Dr. Hannes Schmidt, einer der Autoren der Studie vom MDC. Auf der Suche nach Signalen, die eine Verästelung von Axonen bewirken, studierten die Forscher die Entwicklung sensorischer Axone im Rückenmark von Mäuseembryonen. Diese Axone leiten Sinnesreize. „Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie sich ein Axon verzweigen kann. So kann sich etwa der Wachstumskegel an der Spitze aufzweigen, oder vom Axonschaft sprossen kollaterale, seitliche Zweige aus“, erklärt Dr.

Eine entscheidende Rolle spielen dabei zwei Signalmoleküle: das Rezeptorprotein Npr21 und der molekulare Schalter cGKI2. Die Forscher vermuten daher, dass für die verschiedenen Formen der axonalen Verzweigung unterschiedliche Signalmoleküle eine Rolle spielen. Jetzt wollen die Wissenschaftler versuchen, die gesamte Signalkette der Moleküle Npr2 und cGKI in sensorischen Neuronen zu entschlüsseln.

Neuroglia: Stütz- und Isolierzellen

Nervengewebe besteht aus 2 Haupttypen von Zellen: Neuronen und Stützzellen. Stützzellen werden als Neurogliazellen bezeichnet und befinden sich in der Nähe der Neuronen; diese Zellen leiten keine elektrischen Signale. 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.

Es gibt 4 verschiedene Arten von Gliazellen im ZNS: Ependymzellen, Astrozyten, Mikrogliazellen und Oligodendrozyten, die jeweils eine andere Funktion haben.

• Ependymzellen kommen nur im ZNS und in kleinen Subarachnoidalräumen vor. Sie übernehmen dort eine epithelähnliche Funktion. Säulenförmige Ependymzellen kleiden den Zentralkanal des Rückenmarks aus.
• Astrozyten versorgen Neuronen mit Nährstoffen und induzieren die Bildung von endothelialen Tight Junctions, die eine wichtige Rolle für Blut-Hirn-Schranke spielen. Sie füllen auch den Extrazellularraum des ZNS aus, puffern extrazelluläre Ionenkonzentrationen (z.B. Freisetzung neuroaktiver Moleküle (z.B. Astrozyten können identifiziert werden, weil sie im Gegensatz zu anderen ausgereiften Gliazellen saures Gliafaserprotein (GFAP) exprimieren.
• Mantelzellen bedecken die Somata von Neuronen im PNS.

Erkrankungen und Schädigungen des Axons

Wenn es zum Beispiel im Rahmen eines Unfalls zu einer Durchtrennung eines Axons kommt, degenerieren Teile der betroffenen Neurone. Dies führt anschließend zu Problemen bei der Signalweiterleitung.

• 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.
• 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.
• 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.

Sensorische Neuronen in Robotik und Technologie

Sensorische Neuronen spielen nicht nur im biologischen Bereich eine wichtige Rolle, sondern auch in den Ingenieurwissenschaften. Ihre Konzepte und Funktionen dienen häufig als Quelle der Inspiration für Technologien und Systeme, die in der Technik zum Einsatz kommen. In der Robotik wird das Konzept der sensorischen Neuronen verwendet, um autonome Systeme zu entwickeln, die auf Umgebungsreize reagieren können. Diese Systeme nutzen Sensoren, die ähnlich wie sensorische Neuronen funktionieren, um eine Umgebung wahrzunehmen und darauf zu reagieren.

Ein interessanter Aspekt ist der Einsatz von künstlichen neuronalen Netzwerken (KNN) in der Robotik, die auf dem biologischen Neuronenmodell basieren. KNNs nutzen die Prinzipien der sensorischen Neuronen, um maschinelles Lernen zu ermöglichen. Ein KNN besteht aus einer Schicht von Neuronen, die Informationen analog zu biologischen Neuronen verarbeiten. Bei entsprechender Ausbildung können KNNs Muster erkennen und Entscheidungen treffen, ähnlich wie das menschliche Gehirn.

Ein praktisches Beispiel sind smarte Prothesen. Diese integrieren Sensoren, welche die Funktionen von sensorischen Neuronen nachahmen. Dadurch können die Prothesen, ähnlich einem natürlichen Körperglied, Informationen über Druck, Temperatur und Position weitergeben, was die Bewegungssteuerung erleichtert.

Auch bei der Datenverarbeitung und Analyse sind sensorische Neuronen leitend. Ingenieure nutzen ihre Prinzipien, um Datenströmungsmodelle zu entwickeln, die effizient und präzise Informationen verarbeiten. Dies ist besonders nützlich in Bereichen wie: Bildgebungsanalyse und Signalverarbeitung.

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