Sensorische Neuronen: Transmitterfunktion und ihre Bedeutung

Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die fundamentalen Bausteine des Nervensystems und somit für die Reizweiterleitung im Körper verantwortlich. Sie ermöglichen es uns, die Welt um uns herum wahrzunehmen, zu denken, zu fühlen und zu handeln. Dieser Artikel beleuchtet den Aufbau von Nervenzellen, ihre Funktionsweise und die spezielle Rolle der sensorischen Neuronen bei der Reizaufnahme und -weiterleitung.

Einführung in die Nervenzelle

Warum bleiben wir stehen, wenn wir eine rote Ampel sehen? Die Antwort liegt in der komplexen Funktion unserer Nervenzellen. Wenn wir etwas sehen oder berühren, erfährt unser Körper einen Reiz. Nervenzellen sind hochspezialisierte Zellen, die für die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung aller Reize aus der Umwelt verantwortlich sind. Sie sind miteinander zu einem riesigen Netzwerk verschaltet.

Aufbau einer Nervenzelle

Ein Neuron besteht aus verschiedenen Abschnitten, die jeweils spezifische Aufgaben erfüllen:

• Zellkörper (Soma): Umfasst den Zellkern und das Perikaryon, die für den Zellstoffwechsel, die Produktion von Proteinen und die Abwehr von Krankheitserregern zuständig sind.
• Dendriten: Feine, verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen und zum Zellkörper weiterleiten. Sie sind die Signalempfänger der Nervenzellen. Bei einer chemischen Kommunikation der Nervenzellen sind die Dendriten nicht direkt mit den Nachbarzellen verbunden, sondern es besteht ein kleiner, flüssigkeitsgefüllter Spalt zwischen den Zellen, der Synaptische Spalt. Die vorangegangene Nervenzelle gibt Neurotransmitter in diesen Spalt ab, damit sie an die Dendriten der nachfolgenden Zelle binden und so das Signal übertragen. Demgegenüber besteht bei elektrischer Kommunikation der Nervenzellen ein direkter Kontakt der Dendriten mit den benachbarten Zellen.
• Axonhügel: Der Übergang vom Soma zum Axon. Hier werden elektrische Signale gesammelt und summiert, bis eine bestimmte Schwelle (Schwellenpotential) überschritten wird. Erst dann wird ein Signal als Aktionspotential an das Axon weitergeleitet. Der Axonhügel beschreibt den Bereich am Übergang vom Zellkörper der Nervenzelle zum Axon, mit dem die Nervenzelle ihre Information an die nachfolgenden Strukturen weitergibt. Im Axonhügel entscheidet sich, ob ein Reiz stark genug ist, um fortgeleitet zu werden, oder ob es sich lediglich um einen Störimpuls handelt, der nicht weiter zu bearbeiten ist.
• Axon (Neurit): Ein langer Fortsatz, der aus dem Axonhügel hervorgeht und Aktionspotentiale zu anderen Nerven-, Sinnes- oder Muskelzellen leitet. Das Axon enthält ein Proteingerüst, die Mikrotubuli. Gebunden an Transportproteine wandern die im Zellkörper gebildeten Transmitter entlang der Mikrotubuli ans Ende des Axons, wo sie auf ihre Ausschüttung warten.
• Myelinscheide: Eine isolierende Schicht aus Stütz- oder Hüllzellen (Schwann'sche Zellen im peripheren Nervensystem, Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem), die das Axon umhüllt und die Geschwindigkeit der Erregungsleitung erhöht. Viele Axone sind von einer Myelinscheide, einer Markscheide aus isolierenden Zellen, eingehüllt.
• Ranviersche Schnürringe: Nicht-umhüllte Bereiche des Axons zwischen den Myelinscheiden, die eine schnelle, "springende" Weiterleitung der Erregung ermöglichen (saltatorische Erregungsleitung). In regelmäßigen Abständen finden sich zwischen diesen Zellen kurze Unterbrechungen der Markscheide, die sogenannten „Ranvierschen Schnürringe“. An diesen Stellen liegt das Axon frei, es ist nicht-myelinisiert. Kommt es am Axonhügel zur Auslösung einer elektrischen Erregung, einem Aktionspotenzial, so „springt“ das Signal von einem Schnürring zum nächsten und lässt dabei die myelinisierten Teile des Axons aus. Damit erreicht es das Ende des Axons sehr schnell. Das ist vor allem bei den langen Nervenfasern zwischen Rückenmark und unterer Extremität sehr wichtig.
• Synaptische Endknöpfchen: Das Ende des Axons, wo das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt und an die nächste Zelle übertragen 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 Reizweiterleitung im Detail

Die Reizweiterleitung im Nervensystem ist ein komplexer Vorgang, bei dem elektrische und chemische Potentiale eine entscheidende Rolle spielen.

1. Reizaufnahme: Die Reizaufnahme im Nervensystem geschieht über die Dendriten, dünne Fortsätze der Neuronen. Ein Reiz kann unterschiedlicher Natur sein, z. B. eine Temperaturveränderung, ein visueller Reiz oder Schmerz.
2. Aktionspotential: Der Axonhügel sammelt die bei den Dendriten eingehenden elektrischen Potentiale. Nur wenn eine bestimmte Potenzialschwelle überschritten wird, gibt der Axonhügel das elektrische Potential an das Axon weiter. Dies ist eine Art Schutzmaßnahme des Nervensystems, um eine Reizüberflutung, die nicht verarbeitet werden kann, zu verhindern.
3. Erregungsleitung: Die Erregung kann auch von einem Schnürring zum nächsten „springend“ weitergeleitet werden.
4. Synaptische Übertragung: 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.

Neurotransmitter: Die chemischen Botenstoffe

Neurotransmitter sind chemische Moleküle, die an den Synapsen freigesetzt werden, um Signale von einer Nervenzelle zur nächsten zu übertragen. Die synaptischen Endknöpfchen setzen chemische Moleküle (Neurotransmitter) in den synaptischen Spalt - die Lücke zwischen den zwei Zellen - frei. Dort binden sie an Rezeptoren und geben die Erregung weiter. Die Moleküle binden an Rezeptoren auf der anderen Seite des Spalts. Das führt zur Entstehung eines elektrischen Signals in der nächsten Zelle.

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• Funktionsweise: Wenn ein Aktionspotential das synaptische Endknöpfchen erreicht, öffnen sich Calciumkanäle, und Calciumionen strömen in die Zelle. Dies löst die Freisetzung von Neurotransmittern aus synaptischen Vesikeln in den synaptischen Spalt aus.
• Rezeptorbindung: Die Neurotransmitter diffundieren durch den Spalt und binden an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Zelle. Diese Bindung kann entweder erregend (depolarisierend) oder hemmend (hyperpolarisierend) auf die Zielzelle wirken.
• Beispiele: Zu den wichtigsten Neurotransmittern gehören Acetylcholin, Noradrenalin, Dopamin, Serotonin, Glutamat und GABA. Jeder Neurotransmitter hat spezifische Funktionen und ist an verschiedenen Prozessen im Körper beteiligt.

Sensorische Neuronen: Die Reizdetektoren

Sensorische Nervenzellen nehmen Reize aus dem Körper oder der Umgebung auf und leiten sie zur Verarbeitung an Rückenmark und Gehirn weiter. Sensorische Nervenzellen sind klassische pseudounipolare Zellen. Ihre Zellkörper liegen im Rücken außerhalb des Rückenmarks in sogenannten Ganglien. Sie sind spezialisiert auf die Umwandlung verschiedener Reize in elektrische Signale, die dann vom Nervensystem verarbeitet werden können.

• Verschiedene Arten von Rezeptoren: Sensorische Neuronen besitzen verschiedene Arten von Rezeptoren, die auf unterschiedliche Reize reagieren, z. B. Mechanorezeptoren (Druck, Berührung), Thermorezeptoren (Temperatur), Nozizeptoren (Schmerz) und Chemorezeptoren (chemische Substanzen).
• Reizweiterleitung: Die von den Rezeptoren aufgenommenen Reize werden in elektrische Signale umgewandelt und über das Axon zum Gehirn oder Rückenmark geleitet, wo sie verarbeitet und interpretiert werden.

Klassifizierung von Nervenzellen

Nervenzellen können anhand verschiedener Kriterien in Gruppen eingeteilt werden:

• Funktion:
  • Sensorische Neuronen: Leiten Informationen von den Sinnesorganen zum Gehirn.
  • Motorische Neuronen: Übertragen Informationen vom Gehirn zu den Muskeln und Drüsen.
  • Interneuronen: Vermitteln zwischen sensorischen und motorischen Neuronen und verarbeiten Informationen im Gehirn und Rückenmark.
• Struktur:
  • Unipolare Nervenzellen: Besitzen einen einzigen Zellfortsatz, der sich in einen empfangenden und einen aussendenden Anteil aufspaltet.
  • Bipolare Nervenzellen: Besitzen zwei Fortsätze, einen dendritischen und einen axonalen.
  • Multipolare Nervenzellen: Besitzen viele Dendriten und ein Axon.
  • Pseudounipolare Nervenzellen: Besitzen einen einzelnen Fortsatz, der sich in einen dendritischen Empfänger und ein ableitendes Axon teilt.

Erkrankungen des Nervensystems

Erkrankungen der Myelinscheide: Wird die Myelinscheide der Nervenzelle beschädigt, so können Informationen nicht mehr mit der gewohnten Geschwindigkeit innerhalb des Nervensystems übermittelt werden. Zudem kann es zu Fehlreizen durch Kontakte mit benachbarten Zellen kommen, da die schützende Isolierung des Axons wegfällt. Krankheiten, bei denen die Nervenzellscheiden zerstört werden, sind unter anderem Multiple Sklerose (MS), die das Zentrale Nervensystem betrifft, sowie das Guillain-Barré-Syndrom (GBS), bei dem die Schwann-Zellen im Peripheren Nervensystem abgebaut werden.

Krankheitserreger im Nervensystem: Manche Krankheitserreger nutzen den axonalen Transport, um sich entlang der Nervenzelle vom Ort ihres Eindringens in den Körper bis zum Gehirn fortzubewegen. Beispiele hierfür sind die Verursacher des Wundstarrkrampfes (Tetanus-Bakterien), die Auslöser der Tollwut (Rabies-Viren) und die Windpockenviren (Varizella Zoster). Beispielsweise unterdrückt Tetanustoxin die Freisetzung hemmender Botenstoffe, während aktivierende Transmitter ungehindert auf nachfolgende Muskelzellen wirken können. Bei der Injektion von Botulinomtoxin (Botox), führt wiederum die Unterdrückung des Neurotransmitters Acetylcholin zum gewünschten Effekt.

Neurotransmitter und Neuropsychologie

Neurotransmitter haben auch auf neuropsychologischer Ebene eine große Bedeutung. Bei Senioren, Demenzkrankheiten und psychischen Störungen wie Depressionen werden bewusst Therapiemaßnahmen angewandt, mit denen speziell die Neurotransmitter angeregt werden. Gezieltes Gedächtnistraining, Übungen für das logische Denken, die räumliche Wahrnehmung und das allgemeine Sprachverständnis sind ein effektives Training, auch weil das Belohnungspotential der Patienten relativ hoch ist und ein Erfolgserlebnis schnell erzielt werden kann. Dadurch gewinnt der Teilnehmer Selbstvertrauen dazu, das innere Wohlbefinden steigt - womit der biochemische Haushalt in unserem Körper im Einklang ist und der Transport von Informationen durch Neurotransmitter störungsfrei vonstatten gehen kann.

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Neurotransmitter-Systeme

Nervenzellen sind meist auf einen bzw. ganz wenige Neurontransmitter spezialisiert. Infolge dessen, werden jedem Botenstoff spezielle Neuronennetzwerke zugeschrieben. Am bekanntesten sind die Neurontransmitter Systeme wie das cholinerge System, das mit dem Transmitter Acetylcholin arbeitet, das serotonerge System mit Serotonin verbunden und das dopaminerge System welches mit dem Neurontransmitter Dopamin arbeitet. Gemeinsam haben diese drei Netzwerke die Eigenschaft, dass sie kleine Ursprungsgebiete besitzen, also nur von ganz bestimmten Neuronengruppen produziert werden. Ihr Einfluss jedoch geht über einhunderttausend Synapsen pro beteiligtem Neuron und reicht in sehr unterschiedliche Stellen im Gehirn hinein. Wissen muss man, dass Acetylcholin, Dopamin und Serotonin verglichen mit Glutamat langsamer arbeiten und länger in ihrer Wirkung anhalten. Das kommt von der Tatsache, dass sie diffus in einem größeren Gebiet und nicht nur in einer einzelnen Synapse ausgeschüttet werden. Sie sind für die Regulierung umfassender Zustände wie Schlaf oder die Gemütsverfassung zuständig.

Acetylcholin

Acetylcholin wurde als erster Neurotransmitter entdeckt. Dieser Botenstoff ist für das vegetative Nervensystem eine Schnittstelle zwischen den motorischen Nerven und der Skelettmuskulatur. Im Gehirn sind ebenfalls cholinerge Neuronen zu finden. Sie können in zwei diffuse Modulationssysteme gegliedert werden. Das eine System verbindet von der Basis des Großhirns aus den Hippocampus, Riechkolben und Neocortex. Diese Zellen spielen beim Ausbruch der Alzheimer Krankheit eine große Rolle. Sie sind die ersten, die bei der Alzheimer-Krankheit absterben. Das zweite System besteht aus Zellen, die im Pons und im Tegmentum vom liegen Mittelhirns. Es wirkt in erster Reihe in den Thalamus hinein, aber auch in hohem Maße ins Großhirn. Beteiligt daran sind die cholinergen Neuronen. Sie verantwortlich für die Steuerung von Aufmerksamkeit und Erregbarkeit des Gehirns im Laufe des Schlaf- und Wachrhythmuses. Darüber hinaus spielt es beim Lernen eine entscheidende Rolle.

Serotonin

Serotonin ist ein sehr vielseitiger Neurotransmitter. Auch außerhalb des zentralen Nervensystems kann man es in weiten Teilen finden. In der Schleimhaut des Magen-Darm-Trakts wurde es isoliert. Als Bestandteil des Blutserums reguliert es den Tonus in den Blutgefäßen. Als Neurotransmitter im Gehirn ist Serotonin nur in den Neuronen der Raphekerne im Hirnstamm tätig. Von dort aus innervieren sie über Axone fast alle Regionen im Gehirn und nehmen Einfluss auf das Schmerzempfinden, den Schlaf- und Wachrhythmus und den Gemütszustand. Studien zufolge ist übermäßig viel Serotonin im Gehirn vorhanden, kann es zu Unruhe und Halluzinationen führen. Ein Serotoninmangel ist die Ursache für depressive Verstimmungen, Angstzustände und Aggressionen. Es wird im Gehirn aus der Aminosäure Tryptophan erzeugt. Die Serotoninmenge im Gehirn kann über den Tryptophanspiegel beeinflusst werden, der sich über die Ernährung steuert. Kohlenhydratreiche Kost erhöht die Tryptophan-Verfügbarkeit, der Entzug von Kohlenhydraten bewirkt Schlafstörungen und Depressionen aufgrund des fehlenden Serotonins. Mit Medikamenten kann man Serotoninmangel entgegenwirken.

Dopamin

Dopamin entsteht im peripheren vegetativen Nervensystem aus der Aminosäure Tyrosin. Dopamin galt lange als chemische Vorstufe des Noradrenalins. Dopaminhaltige Zellen sind für die Steuerung willkürlicher Bewegungen wichtig. Die Parkinson-Krankheit wird durch einen Degeneration der Zellen im Mittelhirn ausgelöst. Das zweite dopaminerge System ist das mesocorticolimbische System. Es soll eine wichtige Rolle bei der Motivation Spielen und ist deshalb auch als Belohnungssystem bekannt. Die Stimulation des Belohnungssystems macht abhängig. Schizophrenie und ADHS sollen vom Dopaminspiegel abhängen.

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