Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die grundlegende funktionelle Einheit des Nervensystems. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Reizweiterleitung und Informationsverarbeitung im Körper. Um ihre vielfältigen Aufgaben zu erfüllen, sind Nervenzellen in komplexen Netzwerken miteinander verbunden. Allein im menschlichen Gehirn befinden sich schätzungsweise bis zu 100 Milliarden Nervenzellen.
Aufbau einer Nervenzelle
Eine Nervenzelle besteht aus verschiedenen Komponenten, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen:
Zellkörper (Soma): Das Soma ist das metabolische Zentrum der Nervenzelle und enthält den Zellkern sowie wichtige Zellorganellen wie Mitochondrien, die für die Energieversorgung zuständig sind. Hier laufen die eingehenden Signale aller Dendriten zusammen.
Dendriten: Dendriten sind fein verzweigte Fortsätze des Somas, die Signale von anderen Nervenzellen oder Sinneszellen empfangen und zum Zellkörper weiterleiten. Sie sind die primären Kontaktstellen für Reize und Erregungen. Die Dendriten stehen mit Sinneszellen oder anderen Nervenzellen in Kontakt und nehmen Signale aus der Umgebung auf.
Axonhügel: Der Axonhügel bezeichnet den Übergang vom Soma zum Axon. Hier werden alle Signale, die in die Nervenzelle eingehen, gesammelt und summiert. Am Axonhügel findet die finale Integration aller eingehenden Signale statt, sowohl erregende (EPSPs) als auch hemmende postsynaptische Potentiale (IPSPs). Diese Verrechnung entscheidet darüber, ob die Schwelle für ein Aktionspotential erreicht wird. Wenn die Summe der Signale einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotential ausgelöst.
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Axon: Das Axon ist ein langer, dünner Fortsatz, der vom Axonhügel ausgeht und der Weiterleitung von Signalen über weite Strecken dient. Es kann bis zu einem Meter lang werden. Bei Wirbeltieren ist das Axon häufig von einer speziellen Form von Gliazellen, den Schwann-Zellen, umgeben.
Markscheide (Myelinscheide): Die Markscheide ist eine lamellenartige Hülle, die aus Schwann-Zellen besteht und das Axon umgibt. Sie dient der Isolation des Axons und ermöglicht eine schnellere Erregungsleitung.
Ranviersche Schnürringe: An einigen Stellen ist das Axon nicht von der Markscheide bedeckt. Diese unbedeckten Bereiche werden als Ranviersche Schnürringe bezeichnet. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der saltatorischen Erregungsleitung.
Synaptische Endknöpfchen: Am Ende des Axons befinden sich die synaptischen Endknöpfchen, die Verbindungen zu anderen Nervenzellen oder Muskelzellen herstellen. Hier werden die Signale auf die folgende Zelle übertragen.
Funktion einer Nervenzelle
Die Hauptaufgabe einer Nervenzelle ist die Reizweiterleitung und Informationsverarbeitung. Nervenzellen empfangen Signale von Sinnesorganen oder anderen Nervenzellen, verarbeiten diese und leiten sie an andere Nervenzellen, Muskeln oder Drüsen weiter.
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Reizaufnahme: Die Dendriten nehmen Reize aus der Umgebung oder von anderen Nervenzellen auf. Diese Reize werden in elektrische Signale umgewandelt.
Signalintegration: Am Axonhügel werden die eingehenden Signale gesammelt und verrechnet. Wenn die Summe der erregenden Signale einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotential ausgelöst.
Erregungsleitung: Das Aktionspotential wird entlang des Axons weitergeleitet. Bei myelinisierten Axonen erfolgt die Erregungsleitung saltatorisch, d.h. das Aktionspotential springt von Schnürring zu Schnürring. Dies ermöglicht eine sehr schnelle Erregungsleitung mit einer Geschwindigkeit von bis zu 150 m/s (540 km/h).
Signalübertragung: An den synaptischen Endknöpfchen wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt und binden an Rezeptoren der nachfolgenden Zelle. Dies führt zur Auslösung eines neuen Signals in der Zielzelle.
Ruhepotential und Aktionspotential
Das Ruhepotential und das Aktionspotential sind fundamentale elektrische Zustände der Nervenzelle, die für die Signalübertragung unerlässlich sind.
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Ruhepotential
Das Ruhepotential beschreibt den elektrischen Zustand einer nicht erregten Nervenzelle. Im Ruhezustand liegt eine Spannung von etwa -70 mV zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle vor. Diese Spannung wird durch unterschiedliche Konzentrationen von Ionen (Natrium, Kalium, Chlorid) innerhalb und außerhalb der Zelle aufrechterhalten.
Die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials erfolgt durch die Natrium-Kalium-Pumpe, die unter ATP-Verbrauch drei Natriumionen nach außen und zwei Kaliumionen nach innen transportiert. Die Membran ist selektiv permeabel, wobei Kaliumionen diese leichter passieren können als Natrium- und Chloridionen.
Aktionspotential
Das Aktionspotential ist eine kurzzeitige Änderung des Membranpotentials, die auftritt, wenn die Nervenzelle erregt wird. Durch einen Reiz öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle, wodurch Natriumionen ins Axoninnere strömen. Dies führt zu einer Depolarisation der Membran.
In der Repolarisationsphase werden die Natriumkanäle inaktiviert und Kaliumkanäle geöffnet. Kaliumionen strömen aus der Zelle heraus, wodurch die Membran wieder repolarisiert wird. Nach der Repolarisation kehrt das Membranpotential wieder zum Ruhepotential zurück.
Das Aktionspotential wird entlang des Axons weitergeleitet, ohne an Stärke zu verlieren. Wenn das Aktionspotential die Synapsen erreicht, kommt es zur Ausschüttung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt.
Synaptische Übertragung
Die synaptische Übertragung ist der Prozess, bei dem ein Signal von einer Nervenzelle auf eine andere Zelle übertragen wird. Dies erfolgt über spezielle Kontaktstellen, die als Synapsen bezeichnet werden.
An der Synapse wird das elektrische Signal (Aktionspotential) in ein chemisches Signal umgewandelt. Neurotransmitter werden aus den synaptischen Endknöpfchen freigesetzt und diffundieren durch den synaptischen Spalt. Sie binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Zielzelle.
Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren führt zur Öffnung von Ionenkanälen in der postsynaptischen Membran. Dies kann entweder zu einer Depolarisation (EPSP) oder Hyperpolarisation (IPSP) der postsynaptischen Zelle führen.
EPSP (Erregendes postsynaptisches Potential)
Bei der EPSP-Bildung öffnen Neurotransmitter Natriumkanäle, was zu einem Einstrom von Natriumionen und einer Depolarisation der postsynaptischen Membran führt. Ein einzelnes EPSP ist meist zu schwach, um ein Aktionspotential auszulösen.
IPSP (Hemmendes postsynaptisches Potential)
Bei der IPSP-Bildung öffnen Neurotransmitter Chloridkanäle oder Kaliumkanäle, was zu einem Einstrom von Chloridionen oder einem Ausstrom von Kaliumionen und einer Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran führt. IPSPs verringern die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird.
Summation von Signalen
Die Nervenzelle Funktion basiert auf komplexen Mechanismen der Informationsverarbeitung, wobei die Summation von Signalen eine zentrale Rolle spielt. Die Summation von Signalen ermöglicht es der Nervenzelle, die Vielzahl von eingehenden Signalen zu integrieren und eine entsprechende Antwort zu generieren.
Es gibt zwei Arten der Summation:
Zeitliche Summation: Bei der zeitlichen Summation werden in einer Synapse mehrere EPSPs kurz nacheinander ausgelöst. Wenn die EPSPs schnell genug aufeinander folgen, können sie sich überlagern und die postsynaptische Membran stärker depolarisieren.
Räumliche Summation: Bei der räumlichen Summation werden EPSPs an verschiedenen Synapsen gleichzeitig ausgelöst. Die EPSPs breiten sich von den Synapsen zum Axonhügel aus und können sich dort addieren.
Vielfalt der Nervenzellen
Es gibt verschiedene Arten von Nervenzellen, die sich in ihrer Struktur und Funktion unterscheiden.
Unipolare Nervenzellen: Unipolare Nervenzellen haben nur einen Fortsatz (Axon) und keine Dendriten.
Multipolare Nervenzellen: Multipolare Nervenzellen haben viele Dendriten und ein Axon. Sie kommen sehr häufig vor.
Sensorische Nervenzellen: Sensorische Nervenzellen leiten Reize von den Sinnesorganen zum Gehirn.
Motorische Nervenzellen: Motorische Nervenzellen leiten Befehle vom Gehirn zu den Muskeln.
Interneuronen: Interneuronen haben eine Vermittlerfunktion und verbinden andere Nervenzellen miteinander. Sie können lokale Verknüpfungen herstellen (Interneurone) oder Nervenzellen an verschiedenen Orten miteinander verbinden (Projektionsneurone).
Gliazellen
Neben den Nervenzellen gibt es im Nervensystem auch Gliazellen. Gliazellen übernehmen vielfältige Funktionen, wie z.B. die Stütz- und Haltefunktion, die Immunabwehr des Gehirns, die Bildung der Blut-Hirn-Schranke, die Beteiligung an der Signalweiterleitung und die elektrische Isolation der Nervenzellen.
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