Nervenzellen, auch Neurone genannt, sind die fundamentalen Bausteine des Nervensystems. Sie sind spezialisiert auf die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung elektrischer und chemischer Signale und ermöglichen so die Kommunikation zwischen verschiedenen Körperregionen und die Steuerung von Körperfunktionen. Um ihre Aufgaben optimal zu erfüllen, weisen Neurone einen charakteristischen Aufbau auf, der sich in Soma (Zellkörper), Dendriten und Axon unterteilt.
Nervenzellen als Spezialisten für die Reizweiterleitung
Nervenzellen sind die Spezialisten für die Reizweiterleitung in unserem Körper. Als kleinste funktionelle Einheiten des Nervensystems leiten sie elektrische Signale aus dem Körper ins Gehirn und umgekehrt. Sie geben Befehle des Gehirns in Form von elektrischen Impulsen an den jeweiligen Empfänger weiter. Das kann zum Beispiel ein Muskel sein, der sich daraufhin zusammenzieht und eine Bewegung auslöst.
Gliazellen sind selbst nicht direkt an der Reizweiterleitung beteiligt, erfüllen aber dennoch äußerst wichtige Funktionen im menschlichen Nervensystem. Als Stützzellen schützen sie die Neurone, indem sie sie elektrisch abschirmen (was für eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist) oder eingedrungenen Stoffen im Blut (zum Beispiel Medikamenten) den Zugang zum Gehirn versperren. Zudem sind die Gliazellen für die Versorgung der Neurone mit Nährstoffen zuständig. Sie steuern auch den Fluss der zerebrospinalen Flüssigkeit (auch Liquor oder Nervenwasser genannt), die Gehirn und Rückenmark bei Erschütterungen abfedert.
Die Steuerung der Reizübertragung bedarf einer exakten Kontrolle und Koordination - übernommen von spezialisierten Nervenzellen. Diese lagern sich in den zwei Schaltzentralen des Körpers zusammen: Gehirn und Rückenmark. Ausgeklügelte Schutzmechanismen wie der Schädel und die Wirbelsäule sollen Neurone vor gefährlichen, äußeren Einflüssen (zum Beispiel Verletzungen durch einen Unfall) schützen.
Aufbau einer Nervenzelle: Soma, Dendriten, Axon
Ein Neuron besteht aus einem Zellkörper (Soma) und Fortsätzen, den Dendriten und dem Axon.
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Soma: Das Kontrollzentrum des Neurons
Wie auch die übrigen Zellen des Körpers besteht ein Neuron aus einem Zellkern und einem Zellkörper (Soma). Der Zellkörper oder Perikaryon ist das Stoffwechselzentrum von Neuronen. Er ist üblicherweise etwa 20 Mikrometer groß. Hier werden fast alle Stoffe synthetisiert, welche die Zelle braucht, und von dort in Axone und Dendriten transportiert. Der Zellkörper, der auch Soma genannt wird, ist gefüllt mit Cytosol. Als Cytosol werden die flüssigen Bestandteile des Zytoplasmas der Zellen bezeichnet. Es besteht aus Wasser, darin gelösten Ionen, sowie kleinen und größeren wasserlöslichen Molekülen, wie etwa Proteinen. Das Cytosol wird von einem Netzwerk von fadenförmigen Proteinsträngen in unterschiedlicher Anordnung und Dicke durchzogen, darunter Mikrotubuli, Aktinfilamente und Intermediärfilamente, die zusammen das Cytoskelett bilden. Darin eingelagert finden sich die gleichen Strukturen wie in allen tierischen Zellen: die Organellen. Dazu zählt der Zellkern, der das genetische Material enthält, die DNA. Auch Mitochondrien, Ribosomen und der Golgiapparat gehören zu den Organellen.
Dendriten: Die Empfangsantennen der Nervenzelle
Dendriten sind feine, oft stark verzweigte Zellfortsätze, die vom Soma ausgehen. Sie bilden die primäre Empfangszone des Neurons und nehmen Signale von anderen Nervenzellen über Synapsen auf. Die Dendriten tragen häufig kleine Fortsätze, die als dendritische Dornen (engl. "spines") bezeichnet werden. Diese wirken wie die Antennen eines Neurons: Über Synapsen stehen sie in Kontakt mit Axonen oder Nervenzellkörpern, über welche sie hereinkommende Signale aufnehmen. Bis zu 10.000 Fortsätze dendritische Dornen kann ein einzelner Zellkörper haben.
Die Dendriten empfangen Signale von anderen Zellen und leiten sie zum Zellkörper weiter. 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.
Axon: Der "Draht" für die Signalübertragung
Das Axon, auch Neurit genannt, ist ein einzelner, langer Fortsatz, der vom Soma ausgeht und Signale an andere Nervenzellen, Muskeln oder Drüsen weiterleitet. Wie die Dendriten ist das Axon ein Fortsatz des Neurons, allerdings deutlich länger und dicker. Die längsten Axone im menschlichen Körper - die den Ischias-Nerv ausmachen - messen etwa einen Meter. Der Aufbau einer Nervenzelle des Ischias entspricht dabei genau dem der übrigen Neurone - nur eben sehr viel größer.
Der Axonhügel bildet den Übergang vom Soma zum Axon. 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. Diese Signale nennst du Aktionspotentiale. Das verhindert, dass unser Körper jedes kleinste Signal weiterleitet. 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.
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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. (außerhalb von Gehirn und Rückenmark) nennst du sie auch Schwann’sche Zellen. um die Axone. Die Umhüllung ist immer wieder durch freiliegende Axonbereiche unterbrochen. 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.
Am Ende des Axons befinden sich synaptische Endknöpfchen, die die Verbindungsstellen zu anderen Zellen bilden. Hier geschieht die Umwandlung des elektrischen Reizes in ein chemisches Signal. Ein chemischer Botenstoff (Neurotransmitter) wandert daraufhin von den Synapsen zu den Dendriten einer nachgeschalteten Nervenzelle. Diese empfangen den Reiz wiederum als elektrisches Signal. So verläuft die Übertragung als eine Art Kettenreaktion immer weiter bis zum Gehirn, welches das Signal verarbeitet.
Die Synapse: Schaltstelle der Informationsübertragung
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.
Bei vielen Krankheiten wie beispielsweise Parkinson oder Depression sind diese Schaltstellen aus dem Gleichgewicht geraten. Nervenzellen sind in der Regel nicht elektrisch leitend miteinander verbunden. Das heißt: Um eine Information von einer Zelle zur nächsten übertragen zu können, muss eine Lücke überwunden werden. Diese Lücke nennt sich synaptischer Spalt. Im Axon-Endknöpfchen befinden sich kleine Bläschen (Vesikel), die chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) enthalten. Wenn ein elektrischer Impuls im Endknöpfchen ankommt, verschmelzen die Vesikel mit der Zellmembran und die Botenstoffe werden in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Aus dem elektrischen Signal wird also ein chemisches. An der Zellmembran der Empfängerzelle sitzen spezielle Andockstellen (Rezeptormoleküle) für die Botenstoffe. Wenn ein Transmitter an ein Rezeptormolekül bindet, wird in der Empfängerzelle wieder ein elektrisches Signal ausgelöst, das sich entlang der Zelle fortpflanzen kann. So werden Nervenimpulse von Zelle zu Zelle weitergegeben.
Vielfalt der Nervenzellen: Klassifizierung nach Struktur und Funktion
Die Nervenzellen sind also für die Weiterleitung von Reizen verantwortlich. Es gibt verschiedene Arten von Nervenzellen (Neuronen), die Spezialisierungen in Form und Funktion entwickelt haben. Gewisse Gemeinsamkeiten teilen sie jedoch alle.
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Neurone werden in unterschiedliche Klassen aufgeteilt, je nach Anzahl der Fortsätze, dem Sitz im Körper oder der Funktion der Zelle. Je nach Anzahl der Fortsätze werden Neurone in unterschiedliche Typen eingeteilt. Die meisten Neurone besitzen neben dem Axon viele Dendriten. Diese werden daher als multipolar bezeichnet. Eine bipolare Nervenzelle hat ein Axon und einen Dendriten, eine unipolare Nervenzelle besitzt nur ein Axon, aber keine Dendriten.
Eine weitere Klassifizierung unterscheidet zwischen „bedornten“ oder „unbedornten“ Neuronen, wenn die Dendriten wie eine Rose kleine Dornen oder „spines“ aufweisen oder nicht. An diesen Dornen werden zumeist erregende Synapsen ausgebildet. Auch der Sitz im Körper und die spezifische Funktion einer Zelle können ausschlaggebend für ihre Bezeichnung sein. So werden Neurone, deren Neuriten an den sensorischen Oberflächen des Körpers sitzen, also zum Beispiel im Innenohr oder in der Netzhaut des Auges, als sensorische Neurone bezeichnet. Sie liefern Informationen an das Nervensystem weiter. Motorische Neurone oder Motoneurone haben Axone, die mit Muskeln Synapsen bilden und Bewegungen auslösen. Die meisten Neurone des Nervensystems sind jedoch mit anderen Neuronen verknüpft. Sie bezeichnet man als Interneurone. Sie haben meist kurze Axone und stehen mit Nervenzellen in der nahen Umgebung in Kontakt. Neurone, die mit anderen Nervenzellen im Kontakt stehen, deren Axone aber in weit entfernte Regionen des Gehirns reichen, nennt man Projektionsneurone.
Gliazellen: Die Helfer der Nervenzellen
Im Gehirn gibt es zwei wichtige Zellpopulationen: Neurone und Gliazellen. Neuesten Schätzungen zufolge gibt es im Gehirn etwa 86 Milliarden Neurone und ebensoviele Gliazellen. Lange Zeit glaubte man, die ausschließliche Funktion der Gliazellen sei, die Nachbarzellen zu isolieren, stützen und zu ernähren.
Anfang der 80er Jahre entdeckten ein deutscher und ein amerikanischer Neurowissenschaftler parallel, dass auch die Membranen von Astrozyten, der häufigsten Gliazell-Art im Gehirn, Rezeptoren für Neurotransmitter besitzen - und somit mit anderen Zellen in Kontakt treten können. Daneben haben die Astroglia, Astrozyten oder Spinnenzellen im zentralen Nervensystem aber auch die Aufgabe, als Verkehrslotsen und Türsteher zu fungieren: Sie regulieren das chemische Milieu im extrazellulären Raum, indem sie Kalium-Ionen oder Glutamat aufnehmen können. Dadurch beeinflussen sie die Funktionen der benachbarten Zellen.
Eine ganz besondere Funktion erfüllen die Oligodendroglia (auch als Oligodendrozyten bezeichnet) im zentralen Nervensystem und die Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem. Sie bilden fettreiche Membranen aus, die sie in mehreren Schichten um ein Axon wickeln, um dieses zu isolieren. So bilden sie eine so genannte Myelinschicht (Myelin: griechisch für ‘Mark’) um die Axone. Da ein Axon in so einer Ummantelung aussieht wie ein Schwert in einer Scheide, sprechen Wissenschaftler auch von Markscheiden. Die Markscheiden beschleunigen die Weiterleitung von Nervenimpulsen entlang der Axone - dank der Myelinschicht werden sie zu regelrechten Datenautobahnen. Der Trick dabei: Die Myelinschicht wird immer wieder von kleinen Lücken durchbrochen, den Ranvier-Schnürringen. Die Weiterleitung der Reize im Axon erfolgt über elektrische Impulse. Weil aber an den Bereichen, an denen sich die Myelinschicht befindet, keine Erregung stattfinden kann, springt der elektrische Reiz sozusagen von Ranvier-Schnürring zu Ranvier-Schnürring. Die Forscher nennen das eine saltatorische Erregungsleitung.