Die tierische Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die grundlegende Baueinheit des Nervensystems. Ihre hochspezialisierte Struktur ermöglicht die effiziente Informationsübertragung im Körper. Dieser Artikel beleuchtet den Aufbau und die Funktion von Nervenzellen sowie ihre Bedeutung in der Neurobiologie und medizinischen Forschung.
Einführung in die Nervenzelle
Die Nervenzelle ist ein faszinierendes Beispiel für die Anpassungsfähigkeit tierischer Zellen. Sie ist spezialisiert auf die Aufnahme, Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen in Form elektrischer und chemischer Signale. Diese Fähigkeit ist entscheidend für die Steuerung von Körperfunktionen, die Wahrnehmung von Reizen und die Ermöglichung komplexer Verhaltensweisen.
Aufbau der Nervenzelle
Eine typische Nervenzelle besteht aus mehreren Hauptkomponenten:
Zellkörper (Soma): Der Zellkörper enthält den Zellkern und die wichtigsten Zellorganellen. Der Zellkern steuert die Proteinbiosynthese und speichert die genetische Information. Das Soma ist von dem rauen ER umgeben und enthält sehr viele Mitochondrien, dem Golgi-Apparat und alle anderen wichtigen Bestandteile einer jeden Zelle. Die vielen Mitochondrien sind für die Energieversorgung der Nervenzelle zuständig. Raues ER und Golgi-Apparat sind ebenfalls sehr ausgeprägt, was auf eine sehr intensive Proteinbiosynthese deutet.
Dendriten: Dies sind stark verzweigte Ausläufer des Somas, die für die Informationsaufnahme zuständig sind. Die Dendriten sind die feinen baumartigen Verästelungen, die teils direkt vom Soma ausgehen (basale Dendriten), teils aus anderen Dendriten weiter entfernt vom Soma abzweigen (apikale Dendriten). Die Dendriten bilden Synapsen mit anderen vorgeschalteten Zellen aus, entweder mit Nervenzellen oder mit Sinneszellen. Eine einzelne Nervenzelle kann über ihre Dendriten mit über 1.000 anderen Nervenzellen verbunden sein und Informationen von diesen Zellen empfangen und verarbeiten.
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Axonhügel: Der Axonhügel ist das Übergangsstück zwischen dem Soma und dem Axon und spielt eine wichtige Rolle bei der Informationsverarbeitung der Nervenzelle.
Axon: Ein langer, oft verzweigter Fortsatz, der die Informationen vom Zellkörper wegtransportiert. Das Axon einer Nervenzelle kann bis zu 1 m lang sein. Oft sind die Axone von einer isolierenden Hülle umgeben, der Myelinscheide. Am Ende eines Axons bzw. Die Aufgabe des langen Axons ist die Informationsweiterleitung.
Myelinscheide: Eine isolierende Schicht um das Axon, die die Geschwindigkeit der Reizweiterleitung erhöht. Die Myelinscheide ist nicht nur ein mechanischer Schutz für das Axon sowie eine elektrische Isolierung, sondern hat vielfältigere Aufgaben. Nervenzellen, deren Axon von einer solchen Myelinscheide umgeben ist, werden auch als markhaltige Nervenzellen oder markhaltige Nervenfasern bezeichnet.
Ranviersche Schnürringe: Unterbrechungen in der Myelinscheide, an denen das Axon freiliegt und Aktionspotentiale generiert werden können.
Synaptische Endknöpfchen: Die Enden des Axons, die Synapsen mit anderen Nervenzellen, Muskelzellen oder Drüsenzellen bilden.
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Funktion der Nervenzelle
Die Hauptfunktion der Nervenzelle besteht in der Erzeugung und Weiterleitung elektrischer Signale, sogenannter Aktionspotentiale. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte:
Ruhepotential: Im Ruhezustand weist die Nervenzelle ein negatives Membranpotential von etwa -75 mV auf. Dies wird durch unterschiedliche Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle aufrechterhalten. Die im Inneren der Zelle befindlichen negativ geladenen organischen Stoffe können die Membran des Axons nicht passieren, während die positiv geladene Kaliumionen durchaus durch die Membran treten können. Kaliumionen sind in hoher Zahl im Zellinneren vorhanden und strömen naturgemäß vom Ort der höheren Konzentration weg. Gleichzeitig verlassen damit jedoch positive Ladungen das Zellinnere. Dadurch erhält das Zellinnere eine negative Ladung. Deshalb werden nach einer gewissen Zeit Kaliumionen wieder angezogen. Es entsteht ein Gleichgewicht zwischen den ausströmenden Kaliumionen und den vom negativen Zellinneren angezogenen. In der Summe stellt sich eine negative Spannung des Zellinneren gegenüber dem Zelläußeren - das Ruhepotenzial - ein.
Depolarisation: Bei einem Reiz öffnen sich Natriumkanäle in der Membran, und Natriumionen strömen in die Zelle ein. Dies führt zu einer positiven Veränderung des Membranpotentials. Bei einem Reiz wird die Ionenverteilung im Axon aktiv verändert. Beginnend am Zellkörper werden zuerst die Natriumkanäle in der Membran geöffnet und Natriumionen strömen ein, wodurch die Ladung im Inneren positiv wird.
Aktionspotential: Wenn die Depolarisation einen Schwellenwert erreicht, wird ein Aktionspotential ausgelöst. Dies ist eine kurzzeitige, aber starke Veränderung des Membranpotentials.
Repolarisation: Nach dem Aktionspotential schließen sich die Natriumkanäle, und Kaliumkanäle öffnen sich. Kaliumionen strömen aus der Zelle, wodurch das Membranpotential wieder in den negativen Bereich zurückkehrt. Kurz darauf öffnen sich Kaliumkanäle und Kaliumionen strömen aus. Anschließend wird das Ruhepotenzial wieder hergestellt.
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Weiterleitung: Das Aktionspotential wird entlang des Axons weitergeleitet. Bei myelinisierten Axonen springt das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring, was die Geschwindigkeit der Reizweiterleitung erheblich erhöht. Die Fortführung des Aktionspotenzials entlang des Axons kann nur in eine Richtung erfolgen, da die zurück liegende Membran nicht erregt werden kann. Die Weiterleitung ist an Axonen mit Hüllzellen springend und schnell.
Synaptische Übertragung: Am Ende des Axons erreicht das Aktionspotential die synaptischen Endknöpfchen. Hier werden Neurotransmitter freigesetzt, die über den synaptischen Spalt zur nächsten Zelle diffundieren und dort eine Reaktion auslösen.
Die Synapse: Schaltstelle der Nervenzelle
Die Verbindungsstellen zwischen zwei Nervenzellen heißen Synapsen. Eine typische Synapse besteht aus dem synaptischen Endknöpfchen einer Nervenzelle, die an die Membran einer zweiten Nervenzelle, einer Muskelzelle oder einer Drüsenzelle angelagert ist. Zwischen der präsynaptischen Membran und der postsynaptischen Membran befindet sich der synaptische Spalt. Das synaptische Endknöpfchen ist gefüllt mit den synaptischen Vesikeln, das sind kleine membranumgebene Bläschen, die Neurotransmittern enthalten. Neurotransmitter sind chemische Substanzen, die in den synaptischen Spalt entlassen werden können und dann mit Proteinen der postsynaptischen Membran reagieren.
Vielfalt der Nervenzellen
Es gibt eine Vielzahl von Nervenzellen, die sich in ihrer Form, Größe und Funktion unterscheiden. Einige wichtige Typen sind:
Sensorische Neuronen: Diese Neuronen nehmen Reize aus der Umwelt oder dem Körperinneren auf und leiten sie an das zentrale Nervensystem weiter.
Motorische Neuronen: Diese Neuronen übertragen Signale vom zentralen Nervensystem zu Muskeln oder Drüsen und lösen so Bewegungen oder Sekretionen aus.
Interneuronen: Diese Neuronen verbinden sensorische und motorische Neuronen und sind an der Verarbeitung von Informationen im zentralen Nervensystem beteiligt.
Gliazellen: Die Helfer der Nervenzellen
Gliazellen bilden ein wichtiges Stützgewebe im Nervensystem. Neben den Nervenzellen gibt es noch andere Zelltypen im Nervensystem, die sogenannten Gliazellen. Sie übernehmen vielfältige Aufgaben, wie z.B. die Versorgung der Nervenzellen mit Nährstoffen, die Entfernung von Stoffwechselprodukten und die Bildung der Myelinscheide.
Nervensysteme im Tierreich: Ein Überblick
Die Nervensysteme von Wirbellosen und Wirbeltieren zeigen einige Gemeinsamkeiten, aber auch deutliche Unterschiede.
Nervensysteme der Wirbellosen
Ein Teil der wirbellosen Tiere (z.B. Nesseltiere, wie Quallen) besitzt ein sog. Nervennetz. Die Neurone sind gleichmäßig im gesamten Körper verteilt. Sie verlaufen kreuz und quer und bilden eine Art Netz. An Schnittpunkten bestehen synaptische Kontakte. Die Informationsleitung findet an diesen Synapsen solcher Nervennetze in beide Richtungen statt. Dadurch bedingt kann sich in so einem Netzwerk von jedem beliebigen Punkt aus Erregung gleichmäßig in alle Richtungen ausbreiten (Beispiel: Wird ein Süßwasserpolyp an einer beliebigen Körperstelle durch Licht, Wasserbewegung, Berührung etc. gereizt, so wird die Information im gesamten Nervennetz weitergeleitet und löst eine Antwortreaktion des gesamten Körpers aus.). Eine zentrale neuronale Verarbeitungsstelle existiert in diesem Nervennetz nicht, weshalb nur eine geringe oder keine zentrale Steuerung des Organismus möglich ist.
Arthropoden oder Gliederfüßer (z.B. Insekten, Krebse, Spinnentiere), aber auch Ringelwürmern u.a. besitzen ein Strickleiternervensystem. Es besteht aus mehreren Ganglien, die über zwei Nervenstränge miteinander verbunden sind. Im Kopfbereich zeigt es oft eine Verschmelzung mehrerer Ganglien, das sogenannte Kopfganglion oder Oberschlundganglion. Die Ganglien der einzelnen Segmente sind über Konnektive verbunden, sodass das Bild einer Strickleiter entsteht. Die Neuronen arbeiten zunehmend unabhängig voneinander (z.B. Regenwurm ) und es zeigt sich eine zunehmende Gehirnbildung (Cephalisation). Die Ganglien koordinieren die einzelnen Segmente.
Nervensysteme der Wirbeltiere
Bei Wirbeltieren kommt es zu einer zunehmenden Zentralisierung in Form einer Schaltzentrale: das Gehirn. Es fungiert als übergeordnetes System und Verarbeitungsstelle. Das Rückenmark arbeitet dabei als Leitbahn und enthält Reflexbögen und Verschaltungen.
Bedeutung in Forschung und Medizin
Tierische Nervenzellen spielen eine entscheidende Rolle in der biologischen und medizinischen Forschung. Sie werden verwendet, um zelluläre Prozesse, Krankheitsmechanismen, Zellalterung, Krebsentstehung und Immunantworten zu untersuchen.
Zellkulturen: Nervenzellen können in Zellkulturen gezüchtet werden, um die Auswirkungen verschiedener Substanzen und Bedingungen auf ihre Funktion zu untersuchen.
Genetik und Gentechnik: Nervenzellen werden als Werkzeuge zur Untersuchung der Funktion von Genen und zur Entwicklung von genetisch modifizierten Organismen eingesetzt.
Krankheitsforschung: Nervenzellen spielen eine wichtige Rolle im Verständnis von Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson und Multipler Sklerose.
Myelinscheide und ihre Bedeutung
Die Myelinscheide ist essentiell für die schnelle Reizweiterleitung im Nervensystem. Eine intakte Myelinscheide ist essentiell für die schnelle Reizweiterleitung. Bei Myelinscheide Krankheit wie Multiple Sklerose kommt es zu Störungen der Reizweiterleitung. Der Myelinscheide Schwannsche Zelle Unterschied liegt in ihrer Funktion: Während Schwann-Zellen die bildenden Zellen sind, ist die Myelinscheide das resultierende Produkt. Der Prozess Myelinscheide wieder aufbauen ist dabei von großer medizinischer Bedeutung.
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