Nervenzellen einfach erklärt: Aufbau, Funktion & Typen verständlich erklärt!

Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die grundlegende Baueinheit unseres Nervensystems. Sie ermöglicht die blitzschnelle Kommunikation zwischen Gehirn, Organen und Geweben. Unser Nervensystem besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die untereinander vernetzt sind.

Der Aufbau einer Nervenzelle

Der Neuron Aufbau gliedert sich in mehrere wichtige Bestandteile:

Soma (Zellkörper): Das Soma enthält den Zellkern und das Perikaryon der Nervenzelle. Der Zellkern Nervenzelle Funktion umfasst die Steuerung aller Stoffwechselprozesse, des Zellwachstums und die Proteinsynthese zur Aufrechterhaltung der neuronalen Strukturen. Das Soma enthält auch Mitochondrien, die für die Energieversorgung der Zelle zuständig sind.
Dendriten: Dendriten sind die Signalempfänger der Nervenzellen, die wie kleine Antennen wirken. Sie nehmen Informationen von anderen Nervenzellen auf. 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 Axonhügel bildet den Übergang vom Soma zum Axon. 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. 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.
Axon (Neurit): Das Axon ist ein langer, unverzweigter Fortsatz, der aus dem Axonhügel hervorgeht. Die Aufgabe des Axons ist die Weiterleitung der Aktionspotentiale zu Nerven- oder Muskelzellen. 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: Viele Axone sind von einer Myelinscheide, einer Markscheide aus isolierenden Zellen, eingehüllt. Die Myelinscheide umhüllt das Axon und ermöglicht eine schnelle Signalweiterleitung. Bei Wirbeltieren werden die Axone häufig zudem von einer speziellen Form von Gliazellen, den sogenannten Schwannschen Zellen, umgeben. Diese Zellen liegen hintereinander um das jeweilige Axon, sodass es von einer lamellenartigen Hülle umgeben wird: der Markscheide, Myelinscheide oder auch Schwannschen Scheide. Im Zentralen Nervensystem, also dem Gehirn und den Hirnnerven, bilden Oligodendrozyten die Markscheide.
Ranviersche Schnürringe: 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. Denn die Erregung kann auch von einem Schnürring zum nächsten „springend“ weitergeleitet werden. Das ist vor allem bei den langen Nervenfasern zwischen Rückenmark und unterer Extremität sehr wichtig.
Synaptische Endknöpfchen: 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. Die Endknöpfchen Funktion ist besonders wichtig für die Signalübertragung zwischen Nervenzellen. 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. Die Neuronen Synapsen spielen eine zentrale Rolle bei der Reflexverarbeitung.

Die Funktion einer Nervenzelle

Nervenzellen sind für die Reizweiterleitung in unserem Körper verantwortlich. Die Nervenzelle Funktion wird maßgeblich durch die Refraktärzeit bestimmt. Diese unterteilt sich in die absolute und relative Refraktärzeit, die für die geordnete Weiterleitung von Nervenimpulsen essentiell sind.

Reizaufnahme: Ein Reflex beginnt mit der Aufnahme eines Reizes durch spezielle Rezeptoren. Die Dendriten der Nervenzelle leiten den Reiz zum Zellkörper weiter. Die Reizweiterleitung erfolgt über das afferente Nervensystem zum Zentralnervensystem (ZNS).
Signalverarbeitung: Die Erregung durch das Antippen ist stark genug, dass am Axonhügel ein Aktionspotential entsteht. Im Rückenmark wird der Reiz durch Interneuronen verarbeitet, die als Regulatoren mit erregenden und hemmenden Synapsen fungieren.
Signalweiterleitung: Das Aktionspotential wird entlang des Axons weitergeleitet. Die elektrotonische Erregungsleitung basiert auf der Entstehung eines elektromagnetischen Feldes an der erregten Membranstelle. Durch lokale Ausgleichsströme parallel zur Membran wird die Erregung weitergeleitet. Bei der Weiterleitung des Aktionspotentials vom Axonhügel zu den Endknöpfchen spielt die einsinnige Ausbreitung eine wichtige Rolle.
Signalübertragung: 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“.
Reflexe: Bei der Klassifizierung unterscheiden wir zwischen Eigenreflexen und Fremdreflexen. Beim Eigenreflex liegen Rezeptor und Erfolgsorgan nah beieinander - wie beim Kniereflex. Eigenreflexe sind monosynaptisch aufgebaut, das heißt sie nutzen nur eine Synapse zwischen zwei Neuronen. Die Reflexzeit - also die Zeit zwischen Reiz und Reaktion - unterscheidet sich deutlich: Bei Eigenreflexen beträgt sie etwa 20 Millisekunden und ist konstant. Eine wichtige Eigenschaft von Reflexen ist ihre Anpassungsfähigkeit.

Ruhepotential und Aktionspotential

Die Nervenzelle Aufbau und Funktion basiert auf dem Fluid-Mosaik-Modell der Biomembran. Diese besteht aus einer flexiblen Lipiddoppelschicht mit eingelagerten Proteinen. Die Membran fungiert als selektive Barriere und kontrolliert den Ionentransport durch spezielle Kanalproteine.

Ruhepotential: Das Ruhepotential ist die Grundlage für die Erregbarkeit der Nervenzelle beschriftet. Es entsteht durch unterschiedliche Ionenkonzentrationen zwischen Innen- und Außenraum der Zelle. Die Neuron - Aufbau und Funktion basiert auf der selektiven Permeabilität der Zellmembran für Natrium- und Kaliumionen. Im Ruhezustand sind mehr Kaliumkanäle geöffnet, was das negative Ruhepotential von -60 bis -90mV verursacht.

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Aktionspotential: Der Axonhügel Funktion ist dabei besonders wichtig, da hier Aktionspotentiale ausgelöst werden. Die Entstehung eines Aktionspotentials folgt dem "Alles-oder-Nichts-Prinzip" und durchläuft die Phasen der Depolarisation, Repolarisation und Hyperpolarisation.
- Die absolute Refraktärzeit findet während der Depolarisation und Repolarisation statt und dauert etwa 1-2 Millisekunden. In dieser Phase werden die Natriumkanäle durch kugelförmige Proteinteile im Intrazellularraum inaktiviert, wodurch keine weiteren Natriumionen einströmen können.
- Die relative Refraktärzeit schließt sich an die absolute Refraktärzeit an und dauert etwa 2 Millisekunden. In dieser Phase strömen vermehrt Kaliumionen aus dem Axon aus, was zu einer Hyperpolarisation führt. Die Membranspannung wird dabei noch negativer als das Ruhepotential biszu−90mVbis zu -90mV.

Arten von Nervenzellen

Es gibt verschiedene Arten von Nervenzellen, die sich in ihrer Struktur und Funktion unterscheiden. Du kannst die Nervenzellen anhand von verschiedenen Kriterien in Gruppen einteilen.

Sensorische Nervenzellen (afferente Neuronen): Sie nehmen Reize aus dem Körper oder der Umgebung auf und leiten sie zur Verarbeitung an Rückenmark und Gehirn weiter. Die sensorischen - oder auch afferenten (= "hinführenden") - Nervenbahnen leiten die Impulse vom Sinnesorgan zum Gehirn. Sensorische Nervenzellen sind klassische pseudounipolare Zellen. Ihre Zellkörper liegen im Rücken außerhalb des Rückenmarks in sogenannten Ganglien.
Motorische Nervenzellen (efferente Neuronen): Sie übertragen Informationen aus dem Gehirn an den Körper, um Reaktionen zu erzeugen. Trifft der motorische Reiz auf eine Muskelzelle, so kann eine aktive, bewusste Bewegung ausgelöst werden, beispielsweise das Öffnen der Augen oder das Heben des Arms. Auch unbewusste Steuerungsprozesse werden vom motorischen Nervensystem initiiert. Sie betreffen das autonome, vegetative Nervensystem, das sich in den Sympathikus und den Parasympathikus gliedert, welche die Reaktion des Körpers auf Stress und Bedrohungen sowie auf Phasen der Ruhe und Entspannung regulieren. Die motorischen - oder auch efferenten (="hinaustragenden") - Nervenbahnen leiten die Impulse von Gehirn zum ausführenden Organ. Typische multipolare Zellen sind motorische Neurone.
Interneurone (Schaltneuronen): Bei den Interneuronen handelt es sich um eine besondere Gruppe von Nervenzellen, die weder dem motorischen noch dem sensorischen System direkt zugehörig sind. Sie verschalten und verarbeiten die Informationen im Gehirn und Rückenmark und vermitteln zwischen anderen Nervenzellen. Interneurone sind beispielsweise bei komplexen Reflexen wie dem Wegziehen der Hand bei einer Verbrennung beteiligt. Derartige Bewegungen erfordern die sofortige und gleichzeitige Aktivität vieler Muskeln. Indem die Interneurone unmittelbar die entsprechende Reaktion auslösen, ohne auf eine Rückantwort des Gehirns warten zu müssen, sorgen sie für eine viel schnellere Reaktion und vermindern den Schaden für das verletzte Gewebe.

Weitere Klassifikationen:

Unipolare Nervenzellen: Sie haben nur einen kurzen Fortsatz (Axon) und keine Dendriten. Unipolare Nervenzellen besitzen einen einzigen Zellfortsatz, der sich nach Verlassen des Zellkörpers in einen empfangenden und einen aussendenden Anteil aufspaltet. Die Fasern innerhalb des Fortsatzes verlaufen anfänglich verflochten, sie sind lediglich in ihrer Funktion getrennt.
Bipolare Nervenzellen: Sie besitzen zwei Fortsätze, einen dendritischen und einen axonalen.
Multipolare Nervenzellen: Sie besitzen viele Dendriten, mit denen sie die Informationen ihrer Nachbarzellen aufnehmen, und ein Axon, das die verarbeiteten Reize weitergibt.
Pseudounipolare Nervenzellen: Ähnlich wie unipolare besitzen auch pseudounipolare Nervenzellen einen einzigen Fortsatz. Allerdings ist dieser in seinem Inneren von Anfang an klar in zwei parallel verlaufende Systeme getrennt: den dendritischen Empfänger und das ableitende Axon.

Synaptische Übertragung

Nervenzellen sind miteinander durch Synapsen verbunden, an denen Signale in Form von Botenstoffen übertragen werden. Die Synapse ist nicht direkt Teil der Nervenzelle, sondern vielmehr der Überbegriff für den Ort der Kommunikation einer Nervenzelle mit ihren Nachbarn. Im Fall einer chemischen Synapse umfasst sie den letzten Abschnitt des Axons, das „synaptisches Endknöpfchen“, in dem die Neurotransmitter gelagert sind sowie den Synaptischen Spalt zwischen den Nervenzellen und die Dendriten der nachfolgenden Zelle. Bei einer elektrischen Synapse ist das Ende der Nervenzelle über Proteinverbindungen, Gap junctions, direkt mit den Nachbarn verbunden.

Die Funktionsweise der synaptischen Vesikel auf molekularer Ebene zu verstehen, ist eine aufwendige Arbeit. Wir haben dazu vor einigen Jahren ein umfassendes Inventar aller Vesikelbestandteile erstellt. Dabei mussten Probleme gelöst werden, die keineswegs so einfach waren, wie man annehmen möchte, z. B. das Auszählen der Vesikel in einer Lösung oder die quantitative Bestimmung des Gehaltes von Proteinen und Membranlipiden. Die Ergebnisse waren auch für Experten überraschend. So stellte sich heraus, dass ein biologisches Transportvesikel in seiner Struktur viel stärker durch Proteine bestimmt wird als zuvor angenommen: Wenn man von außen auf das Vesikelmodell schaut, kann man die Lipidmembran (gelb) vor lauter Proteinen kaum erkennen, und dabei sind im Modell nur ca. Diese Arbeiten bildeten die Grundlage zu weiterführenden Untersuchungen. So ist es gelungen, Vesikel, die unterschiedliche Botenstoffe transportieren, voneinander zu trennen und miteinander zu vergleichen. Anders als vorher vermutet, unterscheiden sie sich nur geringfügig in ihrer Zusammensetzung. Ein zweiter Schwerpunkt der Forschung besteht darin, die Proteinmaschine, die die Membranfusion bewerkstelligt, in ihren funktionellen Details zu verstehen. Für die Fusion selber sind SNARE-Proteine verantwortlich - kleine Proteinmoleküle, die in der Plasmamembran wie in der Vesikelmembran sitzen. Kommen die Membranen nahe aneinander, lagern sich die dieser Proteine aneinander, wobei sie sich in Richtung der Membran wie Taue miteinander verdrillen (Abb. Bei dieser Zusammenlagerung wird Energie freigesetzt, die für das Verschmelzen der Membranen benutzt wird. Um zu verstehen, wie diese Zusammenlagerung die Verschmelzung der Membranen bewirkt, wurden die SNARE-Proteine in künstliche Membranen eingebaut, an denen man die Fusion mit hochauflösenden Methoden, darunter der Kryo-Elektronenmikroskopie, untersuchen konnte. Dabei wurden erstmalig Zwischenstufen der Fusionsreaktion identifiziert. Fortschritte sind ebenfalls bei der Frage erzielt worden, wie die einströmenden Calcium-Ionen die Fusionsmaschine aktivieren. Trotz großer Fortschritte sind die komplexen molekularen Prozesse immer noch nicht vollständig verstanden: Umso erstaunlicher ist es, wie reibungslos Nervenzellen miteinander kommunizieren, wie effektiv die Fusionsmaschinerie in der Synapse funktioniert, bei jeder unserer Bewegungen, in unserem Fühlen und Denken. Deshalb forschen Wissenschaftler auf der ganzen Welt weiterhin daran, diese Prozesse noch besser zu verstehen.

Neurotransmitter und Drogen

Die Überbrückung des synaptischen Spalts übernehmen also Überträgersubstanzen: Botenstoffe, die Neurotransmitter genannt werden. Es gibt mindestens 50 verschiedene Botenstoffe, die der Erregungsleitung zwischen den Neuronen dienen. Zu den bekannten Neurotransmittern gehören zum Beispiel Noradrenalin, Acetylcholin, Dopamin und Serotonin. Der Überträgerstoff entscheidet darüber, ob die nachgeschaltete Nervenzelle, eine Drüse oder ein Muskel aktiviert oder gehemmt wird.

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Acetylcholin ist ein Neurotransmitter, der aktivierend auf die Skelettmuskulatur wirkt, Noradrenalin ein Transmitter, der je nach Zelle, an die er abgegeben wird, fördert oder hemmt. Noradrenalin wird überwiegend im Sympathikus ausgeschüttet und aktiviert die Herzmuskelzellen, während es die Muskelzellen des Darms hemmt.

Drogen sind Wirkstoffe, die den Neurotransmittern im Aufbau sehr ähnlich sind. Deshalb wirken sie auf dieselben Synapsen. Nikotin ist dem Acetylcholin verwandt und wirkt anregend. Curare, das Pfeilgift der Indios, hingegen bindet zwar auch an den Rezeptoren, die normalerweise für das Acetylcholin zur Verfügung stehen, hemmt diese jedoch. So kann keine neue Erregung durch Acetylcholin erfolgen. Opiate haben eine ähnliche Struktur wie Endorphin - ein Neurotransmitter, der Glücksgefühle im Gehirn auslöst.

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.

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