Neuron vs. Nerv: Die Unterschiede und Funktionen im Nervensystem

Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die grundlegenden Bausteine des Nervensystems und spielen eine entscheidende Rolle bei der Reizweiterleitung im Körper. Sie ermöglichen die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Reizen aus der Umwelt und steuern somit vielfältige Körperfunktionen. Dieser Artikel beleuchtet den Aufbau und die Funktion von Nervenzellen, ihre Einteilung in verschiedene Typen und ihr Zusammenspiel im Nervensystem.

Einführung in die Nervenzelle

Nervenzellen sind hochspezialisierte Zellen, die für die Reizweiterleitung in unserem Körper verantwortlich sind. Sie bilden ein komplexes Netzwerk, das die Kommunikation zwischen verschiedenen Körperteilen ermöglicht. Wenn wir beispielsweise eine rote Ampel sehen, spielen Nervenzellen eine entscheidende Rolle dabei, dass wir stehen bleiben.

Der Aufbau einer Nervenzelle

Das Neuron lässt sich in unterschiedliche Abschnitte gliedern:

• Soma (Zellkörper): Der Zellkörper enthält den Zellkern und die Zellorganellen, die für die Funktionsfähigkeit der Zelle wichtig sind. Dazu gehören Nissl-Schollen, der Golgi-Apparat und Mitochondrien.
• Dendriten: Dies sind feine Verästelungen des Zellkörpers, die über Synapsen mit anderen Nervenzellen in Kontakt stehen. Sie empfangen Signale und leiten sie an den Zellkörper weiter.
• Axonhügel: Er bildet den Übergang vom Soma zum Axon. Hier werden elektrische Signale gesammelt und summiert, bis eine bestimmte Schwelle überschritten wird.
• Axon (Neurit): Der lange Fortsatz der Nervenzelle, der aus dem Axonhügel hervorgeht, leitet Aktionspotentiale zu Nerven- oder Muskelzellen.
• Myelinscheide: Eine Isolationsschicht, die das Axon umhüllt und die Weiterleitung elektrischer Signale beschleunigt. Im peripheren Nervensystem wird sie von Schwannschen Zellen gebildet, im zentralen Nervensystem von Oligodendrozyten.
• Ranviersche Schnürringe: Freiliegende Axonbereiche zwischen den Myelinscheiden, die eine "springende" Weiterleitung der Erregung ermöglichen.
• Synaptische Endknöpfchen: Sie bilden das Ende eines Neurons und übertragen das elektrische Signal auf die nächste Nervenzelle oder eine andere Zelle.

Die Funktion der Nervenzelle

Nervenzellen sind für die Weiterleitung von Reizen verantwortlich. Nehmen wir an, jemand tippt uns von hinten auf die Schulter:

1. Die Dendriten der Nervenzelle leiten den Reiz zum Zellkörper weiter.
2. Am Axonhügel entsteht ein Aktionspotential.
3. Das Aktionspotential wird entlang des Axons weitergeleitet.
4. An der chemischen Synapse wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt.
5. Synaptische Endknöpfchen setzen Neurotransmitter in den synaptischen Spalt frei.
6. Die Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der anderen Seite des Spalts und lösen ein elektrisches Signal in der nächsten Zelle aus.
7. Das Signal wird so über Nervenzellen bis ins Gehirn geleitet, wo es verarbeitet wird.

Einteilung der Nervenzellen

Nervenzellen können anhand verschiedener Kriterien in Gruppen eingeteilt werden:

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• Struktur: Unipolare, bipolare, multipolare und pseudounipolare Zellen.
• Funktion: Sensorische Neuronen, Motoneuronen und Interneuronen.

Strukturbezogene Einteilung

• Unipolare Nervenzellen: Diese Zellen besitzen ein Soma, ein Axon und keine Dendriten. Stellen Sie sich die Nervenzelle e) im bereitgestellten Bild um 180 Grad gedreht vor, um ein Bild einer solchen unipolaren Zelle zu erhalten.
• Bipolare Nervenzellen: Sie haben ein Soma mit zwei langen Ausläufern. Der eine Ausläufer ist das Axon, der andere Ausläufer gabelt sich in eine Reihe von verzweigten Dendriten. Sie dienen der Vermittlung bestimmter Sinne.
• Multipolare Nervenzellen: Diese Neuronen besitzen viele Dendriten und ein Axon. Multipolare Nervenzellen gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nervenzellen. Beispiele hierfür sind Pyramiden- und Purkinje-Zellen.
• Pseudounipolare Nervenzellen: Bei diesen Neuronen entspringen Dendrit und Axon aus einem gemeinsamen Fortsatz in der Nähe des Zellkörpers.

Das Nervensystem

Alle Nervenzellen zusammen bilden das Nervensystem, das das komplizierte Zusammenspiel von Organen, Muskeln und Sinneswahrnehmungen steuert. Es wird in zwei Hauptteile unterteilt:

• Zentrales Nervensystem (ZNS): Besteht aus Gehirn und Rückenmark und stellt die Kommandozentrale dar.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Besteht aus sensorischen und motorischen Nerven, die Informationen zum und vom ZNS leiten.

Das zentrale Nervensystem (ZNS)

Das ZNS, bestehend aus Gehirn und Rückenmark, ist die zentrale Steuerungseinheit des Körpers. Es interpretiert sensorische Informationen und sendet spezifische Befehlssignale aus. Sobald Sie beispielsweise ein Buch in die Hand nehmen und anfangen zu lesen, übernimmt Ihr ZNS mehrere Aufgaben. Es sendet z.B. spezifische Befehlssignale aus, die bestimmen, wie Ihre Arme das Buch halten.

Das periphere Nervensystem (PNS)

Das periphere Nervensystem (PNS) besteht aus sensorischen und motorischen Nerven. Sensorische Nerven leiten Informationen, die man durch Sehen, Hören, Schmecken, Fühlen und Tasten aufnehmen kann, zum ZNS.

Funktionelle Unterteilung des Nervensystems

Nach der Lage der Nervenbahnen im Körper unterscheidet man zwischen einem zentralen und einem peripheren Nervensystem. Das zentrale Nervensystem (ZNS) umfasst Nervenbahnen in Gehirn und Rückenmark. Es befindet sich sicher eingebettet im Schädel und dem Wirbelkanal in der Wirbelsäule. Das willkürliche Nervensystem (somatisches Nervensystem) steuert alle Vorgänge, die einem bewusst sind und die man willentlich beeinflussen kann. Dies sind zum Beispiel gezielte Bewegungen von Gesichtsmuskeln, Armen, Beinen und Rumpf. Das vegetative Nervensystem (autonomes Nervensystem) regelt die Abläufe im Körper, die man nicht mit dem Willen steuern kann. Es ist ständig aktiv und reguliert beispielsweise Atmung, Herzschlag und Stoffwechsel. Hierzu empfängt es Signale aus dem Gehirn und sendet sie an den Körper. In der Gegenrichtung überträgt das vegetative Nervensystem Meldungen des Körpers zum Gehirn, zum Beispiel wie voll die Blase ist oder wie schnell das Herz schlägt. Das vegetative Nervensystem kann sehr rasch die Funktion des Körpers an andere Bedingungen anpassen. Ist einem Menschen beispielsweise warm, erhöht das System die Durchblutung der Haut und die Schweißbildung, um den Körper abzukühlen. Sowohl das zentrale als auch das periphere Nervensystem enthalten willkürliche und unwillkürliche Anteile.

Das vegetative Nervensystem wird weiter unterteilt in:

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• sympathisches Nervensystem
• parasympathisches Nervensystem
• Eingeweide-Nervensystem (enterisches Nervensystem)

Das sympathische und parasympathische Nervensystem (Sympathikus und Parasympathikus) wirken im Körper meist als Gegenspieler: Der Sympathikus bereitet den Organismus auf körperliche und geistige Leistungen vor. Er sorgt dafür, dass das Herz schneller und kräftiger schlägt, erweitert die Atemwege, damit man besser atmen kann, und hemmt die Darmtätigkeit. Der Parasympathikus kümmert sich um die Körperfunktionen in Ruhe: Er aktiviert die Verdauung, kurbelt verschiedene Stoffwechselvorgänge an und sorgt für Entspannung.

Synaptische Übertragung: Kommunikation zwischen Nervenzellen

Nervenzellen sind miteinander durch Synapsen verbunden, an denen Signale in Form von Botenstoffen übertragen werden. Unser Nervensystem besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die untereinander vernetzt sind und dadurch zu komplexen Rechenleistungen in der Lage sind. Die Nervenzellen besitzen eine Antennenregion, die durch den Zellkörper und deren Fortsätze (Dendriten) gebildet wird. Die Signale werden dann verrechnet und durch ein „Kabel“, das Axon, in Form von elektrischen Impulsen weitergeleitet. In der Senderregion verzweigt sich das Axon und bildet Kontaktstellen aus, die Synapsen, an denen die Signale auf andere Nervenzellen übertragen werden (Abb. 1). Dort werden die aus dem Axon eintreffenden elektrischen Impulse in chemische Signale umgewandelt. Die Information fließt dabei nur in einer Richtung: Eine Zelle redet, die andere hört zu. Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Jedes Nervenende im zentralen Nervensystem enthält durchschnittlich mehrere 100 synaptische Vesikel. Dennoch gibt es hier große Unterschiede: So gibt es beispielsweise Spezialisten unter den Synapsen, die mehr als 100.000 Vesikel enthalten. Dazu zählen die Synapsen, die unsere Muskeln steuern. Wenn ein elektrisches Signal im Nervenende eintrifft, werden Calcium-Kanäle in der Plasmamembran aktiviert, durch die Calcium-Ionen vom Außenraum in das Innere der Synapse strömen. Sie treffen auf eine molekulare Maschine, die sich zwischen der Membran der Vesikel und der Plasmamembran befindet und die durch die hereinströmenden Calcium-Ionen aktiviert wird. Diese Maschine bewirkt, dass die Membran der Vesikel, die sich in der Startposition befinden, mit der Plasmamembran verschmilzt. Auf der anderen Seite des synaptischen Spaltes treffen die Botenstoffe auf Andockstellen in der Membran des Empfänger-Neurons, die die elektrischen Eigenschaften dieser Membran regulieren. Dadurch ändert sich der Membranwiderstand. Die Empfängerzelle kann die Spannungsänderung, die dadurch entsteht, in einem rasanten Tempo verarbeiten Zwischen dem Eintreffen des Impulses bis zur Spannungsänderung auf der anderen Seite des synaptischen Spalts vergeht nur etwa eine tausendstel Sekunde. Damit stellt die synaptische Übertragung einen der schnellsten biologischen Vorgänge dar. Die synaptischen Vesikel sind keineswegs nur eine Art membranumhüllte „Konservendose“ zur Speicherung der Botenstoffe. In ihrer Membran befindet sich eine ganze Reihe von Proteinen, die sich seit Millionen von Jahren durch die Evolution kaum verändert haben. Eine Gruppe dieser Proteine, die Neurotransmitter-Transporter, ist dafür verantwortlich, die Botenstoffe aus dem Zellplasma in die Vesikel hineinzupumpen und dort anzureichern. Dazu ist viel Energie erforderlich. Diese wird von einem weiteren Proteinmolekül bereitgestellt, einer Protonen-ATPase (V-ATPase), die unter Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) Protonen in die Vesikel hineinpumpt. Neben diesen für das „Auftanken“ erforderlichen Proteinen enthalten die Membranen synaptischer Vesikel weitere Komponenten, die dafür sorgen, dass die Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen können (darunter das SNARE-Protein Synaptobrevin und den Calcium-Sensor Synaptotagmin) und nach der Membranfusion wieder in das Nervenende zurücktransportiert werden. Die synaptische Vesikel werden anschließend im Nervenende über einige Zwischenschritte wieder recycelt und neu mit Botenstoffen befüllt. 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.

Stützzellen (Gliazellen)

Neben Neuronen enthält das Nervengewebe auch Stützzellen, die als Gliazellen bezeichnet werden. Sie leiten keine elektrischen Signale, unterstützen aber die Neuronen auf vielfältige Weise. Im ZNS gibt es vier Arten von Gliazellen:

• Oligodendrozyten: Produzieren und erhalten die Myelinscheide.
• Astrozyten: Versorgen Neuronen mit Nährstoffen, induzieren die Bildung von endothelialen Tight Junctions (wichtig für die Blut-Hirn-Schranke) und füllen den Extrazellularraum des ZNS aus. Sie können identifiziert werden, weil sie im Gegensatz zu anderen ausgereiften Gliazellen saures Gliafaserprotein (GFAP) exprimieren. Sie puffern extrazelluläre Ionenkonzentrationen (z.B. K+) und setzen neuroaktive Moleküle frei (z.B. Glutamat).
• Mikroglia: Immunzellen des ZNS, die bei Entzündungen aktiviert werden.
• Ependymzellen: Kleiden die Ventrikel des Gehirns und den Zentralkanal des Rückenmarks aus. Sie übernehmen dort eine epithelähnliche Funktion.

Im PNS werden die unterstützenden Zellen als periphere Neuroglia bezeichnet und umfassen Schwann-Zellen, Mantelzellen und verschiedene andere Zellen mit spezifischen Strukturen und Funktionen. Schwann-Zellen umgeben die Fortsätze von Nervenzellen und isolieren sie von benachbarten Zellen und der extrazellulären Matrix, indem sie eine lipidreiche Myelinscheide bilden, die eine schnelle Weiterleitung von Nervenimpulsen gewährleistet. Mantelzellen ähneln Schwann-Zellen, umgeben jedoch die Zellkörper der Nervenzellen.

Nervenfasern und Nerven

Ein Nerv besteht aus einer Ansammlung von Bündeln (oder Faszikeln) von Nervenfasern. Innerhalb des ZNS kann das Gehirn- und Rückenmarksgewebe je nach Gewebezusammensetzung als graue oder weiße Substanz klassifiziert werden. Die weiße Substanz besteht vor allem aus myelinisierten Nervenfasern, während die graue Substanz aus neuronalen Zellkörpern besteht.

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Erkrankungen des Nervensystems

Schäden des ZNS durch Krankheiten oder Verletzungen können zu vielfältigen Symptomen führen, abhängig vom Ort der Schädigung. Schäden im Rückenmark können z.B. zu Taubheitsgefühl und Schwäche in den Gliedmaßen oder zu Blasenstörungen führen.

Einige Beispiele für Erkrankungen des Nervensystems sind:

• Multiple Sklerose (MS): Eine chronische, entzündliche Autoimmunerkrankung, die zur Zerstörung von Oligodendrozyten und somit Demyelinisierung von Nerven im ZNS führt.
• Guillain-Barré-Syndrom (GBS): Eine Familie von immunvermittelten demyelinisierenden Polyneuropathien, bei denen das Immunsystem die Myelinscheide und Schwann-Zellen angreift.
• Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Eine neurodegenerative Erkrankung der ersten und zweiten Motoneurone.
• Parkinson-Krankheit: Eine neurologische Erkrankung, die durch den Verlust von Dopamin-produzierenden Neuronen in den Basalganglien verursacht wird.
• Tollwut (Rabies): Eine Virusinfektion, die am häufigsten durch den Biss eines infizierten Tieres auf den Menschen übertragen wird und das ZNS befällt.

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