Verbindung von Nervenzellen einfach erklärt

Hunderte Milliarden von Nervenzellen ermöglichen im menschlichen Körper die Signalübertragung von den Sinnesorganen zum Gehirn und vom Gehirn zu Organen und Körperperipherie. Diese komplexen Prozesse sind die Grundlage für unser Denken, Fühlen und Handeln.

Die Grundlagen der Nervenzellen (Neuronen)

Es gibt viele unterschiedliche Arten von Nervenzellen (Neuronen), die Spezialisierungen in Form und Funktion entwickelt haben. Gewisse Gemeinsamkeiten teilen sie jedoch alle. Jedes Neuron hat einen relativ großen Zellkörper (Soma). Der Zellkörper ist das Stoffwechselzentrum der Zelle und enthält neben den Zellorganellen auch den Zellkern mit den Erbanlagen. 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.

Der deutlichste Unterschied zu anderen Zellen sind aber die langen Fortsätze, die dem Zellkörper entspringen: die Dendriten und Axone. Die kürzeren Fortsätze (Dendriten) wirken wie Antennen: Über sie empfängt der Zellkörper Signale, zum Beispiel von anderen Nervenzellen. Das Signal, das von den Dendriten über den Zellkörper und das Axon zu den Endknöpfchen einer Nervenzelle gelangt, wird in Form eines elektrischen Impulses weitergeleitet. Das Axon oder Neurit ist ein langer Fortsatz der Nervenzelle, der aus dem Axonhügel hervorgeht. Die Aufgabe des Axons ist die Weiterleitung der Aktionspotentiale zu Nerven- oder Muskelzellen. Damit die Weiterleitung der elektrischen Signale möglichst schnell und ohne Verluste funktioniert, ist das Axon isoliert. Die Umhüllung ist immer wieder durch freiliegende Axonbereiche unterbrochen, die Ranvierschen Schnürringe. 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.

Wie bei jeder lebenden Zelle ist auch bei einer Nervenzelle der Innenraum der Zelle negativer geladen als ihre Umgebung. Das Besondere an Nervenzellen ist jedoch, dass sie diesen Konzentrationsunterschied (ein elektrisches Potenzial) nutzen können, um einen elektrischen Impuls weiterzuleiten.

Signalübertragung an der Synapse

Für die Medizin ist eine bestimmte Station in der Signalweiterleitung von besonderem Interesse: der Informationsaustausch von Nervenzelle zu Nervenzelle an der sogenannten Synapse. Bei vielen Krankheiten wie beispielsweise Parkinson oder Depression sind diese Schaltstellen aus dem Gleichgewicht geraten.

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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. Die Synapse stellt den essenziellen Verbindungspunkt einer Nervenzelle dar und ermöglicht die Übertragung eines chemischen oder elektrischen Signals auf eine andere Nerven- oder Körperzelle. Es gibt verschiedene Arten von Synapsen, die generell in chemische und elektrische Synapsen eingeteilt werden können.

Chemische Synapsen: Botenstoffe im Einsatz

Bei einer chemischen Synapse findet die Übertragung durch in Vesikel verpackte chemische Stoffe, die sogenannten Neurotransmitter, statt. 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.

Die präsynaptische Membran befindet sich am Axonende eines Neurons, genauer gesagt am synaptischen Endknöpfchen. Im Endknöpfchen sind Vesikel vorhanden, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Der synaptische Spalt ist der kleine Zwischenraum zwischen den beiden kommunizierenden Neuronen. Durch diesen Spalt diffundieren die Neurotransmitter der präsynaptischen Membran und können sich an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran binden. Die postsynaptische Membran gehört zum Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle.

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.

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Die Funktionsweise der synaptischen Vesikel auf molekularer Ebene zu verstehen, ist eine aufwendige Arbeit. Die 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.

Elektrische Synapsen: Direkte Verbindungen

In einer elektrischen Synapse (auch Gap Junction genannt) wird das Aktionspotenzial direkt in elektrischer Form an die nächste Nervenzelle weitergeleitet, ohne einen Neurotransmitter als Botenstoff zu verwenden.

Der Ablauf an der Synapse im Detail

Der Auslöser für die Reaktionen der Synapse ist ein Aktionspotenzial, das vom Axon kommt und die Membran des synaptischen Endknöpfchens depolarisiert.

1. Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen (Synapse) → Spannungsänderung!
2. Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
3. Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen → Positivierung → Depolarisation der Membran!
4. Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel bewegen sich darauf hin zur Präsynapse, und verschmelzen dort mit ihr. Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
5. Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
6. Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Na+).
7. Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten.
8. Acetat und Cholin → zurück zur präsynaptischen Membran → aktiv aufgenommen.
9. Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Acetat und Cholin → Acetylcholin.

Dieses elektrische Signal hat zur Folge, dass spannungsgesteuerte Calcium-Ionenkanäle geöffnet werden und Calciumionen (Ca2+) einströmen. Das Calcium bewirkt, dass Vesikel, die mit Neurotransmitter (Acetylcholin) gefüllt sind, mit der präsynaptischen Membran verschmelzen und die Transmitter in den synaptischen Spalt ausschütten. Diese diffundieren zur postsynaptischen Membran und binden sich an spezifischen Rezeptoren von Ionenkanälen (z.B. Natriumionenkanäle). Diese Kanäle sind nicht spannungsgesteuert wie die Kanäle auf der präsynaptischen Membran oder die auf dem Axon, sondern ligandengesteuert (Neurotransmitter werden auch Liganden genannt).

Durch die geöffneten Ionenkanäle strömen nun beispielsweise Natrium-Ionen (Na+) ein und es kommt zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran. Ein Aktionspotenzial entsteht und wird weitergeleitet. Die Frequenz und Stärke des Aktionspotenzials hängt von der Konzentration des Neurotransmitters, im synaptischen Spalt, ab. Durch eine hohe Frequenz, die bei der Membran des synaptischen Endknöpfchen ankommt, wird auch eine hohe Transmitterkonzentration im synaptischen Spalt erreicht und es kommt zu einer entsprechend höheren Frequenz von Aktionspotenzialen auf der postsynaptischen Membran.

Solange Acetylcholin im synaptischen Spalt vorhanden ist, findet die Reizweitergabe statt. Das Enzym Cholinesterase baut den Neurotransmitter ab, indem es ihn in seine Bestandteile Acetat und Cholin spaltet, und stoppt so die Weitergabe der Erregung. Acetat und Cholin werden zur präsynaptischen Membran zurückgeführt, wieder im Endknöpfchen aufgenommen und durch das Enzym Cholinacetyltransferase zu Acetylcholin verbunden. Es steht für die nächste Erregungsweiterleitung zur Verfügung.

Einfluss von äußeren Faktoren und Medikamenten

Ein System, das so komplex ist wie die Vorgänge an der Synapse, ist natürlich empfindlich gegenüber Einflüssen von außen. Psychoaktive Substanzen können an unterschiedlichen Stellen des Ablaufs eingreifen. Dazu gehören diverse Rauschmittel (Kokain, Ecstasy) und Medikamente (Antidepressiva, Beruhigungsmittel), aber auch Kaffee und Zigaretten.

Manche Stoffe bewirken beispielsweise, dass die Neurotransmitter länger im synaptischen Spalt bleiben (indem ihr Abbau oder die Wiederaufnahme in die Senderzelle gehemmt werden). Das ist bei manchen Krankheiten, wie zum Beispiel bei Depressionen, erwünscht, da dort die Konzentration bestimmter Neurotransmitter zu niedrig ist.

Synapsen und Lernen: Die Grundlage unserer Anpassungsfähigkeit

Eine der vielleicht wichtigsten Funktionen der Nervenzellen für unser Selbstverständnis ist die Fähigkeit zu lernen. Auch dabei spielen die Synapsen eine entscheidende Rolle. Die Vernetzung von Nervenzellen über die Synapsen ermöglicht uns, unser Verhalten flexibel an verschiedene Situationen anzupassen.

Unser Gedächtnis wird einem bestimmten Hirnareal, dem Hippocampus, zugeschrieben. Bei Lernvorgängen kommt es hier zu funktionellen Veränderungen an bestimmten Synapsen, die dazu führen, dass die elektrischen Antworten in den Empfängerzellen stärker werden. Man kann sich das wie einen Trampelpfad durch den Wald vorstellen: Je häufiger er benutzt wird, desto leichter zugänglich wird er - man kann ihn leichter wiederfinden und sich immer besser auf ihm fortbewegen. Genauso kann er aber wieder zuwuchern, wenn er nicht gebraucht wird. Das passiert auch im Gehirn - Neues lernen lässt neue Verbindungen entstehen, werden sie nicht gebraucht, werden sie auch wieder abgebaut.

Beim Lernen wachsen auf Nervenzellen wenige tausendstel Millimeter lange Fortsätze. Um einen synaptischen Kontakt herzustellen, wachsen bei einander gegenüberliegenden Nervenzellen diese Fortsätze zu pilzartigen Strukturen. Auf der vorgeschalteten Seite des Neurons - da, wo der Reiz herkommt - bilden sich axonale Endknöpfchen. Auf der gegenüberliegenden Empfängerseite entstehen so genannte dendritische Dornen. Das Zusammenspiel beider Fortsätze ermöglicht den Informationsaustausch zwischen verschiedenen Nervenzellen. Dabei gilt die Lernregel: Neurone, die gemeinsam feuern, verdrahten sich untereinander.

Plastizität des Nervensystems: Ein Leben lang lernfähig

Das Nervensystem ist ein Wandlungskünstler. Die Plastizität beschreibt die Fähigkeit von Synapsen, Nervenzellen und ganzen Hirnarealen, sich abhängig vom Grad ihrer Nutzung zu verändern. Mit synaptischer Plastizität ist die Eigenschaft von Synapsen gemeint, ihre Erregbarkeit auf die Intensität der Reize einzustellen, die sie erreichen. Daneben unterliegen auch Größe und Vernetzungsgrad unterschiedlicher Hirnbereiche einem Wandel, der von ihrer jeweiligen Aktivität abhängt. Dieses Phänomen bezeichnen Neurowissenschaftler als corticale Plastizität.

Um neue Verdrahtungen live mitzuerleben, setzt Mark Hübener auf die Zwei-Photonen-Mikroskopie. „Sie erlaubt es, auch sehr feine Strukturen im intakten Nervensystem zu untersuchen“, sagt der Neurobiologe am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried bei München „Der Vorteil ist, dass man tiefer ins Gewebe schauen kann als mit einem normalen Mikroskop, - bis zu einem Millimeter." Denn bei der Zwei-Photonen-Mikroskopie nutzt man Licht einer langen Wellenlänge, nämlich Infrarotlicht. Es dringt leichter durch das Gewebe als kurzwelligeres Licht. Außerdem ist es sehr viel weniger schädlich für das Gewebe, anders als etwa UV-Licht. Sowohl die axonalen Endknöpfchen als auch die dendritischen Dornen sind nur zwei bis drei Tausendstel Millimeter groß.

In seinen Versuchen lässt Hübener Versuchstiere beispielsweise eine neue Fertigkeit lernen. Über Tage oder Wochen hinweg kann er dann wiederholt schauen, ob das Lernen etwa mit der Bildung von dendritischen Dornen einhergeht. „Wenn beispielsweise ein dendritischer Dorn auf der nachgeschalteten Seite der Synapse größer wird oder überhaupt sich erst ausbildet, dann wissen wir: Synaptische Verbindungen sind stärker geworden bzw. neu entstanden.“ Es hat also eine Veränderung stattgefunden, die dem Lernen zugrunde liegt. Genauso kann man mit der Zwei-Photonen-Mikroskopie auf der vorgeschalteten Seite der Synapse Veränderungen der axonalen Endknöpfchen unter die Lupe nehmen.

Lernt eine Synapse gerade, und muss dafür umgebaut werden, kommen verschiedene molekulare Prozesse zum Zuge. Bei Nervenzellen wird ein Teil der RNA, der Abschrift der DNA, nicht nur im Zellkörper, sondern auch vor Ort an den Dendriten in neue Proteine übersetzt. Zu diesem Zweck muss die Abschrift zielgerichtet zu den Synapsen transportiert werden. Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie hat Michael Kiebler vom Biomedizinischen Centrum der Ludwig-Maximilians-Universität München Zellkulturen vom Hippocampus der Ratte untersucht. Wie sich herausstellte, zirkulierte dieselbe RNA immer wieder vom Zellkörper in die Fortsätze und zurück, bis sie von einer Synapse benötigt wurde. Dabei dienen bestimmte Erkennungssequenzen in der RNA als eine Art Briefmarke für den Transport und sorgen dafür, dass die Abschrift an die richtigen Stellen der Zelle gelangt. Anschließend kann die Abschrift in Proteine für den benötigten Umbau der Synapse übersetzt werden.

Dopamin und Entscheidungsfindung

Neurone, die Dopamin produzieren, beeinflussen die sinnliche Wahrnehmung und damit Entscheidungen. Manche Aktivität von Synapsen verändert die Antwort von nachgeschalteten Neuronen nur kurzfristig und beeinflusst somit eine akut anstehende Entscheidung. Wiederkehrende Aktivitäten können zu langfristigen Veränderungen in der Kommunikation zwischen Neuronen führen. Auf diesem Weg lernen wir.

Ilona Grunwald Kadow untersucht, wie sich die Vernetzung der grauen Zellen auf unser Verhalten auswirkt. „Unsere Entscheidungen beruhen darauf, wie wir Situationen einschätzen“, sagt die Neurowissenschaftlerin der TU München. „Diese Einschätzung wird wiederum durch unsere Erfahrung bestimmt, durch unsere momentanen Bedürfnisse und dadurch, was uns gerade von der Sinneswahrnehmung dargeboten wird.“ Es macht beispielsweise einen großen Unterschied, ob ein Organismus gerade hungrig ist oder nicht. Hungrige Tiere bewerten Gerüche und Geschmack höher als sonst. Denn in solchen Fällen wird in verschiedenen Hirnregionen an den Synapsen verstärkt das „Belohnungshormon“ Dopamin ausgeschüttet. „Neurone, die Dopamin produzieren, beeinflussen die sinnliche Wahrnehmung und erlauben so, das Verhalten flexibel an aktuelle Situationen anzupassen“, sagt Grunwald Kadow.

Das Nervensystem im Überblick

Das Nervensystem umfasst alle Nervenzellen des menschlichen Körpers. Mit ihm kommuniziert er mit der Umwelt und steuert gleichzeitig vielfältige Mechanismen im Inneren. Das Nervensystem nimmt Sinnesreize auf, verarbeitet sie und löst Reaktionen wie Muskelbewegungen oder Schmerzempfindungen aus. Das Nervensystem enthält viele Milliarden Nervenzellen, sogenannte Neuronen. Allein im Gehirn sind es rund 100 Milliarden. Jede einzelne Nervenzelle besteht aus einem Körper und verschiedenen Fortsätzen. Die kürzeren Fortsätze (Dendriten) wirken wie Antennen: Über sie empfängt der Zellkörper Signale, zum Beispiel von anderen Nervenzellen.

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 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.

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