Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das die Kommunikation zwischen den verschiedenen Organen des Körpers ermöglicht. Jede Zelle und jedes Organ muss effektiv mit den anderen Teilen des Systems zusammenarbeiten, um eine reibungslose Funktion zu gewährleisten. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts gingen die meisten Physiologen davon aus, dass Nerven Muskeln und Drüsen direkt durch elektrische Impulse beeinflussen. Diese Vorstellung änderte sich jedoch grundlegend durch die bahnbrechenden Arbeiten von Forschern wie Elliott, Dale und insbesondere Otto Loewi.
Die Anfänge: Hormone und die Vermutung chemischer Übertragung
Im Jahr 1904 beobachtete Elliott, dass Hormone, also chemische Substanzen, die über das Blut transportiert werden, eine ähnliche Wirkung auf Gewebe haben können wie die Stimulation bestimmter Nerven. Er stellte fest, dass die Effekte des Hormons Adrenalin denen der Stimulation des sympathischen Nervensystems ähnelten. Daraus schloss er, dass Nervenenden des sympathischen Nervensystems möglicherweise einen Neurotransmitter (in diesem Fall Adrenalin) freisetzen, der dann die Zielorgane beeinflusst.
Einige Jahre später, im Jahr 1914, entdeckte Henry Dale Acetylcholin und erkannte, dass dessen Wirkung auf Organe der Stimulation des parasympathischen Nervensystems ähnelte. Diese Entdeckungen deuteten darauf hin, dass chemische Substanzen eine wichtige Rolle bei der Nervenübertragung spielen könnten.
Loewis berühmtes Froschherz-Experiment
Der Durchbruch gelang Otto Loewi im Jahr 1921 mit einem eleganten Experiment, das die Existenz chemischer Neurotransmission bewies. Loewi verwendete zwei Froschherzen, die er präparierte und in separate Bechergläser mit Ringerlösung legte. Eines der Herzen war noch mit dem Vagusnerv verbunden, einem Nerv, der die Herzfrequenz beeinflusst.
Loewi stimulierte den Vagusnerv des ersten Herzens elektrisch, was zu einer Verlangsamung der Herzfrequenz führte. Anschließend entnahm er die Ringerlösung, die das erste Herz umgab, und übertrug sie in das zweite Becherglas mit dem anderen Froschherz. Überraschenderweise verlangsamte sich auch die Herzfrequenz des zweiten Herzens, obwohl es keiner direkten Nervenstimulation ausgesetzt war.
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Dieses Ergebnis deutete darauf hin, dass die Stimulation des Vagusnervs im ersten Herzen die Freisetzung einer chemischen Substanz in die Ringerlösung bewirkt hatte. Diese Substanz, die Loewi zunächst als "Vagusstoff" bezeichnete, war in der Lage, die Herzfrequenz des zweiten Herzens zu beeinflussen, was den Beweis für die chemische Übertragung von Nervenimpulsen lieferte.
Die Identifizierung des Neurotransmitters
Obwohl Loewi den Beweis für die chemische Neurotransmission erbracht hatte, war die Identität des "Vagusstoffs" zunächst unbekannt. Henry Dale vermutete, dass es sich um Acetylcholin handeln könnte, aber die geringe Menge des freigesetzten Transmitters erschwerte die Analyse. Loewi fand heraus, dass die parasympathische Substanz im Blut leicht abgebaut wurde, was ihre Charakterisierung weiter erschwerte.
Ein wichtiger Schritt zur Identifizierung des Neurotransmitters war Loewis Entdeckung, dass die Zugabe von Physostigmin (einem Extrakt der Kalabarbohne) zum Blut den Abbau der parasympathischen Substanz verhinderte. Physostigmin ist heute als Cholinesterasehemmer bekannt, eine Substanz, die Enzyme daran hindert, Acetylcholin abzubauen.
Nach jahrelanger Forschung gelang es Dale im Jahr 1929, Acetylcholin aus Säugetiergewebe zu gewinnen und schliesslich zu beweisen, dass es sich bei der parasympathischen Substanz um Acetylcholin handelte.
Die Bedeutung von Loewis Entdeckung
Loewis Experiment war ein entscheidender Wendepunkt in der Neurowissenschaft. Es widerlegte die bis dahin vorherrschende Vorstellung, dass Nervenimpulse ausschließlich elektrisch übertragen werden, und etablierte das Konzept der chemischen Neurotransmission.
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Die Entdeckung der chemischen Synapse hatte weitreichende Konsequenzen für das Verständnis des Nervensystems und die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden für neurologische Erkrankungen.
Die Ausweitung des Verständnisses der Neurotransmission
In den 1930er Jahren wiesen Dale und seine Kollegen nach, dass Neurotransmission im gesamten Nervensystem stattfindet. Viele dieser Studien wurden an Katzen durchgeführt. Dale entwickelte eine neue Klassifizierung für Nervenfasern und definierte das Verständnis darüber, wie Nerven den Körper beeinflussen, neu.
Neurotransmitter und ihre vielfältigen Funktionen
Neurotransmitter sind Botenstoffe von Nervenzellen, die elektrische Signale von einem Neuron in ein chemisches Signal umwandeln und in der nächsten Zelle wieder ein elektrisches Signal auslösen können. Acetylcholin ist einer der wichtigsten Neurotransmitter und an vielen unterschiedlichen Prozessen beteiligt. Es findet sich im zentralen Nervensystem (Gehirn und Rückenmark) sowie im peripheren Nervensystem.
Zu den bekanntesten Transmittern gehören Dopamin und Serotonin, die eine erregende sowie dämpfende Wirkung haben.
- Dopamin spielt eine Schlüsselrolle bei Kognition, Motorik, Belohnungsmechanismen, Ess- und Trinkverhalten, Sexualverhalten, neuroendokriner Regulation sowie selektiver Aufmerksamkeit. Veränderungen des Dopaminlevels können zu schweren neurologischen und psychiatrischen Störungen führen, wie z.B. Parkinson-Krankheit, Sucht, Schizophrenie, bipolare Störungen, ADHS und Tourette-Syndrom.
- Serotonin hat vielfältige Wirkungen auf das Herz-Kreislauf-System, den Magen-Darm-Trakt und das Nervensystem. Es ist bekannt für seine Rolle bei der Vermittlung von Gefühlen der Zufriedenheit und des Glücks und ist an fast jeder Art von Verhalten beteiligt. Veränderungen im serotonergen System spielen bei vielen Erkrankungen eine Rolle, darunter Depressionen, Schizophrenie, Migräne, Angstzustände und Demenz.
Klinische Relevanz und therapeutische Ansätze
Das Verständnis der Neurotransmission hat die Entwicklung neuer Therapieansätze für neurologische Erkrankungen ermöglicht.
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- Alzheimer-Krankheit: Bei der Alzheimer-Krankheit liegt ein Acetylcholinmangel vor, da Acetylcholin produzierende Nervenzellen absterben.
- Morbus Parkinson: Bei Morbus Parkinson kommt es zu einem relativen Überschuss an Acetylcholin, der durch ein Ungleichgewicht zwischen den Botenstoffen Dopamin und Acetylcholin entsteht. Acetylcholin hat einen starken Einfluss auf die Motorik, was unter anderem das Muskelzittern erklären kann.
Bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen wird heute geforscht. Ein Ansatz ist die Gabe von Vorstufen der Neurotransmitter oder die Beeinflussung von Synthese und Abbau, um einen Verlust oder eine Defizienz auszugleichen. Im Falle der Parkinson-Erkrankung behandelt man beispielsweise mit Levodopa (L-Dopa), einer Vorstufe des Dopamins. Eine andere Möglichkeit sind sogenannte MAO- und COMT-Hemmer, die dafür sorgen, dass das Dopamin nicht mehr im Gehirn abgebaut wird.
Umweltfaktoren und Neurodegeneration
Da nur ein kleiner Teil der Parkinson-Erkrankungen genetisch bedingt ist, ist es wichtig, Substanzen in der Umwelt zu identifizieren, die ein neurodegeneratives Potential aufweisen. Die Forschung beschäftigt sich beispielsweise mit der Neurotoxizität durch Lebensmittel- und umweltrelevante Metallverbindungen.
Ein Beispiel ist Mangan: Eine berufliche oder ernährungsbedingte Überversorgung mit Mangan kann zu toxischen Effekten auf das Nervensystem führen, die eine Reihe von Symptomen auslösen können, wie beispielsweise Gangänderungen, Koordinationsstörungen, Halluzinationen oder mentale Reizbarkeit. Diese führen letztendlich zu einem irreversiblen Krankheitsbild, welches als Manganismus bezeichnet wird und eine ähnliche Neuropathologie wie die Parkinson`sche Krankheit aufweist.
Es ist wichtig herauszufinden, inwieweit Umweltfaktoren ein Risikofaktor für neurodegenerative Erkrankungen sind und zur Krankheitsbildung beitragen.
Otto Loewi: Ein Leben für die Forschung
Otto Loewi wurde am 3. Juni 1873 in Frankfurt am Main geboren. Er studierte Medizin in München und Straßburg und promovierte 1896 über die Arbeiten von Oswald Schmiedeberg. Nach verschiedenen Stationen in Frankfurt, Straßburg und Marburg wurde er 1905 Assistenzprofessor in Wien. 1909 erhielt er eine Professur in Graz, wo er seine bahnbrechenden Experimente zur chemischen Neurotransmission durchführte.
1936 erhielt Loewi zusammen mit Henry Dale den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für ihre Entdeckungen bei der chemischen Übertragung der Nervenimpulse.
Nach der Machtergreifung der Nationalsozialisten in Österreich wurde Loewi 1938 inhaftiert und gezwungen, das Land zu verlassen. Er emigrierte über Brüssel und Oxford in die USA, wo er 1940 eine Professur an der New York University antrat. Er starb am 25. Dezember 1961 in New York.
Loewi erhielt zahlreiche Ehrungen für seine Arbeit, darunter Ehrendoktorwürden der New York University, der Yale University sowie der Universitäten in Graz und Frankfurt.