Verzweigung eines Axons: Aktionspotential und seine Erklärung

Das Nervengewebe, bestehend aus Neuronen und Gliazellen, bildet die Grundlage des Nervensystems. Neuronen, die elektrisch erregbaren Zellen, empfangen, verarbeiten und leiten elektrische Signale weiter. Diese komplexe Signalübertragung ermöglicht es dem Nervensystem, Informationen zu verarbeiten und Reaktionen zu koordinieren. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Signalübertragung ist das Aktionspotential, ein kurzzeitiger Spannungswechsel, der sich entlang des Axons ausbreitet. Die Verzweigung des Axons spielt dabei eine entscheidende Rolle, da sie die gleichzeitige Übertragung von Signalen zu mehreren Zielzellen ermöglicht.

Grundlagen des Nervensystems

Das Nervensystem besteht aus zwei Haupttypen von Zellen: Neuronen und Gliazellen. Neuronen sind die funktionellen Einheiten des Nervensystems, die elektrische Signale empfangen, verarbeiten und weiterleiten. Gliazellen hingegen unterstützen die Neuronen in ihren Funktionen, indem sie beispielsweise Nährstoffe liefern und die Myelinscheide bilden.

Neuronen: Die Hauptakteure

Neuronen sind die zentralen Elemente des Nervensystems. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, elektrische Signale zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Es gibt verschiedene Arten von Neuronen, die sich in ihrer Struktur und Funktion unterscheiden:

• Sensorische Neuronen: Sie nehmen Informationen aus der Umwelt auf und leiten sie an das zentrale Nervensystem (ZNS) weiter.
• Motorische Neuronen: Sie übertragen Signale vom ZNS zu den Muskeln und Drüsen, um Bewegungen und andere Reaktionen auszulösen.
• Interneuronen: Sie verbinden sensorische und motorische Neuronen und sind an der Verarbeitung von Informationen im ZNS beteiligt.

Ein typisches Neuron besteht aus mehreren funktionellen Komponenten:

• Dendriten: Sie empfangen Signale von anderen Neuronen.
• Zellkörper (Soma): Hier findet der Zellstoffwechsel statt.
• Axon: Es leitet Impulse zu den Zielzellen weiter.
• Synaptische Verbindungen: Spezialisierte Verbindungen zwischen Neuronen, die die Übertragung von Impulsen zwischen ihnen erleichtern.

Gliazellen: Die unterstützenden Helfer

Gliazellen, auch Neurogliazellen genannt, befinden sich in der Nähe der Neuronen und unterstützen diese in vielfältiger Weise. Im Gegensatz zu Neuronen leiten Gliazellen keine elektrischen Signale. Es gibt verschiedene Arten von Gliazellen, sowohl im zentralen Nervensystem (ZNS) als auch im peripheren Nervensystem (PNS), die jeweils spezifische Funktionen haben.

Lesen Sie auch: Wie Neuronen Signale übertragen

Gliazellen im ZNS:

• Oligodendrozyten: Sie produzieren und erhalten die Myelinscheide, die die Axone umgibt und eine schnelle Weiterleitung von Nervenimpulsen ermöglicht.
• Astrozyten: Sie versorgen Neuronen mit Nährstoffen, induzieren die Bildung von endothelialen Tight Junctions, die eine wichtige Rolle für die Blut-Hirn-Schranke spielen, und füllen den Extrazellularraum des ZNS aus. Astrozyten können identifiziert werden, weil sie im Gegensatz zu anderen ausgereiften Gliazellen saures Gliafaserprotein (GFAP) exprimieren.
• Mikroglia: Sie sind die Immunzellen des ZNS und beseitigen Zelltrümmer und Krankheitserreger.
• Ependymzellen: Sie kleiden die Ventrikel des Gehirns und den Zentralkanal des Rückenmarks aus und produzieren die Zerebrospinalflüssigkeit.

Gliazellen im PNS:

• Schwann-Zellen: Sie 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: Sie ähneln Schwann-Zellen, umgeben jedoch die Zellkörper der Nervenzellen.

Organisation des Nervengewebes

Nerven bestehen 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.

Das Aktionspotential: Grundlage der neuronalen Kommunikation

Das Aktionspotential ist ein kurzzeitiger Spannungswechsel über die Zellmembran eines Neurons, der es ermöglicht, Informationen über lange Distanzen zu übertragen. Es ist ein "Alles-oder-Nichts"-Ereignis, was bedeutet, dass es entweder in voller Stärke auftritt oder gar nicht.

Ruhepotential

Im Ruhezustand hat eine Nervenzelle ein negatives Membranpotential von etwa -70 mV. Dies bedeutet, dass im Zellinneren weniger positiv geladene Teilchen vorhanden sind als außerhalb. Dieses Ruhepotential wird durch die unterschiedliche Verteilung von Ionen wie Natrium (Na+), Kalium (K+) und Chlorid (Cl-) über die Zellmembran aufrechterhalten. Die Zellmembran ist selektiv permeabel für diese Ionen, und es gibt Ionenkanäle und -pumpen, die die Ionenkonzentrationen regulieren.

Depolarisation und Schwellenwert

Wenn ein Neuron durch ein Signal erregt wird, öffnen sich Natriumkanäle in der Zellmembran. Dies führt zu einem Einstrom von positiv geladenen Natriumionen in die Zelle, wodurch das Membranpotential positiver wird. Dieser Prozess wird als Depolarisation bezeichnet. Wenn das Membranpotential einen bestimmten Schwellenwert von etwa -55 mV erreicht, öffnen sich noch mehr Natriumkanäle, was zu einem Lawineneffekt führt und das Aktionspotential auslöst.

Ablauf des Aktionspotentials

1. Depolarisation: Der Einstrom von Natriumionen führt zu einer schnellen Depolarisation der Zellmembran. Das Membranpotential kann bis auf +30 mV ansteigen.
2. Repolarisation: Nach der Depolarisation schließen sich die Natriumkanäle, und Kaliumkanäle öffnen sich. Dies führt zu einem Ausstrom von positiv geladenen Kaliumionen aus der Zelle, wodurch das Membranpotential wieder negativer wird. Dieser Prozess wird als Repolarisation bezeichnet.
3. Hyperpolarisation: Während der Repolarisation kann das Membranpotential kurzzeitig negativer als das Ruhepotential werden. Dies wird als Hyperpolarisation bezeichnet.
4. Wiederherstellung des Ruhepotentials: Nach der Hyperpolarisation stellen Ionenpumpen die ursprünglichen Ionenkonzentrationen wieder her, und das Membranpotential kehrt zum Ruhepotential zurück.

Refraktärzeit

Nach einem Aktionspotential benötigt das Neuron eine kurze Erholungsphase, bevor es wieder erregbar ist. Diese Phase wird als Refraktärzeit bezeichnet und verhindert, dass das Aktionspotential in die entgegengesetzte Richtung wandert. Es gibt zwei Arten von Refraktärzeiten:

Lesen Sie auch: Was macht ein Neurologe wirklich?

• Absolute Refraktärzeit: Während dieser Zeit ist das Neuron unabhängig von der Stärke des Reizes nicht erregbar.
• Relative Refraktärzeit: Während dieser Zeit ist das Neuron nur durch einen stärkeren Reiz als normal erregbar.

Frequenzcodierung

Die Stärke eines Reizes wird durch die Frequenz der Aktionspotentiale codiert. Je stärker der Reiz, desto mehr Aktionspotentiale werden pro Zeiteinheit generiert. Die Amplitude der Aktionspotentiale bleibt jedoch gleich, da sie dem "Alles-oder-Nichts"-Prinzip folgen.

Die Rolle des Axons bei der Signalübertragung

Das Axon ist ein langer, schlanker Fortsatz des Neurons, der Aktionspotentiale vom Zellkörper zu den Synapsen transportiert. Es ist ein entscheidender Bestandteil der neuronalen Kommunikation.

Aufbau des Axons

Das Axon entspringt am Axonhügel, einer spezialisierten Region des Zellkörpers. Es kann je nach Neuron und Organismus unterschiedliche Längen haben, von wenigen Mikrometern bis zu über einem Meter. Das Axon ist von einer Zellmembran, dem Axolemm, umgeben.

Myelinisierung und saltatorische Erregungsleitung

Viele Axone sind von einer Myelinscheide umgeben, einer isolierenden Schicht, die von Gliazellen gebildet wird. Im ZNS sind dies Oligodendrozyten, im PNS Schwann-Zellen. Die Myelinscheide besteht aus Lipiden und Proteinen und ist in regelmäßigen Abständen durch Ranviersche Schnürringe unterbrochen, an denen das Axon unmyelinisiert ist.

Die Myelinscheide ermöglicht eine schnellere Erregungsleitung, da das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring "springt". Diese Art der Erregungsleitung wird als saltatorische Erregungsleitung bezeichnet. Sie ist deutlich schneller als die kontinuierliche Erregungsleitung in unmyelinisierten Axonen.

Lesen Sie auch: ICD-10 I69: Schlaganfallfolgen detailliert

Verzweigung des Axons

Am Ende des Axons teilt es sich in mehrere Äste auf, die als Axonkollaterale bezeichnet werden. Jede Axonkollaterale endet in einem synaptischen Endknöpfchen, der mit den Dendriten oder dem Zellkörper eines anderen Neurons in Kontakt tritt. Die Verzweigung des Axons ermöglicht es einem Neuron, Signale gleichzeitig an mehrere Zielzellen zu senden.

Axonaler Transport

Neben der Weiterleitung von Aktionspotentialen findet im Axon auch ein Stofftransport statt, der als axonaler Transport bezeichnet wird. Dieser Transport dient dazu, Proteine, Lipide und andere Moleküle vom Zellkörper zu den Synapsen und zurück zu transportieren. Es gibt zwei Arten von axonalem Transport:

• Anterograder Transport: Transport vom Zellkörper zu den Synapsen.
• Retrograder Transport: Transport von den Synapsen zum Zellkörper.

Verzweigung des Axons und Aktionspotential

Die Verzweigung des Axons ist ein entscheidender Faktor für die effiziente Signalübertragung im Nervensystem. Sie ermöglicht es einem einzelnen Neuron, gleichzeitig mit mehreren Zielzellen zu kommunizieren.

Einfluss der Verzweigung auf die Signalübertragung

Die Verzweigung des Axons beeinflusst die Signalübertragung auf verschiedene Weisen:

• Verteilung des Signals: Durch die Verzweigung kann ein Neuron sein Signal an mehrere Zielzellen gleichzeitig verteilen. Dies ist besonders wichtig für die Koordination komplexer Bewegungen und anderer Funktionen.
• Verstärkung des Signals: Wenn ein Neuron mit vielen Zielzellen verbunden ist, kann es das Signal verstärken, indem es mehrere Aktionspotentiale gleichzeitig auslöst.
• Integration von Signalen: Die Verzweigung des Axons ermöglicht es einem Neuron, Signale von verschiedenen Quellen zu integrieren. Dies ist wichtig für die Verarbeitung komplexer Informationen.

Klinische Bedeutung

Störungen in der Verzweigung des Axons können zu verschiedenen neurologischen Erkrankungen führen. Beispielsweise kann eine Schädigung der Axone (axonale Schädigung) die Signalübertragung beeinträchtigen und zu motorischen oder sensorischen Ausfällen führen. Erkrankungen wie Multiple Sklerose, bei denen die Myelinscheide beschädigt wird, können ebenfalls die Signalübertragung beeinträchtigen und zu neurologischen Symptomen führen.

Neuronale Signalverarbeitung: Integration und Hemmung

Die neuronale Signalverarbeitung ist ein komplexer Prozess, der die Integration erregender und hemmender Signale umfasst. Diese Balance ist entscheidend für die präzise Steuerung neuronaler Netzwerke.

Konvergenz und Divergenz

Die neuronale Informationsverarbeitung folgt zwei grundlegenden Prinzipien: Konvergenz und Divergenz. Bei der Konvergenz laufen verschiedene Erregungen in einer Nervenzelle zusammen und werden im Soma (Zellkörper) verrechnet. Dies ermöglicht es dem Nervensystem, Informationen aus verschiedenen Quellen zu integrieren und zu verarbeiten. Die Divergenz hingegen beschreibt einen Prozess, bei dem ein einzelnes Aktionspotential, das am Axonhügel gebildet wird, sich über Verzweigungen des Axons auf mehrere nachfolgende Neuronen verteilt. Dabei bleibt das ursprüngliche Erregungsmuster erhalten.

Exzitatorische und inhibitorische Potentiale

Ein Neuron erhält gleichzeitig erregende und hemmende Signale von verschiedenen Synapsen. Das exzitatorische postsynaptische Potential (EPSP) entsteht durch die Aktivierung der neurotransmittergesteuerten Ionenkanäle an der postsynaptischen Membran. Diese Depolarisation kann bei ausreichender Stärke am Axonhügel ein neues Aktionspotential auslösen. Das inhibitorische postsynaptische Potential (IPSP) hingegen führt zu einer Hyperpolarisation der Zellmembran.

Räumliche und zeitliche Summation

Die neuronale Verrechnung erfolgt durch zwei grundlegende Mechanismen: Die zeitliche und die räumliche Summation. Bei der zeitlichen Summation werden mehrere Aktionspotentiale, die kurz nacheinander über dasselbe Axon eintreffen, im Soma addiert. Die räumliche Summation beschreibt die Addition von gleichzeitig eintreffenden Erregungen über verschiedene Synapsen.

Neurotransmitter und synaptische Übertragung

Die Übertragung von Signalen zwischen Neuronen erfolgt an den Synapsen mithilfe von Neurotransmittern.

Ablauf der synaptischen Übertragung

1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Wenn ein Aktionspotential am Endknöpfchen eintrifft, öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle.
2. Calcium-Einstrom: Der Einstrom von Calciumionen in das Endknöpfchen löst die Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt aus.
3. Neurotransmitter-Bindung: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
4. Ionenkanalöffnung: Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren führt zur Öffnung von Ionenkanälen in der postsynaptischen Membran.
5. Postsynaptisches Potential: Der Ionenfluss durch die geöffneten Kanäle verändert das Membranpotential der postsynaptischen Zelle. Je nach Art der Ionenkanäle kann dies zu einer Depolarisation (EPSP) oder Hyperpolarisation (IPSP) führen.
6. Beendigung der Signalübertragung: Die Neurotransmitter werden entweder durch Enzyme abgebaut, von der präsynaptischen Zelle wieder aufgenommen oder diffundieren aus dem synaptischen Spalt.

Beispiele für Neurotransmitter

Es gibt verschiedene Arten von Neurotransmittern, die unterschiedliche Wirkungen auf die postsynaptische Zelle haben. Einige Beispiele sind:

• Acetylcholin: Es spielt eine Rolle bei der Muskelkontraktion und der Gedächtnisbildung.
• Glutamat: Es ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im Gehirn.
• GABA: Es ist der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im Gehirn.
• Dopamin: Es ist an der Steuerung von Bewegung, Motivation und Vergnügen beteiligt.
• Serotonin: Es beeinflusst Stimmung, Schlaf und Appetit.

Krankheiten und Störungen des Nervensystems

Störungen im Nervensystem können vielfältige Ursachen haben und sich in unterschiedlichen Symptomen äußern. Einige Beispiele sind:

• Multiple Sklerose (MS): Eine chronische, entzündliche Autoimmunerkrankung, die zur Zerstörung von Oligodendrozyten und somit Demyelinisierung von Nerven im ZNS führt, was zur Schädigung und Degeneration von Axonen führt. Die Übertragung von Aktionspotentialen wird beeinträchtigt.
• Guillain-Barré-Syndrom (GBS): Eine Familie von immunvermittelten demyelinisierenden Polyneuropathien, die nach Infektionen auftreten, bei denen das Immunsystem die Myelinscheide und Schwann-Zellen angreift.
• Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Eine vereinzelt spontan auftretende oder vererbte neurodegenerative Erkrankung der ersten und zweiten Motoneurone.
• Parkinson-Krankheit: Eine neurodegenerative Erkrankung, die durch den Verlust von Dopamin-produzierenden Neuronen in den Basalganglien (Stammganglien) des Gehirns verursacht wird.
• Epilepsie: Eine neurologische Erkrankung, die durch wiederholte Krampfanfälle gekennzeichnet ist.
• Alzheimer-Krankheit: Eine neurodegenerative Erkrankung, die zu Gedächtnisverlust und kognitiven Beeinträchtigungen führt.

tags: #verzweigung #eines #axons #aktionspotential