Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die grundlegenden Bausteine des Nervensystems. Sie sind spezialisiert auf die Übertragung von Informationen in Form von elektrischen und chemischen Signalen. Diese Signale ermöglichen es uns, die Welt um uns herum wahrzunehmen, zu denken, zu fühlen und zu handeln.
Einführung in die Nervenzelle
Unser Gehirn leistet jeden Tag Erstaunliches: Informationen werden verarbeitet, verknüpft und gelernt, Erinnerungen werden abgespeichert und abgerufen. Die Grundeinheiten für diese Leistung sind die Nervenzellen (Neuronen) - polarisierte Zellen, die außer dem Zellkörper lange Fortsätze zum Senden (Axon) und Empfangen (Dendriten) von Signalen haben.
Grundlegender Aufbau einer Nervenzelle
Obwohl es viele verschiedene Arten von Nervenzellen gibt, teilen sie alle bestimmte grundlegende Merkmale:
- Zellkörper (Soma): Der Zellkörper ist das Hauptzentrum der Nervenzelle. Er enthält den Zellkern und andere Organellen, die für das Funktionieren der Zelle notwendig sind. Der Zellkörper integriert auch Signale, die von anderen Nervenzellen empfangen werden.
- Dendriten: Dendriten sind kurze, verzweigte Fortsätze, die vom Zellkörper ausgehen. Sie empfangen Signale von anderen Nervenzellen und leiten diese zum Zellkörper weiter. Die Dendriten ähneln den Ästen eines Baumes und vergrößern die Oberfläche der Nervenzelle, um mehr Signale empfangen zu können.
- Axon (Neurit): Das Axon ist ein langer, schlanker Fortsatz, der vom Zellkörper ausgeht. Es leitet Signale vom Zellkörper zu anderen Nervenzellen, Muskeln oder Drüsen. Das Axon kann sehr lang sein, in manchen Fällen bis zu einem Meter.
- Axonhügel: Der Axonhügel ist der Übergangsbereich zwischen dem Zellkörper und dem Axon. Hier werden die elektrischen Signale gesammelt und summiert, bis eine bestimmte Schwelle überschritten wird. Erst dann wird ein Signal an das Axon weitergeleitet.
- Myelinscheide: Viele Axone sind von einer Myelinscheide umgeben, einer isolierenden Schicht, die aus Gliazellen besteht. Die Myelinscheide beschleunigt die Übertragung von elektrischen Signalen entlang des Axons.
- Ranviersche Schnürringe: Die Myelinscheide ist nicht durchgängig, sondern wird in regelmäßigen Abständen von Ranvierschen Schnürringen unterbrochen. An diesen Stellen ist das Axon unbedeckt, was die schnelle Weiterleitung von Signalen ermöglicht.
- Synaptische Endknöpfchen: Am Ende des Axons befinden sich die synaptischen Endknöpfchen. Hier wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt, um die Information an die nächste Zelle weiterzugeben.
Die Vielfalt der Nervenzellen
Es gibt viele verschiedene Arten von Nervenzellen, die sich in ihrer Form, Größe und Funktion unterscheiden. Einige Nervenzellen sind spezialisiert auf die Aufnahme von Informationen aus der Umwelt, wie z.B. Licht, Schall oder Berührung. Andere Nervenzellen sind spezialisiert auf die Steuerung von Muskelbewegungen oder die Regulation von Drüsenfunktionen.
Die Einteilung der Nervenzellen nach ihrer Struktur ist komplex, da es eine Vielzahl von verschiedenen Typen gibt. In Lehrbüchern werden sie oft in unipolare, bipolare, multipolare und pseudounipolare Zellen unterteilt.
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- Unipolare Nervenzellen: Diese haben ein Soma, ein Axon und keine Dendriten.
- Bipolare Nervenzellen: Diese haben ein Soma mit zwei langen Ausläufern, wobei einer das Axon und der andere sich in verzweigte Dendriten aufteilt.
- Multipolare Nervenzellen: Diese haben ein Soma mit einem Axon und vielen Dendriten.
Die Funktion der Nervenzellen: Reizweiterleitung
Nervenzellen sind für die Reizweiterleitung im Körper verantwortlich. Wenn ein Reiz auf den Körper einwirkt, wird dieser von den Dendriten einer Nervenzelle aufgenommen und zum Zellkörper weitergeleitet. Wenn die Erregung stark genug ist, entsteht am Axonhügel ein Aktionspotential. Dieses Aktionspotential wird dann entlang des Axons zu den synaptischen Endknöpfchen geleitet.
An den synaptischen Endknöpfchen wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Dazu werden chemische Moleküle, sogenannte Neurotransmitter, in den synaptischen Spalt freigesetzt. Diese Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der Oberfläche der nächsten Nervenzelle und lösen dort ein neues elektrisches Signal aus. So wird die Information von einer Nervenzelle zur nächsten weitergegeben.
Synapsen: Die Kommunikationsstellen zwischen Nervenzellen
Synapsen sind die Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen, über die die Erregung von einer Zelle zur nächsten übertragen wird. Es gibt zwei Arten von Synapsen:
- Chemische Synapsen: An chemischen Synapsen wird die Erregung durch Neurotransmitter übertragen. Wenn ein Aktionspotential an den synaptischen Endknöpfchen ankommt, werden Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt. Diese Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Zelle und lösen dort ein neues Aktionspotential aus.
- Elektrische Synapsen: An elektrischen Synapsen sind die Nervenzellen direkt miteinander verbunden. Die Erregung wird direkt von einer Zelle zur nächsten übertragen, ohne dass Neurotransmitter benötigt werden.
Die Bedeutung der Nervenzellen für das Lernen und Gedächtnis
Nervenzellen spielen eine entscheidende Rolle für das Lernen und Gedächtnis. Die Verbindungen zwischen den Nervenzellen, die Synapsen, können sich im Laufe der Zeit verändern. Wenn eine Synapse häufig aktiviert wird, wird sie stärker. Diese Stärkung der Synapsen wird als Langzeitpotenzierung (LTP) bezeichnet und gilt als ein wichtiger Mechanismus für das Lernen und Gedächtnis.
Unser Gedächtnis wird einem bestimmten Hirnareal zugeschrieben, dem Hippocampus. 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.
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Neue Erkenntnisse über die Struktur von Axonen
Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass Axone in Mäusegehirnen regelmäßige Verdickungen aufweisen, die aussehen, als wären Perlen auf einer Schnur aufgefädelt. Diese Perlenstruktur der Nervenbahnen könnte die Geschwindigkeit der Signalweiterleitung beeinflussen. Die Wissenschaftler stellten fest, dass Axone mit Perlenstruktur die Nervenimpulse schneller leiteten als röhrenförmige Axone, aber nur, wenn das Verhältnis der Länge zur Breite der Verdickungen etwa 1,7 zu 1 betrug. Die Forscher haben die Proben in flüssigem Stickstoff eingefroren. „Normalerweise verwenden Forscher Chemikalien, um Proben für die Elektronenmikroskopie zu verarbeiten und entwässern diese Gewebe dann.Was so ist, als würde man aus einer Weintraube eine Rosine machen“, sagt Watanabe. „Aber bei der Kryokonservierung ist es so, als würde man eine gefrorene Weintraube herstellen.
Die Rolle von Gliazellen
Gliazellen sind Stützzellen im Nervensystem, die die Neuronen schützen und unterstützen. Sie sind nicht direkt an der Reizweiterleitung beteiligt, erfüllen aber dennoch wichtige Funktionen:
- Elektrische Abschirmung: Gliazellen schirmen die Neuronen elektrisch ab, was für eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist.
- Blut-Hirn-Schranke: Gliazellen bilden die Blut-Hirn-Schranke, die verhindert, dass schädliche Stoffe aus dem Blut ins Gehirn gelangen.
- Nährstoffversorgung: Gliazellen versorgen die Neuronen mit Nährstoffen.
- Abtransport von Abfallstoffen: Gliazellen transportieren Abfallstoffe aus dem Gehirn ab.
- Steuerung des Liquorflusses: Gliazellen steuern den Fluss der zerebrospinalen Flüssigkeit (Liquor), die Gehirn und Rückenmark bei Erschütterungen abfedert.
Krankheiten des Nervensystems
Viele Krankheiten können das Nervensystem beeinträchtigen, darunter:
- Neurodegenerative Erkrankungen: Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit, Amyotrophe Lateralsklerose (ALS)
- Entzündliche Erkrankungen: Multiple Sklerose (MS), Enzephalitis, Meningitis
- Gefäßerkrankungen: Schlaganfall, Hirnblutung
- Tumoren: Hirntumoren, Rückenmarkstumoren
- Psychische Erkrankungen: Depression, Schizophrenie, Angststörungen
Bei vielen Krankheiten wie beispielsweise Parkinson oder Depression sind diese Schaltstellen aus dem Gleichgewicht geraten.
Die Erforschung der Nervenzellen
Die Erforschung der Nervenzellen ist ein wichtiges Gebiet der Neurowissenschaften. Durch die Erforschung der Struktur und Funktion der Nervenzellen können wir besser verstehen, wie das Nervensystem funktioniert und wie Krankheiten des Nervensystems entstehen. Dies kann zur Entwicklung neuer Therapien zur Behandlung dieser Krankheiten führen.
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Moderne Mikroskopietechniken ermöglichen es, Nervenzellen und ihre Bestandteile immer detaillierter zu untersuchen. So wurde beispielsweise eine neue Mikroskopietechnik entwickelt, die eine Auflösung von weniger als fünf Nanometern erreicht. Damit können selbst kleinste Zellstrukturen sichtbar gemacht werden.