Nerven sind die Hauptakteure des Nervensystems und spielen eine entscheidende Rolle bei der Übertragung von Signalen im gesamten Körper. Um ihre Funktionsweise vollständig zu verstehen, ist es wichtig, zu wissen, wie sie mikroskopisch aussehen. Dieser Artikel bietet einen detaillierten Einblick in die mikroskopische Struktur von Nerven, von einzelnen Nervenzellen bis hin zu komplexen neuronalen Netzwerken.
Einführung in die Nervenzellen
Nervenzellen, auch Neurone genannt, sind die grundlegenden Informationseinheiten des Nervensystems. Allein im menschlichen Gehirn gibt es etwa 86 Milliarden Neuronen. Sie kommunizieren miteinander über dünne Fortsätze, die elektrische oder chemische Signale aussenden. Immer wenn wir etwas sehen oder hören, leiten Tausende von Sinneszellen die Eindrücke an das Rückenmark und das Gehirn weiter. Dort werden die Reize verarbeitet und interpretiert, was uns ermöglicht, angemessen zu reagieren.
Die Struktur einer Nervenzelle
Eine typische Nervenzelle besteht aus drei Hauptteilen:
- Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und die meisten Organellen.
- Dendriten: Antennenartige Fortsätze, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen.
- Axon: Ein langer, kabelartiger Fortsatz, der Signale an andere Nervenzellen, Muskeln oder Drüsen weiterleitet.
Die Axone können sich verzweigen, um möglichst viele Zielzellen zu erreichen. An der Spitze der Axone befindet sich ein Wachstumskegel, der den Weg zu anderen Nervenzellen findet.
Synapsen: Die Verbindungsstellen
Nervenzellen sind über spezielle Strukturen miteinander verbunden, die als Synapsen bezeichnet werden. An den Synapsen werden Signale in Form von Botenstoffen, den Neurotransmittern, von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen. Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die Neurotransmitter, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind.
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Wenn ein elektrisches Signal im Nervenende eintrifft, öffnen sich Calcium-Kanäle in der Plasmamembran. Die einströmenden Calcium-Ionen aktivieren eine molekulare Maschine, die sich zwischen der Membran der Vesikel und der Plasmamembran befindet. Diese Maschine bewirkt, dass die Membran der Vesikel mit der Plasmamembran verschmilzt und die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freisetzt.
Auf der anderen Seite des synaptischen Spalts treffen die Neurotransmitter auf Andockstellen in der Membran des Empfänger-Neurons, die die elektrischen Eigenschaften dieser Membran regulieren. Dadurch ändert sich der Membranwiderstand, und die Empfängerzelle kann die Spannungsänderung verarbeiten.
Die Rolle der Gliazellen
Gliazellen sind ein weiterer wichtiger Zelltyp im Nervensystem. Sie unterstützen die Arbeit der Nervenzellen, indem sie ihnen Nährstoffe zuführen, sie isolieren und sie vor Schäden schützen. Gliazellen regulieren auch die Menge und Verteilung von Ionenkanälen in den Axonen und bilden eine Myelin-ähnliche Isolierschicht.
Visualisierung von Nervenzellen unter dem Mikroskop
Viele Strukturen in Zellen sind so klein, dass gewöhnliche Mikroskope sie nur lückenhaft abbilden können. Um die mikroskopische Struktur von Nervenzellen detailliert zu untersuchen, werden verschiedene Mikroskopietechniken eingesetzt:
- Lichtmikroskopie: Ermöglicht die Visualisierung von Zellen und Geweben bei niedriger Vergrößerung.
- Elektronenmikroskopie: Bietet eine viel höhere Auflösung als die Lichtmikroskopie und ermöglicht die Visualisierung von Zellstrukturen im Nanometerbereich.
- Fluoreszenzmikroskopie: Verwendet Fluoreszenzfarbstoffe, um bestimmte Zellstrukturen oder Moleküle sichtbar zu machen.
- Zwei-Photonen-Mikroskopie: Ermöglicht die Untersuchung von feinen Strukturen im intakten Nervensystem, auch in tieferen Gewebeschichten.
- Kryoelektronentomografie: Eine Technik, bei der Gewebeproben blitzartig eingefroren werden, um ihre räumliche Struktur zu erhalten.
Fortschritte in der hochauflösenden Mikroskopie
Forscher der Universität Göttingen haben ein neues Mikroskop entwickelt, das eine Auflösung von besser als fünf Nanometern erreicht. Dieses Mikroskop ist ein Fluoreszenzmikroskop, das auf der Einzel-Molekül-Lokalisierungs-Mikroskopie basiert. Bei dieser Technik werden einzelne aufleuchtende Moleküle in einer Probe ein- und ausgeschaltet und dann deren Positionen einzeln sehr präzise bestimmt.
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siGOLD: Eine neue Methode zur Visualisierung von Nervenzellverbindungen
Wissenschaftler haben eine neue Methode namens siGOLD (serial-multiplex Immunogold) entwickelt, um Nervenzellen und ihre Zellverbände dreidimensional zu rekonstruieren. Bei dieser Methode werden Gewebeschnitte mit Antikörpern markiert, die spezifisch für bestimmte Neuropeptide sind. Die Antikörper sind mit Goldpartikeln gekoppelt, die die Neuropeptide als schwarze Punkte in den Elektronenmikroskop-Schnitten sichtbar machen.
Neuronale Netze und Konnektome
Nervenzellen sind nicht isoliert, sondern bilden komplexe Netzwerke, die als neuronale Netze bezeichnet werden. Diese Netzwerke ermöglichen die Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen im Nervensystem. Ein Konnektom ist ein umfassender Schaltplan des Nervensystems, der alle Verbindungen zwischen den Neuronen erfasst.
Die Bedeutung der Neuroplastizität
Das Gehirn ist nicht statisch, sondern verändert sich ständig. Die kleinen Zellen verdrahten es immer wieder neu. Dadurch kann man sich Neues merken und an Erlebtes erinnern. Diese Fähigkeit des Gehirns, sich zu verändern, wird als Neuroplastizität bezeichnet. Sie ist die Voraussetzung dafür, dass wir lernen und Erinnerungen bilden können.
Forschung zu neuronalen Netzen
Wissenschaftler untersuchen neuronale Netze mithilfe verschiedener Techniken, darunter:
- Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT): Misst die Aktivität von Hirnarealen, indem sie Veränderungen im Blutfluss erfasst.
- Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI): Eine spezielle Form der Magnetresonanztomografie, die die Bewegung von Wassermolekülen in den Nervensträngen erfasst und ihren Verlauf sichtbar macht.
- Computermodelle: Simulieren die Schallverarbeitung der MSO-Neurone. Diese Nervenzellen haben vier Eingangspfade an der Synapse. Zwei erregende vom rechten bzw. linken Ohr. Sie erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass das Neuron feuert. Daneben gibt es noch zwei hemmende, die den gegenteiligen Effekt haben. Im Computermodell haben Leibold und seine Kollegen dann untersucht, wie schnell diese erregenden und hemmenden Potentiale an der Synapse sein müssen, um die in Experimenten gezeigte Empfindlichkeit der Neurone für Zeitdifferenzen erklären zu können.
Klinische Bedeutung
Die Kenntnis der mikroskopischen Struktur von Nerven ist wichtig für das Verständnis verschiedener neurologischer Erkrankungen. Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson sind durch den Verlust von Nervenzellen gekennzeichnet. Andere Erkrankungen, wie Schizophrenie, Multiple Sklerose, Schlaganfall, Demenz und Aufmerksamkeitsstörungen, können mit Störungen der Faserbahngeometrie zusammenhängen.
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