Informationsübertragung in Nervenzellen: Ein umfassender Überblick

Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die fundamentalen Bausteine des Nervensystems und spielen eine entscheidende Rolle bei der Informationsübertragung im gesamten Körper. Sie ermöglichen es uns, Reize aus der Umwelt wahrzunehmen, zu verarbeiten und darauf zu reagieren. Dieser Artikel beleuchtet, wie Informationen in Nervenzellen weitergeleitet werden, welche Strukturen daran beteiligt sind und welche Mechanismen diesen komplexen Prozess steuern.

Aufbau und Struktur von Nervenzellen

Nervenzellen unterscheiden sich in ihrer Form und Funktion stark von anderen Zellen des Körpers. Sie sind hochspezialisierte Zellen, die für die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Reizen aus der Umwelt verantwortlich sind. Ihr Aufbau ist optimal auf diese Aufgaben zugeschnitten.

Neuron: Die spezialisierte Zelle des Nervensystems

Ein typisches Neuron besteht aus drei Hauptbestandteilen: dem Zellkörper (Soma), den Dendriten und dem Axon.

• Soma (Zellkörper): Das Soma enthält den Zellkern und die meisten Zellorganellen. Hier werden die von den Dendriten empfangenen Informationen integriert und verarbeitet.
• Dendriten: Dendriten sind verzweigte Ausläufer des Zellkörpers, die wie Antennen fungieren. Sie empfangen Signale von anderen Nervenzellen oder Sinneszellen und leiten diese zum Zellkörper weiter. Die Dendriten nehmen Informationen aus ihrer Umwelt auf, die als Reize bezeichnet werden. Diese Reize können das Membranpotenzial erhöhen (Depolarisation) oder erniedrigen (Hyperpolarisation).
• Axon: Das Axon ist ein langer, dünner Fortsatz, der vom Zellkörper ausgeht. Seine Hauptaufgabe ist die Weiterleitung von Signalen über weite Strecken zu anderen Nervenzellen, Muskelzellen oder Drüsenzellen. Das Axon kann bei Wirbeltieren von einer Myelinscheide umhüllt sein, die die Geschwindigkeit der Signalübertragung erhöht.

Axonhügel: Der Ort der Entscheidung

Der Axonhügel bildet den Übergang vom Soma zum Axon. Hier werden die elektrischen Signale, die von den Dendriten empfangen wurden, gesammelt und summiert. Erst wenn eine bestimmte Schwelle, das Schwellenpotential, überschritten wird, wird ein Signal in Form eines Aktionspotentials an das Axon weitergeleitet. Dies verhindert, dass unser Körper jedes kleinste Signal weiterleitet.

Myelinscheide und Ranviersche Schnürringe

Bei Wirbeltieren ist das Axon von einer Myelinscheide umhüllt, die aus Gliazellen besteht. Diese Myelinscheide wirkt wie eine Isolation und sorgt dafür, dass die Informationen schneller über das Axon geleitet werden können. Die Myelinscheide wird in regelmäßigen Abständen von Ranvierschen Schnürringen unterbrochen, an denen das Axon frei liegt. An diesen Schnürringen findet die eigentliche Erregungsleitung statt, indem das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring "springt".

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Synaptische Endknöpfchen: Die Schnittstelle zu anderen Zellen

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 Nervenzelle oder Zielzelle weiterzugeben. Die synaptischen Endknöpfchen setzen Neurotransmitter in den synaptischen Spalt frei, die an Rezeptoren der Empfängerzelle binden und dort ein neues elektrisches Signal auslösen.

Die Rolle von Ionen und Membranpotentialen

Eine wichtige Rolle bei der Weiterleitung von Informationen in Nervenzellen spielen verschiedene elektrisch geladene Teilchen, sogenannte Ionen. Die Biomembran des Axons ermöglicht einen selektiven Ionentransport und ist semipermeabel.

Ruhepotential: Der Ausgangszustand

Im Ruhezustand, wenn die Nervenzelle nicht erregt ist, herrscht zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle eine elektrische Spannungsdifferenz, das Ruhepotential. Dieses Potential entsteht durch unterschiedliche Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle.

• Kalium-Ionen (K+): Im Inneren der Zelle ist die Konzentration von Kalium-Ionen hoch, während sie außerhalb der Zelle geringer ist. Kalium-Ionen können die Axonmembran gut passieren und strömen entlang des Konzentrationsgradienten in den extrazellulären Raum.
• Natrium-Ionen (Na+): Außerhalb der Zelle ist die Konzentration von Natrium-Ionen hoch, während sie im Inneren der Zelle geringer ist. Die Axonmembran ist für Natrium-Ionen jedoch wenig durchlässig.
• Chlorid-Ionen (Cl-): Die Konzentration von Chlorid-Ionen ist außerhalb der Zelle höher als im Inneren. Chlorid-Ionen können die Membran etwas schlechter als Kalium-Ionen passieren und strömen entlang ihres Konzentrationsgradienten in die Zelle.
• Organische Anionen: Im Inneren der Zelle befinden sich organische Anionen, die negativ geladen sind und die Membran nicht passieren können.

Durch die unterschiedlichen Ionenkonzentrationen und die selektive Permeabilität der Membran entsteht eine Ladungsdifferenz: Im Inneren der Zelle herrscht ein Überschuss an negativen Ladungen, während außerhalb der Zelle ein Überschuss an positiven Ladungen besteht. Diese Ladungsdifferenz wird durch den Einstrom von Chlorid-Ionen zusätzlich erhöht.

Natrium-Kalium-Pumpe: Aufrechterhaltung des Ruhepotentials

Die Natrium-Kalium-Pumpe spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des Ruhepotentials. Sie transportiert aktiv Natrium-Ionen aus der Zelle heraus und Kalium-Ionen in die Zelle hinein, entgegen ihrem jeweiligen Konzentrationsgradienten. Für jeden transportierten Kalium-Ion werden drei Natrium-Ionen aus der Zelle transportiert. Dadurch wird das Ruhepotential stabilisiert.

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Aktionspotential: Die Weiterleitung des Signals

Wird die Nervenzelle durch einen Reiz erregt, kommt es zu einer Veränderung der Ionenkonzentrationen an der Innen- und Außenseite der Axonmembran. Diese Veränderung führt zur Entstehung eines Aktionspotentials.

1. Depolarisation: Durch den Reiz öffnen sich spannungsgesteuerte Natrium-Ionenkanäle in der Membran. Natrium-Ionen strömen entlang ihres Ladungs- und Konzentrationsgradienten in das Axon ein, wodurch das Membranpotential positiver wird.
2. Repolarisation: Nach kurzer Zeit schließen sich die Natrium-Ionenkanäle wieder, und spannungsgesteuerte Kalium-Kanäle öffnen sich. Kalium-Ionen strömen aus der Zelle heraus, wodurch das Membranpotential wieder negativer wird und sich dem Ruhepotential annähert.
3. Hyperpolarisation: Kurzzeitig kann das Membranpotential sogar negativer als das Ruhepotential werden, bevor es sich wieder stabilisiert.

Das Aktionspotential breitet sich entlang des Axons aus, indem es die benachbarten Membranbereiche depolarisiert und dort ebenfalls Aktionspotentiale auslöst. Bei myelinisierten Axonen "springt" das Aktionspotential von Ranvierschem Schnürring zu Ranvierschem Schnürring, was die Geschwindigkeit der Erregungsleitung deutlich erhöht (saltatorische Erregungsleitung).

Refraktärzeit: Schutz vor Übererregung

Nachdem ein Aktionspotential ausgelöst wurde, befinden sich die spannungsgesteuerten Ionenkanäle in einer Refraktärzeit. In dieser Zeit können die Kanäle nicht erneut geöffnet werden, wodurch verhindert wird, dass die Nervenzelle sofort wieder auf einen neuen Reiz reagiert. Die Refraktärzeit sorgt dafür, dass sich das Aktionspotential nur in eine Richtung ausbreiten kann und verhindert eine Übererregung der Nervenzelle.

Signalübertragung an der Synapse

Die Synapse ist die Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und einer anderen Zelle (z.B. Muskelzelle). Hier wird das elektrische Signal, das in Form eines Aktionspotentials ankommt, in ein chemisches Signal umgewandelt und an die nächste Zelle weitergegeben.

Chemische Synapsen: Die häufigste Form der Signalübertragung

Die meisten Synapsen im Nervensystem sind chemische Synapsen. An diesen Synapsen wird die Information mithilfe von Neurotransmittern übertragen.

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1. Freisetzung von Neurotransmittern: Wenn ein Aktionspotential an den synaptischen Endknöpfchen ankommt, öffnen sich spannungsgesteuerte Calcium-Kanäle. Calcium-Ionen strömen in die Zelle ein und führen dazu, dass Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind, mit der präsynaptischen Membran verschmelzen. Dadurch werden die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt.
2. Bindung an Rezeptoren: Die freigesetzten Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Empfängerzelle.
3. Auslösung eines neuen Signals: Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren löst in der Empfängerzelle ein neues elektrisches Signal aus. Je nach Art des Neurotransmitters und des Rezeptors kann dieses Signal erregend (depolarisierend) oder hemmend (hyperpolarisierend) wirken.
4. Beendigung der Signalübertragung: Um die Signalübertragung zu beenden, werden die Neurotransmitter entweder durch Enzyme im synaptischen Spalt abgebaut, von der präsynaptischen Zelle wieder aufgenommen (Reuptake) oder diffundieren aus dem synaptischen Spalt.

Elektrische Synapsen: Schnelle, direkte Verbindungen

Neben den chemischen Synapsen gibt es auch elektrische Synapsen. An diesen Synapsen sind die Zellen durch Gap Junctions direkt miteinander verbunden. Gap Junctions sind Kanäle, die eine direkte Übertragung von Ionen und kleinen Molekülen zwischen den Zellen ermöglichen. Elektrische Synapsen ermöglichen eine sehr schnelle und synchronisierte Signalübertragung, kommen aber im menschlichen Nervensystem seltener vor als chemische Synapsen.

Neuronale Informationsverarbeitung: Summation und Integration

Nervenzellen empfangen über ihre Dendriten Signale von vielen anderen Nervenzellen. Diese Signale können erregend oder hemmend sein. Am Axonhügel werden alle ankommenden Potentiale miteinander verrechnet.

Räumliche Summation: Gleichzeitige Signale

Bei der räumlichen Summation treffen gleichzeitig von verschiedenen Synapsen Signale am Axonhügel ein. Wenn die Summe der erregenden Signale die Summe der hemmenden Signale übersteigt und das Schwellenpotential überschritten wird, wird ein Aktionspotential ausgelöst.

Zeitliche Summation: Kurz aufeinanderfolgende Signale

Bei der zeitlichen Summation treffen kurz aufeinanderfolgend Signale von derselben Synapse am Axonhügel ein. Wenn die Signale schnell genug aufeinander folgen, können sie sich addieren und das Membranpotential so weit erhöhen, dass das Schwellenpotential überschritten wird und ein Aktionspotential ausgelöst wird.

Rezeptorpotential: Die erste Antwort auf einen Reiz

Als Rezeptorpotential wird eine Polarisation der Membran durch Natrium-Ionen bezeichnet, die in das Axon fließen. Es handelt sich dabei um ein lokales Potential, welches elektrisch weitergeleitet wird. Die Intensität eines Reizes wird jedoch nicht direkt durch den Ausschlag der Amplitude bestimmt, sondern durch die Frequenz, die durch die Amplitude erreicht wird. Je größer der Reiz ist, desto größer ist die Anzahl der Aktionspotentiale. Dadurch entsteht eine Frequenzmodulation.

Codierung von Informationen

Die Qualität eines Reizes kann über ein Axon nicht vermittelt werden, da ein Aktionspotential immer gleich abläuft. Stattdessen bestimmt das Gehirn die Qualität eines Reizes direkt anhand der Nervenbahn, über welche die Erregung im Gehirn ankommt. Jede Sinneszelle hat ihr eigenes Zielfeld im Zentralnervensystem. Ob visuelle oder akustische Informationen im Gehirn ankommen, wird nur über die Auswahl der Axone entschieden.

Analoge und digitale Codierung

Im Nervensystem erfolgt die Codierung von Informationen sowohl analog als auch digital.

• Analoge Codierung: Die Reizstärke wird in Form der Amplitude der Potenzialverschiebung codiert. Dies geschieht vor allem in den Dendriten und dem Zellkörper der Nervenzelle.
• Digitale Codierung: Im Axon werden die Aktionspotentiale weitergeleitet. Da Aktionspotentiale stets eine gleich große Amplitude aufweisen, kann die Codierung hier nicht mehr analog erfolgen. Stattdessen wird die Reizstärke über die Frequenz der Aktionspotentiale codiert: Je stärker der Reiz, desto höher die Frequenz der Aktionspotentiale.

Klinische Bedeutung

Das Verständnis der Informationsübertragung in Nervenzellen ist von großer Bedeutung für die Medizin. Viele neurologische Erkrankungen, wie Parkinson, Alzheimer, Multiple Sklerose und Depressionen, beruhen auf Störungen dieser Prozesse.

• Parkinson: Bei der Parkinson-Krankheit ist die dopaminerge Signalübertragung beeinträchtigt, was zu Bewegungsstörungen führt.
• Alzheimer: Bei der Alzheimer-Krankheit kommt es zu einem Verlust der synaptischen Funktion durch Plaque-Ablagerungen im Gehirn.
• Multiple Sklerose: Bei der Multiplen Sklerose werden die Myelinscheiden der Nervenfasern geschädigt, was die Erregungsleitung beeinträchtigt.
• Depressionen: Bei Depressionen ist die Konzentration bestimmter Neurotransmitter im synaptischen Spalt zu niedrig, was zu einer Stimmungsverschlechterung führt.

Durch ein besseres Verständnis der neuronalen Informationsverarbeitung können neue diagnostische und therapeutische Verfahren entwickelt werden, um diese Erkrankungen effektiver zu behandeln.

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