Einführung
Der Aufbau und die Funktion von Neuronen sind grundlegend für das Verständnis unseres Nervensystems. Neuronen, auch Nervenzellen genannt, sind die kleinsten eigenständigen Funktionseinheiten im Nervensystem und spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Informationen. Diese Informationen ermöglichen es uns, Reize aus unserer Umwelt zu erfahren, zu interpretieren und darauf zu reagieren. Die Kommunikation zwischen Neuronen erfolgt über spezialisierte Strukturen, wobei die Endknöpfchen eine zentrale Rolle spielen.
Der Aufbau eines Neurons
Ein typisches Neuron besteht aus mehreren Hauptkomponenten, die alle zusammenarbeiten, um Informationen zu übertragen:
Dendriten: Dies sind verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Neuronen oder Sinneszellen empfangen und als elektrische Signale zum Zellkörper (Soma) weiterleiten. Dendriten sind die Signalempfänger der Nervenzellen. Bei einer chemischen Kommunikation der Nervenzellen sind die Dendriten nicht direkt mit den Nachbarzellen verbunden, sondern es besteht ein kleiner, flüssigkeitsgefüllter Spalt zwischen den Zellen, der Synaptische Spalt. Die vorangegangene Nervenzelle gibt Neurotransmitter in diesen Spalt ab, damit sie an die Dendriten der nachfolgenden Zelle binden und so das Signal übertragen. Demgegenüber besteht bei elektrischer Kommunikation der Nervenzellen ein direkter Kontakt der Dendriten mit den benachbarten Zellen.
Soma (Zellkörper): Das Soma enthält den Zellkern und die notwendigen Zellorganellen, um die Funktionen der Zelle aufrechtzuerhalten, einschließlich Zellstoffwechsel, Proteinproduktion und Abwehr von Krankheitserregern. Das Soma bündelt die Dendriten im Axonhügel, welcher den Übergang zum Axon bildet.
Axon: Dies ist ein langer, dünner Fortsatz, der vom Soma ausgeht und elektrische Erregungen (Aktionspotentiale) weiterleitet. Das Axon enthält ein Proteingerüst, die Mikrotubuli. Gebunden an Transportproteine wandern die im Zellkörper gebildeten Transmitter entlang der Mikrotubuli ans Ende des Axons, wo sie auf ihre Ausschüttung warten.
Lesen Sie auch: Wie Neuronen Signale übertragen
Axonhügel: Dieser Bereich befindet sich am Anfang des Axons und ist der Ort, an dem elektrische Erregungen entstehen. Im Axonhügel entscheidet sich, ob ein Reiz stark genug ist, um fortgeleitet zu werden, oder ob es sich lediglich um einen Störimpuls handelt, der nicht weiter zu bearbeiten ist. An diesem sogenannten Axonhügel werden die Erregungen, die die Dendriten aufgenommen haben, gesammelt und an das Axon weitergeleitet. Dies geschieht jedoch nur dann, wenn die Reize gemeinsam ein bestimmtes elektrisches Potenzial überschreiten. Wenn jeder einzelne Reiz, der unseren Körper trifft, weitergeleitet und verarbeitet werden müsste, wäre das für den Organismus nicht machbar und wir wären nicht lebensfähig. Man spricht von einem Schwellenpotenzial, das erreicht werden muss, damit ein Reiz weitergeleitet wird.
Myelinscheide: Viele Axone sind von einer Myelinscheide umgeben, einer isolierenden Schicht, die aus Schwann-Zellen (im peripheren Nervensystem) oder Oligodendrozyten (im zentralen Nervensystem) besteht. Die Myelinscheide sorgt für die elektrische Isolation und beschleunigt die Signalübertragung. Entlang des Axons ist die Myelinscheide immer wieder durch freiliegende Axonbereiche, die sogenannten Ranvierschen Schnürringe, unterbrochen. Diese Unterbrechungen ermöglichen es dem elektrischen Impuls, über längere umhüllte Bereiche zu springen und so eine höhere Geschwindigkeit zu erlangen. Das ist vor allem bei den langen Nervenfasern zwischen Rückenmark und unterer Extremität sehr wichtig.
Endknöpfchen (synaptische Endigungen): Am Ende des Axons befinden sich die Endknöpfchen, die den Kontakt zur Zielzelle herstellen. Diese Übergangsstellen nennt man Endknöpfchen oder auch Synapsen. An den Synapsen werden die Erregungen in chemische Reaktionen übertragen, die es ermöglicht, diese Erregungen weiterzugeben.
Die Funktion der Endknöpfchen
Die Endknöpfchen sind spezialisierte Strukturen am Ende des Axons, die eine entscheidende Rolle bei der Übertragung von Informationen zwischen Neuronen spielen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die elektrische Erregung, die das Axon entlangläuft, in ein chemisches Signal umzuwandeln und dieses an die nächste Zelle weiterzuleiten. Dieser Prozess findet an den Synapsen statt, den Kontaktstellen zwischen Neuronen oder zwischen Neuronen und anderen Zellen, wie Muskelzellen oder Drüsenzellen.
Die Synapse: Schaltstelle der neuronalen Kommunikation
Die Synapse ist der Ort, an dem die Kommunikation zwischen zwei Nervenzellen stattfindet. Eine typische chemische Synapse besteht aus drei Elementen:
Lesen Sie auch: Einblick in die fehlende Spannungsmessung in Neuronen
Präsynaptische Membran: Dies ist die Membran des Endknöpfchens des sendenden Neurons. Wenn ein Aktionspotential die Membran des synaptischen Endknöpfchens depolarisiert, erfolgt der Einstrom von Calciumionen. Dies löst die Fusion der synaptischen Vesikel mit der Synapsenmembran (präsynaptische Membran) aus.
Synaptischer Spalt: Dies ist der schmale Raum zwischen dem sendenden und dem empfangenden Neuron.
Postsynaptische Membran: Dies ist die Membran des empfangenden Neurons, die Rezeptoren für Neurotransmitter enthält.
Der Prozess der Signalübertragung an der Synapse
Der Prozess der Signalübertragung an der Synapse umfasst mehrere Schritte:
Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Wenn ein Aktionspotential das Endknöpfchen erreicht, depolarisiert es die Membran und öffnet spannungsabhängige Calciumkanäle.
Lesen Sie auch: Umfassende Übersicht zum Neuron
Calcium-Einstrom: Calcium-Ionen strömen in das Endknöpfchen ein, was zur Freisetzung von Neurotransmittern führt.Calciumionen-Einstrom => Ionenveränderung führt zur Signalweitergabe!
Freisetzung von Neurotransmittern: Der Einstrom von Calcium löst die Fusion von synaptischen Vesikeln mit der präsynaptischen Membran aus. Die Vesikel setzen Neurotransmitter in den synaptischen Spalt frei. Die Vesikel setzen enthaltene Neurotransmitter frei, die über den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran diffundieren. Dort binden sie an bestimmte Rezeptoren und öffnen dadurch spezielle Ionenkanäle (z.B. Natrium-Kanäle). Dies ermöglicht den Einstrom von Natriumionen und damit die Depolarisation der postsynaptischen Membran. Enzymatischer Abbau des Neurotransmitters führt zum Abbruch der Signalweitergabe.
Bindung an Rezeptoren: Die freigesetzten Neurotransmitter diffundieren über den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.Die klassische Synapse ist die Acetylcholin-abhängige Synapse. Acetylcholin führt zur Öffnung von acetylenabhängigen Kanälen an der Postsynapse, die zu einem Natriumeinstrom und einer Depolarisation dort führen.
** postsynaptisches Potenzial:** Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren löst eine Veränderung des Membranpotentials im postsynaptischen Neuron aus. Dies kann entweder ein erregendes postsynaptisches Potenzial (EPSP) oder ein hemmendes postsynaptisches Potenzial (IPSP) sein, abhängig vom Typ des Neurotransmitters und des Rezeptors.
Beendigung des Signals: Um eine kontinuierliche Signalübertragung zu verhindern, müssen die Neurotransmitter aus dem synaptischen Spalt entfernt werden. Dies geschieht entweder durch Wiederaufnahme in das präsynaptische Neuron, durch enzymatischen Abbau oder durch Diffusion aus dem Spalt.
Neurotransmitter: Chemische Botenstoffe der neuronalen Kommunikation
Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die von Neuronen verwendet werden, um Signale über die Synapsen zu übertragen. Es gibt viele verschiedene Arten von Neurotransmittern, die jeweils spezifische Funktionen haben. Zu den wichtigsten Neurotransmittern gehören:
Acetylcholin: Ein Neurotransmitter, der an vielen Funktionen beteiligt ist, einschließlich Muskelkontraktion, Gedächtnis und Lernen. Acetylcholin ist ein Neurotransmitter, der aktivierend auf die Skelettmuskulatur wirkt.
Noradrenalin: Ein Neurotransmitter, der an der Steuerung von Aufmerksamkeit, Erregung und Stimmung beteiligt ist. Noradrenalin ist ein Transmitter, der je nach Zelle, an die er abgegeben wird, fördert oder hemmt. Noradrenalin wird überwiegend im Sympathikus ausgeschüttet und aktiviert die Herzmuskelzellen, während es die Muskelzellen des Darms hemmt.
Dopamin: Ein Neurotransmitter, der an der Steuerung von Bewegung, Motivation und Belohnung beteiligt ist.
Serotonin: Ein Neurotransmitter, der an der Steuerung von Stimmung, Schlaf und Appetit beteiligt ist.
Glutamat: Der wichtigste erregende Neurotransmitter im Gehirn.
GABA (Gamma-Aminobuttersäure): Der wichtigste hemmende Neurotransmitter im Gehirn.
Arten von Synapsen
Je nach Art der Signalübertragung unterscheidet man zwischen zwei Haupttypen von Synapsen:
Chemische Synapsen: Bei diesen Synapsen wird die Erregung durch einen Neurotransmitter, einem chemischen Botenstoff, übertragen. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor.
Elektrische Synapsen: Bei diesen Synapsen erfolgt die Übertragung der Erregung an zwei eng aneinanderliegenden Membranen über spezielle Ionenkanäle, den Konnexionen. Es findet ein direkter Austausch von Ladungsträgern statt, die zur Erzeugung eines Aktionspotentials führen. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Die Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist.
Bedeutung der Endknöpfchen für die neuronale Funktion
Die Endknöpfchen sind entscheidend für die korrekte Funktion des Nervensystems. Sie ermöglichen die Übertragung von Informationen zwischen Neuronen und damit die Steuerung von nahezu allen Körperfunktionen, einschließlich Bewegung, Wahrnehmung, Denken und Emotionen.
Krankheiten und Störungen im Zusammenhang mit den Endknöpfchen
Störungen der Funktion der Endknöpfchen können zu einer Vielzahl von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen. Beispielsweise können:
Neurodegenerative Erkrankungen: Bei Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson kommt es zu einer Degeneration von Neuronen, einschließlich der Endknöpfchen, was zu einer Beeinträchtigung der Signalübertragung führt.
Psychiatrische Erkrankungen: Viele psychiatrische Erkrankungen, wie Depressionen und Schizophrenie, sind mit Veränderungen in der Neurotransmitterfunktion und der synaptischen Übertragung verbunden.
Drogenmissbrauch: Drogen können die Funktion der Synapsen und Endknöpfchen stören, was zu Sucht und anderen gesundheitlichen Problemen führen kann. Drogen sind Wirkstoffe, die den Neurotransmittern im Aufbau sehr ähnlich sind. Deshalb wirken sie auf dieselben Synapsen.
Die Nervenzelle als Supercomputer
Angesichts der Komplexität der neuronalen Kommunikation und der enormen Anzahl von Neuronen im Gehirn stellt sich die Frage, welche Rolle eine einzelne Zelle in diesem dynamischen Gefüge spielen kann. Jedes Neuron verrechnet viele tausend zeitlich und räumlich strukturierte hemmende und erregenden Signale pro Millisekunde, übersetzt sie in elektrische Signalfrequenzen und verschickt die Botschaft über präzis getunte Axone. Die Rechenleistung einer einzelnen Nervenzelle ist beachtlich.