Zelltypen im Zentralnervensystem (ZNS): Eine Übersicht über Funktion und Bedeutung

Das zentrale Nervensystem (ZNS), bestehend aus Gehirn und Rückenmark, ist das übergeordnete Steuer-, Kommunikations- und Regulationssystem des Körpers. Es steuert und koordiniert nahezu alle Körperfunktionen, von der Atmung und Verdauung über die Bewegung bis hin zum Denken, Fühlen und Erinnern. In seiner Komplexität und Leistungsfähigkeit übertrifft es jedes bisher entwickelte technische System. Es ist ein biologischer Supercomputer, der Tag und Nacht im Einsatz ist, ohne dass wir uns dessen immer bewusst sind. Ohne das Nervensystem wäre keine Interaktion mit der Umwelt möglich, kein Bewusstsein, keine gezielte Handlung, kurz gesagt: kein Leben, wie wir es kennen.

Das Nervengewebe besteht primär aus zwei Zelltypen: Nervenzellen (Neuronen) und Gliazellen. Die Erforschung der grundlegenden Prozesse im ZNS ist von hoher Relevanz für die Erforschung neurodegenerativer Erkrankungen. Zellmarker des zentralen Nervensystems (ZNS) sind von grundlegender Bedeutung für die Aufklärung der Funktionen verschiedener neuronaler Zelltypen und ihrer Beteiligung an verschiedenen neurologischen Krankheiten und Störungen. Forscher und Kliniker verlassen sich auf diese Antikörper, um Einblicke in die zelluläre Zusammensetzung des Zentralnervensystems zu gewinnen und um Therapien und Diagnoseinstrumente für Krankheiten wie neurodegenerative Erkrankungen, Hirnverletzungen und neuroinflammatorische Störungen zu entwickeln.

Entwicklung des Zentralnervensystems

Während der embryonalen Entwicklung entsteht das zentrale Nervensystem (ZNS), das aus Gehirn und Rückenmark besteht. Das ZNS entwickelt sich in einem Stadium, in dem eine Frau von ihrer Schwangerschaft meist noch nichts ahnt. Bereits in der 5. Schwangerschaftswoche beginnen sich die ersten Nervenzellen zu teilen und sich in Neuronen und Gliazellen - die Zelltypen, aus denen das Nervensystem besteht - zu differenzieren. Ebenfalls um die 5. Woche faltet sich die Neuralplatte in sich selbst und bildet das sogenannte Neuralrohr, welches sich bis etwa zur 6. SSW schließt und zum Gehirn und Rückenmark wird. Um die 10. Woche besitzt das Gehirn bereits eine kleine, glatte Struktur, die dem gleicht, was allgemein als Gehirn bekannt ist. Die Falten, die die verschiedenen Gehirnregionen bilden, entwickeln sich erst später in der Schwangerschaft.

Die ersten Synapsen im Rückenmark des Babys bilden sich während der 7. Schwangerschaftswoche. Ab der 8. Woche beginnt die elektrische Aktivität im Gehirn. Sie ermöglicht dem Baby, seine ersten (spontanen) Bewegungen zu koordinieren, die im Ultraschall bereits sichtbar sind. Bis zum Ende des ersten Trimesters folgen weitere unwillkürliche Bewegungen wie Dehnen, Gähnen und Saugen. Diese erfolgen bis zum Ende des zweiten Trimesters dann bereits deutlich koordinierter. Das Gehirn, das lebenswichtige Funktionen wie Herzfrequenz und Atmung steuert, ist in der Regel bis zum Ende des zweiten Trimesters vollständig entwickelt. Der zerebrale Kortex, der willkürliche Handlungen sowie das Denken und Fühlen steuert, übernimmt im dritten Trimester - also erst gegen Ende der Schwangerschaft - seine Aufgaben.

Neuronen: Die Bausteine des Nervensystems

Die Nervenzellen sind die Bausteine unseres Nervensystems. Sie besitzen einen Zellkörper und Zellfortsätze, die sie mit anderen Nervenzellen oder mit Körperzellen, wie beispielsweise Muskel- oder Drüsenzellen, verbinden. Diese Fortsätze werden als Axone und Dendriten bezeichnet. Axone leiten Signale zu anderen Neuronen oder Zielzellen weiter, während Dendriten die Signale meistens von anderen Neuronen empfangen. Die Länge der Axone und Dendriten reicht von wenigen tausendstel Millimeter bis zu über einem Meter.

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Neuronen sind die funktionellen Grundeinheiten des Nervensystems. Sie bestehen aus einem Zellkörper (Soma), kurzen Fortsätzen (Dendriten) zur Reizaufnahme und einem langen Fortsatz (Axon) zur Weiterleitung der elektrischen Erregung. Die Erregung von Neuronen basiert auf elektrischen Signalen, die durch Änderungen des Membranpotentials (Depolarisation) entstehen. Diese Aktionspotenziale entstehen, wenn ein Reiz eine bestimmte Schwelle überschreitet, und breiten sich entlang des Axons fort. Myelinisierte Axone leiten Signale durch saltatorische Erregungsleitung besonders schnell. An Synapsen wird das elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt. Botenstoffe wie Acetylcholin, Dopamin oder Serotonin überqueren den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren der Zielzelle, wo sie eine neue Erregung auslösen können.

Arten von Neuronen

Es gibt mehrere Arten von Neuronen, die aufgrund ihrer anatomischen Struktur und Funktion als sensorische Neuronen, Motoneuronen und Interneuronen klassifiziert werden können.

Je nach Anzahl der Fortsätze werden Neurone in unterschiedliche Typen eingeteilt:

• Multipolare Neurone: Besitzen neben dem Axon viele Dendriten (Beispiele: Pyramidenzellen, Purkinje-Zellen).
• Bipolare Neurone: Haben ein Axon und einen Dendriten.
• Unipolare Neurone: Besitzen nur ein Axon, aber keine Dendriten.

Eine weitere Klassifizierung unterscheidet zwischen „bedornten“ oder „unbedornten“ Neuronen, je nachdem, ob die Dendriten kleine Dornen (spines) aufweisen oder nicht. Auch der Sitz im Körper und die spezifische Funktion einer Zelle können ausschlaggebend für ihre Bezeichnung sein.

Der Zellkörper (Soma)

Der Zellkörper oder Perikaryon ist das Stoffwechselzentrum von Neuronen und üblicherweise etwa 20 Mikrometer groß. Hier werden fast alle Stoffe synthetisiert, welche die Zelle braucht, und von dort in Axone und Dendriten transportiert. Der Zellkörper, der auch Soma genannt wird, ist gefüllt mit Cytosol. Als Cytosol werden die flüssigen Bestandteile des Zytoplasmas der Zellen bezeichnet. Es besteht aus Wasser, darin gelösten Ionen, sowie kleinen und größeren wasserlöslichen Molekülen, wie etwa Proteinen. Das Cytosol wird von einem Netzwerk von fadenförmigen Proteinsträngen in unterschiedlicher Anordnung und Dicke durchzogen, darunter Mikrotubuli, Aktinfilamente und Intermediärfilamente, die zusammen das Cytoskelett bilden. Darin eingelagert finden sich die gleichen Strukturen wie in allen tierischen Zellen: die Organellen. Dazu zählt der Zellkern, der das genetische Material enthält, die DNA. Auch Mitochondrien, Ribosomen und der Golgiapparat gehören zu den Organellen.

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Unreife Neuronen

Unreife Neuronen, die auch als neurale Vorläuferzellen oder Neuroblasten bezeichnet werden, stellen ein frühes Stadium in der Entwicklung des Nervensystems dar. Diese Zellen haben sich noch nicht vollständig in reife, funktionelle Neuronen differenziert und behalten die Fähigkeit zur weiteren Entwicklung. Unreife Neuronen finden sich häufig in bestimmten Regionen des Gehirns, wie der subventrikulären Zone und dem Gyrus dentatus des Hippocampus, wo sie zur Neurogenese und zur Plastizität des Gehirns beitragen können.

Überlebensstrategien reifer Neuronen

Reife Neuronen fördern das Überleben um jeden Preis, indem sie mehrere, oft redundante Strategien einsetzen, um den Zelltod durch Apoptose zu verhindern.

Gliazellen: Die unterstützenden Zellen des Nervensystems

Neben den Neuronen enthält das Nervensystem Gliazellen und ein dichtes Netz von Blutgefäßen, das die ausreichende Zufuhr von Sauerstoff und Nährstoffen sicherstellt. Gliazellen oder Neuroglia-Zellen bilden das Stützgewebe im Nervensystem. Sie unterscheiden sich in ihrer Struktur und ihrer Funktion von den klassischen Nervenzellen. Gliazellen bilden nicht nur das Stützgewebe für die Nervenzellen, sie sind auch an ihrer Ernährung und an der Informationsweiterleitung beteiligt. Gliazellen schaffen die Voraussetzungen für die Arbeitsfähigkeit der Nervenzellen. Sie erfüllen zum einen eine Stützfunktion für das Nervengewebe, sind zum anderen auch wichtig für dessen Ernährung. Eine weitere Funktion der Gliazellen ist die Phagozytose - die Aufnahme von Partikeln in das Innere der Zelle zur Nahrungsaufnahme oder zur Eliminierung von Fremdkörpern. Auch die Informationsübertragung zwischen den Nervenzellen wird von den Gliazellen beeinflusst und gelenkt.

Gliazellen erfüllen unterstützende und versorgende Funktionen. Sie stabilisieren das neuronale Netzwerk, isolieren Axone (zum Beispiel durch Myelinscheiden), versorgen Neuronen mit Nährstoffen und beteiligen sich an der Regulation des extrazellulären Milieus.

Arten von Gliazellen im ZNS

Im ZNS gibt es vier Arten von Gliazellen:

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• Astrozyten: Sie sind spezialisierte Gliazellen, die die Zahl der Neuronen um mehr als das Fünffache übertreffen. Astrozyten versorgen Neuronen mit Nährstoffen und induzieren die Bildung von endothelialen Tight Junctions, die eine wichtige Rolle für die Blut-Hirn-Schranke spielen. Sie füllen auch den Extrazellularraum des ZNS aus. Astrozyten können identifiziert werden, weil sie im Gegensatz zu anderen ausgereiften Gliazellen saures Gliafaserprotein (GFAP) exprimieren. Sie regulieren das chemische Milieu im extrazellulären Raum, indem sie Kalium-Ionen oder Glutamat aufnehmen können. Dadurch beeinflussen sie die Funktionen der benachbarten Zellen.
• Oligodendrozyten: Sie sind die myelinisierenden Zellen des zentralen Nervensystems (ZNS). Im ZNS produzieren und erhalten Oligodendrozyten die Myelinscheide. Sie ummanteln die Axone von Neuronen und beschleunigen dadurch die Reizweiterleitung.
• Mikroglia: Obwohl Mikroglia zunächst als verzweigte hirnresidente Fresszellen beschrieben wurden, hat die Forschung des letzten Jahrhunderts diese enge Sichtweise erheblich erweitert und diesen dynamischen ZNS-Bewohnern viele Funktionen zugeschrieben. Mikroglia-Zellen haben nur kurze Fortsätze. Können sich im Gewebe bewegen und Fremdkörper aufnehmen und enzymatisch verdauen (Phagozytose).
• Ependymzellen: Sie kommen nur im ZNS und in kleinen Subarachnoidalräumen vor und kleiden die inneren Hohlräume von Gehirn und Rückenmark aus. Sie trennen damit das Nervenwasser (Liquor) vom Nervengewebe und übernehmen dort eine epithelähnliche Funktion.

Gliazellen im peripheren Nervensystem (PNS)

Im PNS werden die unterstützenden Zellen als periphere Neuroglia bezeichnet und umfassen:

• Schwann-Zellen: Sie umgeben die Nervenfasern im peripheren Nervensystem und bilden deren Markscheide. Schwann-Zellen 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/Satellitenzellen: Sie umgeben Nervenzellkörper in Ganglien, vor allem in den Spinalganglien. Das sind Ansammlungen von Nervenzellkörper, die nahe dem Rückenmark liegen. Diese Gliazellen gehören ebenfalls zum peripheren Nervensystem. Mantelzellen ähneln Schwann-Zellen, umgeben jedoch die Zellkörper der Nervenzellen.

Organisation des Nervensystems

Unser Nervensystem gliedert sich in das Zentralnervensystem (ZNS) und das periphere Nervensystem (PNS). Das Zentralnervensystem setzt sich aus dem Gehirn und dem Rückenmark zusammen. Die außerhalb von Gehirn und Rückenmark liegenden Nervenzellen gehören zum peripheren Nervensystem. Sie bilden Nervenstränge, die von Gehirn und Rückenmark in die Peripherie des Körpers verlaufen und von dort zurück.

Das Gehirn

Das Gehirn wird orientierungsweise in 5 größere Abschnitte unterteilt. Dies sind das Großhirn, das Zwischenhirn, das Mittelhirn, das Kleinhirn und das Nachhirn. Umgeben ist das Gehirn von 3 Hautschichten. Die äußere Hülle (harte Hirnhaut) ist innen mit den Schädelknochen fest verbunden. Zwischen der inneren und der mittleren Haut befindet sich Flüssigkeit, die bei Erschütterungen wie eine Art Stoßdämpfer wirkt und somit zum Schutz des Gehirns beiträgt. Im Inneren des Gehirns befinden sich 4 Hohlräume (Hirnkammern), die mit Gehirnflüssigkeit gefüllt sind. Etwa 1.400 Gramm wiegt unser Gehirn. Dabei ist das Gehirn von Männern im Durchschnitt etwas größer und schwerer als das von Frauen, wobei dieser Größenunterschied keine unmittelbaren Rückschlüsse auf geistige Merkmale wie die Intelligenz zulässt. Das Älterwerden geht nicht spurlos an unserem Gehirn vorüber.

Das Großhirn, dessen Entwicklung den Menschen mit all seinen einzigartigen und vielfältigen Fähigkeiten erst ermöglicht, nimmt 80% der Hirnmasse ein. Es besteht aus einer rechten und einer linken Großhirnhälfte, die durch einen breiten und dicken Nervenstrang (den „Balken“) miteinander verbunden sind. Die äußere Schicht des Großhirns bildet die Großhirnrinde. Sie ist 2 bis 3 Millimeter dick und wird auch, wegen ihres Aussehens, als graue Substanz bezeichnet. Ihre graue Farbe erhält die Großhirnrinde von den Zellkörpern der Neurone. Unterhalb der Großhirnrinde befindet sich die weiße Substanz.

Graue und weiße Substanz

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. Im Gehirn befindet sich die graue Substanz hauptsächlich in der äußeren Rinde, während sie im Rückenmark zentral liegt. Die weiße Substanz befindet sich im Gehirn unterhalb der Rinde und im Rückenmark peripher um die graue Substanz.

Das periphere Nervensystem

Das periphere Nervensystem besteht aus sämtlichen Nerven, die außerhalb von Gehirn und Rückenmark liegen. Es verbindet das ZNS mit Organen, Muskeln, Haut und Sinnesorganen. Dazu zählen die Hirnnerven (mit Ursprung im Gehirn) und die Spinalnerven (mit Ursprung im Rückenmark). Auch im PNS gibt es Ansammlungen von Nervenzellkörpern, sogenannte Ganglien, die insbesondere im vegetativen Nervensystem eine wichtige Rolle spielen.

Das somatische Nervensystem ermöglicht bewusste Wahrnehmung und willkürliche Bewegungen. Es steuert die Skelettmuskulatur und ist für die Weiterleitung von sensorischen Informationen aus der Umwelt - wie etwa Berührung, Temperatur oder Schmerz - verantwortlich. Das vegetative Nervensystem reguliert die unwillkürlichen Körperfunktionen, wie Atmung, Verdauung, Stoffwechsel oder Herzschlag. Es agiert unabhängig vom bewussten Willen und funktioniert weitgehend autonom. Es besteht aus dem Sympathikus (aktiviert den Körper in Stresssituationen), dem Parasympathikus (fördert die Erholung und Regeneration) und dem enterischen Nervensystem (ENS), das als „Bauchhirn“ bekannt ist und weitgehend selbstständig die Bewegungen und Sekretionen des Magen-Darm-Trakts steuert.

Die Blut-Hirn-Schranke

Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) ist eine physiologische Barriere zwischen dem Blutkreislauf und dem Zentralnervensystem. Aufgrund ihrer sehr selektiven Filterfunktion schützt die BHS das Gehirn einerseits vor Krankheitserregern und Giftstoffen. Andererseits erschwert diese Schutzfunktion zuweilen auch den Transfer von Neurotransmittern und Wirkstoffen, mit denen Ärzte eine neurobiologische Erkrankung behandeln wollen. Für die BHS sind vor allem zwei Zelltypen wichtig. Zum einen die Endothelzellen der Kapillaren: Sie kleiden die Blutgefäße zum Blut hin aus. Die Zellen sind über so genannte tight junctions eng miteinander verknüpft - das sind schmale Bänder von Membranproteinen, die sich straff um die Zellen herum winden. Diese tight junctions haben einen großen Anteil an der Schrankenfunktion der BHS. Zum anderen prägen Astrozyten die BHS: Sie bedecken mit ihren Fortsätzen („Füßchen“) die Kapillargefäße.

Erkrankungen des Nervensystems

Das Nervensystem kann von einer Vielzahl angeborener und erworbener Erkrankungen betroffen sein. Viele davon beeinträchtigen die Lebensqualität erheblich oder führen zu dauerhaften Behinderungen. Einige Beispiele sind:

• Schlaganfall (Apoplex): Eine plötzliche Durchblutungsstörung im Gehirn führt zu neurologischen Ausfällen.
• Morbus Parkinson: Eine neurodegenerative Erkrankung mit Untergang dopaminerger Neurone in der Substantia nigra.
• Multiple Sklerose (MS): Eine chronisch-entzündliche Erkrankung des ZNS mit Entmarkung von Axonen. Multiple Sklerose ist 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. Das klinische Erscheinungsbild ist sehr unterschiedlich, umfasst jedoch typischerweise neurologische Symptome, die das Sehvermögen, die motorischen Funktionen, die Sensorik und die autonomen Funktionen beeinflussen.
• Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Eine vereinzelt spontan auftretende oder vererbte neurodegenerative Erkrankung der ersten und zweiten Motoneurone. Die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist durch Anzeichen und Symptome gekennzeichnet, die auf die Koexistenz von Degeneration beider Motoneurone hinweisen.
• Gliome: Ein Gliom ist der häufigste bösartige Hirntumor. Er bildet sich aus Gliazellen des Nervengewebes. Je nachdem, aus welcher Art von Gliazellen der Tumor hervorgeht, unterscheidet man verschiedene Formen wie Astrozytom, Glioblastom, Oligodendrogliom oder Ependymom.
• Guillain-Barré-Syndrom (GBS): Eine Familie von immunvermittelten demyelinisierenden Polyneuropathien, die nach Infektionen auftreten, bei denen das Immunsystem die Myelinscheide und Schwann-Zellen angreift.
• Rabiesvirus (Tollwut): Eine Virusinfektion, die am häufigsten durch den Biss eines infizierten Tieres auf den Menschen übertragen wird. Das Tollwutvirus befällt vor allem neurales Gewebe und dringt in die peripheren motorischen und sensorischen Nerven ein, um retrograd zum ZNS zu wandern.

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