Abb. 1: Bestandteile eines Neurons
Zellkörper (Soma): Der Zellkörper enthält den Zellkern, der die genetische Information des Neurons enthält und somit die Steuerzentrale für alle zellulären Prozesse ist. Außerdem befinden sich im Soma die meisten Organellen, wie Mitochondrien, die für die Energieproduktion benötigt werden, und das endoplasmatische Retikulum, an dem die Proteinbiosynthese stattfindet.
Dendriten: Die Oberfläche der Dendriten ist mit Rezeptoren bedeckt, die auf Neurotransmitter reagieren. Diese Strukturen ermöglichen es den Dendriten, eine Vielzahl von Signalen von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren aufzunehmen und diese Signale zum Zellkörper zu leiten, wo sie integriert werden.
Axonhügel: Der Axonhügel ist der Ort, an dem Aktionspotentiale generiert werden. Er fungiert als Segment mit dem das Neuron bei Überschreiten des Schwellenwerts ein Aktionspotential auslöst. Am Axonhügel erfolgt die Integration von Signalen, die darüber entscheidet, ob und in welchem Ausmaß das Neuron Aktionspotenziale erzeugt.
Axon: Das Axon ist oft von einer Myelinscheide umgeben, die aus Fett und Gliazellen besteht. Diese Schicht dient als Isolator und ermöglicht eine schnellere Signalübertragung entlang des Axons, indem sie das Aktionspotential von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten springen lässt.
Ranvier-Schnürringe: Die Unterbrechungen in der Myelinscheide entlang des Axons ermöglichen eine schnellere saltatorische Erregungsleitung. Durch das Springen des Aktionspotentials von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten wird die Geschwindigkeit der Signalübertragung erhöht.
Myelinscheide: Diese Schicht aus Gliazellen isoliert das Axon und fördert eine schnellere Leitungsgeschwindigkeit von Aktionspotentialen. Sie ist besonders wichtig für die Langstreckenkommunikation im Nervensystem.
Schwann-Zellen: Schwann-Zellen sind ein spezieller Typ von Gliazellen, die es nur im peripheren Nervensystem gibt. Im Zentralen Nervensystem wird diese Funktion von Oligodendrozyten übernommen.
Endknöpfchen (Synaptische Endigung): Die Endknöpfchen sind mit zahlreichen Vesikeln gefüllt, die Neurotransmitter enthalten. Diese Vesikel fusionieren mit der präsynaptischen Membran und setzen die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt frei. Dort binden sie an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran, was eine Weiterleitung des Signals an das nachgeschaltete Neuron oder die Zielzelle ermöglicht.
Das Membranpotential einer Nervenzelle ist das grundlegende elektrische Potenzial, das über die Zellmembran einernicht-erregten Nervenzellebesteht. Es entsteht durch das Zusammenspiel vonIonen und Ionenkanälen, die sich über die Membran erstrecken.Die Membran einer Nervenzelle istselektiv permeabel, was bedeutet, dass sie bestimmten Ionen das Durchqueren erleichtert, während sie andere Ionen zurückhält.Kaliumionen (K+) spielen eine zentrale Rolle beim Membranpotential, da sie durch„leaky“ Kaliumkanäleleichter die Membran passieren können, was zu einem Ausstrom von Kaliumionen und einernegativen Ladung im Innerenführt.Im Gegensatz dazu sind Natriumionen (Na+) aufgrundgeschlossener Natriumkanäleweniger durchlässig. Die höhere Konzentration von Na+außerhalb der Zelle wird durch diese Undurchlässigkeit ausgeglichen, was zurStabilisierung des Membranpotentialsbeiträgt.Andere Ionen wie Chlorid (Cl–) können ebenfalls eine Rolle spielen, obwohl ihre Auswirkungen weniger eindeutig sind.Dies führt dazu, dass sich beide Prozesse im Gleichgewicht befinden. Das daraus resultierendeKaliumgleichgewichtspotential, das durch K+-Ionen entsteht, bildet die Grundlage für das Membranpotential, das im Ruhezustand von Neuronen (sowie bei Sinnes- und Muskelzellen) vorliegt, bekannt alsRuhepotential. Die Höhe dieses Ruhepotentials, das bei den meisten Neuronen etwa -70 mV beträgt, wird in geringem Maße durch Ionenströme von Na+- und Cl–-Ionen beeinflusst, für die die Membran nur begrenzt permeabel ist.
Ruhepotential: Die Zellmembran einer Nervenzelle ist polarisiert, was bedeutet, dass sie eine Ladungsunterschied zwischen dem Inneren und dem Äußeren aufweist. Diese Polarisation wird durch die Verteilung von Ionen über die Membran aufrechterhalten, insbesondere durch Kalium- und Natriumionen.
Depolarisation: Ein Reiz, wie zum Beispiel ein elektrisches Signal von einer anderen Nervenzelle, löst die Depolarisation aus. Dabei öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle, und Natriumionen strömen schnell in die Zelle ein, wodurch die Ladung im Inneren positiver wird.
Abb. 1: Ablauf eines Aktionspotentials
Schwellenwert: Wenn die Depolarisation einen kritischen Schwellenwert erreicht, löst dies eine Kaskade von Ereignissen aus. Die Spannungsgesteuerten Natriumkanäle öffnen sich vollständig, was zu einem schnellen und starken Einstrom von Natriumionen führt.
Aktionspotential: Dies ist der Höhepunkt der Depolarisation, bei dem die Membranpotentialdifferenz kurzzeitig umkehrt, und das Innere der Zelle wird positiver als das Äußere. Dieses Aktionspotential dient dazu, das Signal entlang der Nervenzelle weiterzuleiten.
Repolarisation: Nachdem das Aktionspotential ausgelöst wurde, öffnen sich spannungsgesteuerte Kaliumkanäle in Reaktion darauf, und Kaliumionen strömen aus der Zelle heraus. Dies führt dazu, dass das Innere der Zelle wieder negativer wird und die Membranpotentialdifferenz wiederhergestellt wird.
Hyperpolarisation: In einigen Fällen kann die Repolarisation über das Ruhepotential hinausgehen, was zu einer vorübergehenden Hyperpolarisation führt. Dabei wird das Innere der Zelle noch negativer als im Ruhezustand.
Refraktärphase: Die spannungsgesteuerten Natriumionenkanäle werden nach dem Öffnen für etwa drei Millisekunden inaktiv. In dieser Refraktärphase können sie erst gar nicht und dann nur durch starke Depolarisation erneut geöffnet werden, bevor ein neues Aktionspotenzial möglich ist. Die Natrium-Kalium-Pumpe sorgt dafür, dass die Ionenverteilung auch nach vielen Aktionspotenzialen stabil bleibt.
Die Erregungsleitung ist ein zentraler Mechanismus im Nervensystem, der die Weiterleitung elektrischer Signale entlang von Nervenzellen ermöglicht.Es gibt zwei grundlegende Arten der Erregungsleitung:
Saltatorische Erregungsleitung: Diese tritt in myelinisierten Nervenfasern auf, wo das Axon von einer isolierenden Myelinscheide umgeben ist. An den Zwischenräumen zwischen den Myelinscheiden, den sogenannten Ranvier- Schnürring, erfolgt die schnelle und effiziente Weiterleitung des Aktionspotenzials. Durch diesen sprunghaften Mechanismus wird die Erregung über lange Distanzen im Nervensystem übertragen. Saltatorische Erregungsleitung ist charakteristisch für schnellleitende Nervenfasern, wie sie beispielsweise in motorischen und sensorischen Bahnen des Rückenmarks vorkommen.
Kontinuierliche Erregungsleitung: Bei nicht-myelinisierten Nervenfasern, die keine Myelinscheide besitzen, tritt die kontinuierliche Erregungsleitung auf. Hier breitet sich das Aktionspotenzial kontinuierlich entlang des gesamten Axons aus, ohne sprunghafte Übergänge. Obwohl langsamer als die saltatorische Erregungsleitung, ermöglicht diese Form dennoch eine effektive Signalübertragung, insbesondere über kurze Distanzen. Kontinuierliche Erregungsleitung ist typisch für Nervenfasern, die sensorische Informationen aus dem Körperinneren oder von der Haut übertragen.
Die Synapse verbindet zwei Neuronen und ermöglicht die Übertragung von Informationen im Nervensystem. Diese Übertragung kann durch chemische oder elektrische Signale erfolgen, je nachdem, ob es sich um eine chemische oder elektrische Synapse handelt.
Chemische Synapse: In einer chemischen Synapse werden Signale durch Neurotransmitter übertragen. Wenn ein Aktionspotential das Ende eines Neurons erreicht, öffnen sich Calciumkanäle in der präsynaptischen Membran. Der Einstrom von Calciumionen führt zur Verschmelzung von Neurotransmitter-haltigen Vesikeln mit der Membran, wodurch die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Diese Neurotransmitter diffundieren durch den Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran. Dadurch öffnen sich Natriumkanäle in der postsynaptischen Membran, und Natriumionen strömen in das postsynaptische Neuron ein, was eine Depolarisation und eine elektrische Reaktion auslöst, die das Signal weiterleitet.
Abb. 4: Signalübertragung an einer erregenden Synapse
Elektrische Synapse: Elektrische Synapsen hingegen ermöglichen eine direkte elektrische Kommunikation zwischen Neuronen. Hier sind die präsynaptische und postsynaptische Membran durch gap junctions verbunden, die den Fluss von Ionen zwischen den Zellen ermöglichen. Dies ermöglicht eine schnellere und synchronisierte Signalübertragung im Vergleich zu chemischen Synapsen.
Synapsen sind entscheidend für Lernen, Gedächtnis, Motorik und sensorische Verarbeitung. Ihre Anpassungsfähigkeit ermöglicht dem Gehirn, sich zu verändern und neue Informationen zu speichern. Störungen der Synapsen können neurologische Erkrankungen verursachen, was ihre zentrale Rolle im Gehirn und in der Entwicklung von Behandlungen betont.
Synapsengifte sind Substanzen, die die normale Funktion von Synapsen im Nervensystem stören oder blockieren können. Diese Gifte können auf verschiedene Weisen wirken, einschließlich der Hemmung der Neurotransmitterfreisetzung, der Blockade von postsynaptischen Rezeptoren oder der Beeinträchtigung des Signalwegs zwischen den Neuronen.
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