2.2 Wie kommunizieren Neuronen?

• Gliazellen

• Neuronen

• Hochspezialisierte tierische Zellen

• Registrieren Veränderungen der Umgebung und lösen körperliche Reaktionen aus

• Ca. 86 Milliarden im menschlichen Gehirn

• Dichte variiert zwischen einzelnen Gehirnregionen (z.B. sehr viele im Kleinhirn) 

• Sensorische Neuronen: Registrieren Infos aus Umwelt oder Körperinnerem, reagieren auf spezifischen Input

• Interneuronen: Kommunikation innerhalb des Nervensystems, Integration von Infos

• Motoneuronen: verursachen Bewegungen durch Befehle zur Muskelkontraktion / - entspannung

--> Arbeiten ständig zusammen 

• Soma (Zellkörper, Perikaryon): Enthält Zellkern (Nucleus) und Organellen

• Dendriten: Empfang von Informationen, kürzer als Axone, mehrere pro Neuron

• Axon: Fortsatz, Weitergabe von Informationen, meist nur eines pro Neuron

• Grenzt Neuron von Umgebung ab

• Lipid-Doppelschicht (= zwei Schichten von Fettmolekülen mit eingebetteten Proteinmolekülen) 

Mitochondrien, Golgi-Apparate, Ribosomen... 

Die komplette genetische Information des Individuums (DNA) 

• Fortsatz des Neurons

• Meistens genau eines, tritt am Axonhügel aus dem Zellkörper aus

• Länge variiert (von unter 1 mm bis über 1m)

• Kann sich verzweigen -> Kommunikation mit mehreren Teilen des Nervensystems

• Informationsweitergabe an andere Zellen an der Axonterminale bzw. dem Synapsenendköpfchen (Ende des Axons) 

• Bereiten Nährstoffe für Neuronen auf

• Entsorgen zelluläres Abfallmaterial abgestorbener und beschädigter Neuronen

• Nehmen überschüssige Neurotransmitter aus dem synaptischen Spalt auf

• Sind an der Blut-Hirn-Schranke beteiligt

• Unterstützen Neuronen während der embryonalen Entwicklung dabei, zum richtigen Ort zu kommen

• Spielen sehr wahrscheinlich eine aktive Rolle bei neuronaler Kommunikation durch den Einfluss auf die Ionenkonzentration

• Bilden die Myelinschicht 

• Schutzschicht für das Axon, aus Gliazellen

• Schutz vor mechanischer Beanspruchung, erhöht Leitungsgeschwindigkeit von Nervenimpulsen

• Besteht aus Segmenten -> unmyelinisiert = Ranvier-Schnürringe

• Unmyelinisierte Stellen zwischen der Myelinschicht

• Beschleunigen Impulsübertragung

• Zentrales Nervensystem (Gehirn und Rückenmark): Oligodendrozyten

• Peripheres Nervensystem: Schwann-Zellen 

• Spannungsunterschied an der Membran

• Entsteht durch unterschiedliche Konzentration von geladenen Atomen in den Flüssigkeiten innerhalb (intrazelluläre Flüssigkeit, Cytosol) und außerhalb der Zellmembran (extrazelluläre Flüssigkeit)

• Flüssigkeiten: Hauptsächlich Wasser, darin Ionen gelöst

• Ca. -70 Millivolt

• Bedeutet, dass innerhalb der Zellmembran im Vergleich zum Äußeren eine negative Ladung vorherrscht

• Entsteht durch ungleiche Ionenverteilung sowie unterschiedliche Durchlässigkeit (Permeabilität) der Zellmembran 

• Positiv geladene Natriumionen: Hohe extrazelluläre Konzentration

• Negativ geladene Chloridionen: Hohe extrazelluläre Konzentration

• Positiv geladene Kaliumionen: Hohe Konzentration im Zellinneren

• Für bestimmte Ionen gibt es eine Möglichkeit, durch die Zellmembran zu gelangen

• Funktioniert durch Ionenkanäle, die auf bestimmten Ionentyp spezialisiert sind, können sich öffnen und schließen 

• Unterschiedliches Ausmaß der Durchlässigkeit für verschiedene Ionen

• Ruhezustand: hoch permeabel für Chlorid- und Kaliumionen, niedrig für Natriumionen -> gelangen nicht ins Zellinnere 

• Moleküle wollen immer gleichmäßig verteilt sein -> Richtung der Bewegung immer zu Bereichen mit niedriger Konzentration = Diffusion

• Ionen kommen entweder in intra- oder extrazellulärer Flüssigkeit häufiger vor -> Diffusionsbewegung, wollen auf andere Seite der Membran 

• Auch im Ruhezustand Spannungsunterschied (-70 mV)

• Ionen wollen diesen ausgleichen (beim Ruhepotenzial: Na+-Ionen wollen nach innen, K+ und Cl- sind zufrieden) 

• Na+ ->Konzentrationsgradient und Potenzialgradient wirken in die gleiche Richtung (in das Zellinnere), einige Na+- Kanäle sind offen

• Natrium-Kalium Pumpe verhindert, dass sich Membranpotenzial ändert, indem sie Na+ nach außen und K+ nach innen befördert

• Selektive Permeabilität

• Konzentrationsgradient

• Potenzialgradient

• Natrium-Kalium Pumpe 

• Führen zur Depolarisation der Zellmembran

• Senken vorhandene Polarisation der Zellmembran, Membranpotenzial wird weniger negativ (Richtung Nullpunkt)

• Steigern die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Neuron Informationen weitergibt 

• Führen zur Hyperpolarisation der Zellmembran

• Verstärken vorhandene Polarisation der Zellmembran, Membranpotenzial wird noch negativer

• Senken die Wahrscheinlichkeit für Informationsweitergabe des Neurons 

• Wenn das Gesamtsignal den Schwellenwert überschreitet (ca. -55 mV)

• Erregung unter dem Schwellenwertkein Aktionspotenzial = Alles-oder-Nichts- Gesetz 

• Massive, kurzzeitige Umkehrung des Membranpotenzials

• Von -70 mV auf ca. +50 mV 

• Zellmembran: Spannungsgesteuerte Ionenkanäle (Ionen wandern nur bei gewisser Spannung durch die Membran), im Ruhezustand geschlossen

• Überschritt des Schwellenwerts: Na+-Kanäle öffnen sich, Einstrom von Na+ ->Membranpotenzial steigt

• Nach ca. 1 ms schließen sich die Na+-Kanäle wieder, K+-Kanäle öffnen sich -> Membranpotenzial wird wieder negativ

• Erreichen des Ruhepotenzials: K+-Kanäle schließen sich wieder 

• Stimulus führt zur Überschreitung des Schwellenwerts

• Depolarisation: Membranpotenzial wird immer weniger negativ

• Overshoot: Positives Membranpotenzial bis zu 50 mV

• Repolarisation: Abfall der Polarisierung bis zum Ruhepotenzial

• Hyperpolarisation: Membranpotenzial negativer als Ruhepotenzial, Nachpotenzial 

• Absolute: Kein Auslösen eines neuen Aktionspotenzials möglich (ab der Depolarisation)

• Relative: Erhöhte Erregungsstärke erforderlich, um neues AP auszulösen (bis zum Nachpotenzial) 

• Passiv, da durch die Myelinschicht kein Kontakt mit der extrazellulären Flüssigkeit stattfindet -> dadurch schnell, aber Signal nimmt immer weiter ab, nur über kurze Strecken möglich

• Lösung: Saltatorische Erregungsleitung 

• Ranvier-Schnürringe -> Zellmembran hat Kontakt mit extrazellulärer Flüssigkeit und somit mit Natriumkanälen

• Erregung springt von Schnürring zu SchnürringAbstand darf nicht zu groß sein!

• Fehlende Myelinisierung bringt große Probleme bei der Erregungsleitung mit sich 

• Neurologische Erkrankung, Myelin im ZNS durch Immunsystem angegriffen und zerstört (Demyelinisierung)

• Funktion der beschleunigten Informationsweitergabe geht verloren, Nervenzellen werden geschädigt

• Folgen: Sehstörungen, Muskelschwäche, Taubheit, Lähmungen

• Verlauf: Beginn im 20.-45. Lebensjahr, verläuft in Schüben oder progredient (andauernde Verschlechterung)

• Genaue Ursachen nicht bekannt, nicht heilbar, Medikamente (Reduktion der Schubdauer, Häufigkeit und Schwere) 

• Der Ort, an dem die Axonterminale/das Synapsenendknöpfchen auf das Soma eines anderen Neurons trifft

• Informationsübertragung zwischen Neuronen, synaptische Übertragung 

• Chemische Synapsen 

• Elektrische Synapsen 

• = häufigste Art von Synapsen im Gehirn

• Zellmembranen berühren sich nicht, Übertragung über chemische Stoffe, die von einer Zelle ausgeschüttet werden und in der anderen bestimmte Prozesse auslösen 

• = gap junctions

• Zellmembranen zweier nahe aneinander liegenden Zellen, verbunden durch gegenüberliegende Ionenkanäle (Art Röhre)

• Ionen/Moleküle wandern von Zelle zu Zelle

• Übertragung in beide Richtungen, sehr schnell 

• Axonterminale der Präsynapseviele Bläschen (Vesikel) mit chemischen Stoffen (Neurotransmitter)

• Neurotransmitter werden durch Aktionspotenzial (Öffnung von Calciumkanälen) ausgeschüttet (Exocytose) und überbrücken den synaptischen Spalt

• Neurotransmitter docken an Rezeptoren der Postsynapse (Schlüssel-Schloss-Prinzip) und lösen dort Potenziale aus 

• Freisetzung von Neurotransmittern

• Aktionspotenzial/Depolarisation bewirkt Öffnung von Calciumkanälen, Vesikel verschmelzen mit der Membran und Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt ausgeschüttet 

Verschiedene Möglichkeiten:

• Wiederaufnahme in die präsynaptischen Endknöpfchen

• Abbau durch Enzyme

• Aufnahme durch Astrozyten, die Neurotransmitter wiederverwerten 

• Stoffe, die an chemischen Synapsen Erregung weiterleiten

• Bestimmen die Reaktion der empfangenden Zelle auf die Informationsübertragung 

• Wichtigster exzitatorischer Neurotransmitter im Gehirn

• Verantwortlich für emotionale Reaktionen, Gedächtnis, Lernen

• NT der Sinneszellen 

• Wichtigster inhibitorischer Neurotransmitter im Nervensystem, vor allem im Gehirn

• Angstlösend, schlaffördernd und muskelentspannend 

• Wichtiger Neurotransmitter für Motivations- und Belohnungsprozesse

• Mangel kann zu Problemen der Bewegungsfähigkeit führen (z.B. Morbus Parkinson) 

• Wichtiger Neurotransmitter für emotionale Regulation

• SSRI (selective serotonine reuptake inhibitors): Medikamente zur Hemmung der Wiederaufnahme von Serotonin aus dem synaptischen Spalt, bei Depressionen hilfreich 

• Wichtiger Neurotransmitter bei Kommunikation zwischen Nerven und Muskeln; motorische Kontrolle

• Wichtig für komplexe mentale Vorgänge (Lernen, Gedächtnis, Schlaf, Träumen) 

• Neurotransmitter, Vorstufe zu Adrenalin

• Aktivierend, bei physiologischer Erregung und Wachheit beteiligt