Nervenzellen: Aufbau und Funktion von Neuronen

Ständig gereizt? Diese Frage müssten unsere Nervenzellen wohl eindeutig mit ja beantworten. Doch auch wenn sie dauernd unter Strom stehen, ist von Chaos im Nervensystem keine Spur. Mit höchster Präzision und Schnelligkeit arbeiten Milliarden von Nervenzellen koordiniert zusammen, um Informationen auszutauschen und uns so Handlungen, Gedanken und Emotionen zu ermöglichen. Wir stellen Dir die faszinierenden Kommunikationsspezialisten einmal genauer vor.

Was sind Nervenzellen?

Die Nervenzelle (med.: Neuron) ist eine hoch spezialisierte Zelle, die der Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Nervenimpulsen dient (sog. Erregungsleitung). Sie spielen eine wichtige Rolle im menschlichen Körper, denn ohne ihre Arbeit würden unsere Organe nicht reibungslos funktionieren und wir wären nicht in der Lage, unsere Umwelt wahrzunehmen und mit ihr zu interagieren.

Damit die Nervenzellen ihre Funktion als Kommunikationsspezialisten gut erfüllen können, sind sie zu einem großen Netzwerk, dem Nervensystem zusammengeschaltet. Allein in unserem Gehirn, dem Schalt- und Kontrollzentrum des Nervensystems, sind rund 100 Milliarden Nervenzellen im Einsatz. Bis heute ist allerdings nur ansatzweise bekannt, wie einzelne Verschaltungsprozesse im Gehirn, darunter Bewusstsein, Gedächtnis oder Erinnerung genau funktionieren.

Aufbau: welche Bestandteile haben Nervenzellen?

Der Aufbau einer Nervenzelle ist komplex und faszinierend zugleich. Denn neben „gewöhnlichen“ Bestandteilen einer Zelle wie den Mitochondrien oder dem Zellkern zeigt das Neuron eine Reihe einzigartiger Bestandteile, die für die Erregungsleitung essenziell sind, darunter die Dendriten, das Axon und die Synapsen.

Zellkörper (Soma)

Der Zellkörper der Nervenzelle, auch Soma genannt, enthält den Zellkern sowie alle Zellorganellen, die für die Funktionsfähigkeit der Zelle wichtig sind, darunter Nissl-Schollen, Golgi-Apparat und Mitochondrien. Von letzteren ist das Neuron aufgrund seines hohen Energiebedarfs in besonderem Maße abhängig. Mitochondrien dienen der Energiegewinnung und Störungen in diesen Zellorganellen wurden in den vergangenen Jahren mit verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson oder der peripheren Neuropathie in Verbindung gebracht.

Dendrit

Dendriten sind feine Verästelungen des Zellkörpers (sog. Zellfortsätze), die über Synapsen mit anderen Nervenzellen in Kontakt stehen. Sie empfangen deren Signale und leiten sie anschließend an den Zellkörper weiter. Dendriten stellen also gewissermaßen die Antennenregion der Nervenzelle dar. Dabei nehmen sie die elektrischen Impulse aber nicht nur passiv auf, sondern filtern und verändern sie aktiv.

Axon

Als Axon bzw. Neurit wird der Neuron Fortsatz bezeichnet, der aus dem Axonhügel hervorgeht und die elektrischen Impulse vom Zellkörper zum Ende der Nervenzelle leitet. Im Gegensatz zu den kürzeren Dendriten kann die Länge des Axons je nach Funktion und Lokalisation der Nervenzelle bis zu einem Meter und mehr betragen. An seinem Ende verzweigt sich das Axon in wurzelartige synaptische Endknöpfchen, über die der Kontakt zur nächsten Zelle hergestellt wird.

Axonhügel

Der Axonhügel bildet den Ursprung des Axons am Zellkörper der Nervenzelle. Hier werden die einkommenden elektrischen Impulse gesammelt und verrechnet, bis sie eine bestimmte Schwelle überschreiten. Haben sie das sogenannte Schwellenpotenzial erreicht, wird der Reiz (Aktionspotenzial) über das Axon zur nächsten Zelle weitergeschickt. Die „Sammlung“ der Signale nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip verhindert, dass unser Körper ungefiltert auf jeden noch so kleinen Reiz reagiert.

Schwannsche Zelle

Schwannsche Zellen sind Stütz- und Hüllzellen der Neuronen im peripheren Nervensystem. Sie sind nicht direkt an der Reizweiterleitung beteiligt, sondern haben die Aufgabe, die Nervenzelle zu stabilisieren und zu ernähren. Schwann-Zellen produzieren zudem die fetthaltige Substanz Myelin, die die Grundsubstanz der sogenannten Myelinscheide bildet.

Myelinscheide

Als Myelinscheide oder Markscheide wird die von Schwannschen Zellen gebildete elektrische Isolationsschicht bezeichnet. Wie ein Verband legt sie sich um das Axon der Neuronen des peripheren Nervensystems herum und sorgt so nicht nur für deren Schutz, sondern auch für die Beschleunigung der Erregungsleitung. Im zentralen Nervensystem (ZNS), also dem Gehirn und Rückenmark, werden die Nervenzellen ebenfalls von einer Myelinscheide umgeben. Diese wird jedoch nicht von Schwannschen Zellen, sondern von Oligodendrozyten gebildet.

Ranvierscher Schnürring     

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 „Springen“ des elektrischen Potenzials von Schnürring zu Schnürring wird auch saltatorische Erregungsleitung genannt.

Synaptisches Endknöpfchen

Synaptische Endknöpfchen bilden das Ende der Nervenzelle, an dem mithilfe von Synapsen ankommende elektrische Signale zur nächsten Nervenzelle oder einer anderen Zelle (z. B. Muskelzelle, Drüsenzelle) übertragen werden.

Meist wird das elektrische Potenzial dazu in sogenannten Neurotransmitter (Nervenbotenstoffe) „umgewandelt“. Zu den Neurotransmittern gehören eine Reihe chemischer Botenstoffe wie z. B. Acetylcholin, Noradrenalin, Dopamin oder Glutamat. Diese werden in chemischen Synapsen in kleinen Bläschen, den synaptischen Vesikeln, gelagert. In seltenen Fällen (z. B. bei Herzmuskelzellen) wird ein elektrischer Impuls auch direkt über elektrische Synapsen zur benachbarten Zelle übertragen.

Arbeitsweise: Wie funktionieren Nervenzellen?

Zahlreiche Antennen und ein leistungsstarkes Datenkabel machen es möglich, dass Nervenzellen in Windeseile untereinander und mit anderen Körperzellen kommunizieren. Wichtige Schaltstellen bilden hierbei die Synapsen, deren Anzahl je nach Zelltyp zwischen genau einer und über 100.000 variieren. Sie bestehen aus drei Bereichen:

1. der präsynaptischen Endigung am synaptischen Endknöpfchen der Nervenzelle, die die Informationen sendet,
2. einem synaptischen Spalt, der die Sender- und Empfängerzelle trennt, und
3. dem Antennenbereich der Empfängerzelle, die die Informationen aufnimmt (Postsynapse).

Trifft nun ein elektrisches Signal über das Axon am Nervenende ein, erhöht sich die elektrische Spannung an der präsynaptischen Membran, d. h. die Ladungsverteilung zwischen der im Ruhezustand negativ geladenen Innenseite und der positiv geladenen Außenseite verändert sich.

In der Folge bewegen sich mit Neurotransmittern gefüllte synaptische Vesikel in Richtung der Membran und verschmelzen mit ihr. Dabei werden die Botenstoffe in den synaptischen Spalt abgegeben und „wandern“ zur Empfängerzelle. Dort angekommen, binden die Neurotransmitter an Andockstellen (Rezeptoren) der postsynaptischen Membran, was zu einer Öffnung von Ionenkanälen führt.

Elektrisch geladene Teilchen strömen in die Zelle ein und verändern die Spannung der Empfänger Zelle (postsynaptisches Potenzial). Der entstehende Reiz wird anschließend über die Dendriten und dem Zellkörper zum Axonhügel weitergeleitet, wo bei einem ausreichend starken elektrischen Impuls ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Dabei steigt die Spannung an der Axonmembran durch den Einstrom positiv geladener Natrium Teilchen weiter an, bis sie ihr Maximum erreicht hat (sogenannte Depolarisation).

Anschließend schließen sich die Natriumkanäle wieder. Die Spannung sinkt zurück auf das Ruhepotenzial (sogenannte Repolarisation). Durch die Spannungsänderungen an der Axonmembran wird ein elektrischer Impuls bis zum synaptischen Endknöpfchen weitergeleitet.

Arten von Nervenzellen

In der Neurobiologie können Nervenzellen nach verschiedenen Charakteristika eingeteilt werden. Zum Beispiel nach ihrem Aussehen (Morphologie) oder ihrer Funktion.

Entsprechend der Morphologie werden häufig vier verschiedene Arten von Nervenzellen unterschieden:

• Unipolare Nervenzelle: Neuron mit einem Fortsatz (Axon); lange wurden die Sinneszellen der Augen dazu gezählt. Heute geht man jedoch davon aus, dass es sich bei diesen Zellen um modifizierte bipolare Nervenzellen handelt.
• Bipolare Nervenzelle: Neuron mit zwei separaten Fortsätzen (Axon und Dendrit); dient der Vermittlung bestimmter Sinne (z. B. im Ohr oder der Regenbogenhaut im Auge).
• Pseudounipolare Nervenzelle: Neuron, bei dem Dendrit und Axon aus einem gemeinsamen Fortsatz in der Nähe des Zellkörpers entspringen (z. B. sensible Nervenzellen des peripheren Nervensystems).
• Multipolare Nervenzelle: Neuron mit vielen Dendriten und einem Axon; multipolare Nervenzellen gehören zu den am häufigsten vorkommenden Nervenzellen (z. B. Motorneurone des zentralen Nervensystems).

Wird die Einteilung anhand ihrer Funktion vorgenommen, werden Nervenzellen wie folgt differenziert:

• Motorische Nervenzelle: sendet motorische Signale vom Gehirn oder dem Rückenmark zu den Muskelzellen (Steuerung von Bewegungsabläufen sowohl im somatischen als auch im vegetativen Nervensystem).
• Sensible Nervenzelle: dient der Wahrnehmung von Sinneseindrücken und Veränderungen im Körperinneren; sendet sensorische Informationen aus dem peripheren Nervensystem zum Gehirn.
• Interneurone: dienen als Vermittler zwischen zwei oder mehreren Nervenzellen und verschalten diese miteinander.