Die Nervenzelle oder das Neuron
Die Nervenzelle oder auch das Neuron genannt ist der Zelltyp aus dem unser Nervensystem besteht.
Das Nervensystem wird grob eingeteilt in peripheres (am Rande befindlich oder auch außen) und zentrales Nervensystem. Das zentrale Nervensystem wird gebildet aus dem Rückenmark und dem Gehirn. Im Gehirn des Menschen befinden sich etwa 100 Milliarden Nervenzellen.
Inhalt
- Eine Frage des Typs – die verschiedenen Arten von Nervenzellen
- Aufbau der Nervenzelle
- Hauptaufgabe der Nervenzelle – Der Transport von Signalen
- Video:Aufbau einer Nervenzelle
Die Gliazellen – der Freund und Helfer der Neuronen
Die Nervenzellen sind aber nicht die einzigen Zellen, die man im Gehirn findet. Neben den Nervenzellen gibt es auch Gliazellen (von glia griechisch für Leim) welche viele verschiedene Funktionen übernehmen, wie Stütz- und Haltefunktion (daher der Name), sie bilden die Immunabwehr des Gehirns und formen die Bluthirnschranke, sind bei der Signalweiterleitung beteiligt und sorgen für die elektrische Isolation der Nervenzellen. Im Gehirn des Menschen gibt es etwa ebenso viele Gliazellen wie Neuronen.
Eine Frage des Typs – die verschiedenen Arten von Nervenzellen
Nervenzellen gibt es unter anderem als Rezeptorzellen. Dann nehmen sie Signale aus der Umgebung auf. Egal um welchen Sinn es geht, von Schmecken, Richen, Sehen, Hören, Tastsinn, Schmerz, Propriozeption (Sinneszellen, die die Lage und Stellung der Körperteile an das Gehirn zurückmelden), Wärme- und Kälterezeptoren usw. Der Mensch hat deutlich mehr als nur 5 Sinne!
Diese Rezeptorzellen geben die Signale weiter an zwei mögliche Arten von Nervenzellen. Entweder an Nervenzellen, die zwei Nervenzellen miteinander verbinden, die sich am selben Ort befinden, eine lokale Verknüpfung, dann nennt man dieses Neuron ein Interneuron oder es handelt sich um eine Nervenzelle, die zwei Nervenzellen miteinander verbindet, die an verschiedenen Orten liegen, dann nennt man so ein Neuron ein Projektionsneuron. Projektionsneurone sind also die Neurone, die die weiten Strecken in unserem Körper überbrücken, oder verschiedene Gehirnareale miteinander verbinden. Die längsten Neurone können über einen Meter lang werden. hat das Signal das Gehirn erreicht durch läuft das Signal eine Vielzahl von Inter- und Projektionsneurone, bis eine Reaktion ausgelöst wird.
Wenn reagiert wird, dann geschieht das in der Regel durch irgendeine Art von Muskelbewegung (es können natürlich auch Drüsen angesteuert werden, wie die Nebennierenrinde, die das Adrenalin ausschüttet, wenn man das Gehirn erkannt hat, dass es sich in einer Gefahrensituation befindet – aber das lassen wir jetzt mal beiseite). Vom Sprechen über Augenbewegungen zu Laufen und Winken wenn immer wir uns Ausdrücken, so sind Muskeln im Spiel. Die Muskeln werden durch Motoneurone angesteuert und sorgen dafür, dass sich die Muskeln zusammen ziehen.
Die verschiedenen Nervenzelltypen: Sensoneuron (Sinneszelle, Rezeptorzelle); Interneuron; Projektionsneuron; Motoneuron (gezeigte Verschaltung ist willkürlich!)
Damit haben wir bis jetzt vier verschieden Neuronen oder Nervenzelltypen kennen gelernt: das Rezeptorneuron, das die Signale aufnimmt, zwei weiterleitende Neuronen, die Interneuronen, die vor Ort Nervenzellen verbinden und Projektionsneurone, die Nervenzellen von verschiedenen Orten miteinander verbinden und letztlich die Motoneurone, die die ausführenden Signale an die Muskeln weitergeben.
Die Signale im Körper laufen immer in diese Richtung. Von der Rezeptorzelle zu den Motorneuronen. Nie anders herum. Neurone haben also eine Richtung in der sie Signale transportieren. Diese Richtung zeigt sich auch im Aufbau der Nervenzelle.
Aufbau der Nervenzelle
Aufbau der Nervenzelle – Postsynapse; Dendriten; Soma (Zellkörper); Zellkern; Axonhügel; Axon; Präsynapse
In der Abbildung sind die wichtigsten Strukturmerkmale einer Nervenzelle dargestellt.
- Synapse – Kontaktstelle zwischen den Neuronen / Hier werden Signale aufgenommen (Postsynapse) und abgegeben (Präsynapse)
- Dendriten (von griechisch dendron = Baum) – Sind baumartige Zellfortsätze, auf denen sich in der Regel erregende/aktivierende Synapsen befinden. Sie leiten die an der Synapse entstehenden Signale (EPSPs) Richtung Soma weiter.
- Soma (Zellkörper) – Hier befindet sich der Zellkern. Die eingehenden Signale aller Dendriten laufen hier zusammen. Hier befinden sich in der Regel inhibierende/inaktivierende Synapsen.
- Axonhügel – Hier wird das EPSP, wenn es denn stark genug ist, in Aktionspotentiale umgewandelt oder übersetzt. Dadurch ändert sich die Art des Signals von einem analogen zu einem digitalen Signal.
- Axon – Transportier das Signal in Form von Aktionspotentialen bis zur Präsynapse. Axone sind in der Regel die längeren Zellfortsätze und können im Menschen über einen Meter lang werden.
Hauptaufgabe der Nervenzelle – Der Transport von Signalen
Nervenzellen transportieren Signale von den Rezeptorzellen zum Gehirn und ausgehenden Signale vom Gehirn zu den Muskeln. Wie das ganze funktioniert wollen wir uns jetzt etwas genauer ansehen.
Rezeptorzellen stellen den Kontakt zu unserer Umgebung her. Sie reagieren auf ganz bestimmte, spezifische Signale aus der Umwelt. In den Rezeptorzellen werden die Signale die von Nervenzelle zu Nervenzelle weitergegeben werden zum ersten Mal erzeugt. Zum Beispiel wenn Licht auf die Stäbchen im Auge trifft, sorgt das dafür, dass das Rodopsin zerfällt und so Kanäle in der Membran geschlossen werden. Dies sorgt dafür, dass die Rezeptorzellen (die Stäbchen) im Auge weniger stark feuern (Signale senden) und es kommt nach mehrfachen weiterreichen des Signals von Nervenzelle zu Nervenzelle zum Eindruck des Sehens im Gehirn. Die Signale werden von einer Nervenzelle zur anderen über eine Verknüpfung weiter gegeben die man Synapse nennt.
Synapsen gibt es in zwei Arten, als elektrische und als chemische Synapse. Bei Nervenzellen ist die chemische Synapse die deutlich häufiger vorkommende Variante.
Eine besondere Kontaktstelle – die chemische Synapse
Die meisten Neuronen sind über besondere Kontaktstellen miteinander verbunden, die man chemische Synapse nennt. Hier wird das Signal in Form von kleinen chemischen Molekülen weitergegeben, die man chemische Botenstoffe oder Neurotransmitter nennt. Daher der Name chemische Synapse. Beispiel für Neurotransmitter sind Glutamat, Acetylcholin, γ-Aminobuttersäure (GABA), Serotonin etc.).
Aufbau der Synapse
Der Aufbau und die Funktion der Synapse ist so wichtig, dass dies ein eigener Beitrag wird.
Nur soviel: Diese besondere Kontaktstelle, genannt Synapse, besteht aus drei Teilen. Einer Präsynapse, die zu der vorangehenden Nervenzelle gehört, dann einer Lücke, einem Zwischenraum zwischen den beiden Nervenzellen, genannt der synaptische Spalt und der Postsynapse, die zu der folgenden Nervenzelle gehört.
Übersicht über den Aufbau der Synapse – Präsynapse, synaptischer Spalt, Postsynapse
Von der Präsynapse werden Neurotransmitter in den synaptischen Spalt frei gesetzt und dann werden diese Neurotransmitter von Rezeptoren an der Postsynapse gebunden und sorgen so für ein Signal in der folgenden Nervenzelle. Dieses Signal ist dann ein analoges, elektrisches Signal. Da es sich in der Regel um ein erregendes Signal handelt, also um ein Signal, dass dazu führt, dass das Membranpotential sich erhöht (Wer mehr erfahren möchte über Membranpotentiale sollte sich den Beitrag zum Ruhe- und zum Aktionspotential ansehen.) nennt man dieses Signal auch ein erregendes postsynaptisches Potential oder auch ein EPSP. Bei dem EPSP handelt es sich um ein analoges elektrisches Signal, dass umso stärker ist, je größer der Wellenberg (Amplitude) ist.
Signalstärke bei erregenden postsynaptischen Potentialen (EPSPs): Je größer die Amplitude eines EPSP, desto stärker ist das Signal
EPSPs – ein Signal mit dem man rechnen kann
Das wichtige an diesen EPSPs ist, das mit Hilfe dieser Signale die eigentliche Verrechnung von Signalen in der Nervenzelle stattfindet. Die EPSPs entstehen an der Postsynapse wandern die Dendriten entlang über das Soma des Zellkörpers bis hin zum Axonhügel, wo die analogen EPSP-Signale in digitale Aktionspotentiale umgewandelt werden.
Auf dem Weg von ihrem Entstehungsort, der Postsynapse, zum Axonhügel, breiten sich die Signale wellenartig aus und sind daher immer in Bewegung. Eine Verrechnung der Signale sowohl von aktivierende (EPSPs) als auch von inaktivierenden Signalen (IPSPs) kann daher nur statt finden, wenn sie zur gleichen Zeit am gleichen Ort aufeinander treffen.
Der Axonhügel – Die Umwandlung von einem analogen in eine digitales elektrisches Signal
Von den Dendriten über das Soma bis zum Axonhügel bestimmt die Höhe des Wellenberges über die Stärke des Signals (s. Abbildung oben). Aus dem EPSP wird am Axonhügel ein Aktionspotential, wenn der Schwellenwert erreicht wird. Das Aktionspotential hat immer die gleiche Amplitude, daher spricht man hier von einem digitalen Signal. Entweder es gibt ein Aktionspotential oder es gibt keines. Die Frage die sich stellt, ist dann, wie unterscheidet die Nervenzelle zwischen schwachen und starken Signalen?
Ein schwaches Signal, das den Schwellenwert gerade erreicht löst ein einziges Aktionspotential aus. Ein starkes Signal, das den Schwellenwert längere Zeit überschreitet löst immer wieder ein Aktionspotential aus, bis der Schwellenwert wieder unterschritten wird. (In der Realität ist es natürlich etwas komplizierter.) Es entstehen so also mehrere Aktionspotentiale bei einem starken Signal. Daher gilt, je größer die Amplitude eines ESPS am Axonhügel ist, desto mehr Aktionspotentiale entstehen. Bei vielen Aktionspotentialen hintereinander spricht man auch von einer Pulsfolge (englisch spike train).
Nach dem Axonhügel bis zur Präsynapse wird die Stärke des Signals nicht mehr in der Größe der Amplitude ausgedrückt, sondern in der Anzahl der Aktionspotentiale pro Zeit. In der Präsynapse wird dann das Signal der Aktionspotentiale in ein chemisches Signal umgewandelt, so dass ein mehrere eintreffende Aktionspotentiale mehr Neurotransmitter frei setzen, als ein einzelnes Aktionspotential. Treffen die Neurotransmitter auf die Postsynapse der nächsten Nervenzelle, durchläuft dieses Neuron die gleichen Prozesse bei der Signalweiterleitung.
Bedeutung der Änderung der Signalübertragungsart
Wichtig ist, dass bei jeder Umwandlung des Signals (1. von chemisch- zu amplitudenkodiert; 2. von amplituden- zu frequenzkodiert und 3. von frequenz- zu chemischkodiert) entschieden werden kann, wie der Umwandlungsfaktor ist.
- Reagiert die Postsynapse stark oder schwach auf Neurotransmitter?
- Ab welchem Schwellenwert wird am Axonhügel ein Aktionspotetial ausgelöst?
- Wie viel Neurotranmitter wird für jedes Aktionspotential an der Präsynapse ausgeschüttet?
Diese Werte sind für jedes Neuron verschieden und können sich im Laufe der Zeit für ein einzelnes Neuron, abhängig davon wie aktiv das Neuron war, ändern. Diese Änderungen nennt man Plastizität und bildet die Grundlage für Lernprozesse. Daher kommen diesen Stellen an denen Signalumwandlungen stattfinden besondere Bedeutung zu. Die Rolle von Signalübertragungsänderungen am Axonhügel sind bisher noch nicht richtig untersucht, wohingegen die Rolle der Signalübertragungsänderung an der Synapse für Lernen und Gedächtnisbildung gut belegt und untersucht ist. Aber dazu in einem anderen Beitrag mehr.