Das Nervensystem.
Neuronen - Struktur und Funktion
Neuronen sind die funktionelle Grundeinheit des Nervensystems, denn sie produzieren und leiten Nachrichten (elektrische Impulse) über lange Zellausläufer, die Axone genannt werden.1
Das Soma und die Dendriten bilden das sogenannte empfangende Segment, da sie Nachrichten empfangen, das Axon ist das leitende Segment, denn es leitet Nachrichten weiter. Die Synapse, der Zwischenraum zwischen Neuronen bzw. Neuronen und Muskeln wird als Effektorsegment bezeichnet.2
Die wichtigsten Bestandteile des Neurons sind in Abbildung 1 dargestellt.
- Soma (Zellkörper): enthält den Zellkern oder Nucleus und andere wichtige Organellen*.
- Dendriten: sind kurze geästelte Strukturen, die Nervenimpulse von anderen Nervenzellen aufnehmen. Neuronen können viele Dendriten haben, die Signale von vielen anderen Nervenzellen empfangen können.
- Axon: leitet Nervenimpulse vom Zellkörper an die anderen Nervenzellen oder z. B. an Muskelzellen, weiter. Das Neuron hat nur ein Axon, dieses kann sich aber verzweigen und mit mehreren anderen Zellen in Kontakt stehen.
- Synapsenendknöpfchen: ist eine winzige Verdickung am Ende jedes Axonzweigs, die den Kommunikationspunkt mit anderen Neuronen oder Effektorzellen darstellt.
*Organelle: eine spezialisierte Untereinheit der Zellen mit einer spezifischen Funktion. Beispiele für Zellorganellen sind die Mitochondrien, der Golgi-Apparat, das endoplasmatische Retikulum, die Lysosomen und die Zentriol.
Wie jedes Material, das einen elektrischen Impuls leitet, müssen die Axone isoliert werden, damit ein Impuls weitergeleitet wird, ohne sich unterwegs zu entladen1. Axone sind isoliert mit einer lipid- und proteinreichen Substanz, die Myelin genannt wird (Abbildung 2).
Neben der isolierenden Eigenschaft des Myelins beschleunigt die Art, wie es um das Axon herum angeordnet ist, außerdem die Leitgeschwindigkeit der elektrischen Impulse entlang des Axons. Diese „springen" von einem freiliegenden Axonabschnitt (Ranvier-Schnürring* genannt) zum nächsten.1
*Ranvier- Schnürringe: Lücken im Myelinmantel eines Axons.
Je nachdem, ob die Neuronen Teil des zentralen oder des peripheren Nervensystems* sind, unterscheidet sich der Ursprung des Myelins.
- Im ZNS wird Myelin von spezialisierten Zellen, den sogenannten Oligodendrozyten, produziert (Abbildung 2).
- Die langen Fortsätze eines einzelnen Oligodendrozyten können zur Myelinisolierung mehrerer Axone beitragen.3
- Im peripheren Nervensystem (PNS) wird Myelin von speziellen Zellen, den Schwann-Zellen, produziert (Abbildung 1).
- Zur ausreichenden Myelinproduktion für die Isolierung eines einzelnen neuronalen Axons im PNS werden viele Schwann-Zellen benötigt, da Axone länger sind.3
*Peripheres Nervensystem (PNS): ein System aus Nerven, die Impulse vom ZNS an den Körper weiterleiten und sensorische Informationen von den Organen und Geweben des Körpers an das ZNS weiterleiten.
1 Multiple Sclerosis Trust. What is MS? 2007.
2 Noback Ce. The Human Nervous System; Structure and Function (6th ed). New York: Humana Press, 2005.
3 Baumann N, Pham-Dinh D. Biology of oligodendrocyte and myelin in the mammalian central nervous system. Physiol Rev 2001;81(2):871-927.
Nervenimpulse, die auch Aktionspotenziale genannt werden, sind nicht einfach nur ein elektrischer Strom, der ein Kabel entlang fließt, sondern geordnete und geregelte Vorgänge, bei denen sich Ionen (hauptsächlich Na+ und K+)* durch Zellmembranen hindurch bewegen.
Zellen halten eine ungleiche Verteilung von Ionen zwischen dem Zellinneren und außerhalb der Zellmembran aufrecht. Daraus resultiert ein Spannungsunterschied zwischen beiden Seiten der Membran, welches als Ruhemembranpotenzial bezeichnet wird. Nur reizbare Zellen wie Neuronen und Muskelzellen können depolarisiert** werden und Aktionspotenziale generieren.
Der Durchtritt von Ionen durch die Zellmembran hindurch ist beschränkt und geschieht im Allgemeinen durch „Ionenkanäle", spezialisierte Proteine in der Zellmembran. Durch das Öffnen und Schließen dieser Ionenkanäle kann die Bewegung der Ionen in die Zelle hinein und aus der Zelle heraus reguliert und somit das Ruhemembranpotenzial kontrolliert werden.
*Ion: elektrisch (positiv oder negativ geladen) geladenes Atom oder Molekül, z. B.: Kalium (K+), Natrium (Na+), Chlor (Cl-), Phosphat (PO43-).
**Depolarisation: eine Änderung des Membranpotenzials einer Zelle, wo nach einem Reiz eine positivere Ladung entsteht.
Ein Nervenimpuls, der ein Axon entlangwandert, erreicht irgendwann das Ende dieser Struktur und somit den Kontaktpunkt zu anderen Neuronen oder zu z. B. einem Muskel. Diese Verbindungsstelle wird Synapse* genannt: Bei einer (chemischen) Synapse führt die Depolarisationswelle dazu, dass sich die spannungsgesteuerten Calciumkanäle in der präsynaptischen Membran öffnen. Der Calciumeinstrom in das Synapsenendknöpfchen ist einer der Hauptauslöser für die Ausschüttung der sogenannten Neurotransmitter.2
Die Neurotransmitter verteilen sich im Zwischenraum zwischen präsynaptischer Membran und postsynaptischer Membran (dem synaptischen Spalt) und interagieren mit Rezeptoren an der postsynaptischen Zelle. Sind genug Rezeptoren an der postsynaptischen Zelle stimuliert, wird die Weiterleitung eines Nervenimpulses (falls die postsynaptische Zelle ein anderes Neuron ist) oder eine Aktion hervorgerufen (z. B. eine Muskelkontraktion, falls die postsynaptische Zelle eine Muskelzelle ist). Alternativ können die Rezeptoren aber auch die Generierung eines Nervenimpulses unterdrücken (Abbildung 3).2
Eine chemische Synapse ermöglicht eine Veränderung des Nervenimpulses (Neuromodulation). Die Umwandlung einer elektrischen Information in eine chemische kann das Signal „verstärken" oder „abschwächen", je nach den betroffenen spezifischen Neurotransmittern und Rezeptoren.
*Synapse Verbindung zwischen zwei Neuronen oder zwischen einem Neuron und einer Effektorzelle (z. B. einer Muskelzelle).
Abbildung 3. Übertragung eines Nervenimpulses an einer chemischen Synapse.
2 Noback Ce. The Human Nervous System; Structure and Function (6th ed). New York: Humana Press, 2005.
Die Neuronen, die mit den Muskeln kommunizieren, werden Motoneuronen genannt. Dies erfolgt über eine Struktur, die man neuromuskuläre Endplatte nennt (Abbildung 4). Die neuromuskuläre oder motorische Endplatte ist die spezialisierte Art einer chemischen Synapse.4
Abbildung 4. Vereinfachte Darstellung der neuromuskulären Endplatte.
4 Meriggioli M, Howard J, Harper C. Neuromuscular junction disorders: diagnosis and treatment (Volume 61 of Neurological disease and therapy) London: Informa Health Care, 2003.
Es gibt etwa 60 bekannte oder vermutete unterschiedliche Neurotransmitter, die an verschiedenen Stellen im zentralen und peripheren Nervensystem zu finden sind. Zusätzlich dazu kann es für jeden Neurotransmitter mehrere verschiedene Rezeptorarten geben. Deshalb kann ein bestimmter Neurotransmitter verschiedene Wirkungen haben - stimulierend oder inhibitorisch (hemmend), je nach Position im Körper und Rezeptorart.
Neurotransmitter sind chemisch in fünf Klassen unterteilt (Tabelle 1).
| Acetylcholin | |
|---|---|
| Aminosäuren |
|
| Biogene Amine oder Katecholamine |
|
| Neuropeptide |
|
| Lipide |
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| Gase |
|
Einige der wichtigeren Neurotransmitter werden im Folgenden genauer beschrieben.
Acetylcholin wird von vielen Neuronen im ZNS ausgeschüttet und ist der wichtigste Neurotransmitter zur Kommunikation zwischen Neuronen und Muskelzellen5. Die Wirkung ist meist exzitatorisch, es hat aber auch inhibitorische Funktionen.5
Noradrenalin (Norepinephrin) ist hauptsächlich ein exzitatorischer Neurotransmitter. Es wird in Hirnregionen ausgeschüttet und kann an der Kontrolle von Stimmung, Motivation, Träumen und Erregung beteiligt sein, sowie an der Erhöhung der Herzfrequenz und Verengung der Blutgefäße.5
Dopamin ist ein inhibitorischer Neurotransmitter, der hauptsächlich in einem Bereich des Mittelhirns produziert wird, den man Substantia nigra* nennt. Von hier aus gehen einige Axone bis zur Großhirnrinde, wo man glaubt, dass Dopamin an emotionalen Reaktionen beteiligt ist. Dopamin spielt auch eine bedeutende Rolle in der Regulierung automatischer Bewegungen der Skelettmuskulatur.5
*Substantia nigra
eine Struktur des Gehirns, die sich im Mittelhirn (Mesencephalon) befindet und eine wichtige Rolle bei Belohnung, Sucht und Bewegung spielt.
Serotonin ist an der Kontrolle der Stimmung, des Schlafs, der Sinneswahrnehmung und der Temperaturregulation beteiligt.5
GABA (Gamma [γ] Aminobuttersäure) diese Aminosäure ist der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im ZNS (hauptsächlich im Gehirn). GABA wird in die Synapse ausgeschüttet, um eine Übertragung des Nervenimpulses zu hemmen. GABA bindet entweder an die postsynaptischen GABAA- oder die präsynaptischen GABAB-Rezeptoren, die die Freisetzung von Neurotransmittern hemmen. Agonisten, die an die GABAA-Rezeptoren binden, hemmen das exzitatorische System, das Krampfanfälle auslöst und ausbreitet. GABA spielt auch eine Rolle in der Schmerzregulierung.5
Endocannabinoide Anandamid (AEA) und 2-Arachidonylglycerol (2-AG) sind zwei der bekannten Endocannabinoide, die der Körper herstellt. Sie sind an der Appetitregulierung, der Schmerzlinderung, der Motorik, der Stimmung und am Gedächtnis beteiligt.5