Wie funktionieren Neuronen?

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Nervenzellen oder Neuronen sind die grundlegenden Funktionseinheiten des Nervensystems. Mehrere miteinander verbundene Neuronen bilden einen neuronalen Schaltkreis und nutzen elektrische und chemische Signale, um Informationen schnell durch einen Organismus zu übertragen. Das Nervensystem ist grob in zwei Abschnitte unterteilt: das zentrale Nervensystem (ZNS) und das periphere Nervensystem (PNS). Das ZNS besteht aus Gehirn und Rückenmark, während das PNS Neuronen umfasst, die vom ZNS abzweigen und mit dem Rest des Körpers verbunden sind. Im Allgemeinen empfangen und übertragen Neuronen im PNS Signale im Körper, während Neuronen im ZNS Informationen analysieren.

Arten von Neuronen Sensorische Neuronen Die Zellkörper sensorischer Neuronen befinden sich in den Spinalganglien – Zellkörperansammlungen direkt außerhalb des Rückenmarks –, während ihre peripheren Ausläufer durch den Körper wandern. Insbesondere werden sensorische Neuronen durch einen sensorischen Input über spezifische externe und interne Rezeptoren aktiviert. Externe Rezeptoren reagieren auf Reize außerhalb des Körpers und umfassen Geruchsrezeptoren, Geschmacksrezeptoren, Photorezeptoren, Cochlea-Haarrezeptoren, Thermorezeptoren und Mechanorezeptoren. Interne Rezeptoren reagieren auf Veränderungen im Körper. Sie können beispielsweise Veränderungen in den chemischen Eigenschaften des Blutes erkennen oder auf potenziell schädliche Reize reagieren, indem sie die Wahrnehmung von Schmerz hervorrufen.1

Motoneuronen Der Zellkörper eines Motoneurons befindet sich häufig auch entweder im Rückenmark oder im Hirnstamm und weist Vorsprünge auf, die mit Organen wie Muskeln und Drüsen interagieren. Obere Motoneuronen beginnen im Allgemeinen im motorischen Kortex des Gehirns und interagieren mit Interneuronen der Wirbelsäule, um die neuronalen Schaltkreise zu initiieren, die Bewegung erzeugen. Untere Motoneuronen stammen aus dem Rückenmark und steuern direkt oder indirekt die willkürliche Bewegung bestimmter Ziele wie Muskeln, Augen, Gesicht und Zunge.1

InterneuroneInterneurone, auch Relaisneuronen genannt, verbinden mehrere Regionen des Nervensystems. Interneurone sind die zentralen Knoten neuronaler Schaltkreise und ermöglichen die Kommunikation zwischen sensorischen Neuronen, Motoneuronen und dem ZNS. Diese Kategorie umfasst die größte Vielfalt an Neuronen, die an der Verarbeitung vieler verschiedener Arten von Informationen wie Reflexen, Lernen und Entscheidungsfindung beteiligt sind. Interneurone befinden sich ausschließlich im Gehirn und Rückenmark.1

Neuronen-Anatomie

Neuronen bestehen aus einem Zellkörper, der den Zellkern enthält, Dendriten, die über Rezeptoren oder Gap Junctions (direkte Verbindungen zwischen zwei Membranen) chemische, elektrische oder andere Signale empfangen, Axonen, die Aktionspotentiale (siehe unten) verbreiten, die durch Signale von Dendriten ausgelöst werden, und Myelinscheiden, die das Axon umgeben und die Ausbreitung des Aktionspotentials beschleunigen.

Neuronen können auch nach ihrer Grundstruktur kategorisiert werden. Unipolare Neuronen haben einen Nervenfortsatz, der sowohl als Axon als auch als Dendriten fungiert, während bipolare Neuronen sowohl ein einzelnes Axon als auch einen einzelnen Dendriten haben. Multipolare Neuronen haben ein einzelnes Axon und mehrere Dendriten. Sie sind die am häufigsten vorkommenden Neuronen im Körper von Säugetieren.

Neuronenfunktion SynapsenNeuronale Synapsen sind Verbindungen zwischen Neuronen, die eine neuronale Kommunikation ermöglichen. Synapsen gibt es in zwei verschiedenen Formen: chemisch und elektrisch.2

Chemische Synapsen kommunizieren durch die Freisetzung von Neurotransmittern – Signalmolekülen, die als Reaktion auf Aktionspotentiale und spannungsgesteuerte Kalziumkanäle gespeichert und über synaptische Vesikel von Neuronen freigesetzt werden. Sobald sie die Lücke zwischen Neuronen (synaptischer Spalt) überwinden, interagieren Neurotransmitter mit erregenden oder hemmenden Rezeptoren auf der Empfängerzelle, um erregende oder hemmende Signale zu erzeugen. Forscher haben mehr als 100 Arten von Neurotransmittern identifiziert – zu den häufigsten gehören Glutamat, Acetylcholin, Glycin, Noradrenalin, Serotonin, Dopamin und Gamma-Aminobuttersäure (GABA).3

Elektrische Synapsen sind seltener als chemische Synapsen und kommen hauptsächlich im ZNS vor. Der synaptische Spalt in einer elektrischen Synapse ist viel kleiner, sodass Neuronen Ionenströme direkt durch Gap Junctions leiten können. Aus diesem Grund arbeiten elektrische Synapsen schneller als chemische und ermöglichen die Übertragung von Impulsen in beide Richtungen innerhalb des Neurons. Da sie jedoch keine Neurotransmitter verwenden, sind elektrische Synapsen weniger modifizierbar als chemische.4

AktionspotentialeTypischerweise tauschen Neuronen Informationen aus, indem sie elektrische Ereignisse, sogenannte Aktionspotentiale, auch Nervenimpulse genannt, erzeugen, die zu schnellen Spannungsänderungen an ihrer Membran führen. Wenn der Dendrit oder Zellkörper eines Neurons über chemische oder elektrische Synapsen genügend Inputs von anderen Neuronen erhält und ein bestimmter Schwellenwert für dieses Neuron überschritten wird, wird das Neuron dazu veranlasst, ein Aktionspotential über sein Axon zu senden. Insgesamt handelt es sich bei Aktionspotenzialen um Alles-oder-Nichts-Signale, da ihre Reaktion in der Regel die gleiche Amplitude und Dauer aufweist. Die Stärke und Dauer eines Reizes bestimmt die Häufigkeit der erzeugten Aktionspotentiale. Je stärker ein Reiz ist und je länger er anhält, desto höher ist die Frequenz des Aktionspotentials, was dazu führt, dass mehr Informationen über den neuronalen Schaltkreis weitergeleitet werden. Beispielsweise aktiviert ein lauterer Schallreiz eine größere Anzahl von Aktionspotentialen.5,6

Ein Aktionspotential durchläuft nach einem auslösenden Ereignis drei Phasen: Depolarisation, Repolarisation und Hyperpolarisation. Im Ruhezustand, wenn es kein Signal sendet, ist die Membran eines Neurons polarisiert, wobei das Innere der Zelle stärker negativ geladen ist als das Äußere (negatives Membranpotential). Außerhalb der Zelle herrscht eine höhere Natriumionenkonzentration und innerhalb der Zelle eine höhere Kaliumionenkonzentration. Das Öffnen und Schließen von Ionenkanälen verändert das Membranpotential. Wenn das Neuron ausgelöst wird, aktiviert es spannungsgesteuerte Natriumkanäle am Anfang des Axons. Dadurch strömen positive Natriumionen in die Zelle, wodurch die Spannung steigt und die Membran depolarisiert. Wenn die Spannung entlang des Axons zunimmt, öffnen sich zusätzliche Natriumkanäle und verbreiten das Signal. Die aus Proteinen und Fettstoffen bestehende Myelinscheide umgibt die Axone bestimmter Nervenzellen und fungiert als Isolator, sodass Aktionspotenziale schneller über das Axon wandern können. Die Repolarisation erfolgt, sobald das Membranpotential eine bestimmte positive Spannung erreicht. An diesem Punkt schließen sich die Natriumkanäle und die Kaliumkanäle öffnen sich, was den Ausfluss positiver Kaliumionen und damit eine Rückkehr in den negativen Ruhezustand der Membran ermöglicht. Schließlich wird während der Hyperpolarisation das Membranpotential des Neurons negativer als im Ruhezustand, wenn weiterhin positive Kaliumionen die Zelle verlassen. Dies ist der refraktäre Zustand, der begrenzt, wie oft Aktionspotentiale regeneriert werden können, und gleichzeitig sicherstellt, dass sie sich nur in eine Richtung entlang des Axons bewegen. Anschließend schließen sich schließlich die Kaliumkanäle und ermöglichen dem Neuron, zum Ruhemembranpotential zurückzukehren.5,6

Neuronen und Krankheit NeurodegenerationNeurodegenerative Erkrankungen sind komplex und nahezu jede Komponente der neuronalen Funktion kann am neurodegenerativen Prozess beteiligt sein, einschließlich Funktionsstörungen von Synapsen oder neuronalen Schaltkreisen sowie der Zerstörung von Myelin. Multiple Sklerose, Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit, Prionenkrankheit, Huntington-Krankheit, spinale Muskelatrophie und spinozerebelläre Ataxie gehören zu den häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen. Diese Störungen betreffen Millionen von Menschen weltweit und führen zu einer Verschlechterung der Fähigkeit, grundlegende und komplexe Aufgaben wie Sprache, Bewegung und Kognition auszuführen.7

Motoneuronerkrankungen sind eine Form der Neurodegeneration, die spezifisch für die Neuronen ist, die Muskelaktivitäten wie Sprechen, Gehen, Atmen und Schlucken steuern. Zu den häufigsten Motoneuron-Erkrankungen gehören Amyotrophe Lateralsklerose (ALS), progressive Bulbarparese, primäre Lateralsklerose und progressive Muskelatrophie. Störungen der Motoneuronfunktionen können zu einer allmählichen Muskelschwächung oder zu Muskelzuckungen führen, die schließlich dazu führen, dass die willkürlichen Bewegungen nicht mehr kontrolliert werden können.7

Andere neuronale StörungenNeuronale Störungen können in weiteren Formen auftreten. Genetische und umweltbedingte Auslöser können eine abnormale neuronale Entwicklung verursachen und zu Störungen wie dem Down-Syndrom, dem fragilen X-Syndrom (FXS), dem Rett-Syndrom und Autismus führen. Krebserkrankungen können sich in jedem Stadium der Entwicklung oder im Erwachsenenalter auch im Nervengewebe und im umgebenden Gewebe entwickeln und zu allgemeinen Funktionsstörungen des Gehirns führen, einschließlich Krampfanfällen, Muskelschwäche, Gesichtsfeldstörungen oder plötzlichen Persönlichkeitsveränderungen. Schließlich können eine Reihe von Krankheitserregern Neuronen infizieren oder sie mit ihren Toxinen beeinträchtigen, darunter Clostridium botulinum (Botulismus-Toxin), Clostridium tetani (Tetanus-Toxin), Poliovirus und Tollwutvirus.8

Stimmungsstörungen Zu den wichtigsten Arten von Stimmungsstörungen gehören schwere Depression, Dysthymie (dysthymische Störung), bipolare Störung, Stimmungsstörung als Folge einer Erkrankung und substanzinduzierte Stimmungsstörung. Während über die Funktion von Neuronen und Stimmungsstörungen noch vieles unbekannt ist, haben Forscher herausgefunden, dass depressive Erkrankungen mit regionalspezifischem Nervenverlust und dem Zurückziehen von Dendriten verbunden sind, was zu Veränderungen der synaptischen Aktivität führt. Dies führt zu Ungleichgewichten der Neurotransmitter, die speziell an Belohnung, Stimmung und Emotionen beteiligt sind.9

Verweise