Aufbau von Neuronen

Es gibt viele verschiedene Arten von Neuronen in den unterschiedlichsten Lebewesen.

Die Signale werden von unipolaren Neuronen nicht durch den Zellkörper beeinflußt. Die Signale wandern nur entlang der Verästelungen. Beim bipolaren Neuron gibt es eine eindeutige Richtung der Signalausbreitung. Wenn die rezeptive Oberfläche aktiviert wird, dann entsteht ein Signal, das über den Zellkörper weitergeleitet wird. Die eben genannten Neuronen finden sich praktisch nicht im menschlichen Körper. Dort gibt es ausschließlich multipolare Neuronen.

Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die wesentlichen informationsvermittelnden Bausteine des Gehirns. Diese Zellen sind nach denselben Grundsätzen aufgebaut wie die übrigen Zellen im ganzen Körper. Sie zeigen aber einige Besonderheiten wie die Zellform, die Art der Zellmembran und die Möglichkeiten, chemische wie elektrische Signale zu empfangen, zu modulieren und weiterzugeben. Der Empfang von solchen Signalen geschieht in der Regel durch Synapsen, die Modulation durch den Zellkörper, und die Weitergabe von Signalen wiederum durch Synapsen. Als zweite Besonderheit von Neuronen ist die fehlende Zellteilung zu erwähnen. Nervenzellen teilen sich nicht mehr nach der embryonalen Entwicklung, das heißt der bis zur Geburt entstandene Vorrat von Zellen muß ein Leben lang ausreichen.

Nervenzellen kann man in drei wesentliche Teile aufgliedern: den Zellkörper, die Dendriten und die Nervenfaser oder auch Axon.

Der Zellkörper (Perikaryon, Soma), kugelförmig oder auch pyramidenförmig, enthält den Zellkern und den biochemischen Apparat für die Synthese von Enzymen und anderen zellnotwendigen Substanzen. Besonders wichtig ist die Synthese von Membranproteinen. Diese Proteine lassen sich in fünf Gruppen einteilen: Pumpenproteine sorgen unter Energieverbrauch dafür, daß Ionen und andere Moleküle die Membran entgegen einem Konzentrationsgefälle passieren können. Kanalproteine ermöglichen es Ionen und Moleküle, die für sie normalerweise undurchlässige Membran entsprechend einem Konzentrationsgefälle zu passieren. Rezeptormoleküle reagieren mit Molekülen, wie zum Beispiel mit Neurotransmittern oder Neuropeptiden, die dann das Verhalten der Zelle beeinflussen. Zellenzyme beschleunigen die chemischen Reaktionen der Zellmembran und Strukturproteine erhalten die Feinstruktur der Membran aufrecht. Die Wirkung und der Einfluß von einzelnen Proteinen kann übergreifend sein.

Die Dendriten sind röhrenförmige Fortsätze des Zellkörpers, die sich vielfach verästeln. Vom Feinbau her gesehen unterscheiden sich die Dendritenfortsätze eines Neurons nicht vom Somabereich, außer daß ihnen das rauhe endoplasmatische Reticulum zur eigenen Proteinsynthese fehlt. Die Dendriten dienen der Vergrößerung der rezeptiven Oberfläche einer Nervenzelle und sind deshalb mit besonders vielen Synapsen übersät. Über diese Synapsen nimmt die Nervenzelle ankommende Signale auf und leitet sie über die Dendriten zum Zellkörper weiter. Dort werden die Signale summiert und bewertet. Manche Neuronen haben oft 20 bis 40 Hauptdendriten, die sich in feinere Zweige aufspalten. Auf diesen Dendriten sind kleine Ausbuchtungen - sogenannte Dornen. Diese Dornen sind Synapsen. An ihnen docken andere Neuronen an und es werden exzitatorische Signale über diese Dornen übermittelt. Durch die Weiterleitung über die Dendriten kommt es zu einer zusätzlichen Gewichtung von elektrischen Signalen. Sie werden abgeschwächt. Die Synapsen von den hemmenden Neuronen nehmen direkten Kontakt mit dem Zellkörper auf. Die Signale werden dabei praktisch nicht mehr abgeschwächt.

Das Axon (Neurit oder Nervenfaser) ist wie ein Dendrit ein Ausläufer des Zellkörpers. Es dient zur Informationsweiterleitung zu anderen Neuronen. Die Übermittlung findet meistens über größere Distanzen statt. Üblicherweise ist das Axon bedeutend länger und dünner als die Dendriten. Das Neurit verzweigt sich erst dort, wo die Teiläste mit anderen Neuronen über Synapsen wieder in Verbindung treten. Diese Verästelungen werden Neuritenbaum, Seitenzweige oder Kollaterale genannt. Schwann-Zellen, eine Sonderform der Gliazellen, umgeben das Axon mit einer Myelinhülle. Jede Schwannzelle umhüllt der Länge nach jeweils rund einen Millimeter des Axons. So ist die Myelinhülle ungefähr alle ein bis zwei Millimeter von einem feinen Spalt, dem Ranvierischen Schnürring, unterbrochen.

Nervenzellen unterscheiden sich natürlich auch in ihrer Funktion und lassen sich in drei Arten unterteilen: sensorische Neuronen, motorische Neuronen und Interneuronen.

Sensorische (oder afferente) Neuronen übermitteln dem Nervensystem Information, die der Wahrnehmung, wie auch der motorischen Koordination dienen.
Motorische Neuronen, oder auch Motoneuronen, übermitteln Signale an Muskeln und Drüsen.
Interneuronen bilden die größte Menge an Neuronen im Nervensystem und sind nicht spezifisch sensorisch oder motorisch. Sie verarbeiten Informationen in lokalen Schaltkreisen oder vermitteln Signale über weite Entfernungen zwischen verschiedenen Gebieten.

Die Pyramidenzellen, die zur Klasse der Interneuronen zählen, befinden sich in der Großhirnrinde und besitzen einen apikalen (an der Spitze gelegen, nach oben gerichteten) Hauptfortsatz des Zellkörpers, der sich in zahlreiche Dendriten verzweigt, und ein Axon. Weitere Dendriten entspringen dem Pyramidenmantel. Das Axon kann eine Länge von bis zu einem Meter erreichen.

Sternzellen sind der zweitwichtigste Typ von Neuronen im Gehirn. Ihren Namen haben sie von der sternförmigen Struktur der Dendriten. Die Ausläufer der Dendriten und des Axons bleiben in der Regel in der näheren Umgebung des Zellkörpers. Man unterscheidet zwischen dorntragenden und dornlosen Sternzellen. Die dornlosen Zellen verwenden meist einen Neurotransmitter, der eine hemmende Wirkung auf die Pyramidenzellen hat.

Purkinjezellen, wie sie häufig im Kleinhirn vorkommen, sind bipolar gebaute dendritische Neuronen. An ihrem spitzwärtigen Pol entspringt ein verzweigter Riesendendrit, an der Basis hat der Neurit seinen Ursprung. Sie bekommen von über 25 000 anderen Neuronen Signale, die sie dann weiter verarbeiten.

Die strukturelle Vielfalt der Nervenzellen trägt dazu bei, daß das Gehirn sowohl Informationen aufnehmen, filtern, sortieren, interpretieren, speichern, abrufen, nutzen und mitteilen als auch Gefühle erleben und Bewegungen kontrollieren kann.

Die Neuronen können über elektro-chemische Effekte Signale weiterleiten. Dieser Vorgang ist ziemlich komplex. Die gesamte Informationsweiterleitung und Verarbeitung bedarf dem Wissen über das Entstehen von Aktionspotentialen und deren Weiterleitung.

Charakterisierung des Aktionspotentials

An der Membran eines Neurons (überall) herrscht eine Spannung zwischen dem inneren und äußeren Bereich, das sogenannte Ruhemembranpotential. Dies liegt zwischen -55 und -90 mV. Der Überträgerstoff aus der Synapse erzeugt eine Potentialänderung (0.04 - 1 mV) an der Membran des nachgeschaltenen Neurons. Das Ruhemembranpotential kann erhöht (Depolarisation) oder erniedrigt (Hyperpolarisation) werden. Die Ströme aus den Synapsen gelangen über den Dendritenbaum zum Axonhügel und werden dort nichtlinear addiert. Wenn eine gewisse Schwelle (liegt rund 10-20 mV höher als das Ruhemembranpotential) am Axonhügel überschritten wird, dann wird ein Aktionspotential ausgelöst, über das Axon weitergeleitet und am Neuritenbaum des betreffenden Neuron schütten die Synapsen wiederum Überträgersubstanz an andere Neuronen aus. Die Stärke der Ausschüttung von Überträgersubstanz kann verändert werden. Wenn ein Neuron stark gereizt wird, dann feuert es öfters. Es werden mehrere Aktionspotentiale ausgelöst - dies führt zu einer höheren Transmitterausschüttung an den Synapsen.

Im Nervensystem werden die Informationen durch elektrische Impulse, worauf wir noch näher eingehen werden, verarbeitet. Diese Impulse entstehen durch eine elektro-chemische Reizung der Zellmembran. Es können unterschiedliche Pulsfolgen (Aktivitätsmuster) auf eine Reizung entstehen, da die Struktur der Zellmembran variieren kann.

Die Klassifizierung basiert auf drei generellen Variablen:
(1) Die Charakteristik des individuellen Aktionspotentials (eines einzelnen Pulses) und das unmittelbar folgende elektrische Verhalten (Hyperpolarisation, Depolarisation usw.).
(2) Das Antwortverhalten auf einen intrazellulären Spannungsimpuls in der Größe nahe dem Schwellwert.
(3) Das wiederholte Antwortverhalten auf einen länger andauernden intrazellulären Reiz.

Aufgrund einer unterschiedlichen Membranbeschaffenheit, beziehungsweise einem unterschiedlichen Metabolismus im Zellkern ergeben sich unterschiedliche Aktivitätsmuster bei der Reizung des Neurons: reguläres, schnelles und salvenartiges Aktivitätsmuster.

Reguläre Aktivitätsmuster treten bei vielen Neuronen auf. Das Aktionspotential zeigt eine ausgeprägte Phase an Hyperpolarisation und Depolarisation nach dem Aktionspotential. Die Repolarisation findet langsam statt. Bei elektrischer Stimulation des Neurons beim Schwellwert kommt es zu einem Aktionspotential.

Bei Neuronen, die ein schnelles Aktivitätsmuster zeigen, findet eine geringere Hyperpolarisation und Depolarisation unmittelbar nach dem Aktionspotential statt. Das Neuron feuert für einige hundert Millisekunden mit 500-600 Hertz bei einer starken Stimulation. Die temporären Eigenschaften des Inputs bleiben im Output sehr gut über einen großen Frequenzbereich erhalten.

Neuronen mit salvenartigen Aktivitätsmustern gibt es relativ selten. Wird ein solches Neuron durch einen einzelnen Reiz stimuliert, dann antwortet es mit einer Salve von Aktionspotentialen, deren Amplituden abnehmen. Einzelne Aktionspotentiale zeigen eine markante Nach-Depolarisation, sind aber ähnlich den regulären Potentialen. Die Salven treten rhythmisch mit einer Frequenz von 5-15 Hertz auf.

Die Synapse

Ein biologisches Neuron empfängt Informationen von anderen Nervenzellen über synaptische Verbindungsstellen und überträgt sie, zum Beispiel in der Großhirnrinde, an Tausende anderer Neuronen weiter. Die Synapse verstärkt oder schwächt ein Signal ab, das von einem Neuron zu einem anderen übertragen wird. Über die Synapsen wird die eigentliche Informationsverarbeitung gesteuert.

Die meisten Nervenzellen besitzen zwischen tausend und zehntausend Synapsen. Man unterscheidet drei verschiedene Synapsentypen:

a) Effektorsynapsen regen mit den Kollateralen verschiedene Drüsen oder Muskelzellen an.

b) Rezeptorsynapsen dienen der sensiblen Innervation.

c) Interneuronale Synapsen stellen den Kontakt zwischen Nervenzellen auf unterschiedlichste Weise her. Dieser Typ ist am häufigsten in unserem Gehirn vorhanden.

Die 1 bis 2 µm groben Synapsen sind vergleichbar mit kleinen Dornen (Endknöpfchen), die auf den Dendriten oder am Ende des Axons sitzen. Erreicht ein Nervensignal die Synapse am Axonende (=Neurit), dann wird eine Überträgersubstanz in den Spalt zwischen den einzelnen Synapsen ausgeschüttet, durchquert ihn und wird von den Rezeptoren der Synapse des Dendrits gebunden. Dadurch kommt es zu einer Änderung des elektrischen Zustandes der nachgeschaltenen Nervenzelle. Es gibt zwei häufige morphologische Synapsentypen im Gehirn, Gray-Typ I und Gray-Typ II. Synapsen vom Typ I sind erregend (99% von ihnen arbeiten mit Glutamat), während Synapsen vom Typ II hemmend (oft GABAerg) sind. In der Gesamtzahl der synaptischen Stärke sind beide gleich häufig vertreten.

Die interneuralen Synapsen können wiederum unterteilt werden. Axosomatische Synapsen verbinden die Kollaterale mit einer Postsynapse, die direkt am Zellkörper einer nachgeschaltenen Nervenzelle liegt. Axodendritische Synapsen münden mit den Axonendigungen an einem Dendriten, wo sie einen Dornfortsatz umgreifen können. Axoaxonale Synapsen stellen den Kontakt zwischen einer Präsynapse und dem Nachbarneurit her. Dendrodendritische Synapsen koppeln zwei unterschiedliche Dendriten. Die 1 bis 2 ym großen Synapsen sind vergleichbar mit kleinen Dornen (Endknöpfchen), die auf den Dendriten oder am Ende des Axon sitzen. Diese Dornen enthalten kleine Bläschen, auch synaptische Vesikel genannt, in denen eine Überträgersubstanz gespeichert ist. Erreicht ein Nervensignal die Synapse im Axonende, wird die Überträgersubstanz in den Spalt zwischen den einzelnen Synapsen ausgeschüttet, durchquert ihn und wird von den Rezeptoren der Synapse des Dendrits gebunden. Dadurch kommt es zu einer Änderung des chemischen beziehungsweise elektrischen Zustandes der nachgeschalteten Nervenzelle.

Es gibt zwei häufige morphologische Synapsentypen im Gehirn: Gray-Typ I und Gray-Typ II. Synapsen vom Typ I sind oft glutamerg und, wie wir noch sehen werden, erregend, während Synapsen vom Typ II oft GABAerg und somit hemmend sind. Bei Synapsen vom Typ I ist der synaptische Spalt leicht erweitert auf 30 nm, und die präsynaptische aktive Zone hat eine Fläche von 1 - 2 µm2. Bei Synapsen vom Typ II hat der Spalt eine Breite von 20 nm. Somit ist die aktive Zone etwas kleiner.

Die Synapse ist eine spezialisierte Struktur, die der Kommunikation zwischen zwei Neuronen beziehungsweise zwischen einem Neuron und einer Muskelzelle dient. Beide Zellen sind durch den sogenannten synaptischen Spalt voneinander getrennt. Das präsynaptische Neuron schüttet einen Neurotransmitter aus, der an Rezeptoren auf dem postsynaptischen Neuron gebunden wird. Dadurch wird das nachgeschalten Neuron in den elektrischen Eigenschaften beinflußt. Die chemische Signalübertragung läbt sich in zwei Schritte unterteilen: einen Transmitter-Schritt, bei dem die präsynaptische Zelle einen Botenstoff freisetzt, und einen Rezeptor-Schritt, bei dem der Transmitter an den Rezeptoren der postsynaptischen Zelle gebunden wird. Trifft ein ausreichend starkes elektrisches Signal auf die Präsynapse, dann werden spannungsgesteuerte Calciumkanäle geöffnet. Der Anstieg der Calcium-Ionen-Konzentration bewirkt eine Verschmelzung der synaptischen Bläschen (Vesikel) mit der Membran und der Neurotransmitter kann aus den Bläschen durch den synaptischen Spalt zu den Rezeptoren der Postsynapse diffundieren.

Bei einem Aktionspotential werden rund 1-10 Vesikel mit der präsynaptischen Membran verschmolzen. Ein Vesikel enthält rund 2000 Moleküle (bezieht sich auf ACTH). Die Transmittermoleküle reagieren mit den Rezeptoren der postsynaptischen Membran. Diese Rezeptoren veranlassen daraufhin Ionenkanäle dazu, sich zu öffnen oder zu schlieben was eine Änderung des Membranpotentials des nachgeschaltenen Neurons zur Folge hat. An der Postsynapse entsteht ein Potential, wenn ein Neurotransmittermolekül an einem Rezeptor bindet.

Man unterscheidet zwei verschiedene Arten von postsynaptischen Potentialen. Zum einen führt eine Ausschüttung des Neurotransmitters verbunden mit dem Rezeptor zu einer Depolarisation der Membran des nachgeschaltenen Neurons. Dabei werden die Natrium bzw. die Kaliumkanäle der Postmembran geöffnet. Dies führt zu einem Excitatorischen PostSynaptischen Potential (EPSP). Wird die Membran hyperpolarisiert, dann spricht man von einem Inhibitorischem PostSynaptischem Potential (IPSP) - es werden Cl--Ionenkanäle auf der Postmembran geöffnet. Die Signalzeitverzögerung zwischen dem Eintreffen des Aktionspotentials an der Präsynapse und dem postsynaptischen Potential beträgt mindestens 0.3 ms, normalerweise aber 1-5 ms.

Bei der Signalübertragung an der Synapse können mehrere Schritte unterschieden werden:
1. Synthese: Der Neurotransmitter wird entweder im Zellkörper hergestellt oder Vorstufen des Neurotransmitter werden zur Synapse über das Axon transportiert und in der Synapse selbst hergestellt.
2. Speicherung: Der Neurotransmitter wird meist in Vesikel gespeichert, in denen er für die Ausschüttung zur Verfügung steht.
3. Ausschüttung: Beim Feuern des Neurons verschmelzen die Vesikeln mit der prä-synaptischen Membran und der Neurotransmitter wird in den synaptischen Spalt abgegeben.
4. Rezeption: Der Neurotransmitter diffundiert durch den Spalt und bindet sich schwach an den Rezeptoren an der postsynaptischen Membran. Es kommt zu einer Depolarisation oder Hyperpolarisation des nachgeschaltenen Neurons in Abhängigkeit des Rezeptors.
5. Inaktivierung: Bei manchen Synapsen wird der Neurotransmitter im synaptischen Spalt inaktivert.
6. Wiederaufnahme: Bei anderen Synapsen wird der Neurotransmitter wieder in das präsynaptische Neuron aufgenommen. Es kann sowohl zur Inaktivierung als auch zur Wiederaufnahme kommen.
7. Abbau: Der freie Neurotransmitter innerhalb der Endigung kann abgebaut werden, um die Transmitterkonzentration im Neuron zu regulieren.

Für einen Neurotransmitter müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
1. Er muß im Neuron synthetisiert werden.
2. Er muß in den präsynaptischen Endigungen vorhanden sein.
3. Exogen verabreicht, wird die selbe Wirkung erzielt.
4. Es ist ein spezifischer Mechanismus vorhanden, um den Transmitter abzubauen.

Jedes Neuron empfängt ständig die synaptischen Signale andere Neuronen. Einige sind exzitatorisch, einige inhibitorisch, einige effektiver, andere weniger effektiv. Manche Synapsen liegen auf den Spitzen der apikalen Dendriten, einige auf dem Dendritenschaft andere auf den Dendritendornen. Die verschiedenen Inputs können einander verstärken oder auch auslöschen. Die Potentiale, die von einem einzelnen postsynaptischen Neuron erzeugt werden, sind klein und nicht in der Lage eine postsynaptische Zelle so stark zu depolarisieren, dab die Schwelle für das Aktionspotential erreicht wird.

Der Nettoeffekt der Inputs an jeder exzitatorischen oder inhibitorischen Synapse hängt daher von verschiedenen Faktoren ab: Vom Ort der Synapse, von ihrer Gröbe und Form, sowie von der Nähe und relativen Stärke anderer erregenden oder hemmenden Synapsen. Die Effektivität von chemischen Synapsen kann für kürzere oder auch längere Zeit verändert werden.

Die Regulierbarkeit oder synaptische Plastizität wird von zwei Arten von Vorgängen gesteuert:
1) Vorgänge innerhalb des Neurons, wie Änderung des Membranpotentials oder das Abfeuern von Aktionspotentialen.
2) Extrinsische Prozesse wie die synaptischen Eingänge von anderen Neuronen.
Ob ein Neurotransmitter erregend oder hemmend wirkt, ist von den Rezeptoren der Postsynapse abhängig. Praktisch gesehen ist Glutamat meist bei erregenden (Erhöhung der Membranspannung) und GABA (g-Aminobuttersäure) bei hemmenden (Erniedrigung der Membranspannung) Prozessen beteiligt. Wir unterscheiden zwischen Neurotransmitter, die praktisch nur der Signalweiterleitung dienen und Neurotransmitter, die verschiedene Prozesse im Neuron oder an der Synapse modulieren.

Für die Signalweiterleitung im Gehirn sind folgende Stoffe* verantwortlich:
Glutamat: meist erregend, dient der Informationsweitergabe, sehr häufig
GABA: meist hemmend, 25-40% der Synapsen

Eine modulierende Wirkung besitzen folgende Substanzen*:
Acetylcholin: Steuerungsaufgaben im Vorderhirn, Hippocampus, Septum, wirkt meist erregend

Catecholamine:Dopamin, Noradrenalin, Adrenalin, modulierende Aufgaben, wirkt meist hemmend ;

Serotonin: modulierend im Vorderhirn, Cerebellum und Rückenmark, wirkt meist hemmend.

Die Neurotransmitter, die eine modulierende Wirkung besitzen, sind nur in einem geringen Anteil im Gehirn vorhanden (2-5%).

*... hauptsächlich - aber es gibt immer wieder Ausnahmen.

Die modulierenden Neurotransmitter finden sich im gesamten Gehirn. Von einzelnen zentralen Schaltstationen (für jeden modulierenden Neurotransmitter gibt es in ein bis drei Kernen) ziehen Faserstränge in verschiedenste Gebiete des Gehirns und modulieren dort die Signalverarbeitung.

Die Neurotransmitter Serotonin, Dopamin und Noradrenalin haben häufig bei wichtigen geistigen und neurologischen Fehlfunktionen eine wesentliche Bedeutung, wie sie zum Beispiel bei Depression, Schizophrenie, Alzheimer, Rauschgiftsucht und bei der Parkinson-Krankheit auftreten.


Links: In einem Web-Lexikon finden sich einige nette Begriffe.


Zu dieser Vorlesungseinheit stehen keine Applets zur Verfügung.


Diese Fragen sollte man nach der Vorlesungseinheit beantworten können:

Aus welchen funktionellen Einheiten besteht ein Neuron ?

Welche Proteine wirken im Zellkörper ?

Welche Aufgaben haben die Dendriten, die Synapsen ?

Welche Arten von Neuronen gibt es ?

Was versteht man einem Ruhememranpotential, einer Schwellwertspannung und einem Aktionspotential ?

Was versteht man unter Depolarisation und unter Hyperpolarisation ?

Welche Arten von Synapsen gibt es ?

Welche wesentlichen Bausteine (morphologisch, funktionell) einer Synapse gibt es ?

Erläutere den Begriff PSP, EPSP und IPSP ?

Welche Ionenkanäle auf der Präsynapse sind für das Auslösen eines PSP´s verantwortlich ?

Welche Schritte gibt es bei der Signalübertragung von Synapsen ?

Welche Bedingungen müssen für einen Neurotransmitter erfüllt sein ?

Welche informationsübertragende Neurotransmitter gibt es ? Was bewirken sie ?

Was ist für die Wirkung (inhibitorisch/excitatorisch) eines Neurotransmitters verantwortlich ?

Welche modulatorischen Neurotransmitter (inhibitorisch/excitatorisch) kennen sie ?