Bau und Funktion von Nervenzellen
Ein wesentliches Element im Bezug auf unser Nervensystem (und Grundbaustein desselben) ist die Nervenzelle (oder Neuron). Verantwortlich für die Aufnahme und Weitergabe von in elektrischen Signalen, bzw. Reizen verschlüsselten Informationen, fungieren sie als verlängerter „Arm“ des Gehirns.

Grundsätzlich lässt sich die Struktur eines Neurons in drei Abschnitte unterteilen. Zunächst einmal fällt der Zellkörper auf, der den Zellkern und wichtige Organellen beinhaltet. Dendriten, feine verästelte Fortsätze, die vom Zellkörper abgehen, dienen der Nervenzelle zum Empfang von Informationen. Der dritte und sehr wichtige Teil des Neurons ist das Axon. Dies ist ein langer Fortsatz, der Informationen aktiv über große Entfernungen weiterleitet und in sowohl verzweigter, als auch unverzweigter Form vorkommt. Am Ende des Axons befindet sich die Ausgangsregion, die den zuvor aufgenommenen Reiz an nachfolgende Zellen weiter gibt. Diese Region heißt Synapse. In diesem Bereich legt sich das Ende eines Axons an die Dendriten einer anderen Nervenzelle, um eine Weitergabe von Informationen zu ermöglichen.

Ausschlaggebend in diesem System der Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Informationen in den Neuronen sind elektrische Vorgänge. Solche sind nur möglich, sofern Ladungsträger vorhanden sind. In der Salzlösung (NaCl), die in den Nervenzellen und um sie herum vorhanden ist, ist genau dies in Form von positiv oder negativ geladenen Ionen der Fall. Im tierischen Gewebe sind die Hauptvertreter meist positiv geladene Kationen, wie Natriumionen (Na+), Kaliumionen (K+) und Calciumionen (Cl2+) sowie negativ geladene Anionen von Chlorid (Cl-), Hydrogencarbonat (HCO3-) und Proteinen.

Die Membran des Axons, dem Verbindungsglied zwischen Zellkörper und nachfolgendem Neuron, ist grundsätzlich aufgrund einer Lipid-Doppelschicht (also ihrer hydrophoben Eigenschaft) nur äußerst schwer für die hydrophilen Ionen durchlässig. Sie besitzt jedoch eine selektive Permeabilität, die auf eingelagerte Ionenkanäle im Axonbereich beruht, die bestimmen, welche Ionen passieren können. Die Durchlässigkeit in Bezug auf die Ionen lässt sich hierbei in der Größe und den Ladungsverhältnissen innerhalb des Ionenkanals begründen.

Doch wie wird nun ein Reiz durch das Axon weitergeleitet? Grundsätzlich befindet sich das Axon in einem so genannten „Ruhepotential“ (ungefähr -75mV). Dieses kommt aufgrund von Ionenaustauschen zustande, die durch die Membran diffundieren, bzw. zu groß für die Kanäle sind und deshalb zurückbleiben müssen.

Wird ein Axon über einen bestimmten Schwellenwert depolarisiert, öffnen sich zunächst wenige nachfolgende Na+-Kanäle, dann durch die veränderte Spannung lawinenartig Andere. Natriumionen strömen daraufhin durch die Membran in das Innere des Axons und die Depolarisierung wird immer stärker, überschreitet den Nullpunkt und hebt sich schließlich bis ca. 30mV. Verglichen mit dem Ruhepotential ist der Axon nun am betreffenden Punkt geradezu umgekehrt geladen. Nach dem Anstieg der Na+-Konzentration, öffnen sich schließlich auch die Kaliumionenkanäle, sodass diese Ionen nach außen strömen können. Nun ist eine Rückkehr zum Ruhewert zu verzeichnen. Die Natriumkanäle sind nun geschlossen und auch die K+-Kanäle schließen sich langsam wieder. Sie sind jedoch wesentlich langsamer und aus diesem Grund fließen selbst nach dem Erreichen des Ruhepotentials weitere Kaliumionen nach außen. Darauf folgt eine sog. Hyperpolarisation an die sich die Rückkehr zum Ruhepotential (nach vollständiger Schließung der Kaliumionenkanäle) anschließt. Gemessen an der Gesamtzahl der Ionen, geschieht während dieses Vorgangs, der insgesamt das Aktionspotential genannt wird, keine große Veränderung der Verteilung gegenüber. Nach dem entstehen einiger Aktionspotentiale summieren sich die Veränderungen jedoch. An dieser Stelle tritt die Natrium-Kalium-Pumpe „in Aktion“. Sie befördert entgegen der Diffusionskraft die Ionen wieder in die Ausgangslage des Ruhepotentials. Da dies große Mengen an Energie erforderlich macht, wird sie durch ATP versorgt. Die Pumpe hat demnach eine Ruhepotential erhaltende, jedoch keine Ruhepotential bildende Rolle.

Die Weiterleitung innerhalb des Axons geschieht außerdem nur in eine Richtung, da die Natrium-Kanäle sich nach einem Reiz für wenige Millisekunden nicht öffnen können. Diese Zeit nennt man Refraktärzeit.

Am Ende des Axons befindet sich das Endknöpfchen, das sich an Dendriten eines anderen Neurons gelegt hat. Zwischen dem Endknopf und dem Dendrit befindet sich ein schmaler, mit Flüssigkeit gefüllter Zwischenraum, der so genannte synaptische Spalt. In der Synapse ist eine Unterteilung in zwei Abschnitte möglich: in den präsynaptischen Teil (Bereich vor dem synaptischen Spalt) und den postsynaptischen Teil (Bereich nach dem synaptischen Spalt).

Charakteristisch für das Ende des Axons ist sind die synaptischen Bläschen. Sobald in den Bereich des Endknöpfchens (ausgelöst durch ein Aktionspotential) Calciumionen (Ca+) einströmen, verschmelzen die Bläschen mit der präsynaptischen Membran und setzen Überträgerstoffe (Transmitter) frei, die durch den synaptischen Spalt diffundieren. In Abhängigkeit von der Stärke des Reizes (ausgedrückt durch die Frequenz) folgt zeitlich auf das Einströmen der Calciumionen eine chemische Bindung bzw. ein Auspumpen, das eine völlige Entleerung aller synaptischen Bläschen verhindert. Nachdem ein Transmitter (wie Acetylcholin) an einem in der postsynaptischen Membran befindlichen Rezeptor bindet, öffnen sich Kanäle, die wiederum Ionen einströmen lassen. Na+ Ionen fließen nun in das postsynaptische Neuron und depolarisieren dieses. Um eine Dauererregung zu verhindern spalten passende Enzyme, wie Cholinesterase die Transmitter in Acetat-Ionen und Cholin, bzw. werden die Überträgerstoffe wieder an der Nervenendigung in synaptische Bläschen aufgenommen.

Zusätzlich zu den beschriebenen „erregenden“ Synapsen existieren aber auch „hemmende“ Synapsen. Die Ausgeschütteten Transmitter depolarisieren die postsynaptische Nervenzelle nicht, sondern hyperpolarisieren sie. Durch die Öffnung von Kalium- und Chloridkanälen, die K+-Ionen nach außen strömen und Cl-Ionen nach innen fließen lassen, entsteht daraufhin eine kurzzeitige Hyperpolarisation.

Der Reiz einer erregenden Synapse wird dann in der postsynaptischen Zelle von einem digitalen (je höher die Frequenz, desto stärker) in ein analoges (je stärker desto stärker) Signal gewandelt. Dieses Signal wird im Falle der erregenden Synapse EPSP (erregendes postsynaptisches Potential) und im Falle der hemmenden Synapse IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potential) genannt. Da diese beiden Potentiale wesentlich langsamer sind als die Aktionspotentiale, kann es passieren, dass ein Signal noch nicht ganz abgeflaut ist, wenn schon das nächste folgt. In diesem Falle kommt eine Überlagerung zustande, die sich später bei Rückwandlung in ein digitales Signal am Axonhügel, in Form eines stärkeren Reizes ausdrückt. Bei inhibitorischen Synapsen verhält es sich genau entgegengesetzt. Das Phänomen, dass oft viele Axone Synapsen an den Dendriten einer Nervenzelle bilden, nennt man Konvergenz, das heißt es kommen viele Endigungen an eine Nervenzelle. Wenn sich ein Axon in Mehrere aufspaltet, wird dies Divergenz genannt. Sofern ein Axon divergent ist, verliert er trotzdem nicht an seiner Signalstärke.

Im Soma, dem Zellkörper, wird schließlich das Signal durch Diffusion weitergegeben. Ist es stark genug und überschreiten am Axonhügel den auslösenden Grenzwert, entsteht ein neues Aktionspotential.


von Alexander Kurth


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