Kernstück körperlicher Kommunikation
Wie eine Nervenerregung entsteht und weitergeleitet wird
Als Spezialisten für das Nachrichtenwesen haben die Nervenzellen, die Neurone, den anderen Zellen einiges voraus: Die Beschaffenheit ihrer Zellmembran befähigt sie zur Aufnahme und Weiterleitung von Informationen in Form elektrischer Signale. In Gestalt der Sinneszellen verwandeln sie von außen kommende chemische (Geruchs- und Geschmacksstoffe), elektromagnetische (Licht) oder mechanische Reize (Schall, Druck) in Stromimpulse.
Das typische Neuron ist ungemein kontaktfreudig: So ist der Weg zur Zelle hin mit vielen Fortsätzen (Dendriten) gepflastert, die auf Signale warten. Der Weg von der Zelle weg ist länger und führt über einen einzigen Fortsatz (Axon), der aber durch Endverzweigung die aufgenommene Information auch auf viele nachgeschaltete Zellen verteilt. In einem jedoch sind die Neurone den übrigen Zellen unterlegen: In ihnen pflanzen sich zwar die Nervenimpulse fort, sie selbst aber können sich nicht fortpflanzen. Im Zuge der Spezialisierung ist ihr Teilungsapparat auf der Strecke geblieben.
Die Fähigkeit zur Erregungsbildung und -leitung verdankt das Neuron der elektrischen Spannung, unter der seine Membran im Ruhezustand steht. Dafür verantwortlich ist die unterschiedliche Verteilung positiver und negativer Ionen diesseits und jenseits der Zellmembran. Innen häufen sich negativ geladene Eiweiße und positive Kalium-Ionen, außen negative Chlor- und positive Natrium-Ionen. Diese Verteilung wird durch eine Ionenpumpe aufrechterhalten, die fortwährend Natrium aus der Zelle heraus- und Kalium hineinpumpt. Die Nettobilanz ergibt mehr negative Ladungen in als außerhalb der Zelle: So beträgt das Membranruhepotenzial -70 Millivolt. Bei Erregung des Neurons wandelt sich das Ruhepotenzial zum Aktionspotenzial.
Vom Nervenimpuls zur Reaktion
Nur zu Nervengewebe vernetzt können die Neurone ihre Kontaktbereitschaft umsetzen und ihren Aufgaben nachkommen. Über ihren Fortsatz (Axon) und dessen Ausläufer gehen sie bis zu mehrere Tausend Verknüpfungen ein, während ihr Zelleib von vielen anderen Nervenzellen Signale empfängt. Aber nicht nur zu ihresgleichen haben Neuronen Kontakt. Da Signale Reaktionen verlangen, die von bestimmten Organen wie Muskeln und Drüsen ausgeführt werden, müssen sich Neurone diesen auch mitteilen. Die Verbindung zu Nerven-, Drüsen- oder Muskelzellen erfolgt über eine Synapse.
Für sich nicht lebensfähig, sind die Neurone auf Helfer angewiesen, die sie ernähren, stützen, schützen und voneinander gegen Kurzschlüsse isolieren. Diese Aufgaben werden von den Gliazellen (Glia = Leim) wahrgenommen, die selbst zwar nicht mitteilungsfähig, dafür aber noch teilungsfähig sind. Im Nervengewebe kommen auf ein Neuron fünf bis zehn Gliazellen.
Für den Dialog mit Körper und Außenwelt muss das Nervenzellnetz entsprechend aufgebaut und organisiert sein: Afferente (hinführende) Neuronen übernehmen die Signale von peripheren Sinneszellen und senden sie ins zentrale Nervensystem (ZNS). Dort sitzen etwa 20 Milliarden Zwischenzellen (Interneurone) als Integratoren und verteilen, hemmen, filtern, kombinieren oder modulieren die Impulse nach Bedarf und Vermögen. Efferente (vom ZNS wegführende) Neurone zu den Muskeln und Drüsen schließen den Funktionskreis vom Signal zur zielgerechten Wirkung.
Der Aufbau von Nervenzellen
Nervenzellen sind sehr spezialisiert und haben daher ganz besondere Eigenschaften. Der Zellkörper (Soma, 1) enthält neben dem Kern (2) und anderen typischen Organellen Nissl-Schollen (3), in denen eine Vorstufe der Neurotransmitter (siehe D) gebildet wird. Vom Zellkörper strahlen Ausläufer ab: baumartige Dendriten (4), die Nervenimpulse aufnehmen, und lang gezogene Axone (5), die die Erregung weiterleiten. Sie stellen den Kontakt zu den anderen Nervenzellen und der Umgebung her. In den Axonen verlaufen Neurofibrillen (6). Die Nervenfasern der Axone sind mit Zellen zur Isolierung vom umgebenden Gewebe ausgestattet, den Schwannschen Zellen (7). Diese sind in mehreren Schichten um das Axon (8) herumgewachsen, so dass eine so genannte Myelinscheide (9) entstanden ist. Derartige Nervenfasern werden als markhaltig bezeichnet. Zwischen den Schwannschen Zellen erkennt man die Ranvierschen Schnürringe (10), die für die Fortleitung der Stromimpulse von Bedeutung sind. Die Endköpfchen (11) der Axone sind Bestandteil der Synapsen.
Die Entstehung von Aktionspotenzialen
Die Weiterleitung der Signale erfolgt durch elektrische Impulse. Im Ruhezustand (1) besteht ein Überschuss an negativen Ladungen im Zellinneren, bedingt durch die unterschiedliche Verteilung von positiven (Kalium=K+ und Natrium=Na+) und negativen Ladungsträgern (Chlorid und Eiweiße) zwischen Nervenzelle und Umgebung. In diesem Zustand (Ruhepotenzial) lässt sich eine Spannung von -70 mV messen (2). Wird ein Bereich der Zelle erregt, kommt es zum Aktionspotenzial (3). Es strömen verstärkt positive Natrium-Ionen in die Zelle, so dass sich die Ladungsverteilung umkehrt und eine Spannung von +20 mV entsteht (4). Diese Umpolarisation kehrt sich wieder um, da Kalium-Ionen aus der Zelle strömen und der Natrium-Einstrom eingeschränkt ist (5). Es kommt zur Repolarisation (6). Ionenpumpen stellen das ursprüngliche Ionen-Verhältnis wieder her.
Aktionspotenziale führen zum Stromfluss
Ist die kontinuierliche Ausbreitung der Aktionspotenziale entlang der Axonmembran durch Schwannsche Zellen (1) behindert, resultiert aus der unterschiedlichen Ladungsverteilung als Ladungsausgleich ein Stromfluss, der von Schnürring zu Schnürring "springt" (2). Dadurch wird die Erregung besonders schnell weitergeleitet.
Erregungsübertragung auf andere Zellen
Durchläuft ein Nervenimpuls ein Axon, erreicht er schließlich die Verbindung zur nächsten Nervenzelle, die Synapse. Diese besteht aus der knopfartigen Verdickung (1), einem Spalt (2) und der Membran (3) der nächsten Nervenzelle. Die Erregung vom Axon setzt Neurotransmitter (4) frei, die in Bläschen (Vesikeln, 5) eingelagert sind. Die Neurotransmitter strömen in den Spalt und erreichen die gegenüberliegende Membran. Hier lösen sie eine Erhöhung der Membrandurchlässigkeit für Ionen aus, indem sie Ionen-Kanäle (6) öffnen. Dabei kommt es je nach Synapsentyp zu zwei unterschiedlichen Effekten: Kaliumausstrom hemmt die Übertragung durch eine Verstärkung des Ruhepotenzials, Natriumeinstrom dagegen erzeugt ein Aktionspotenzial, das sich entlang der Membran in alle Richtungen ausbreitet (7): Die Erregung ist auf eine andere Nervenzelle, Drüsen- oder Muskelzelle übertragen worden.
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