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Nervengewebe, Synapsen und Transmitter

Abstract

Im Körper werden grundlegend zwei verschiedene Nervensysteme unterschieden: das zentrale Nervensystem, das aus Gehirn und Rückenmark besteht, und das periphere Nervensystem, das alle Nerven außerhalb des ZNS umfasst. Nerven sind die „Stromleitungen“ des menschlichen Körpers. Sie steuern u.a. Bewegungen und Organfunktionen und dienen als Überträger sensorischer Inputs. Sie können je nach Systemzugehörigkeit (peripheres oder zentrales Nervensystem bzw. somatisches oder vegetatives Nervensystem) und Funktion sehr unterschiedlich aufgebaut sein, ihre Neurone haben jedoch alle den gleichen Aufbau aus Zellkörper und Zellfortsätzen (Axone und Dendriten). Neurone nehmen Informationen auf und leiten sie an andere Nerven oder ihr Zielorgan weiter. Diese Informationen werden entlang der Nervenfaser entweder kontinuierlich und damit langsamer oder saltatorisch (sprunghaft) übertragen. Soll die Information auf eine andere Nervenfaser oder ein Organ übertragen werden, geschieht dies mithilfe elektrischer oder chemischer Synapsen, die dafür Transmitter (z.B. Acetylcholin, Noradrenalin, Dopamin etc.) nutzen. Informationen des vegetativen Nervensystems werden dabei im Zuge ihrer Weiterleitung in Ganglien umgeschaltet. Man unterscheidet Nervenfasern auch anhand ihrer Funktion bzw. der Richtung ihrer Informationsweiterleitung in Afferenzen und Efferenzen: Afferenzen leiten Informationen aus der Peripherie des Körpers zum ZNS, Efferenzen hingegen Informationen aus dem ZNS in die Peripherie.

Einteilung des Nervensystems

Nervengewebe

Die Zellen des Nervensystems können in zwei Gruppen unterteilt werden: Neurone (Nervenzellen) und Gliazellen (Supportzellen).

Neurone (Nervenzellen)

Neurone sind im peripheren und zentralen Nervensystem zu finden und fungieren v.a. als Aufnahme-, Weiterleitungs- und Verarbeitungselemente von Reizen. Jedes Neuron besteht aus einem Zellkörper und den dazugehörigen Fortsätzen (Dendriten und Axone) und ist funktionell gerichtet aufgebaut (Signalempfang/Rezeptor → Signalüberleitung → Signalweitergabe). Die Fortsätze werden auch als „Neuriten“ bezeichnet und bilden das Neuropil („Nervenhaar“). Es stellt die Verbindung zu Synapsen her, über die Neurone miteinander verbunden sind.

Zellkörper

Zellfortsätze

Jedes Neuron hat nur ein Axon!

Klassifikation

Nervenzellen können abhängig von ihrer Form und Funktion eingeteilt werden.

Nach Anzahl der Zellfortsätze

Nach Funktion

Gliazellen (Supportzellen)

Es gibt ca. zehnmal mehr Gliazellen als Nervenzellen. Sie bilden das Gerüst für Nervenzellen und sind in deren Stoffwechsel involviert. Die Gliazellen des PNS unterscheiden sich von denen des ZNS.

Vorkommen Gliazelle Wichtige Eigenschaften Funktion
Peripheres Nervensystem Schwann-Zellen
  • Regenerationsfähig
Mantel-Zellen (= Satellitenzellen, Amphizyten)
  • Sind am Stoffwechsel der Neurone beteiligt
Zentrales Nervensystem Astrozyten
  • Stützfunktion, Narbenbildung nach Gewebeschädigung
  • Beteiligung an Bildung der Blut-Hirn-Schranke
  • Aufnahme von Stoffwechselprodukten, Ernährung und Regeneration von Neuronen, Aufrechterhaltung des neuronalen Milieus
  • Bilden keine Aktionspotentiale, da sie kaum über spannungsabhängige Natriumkanäle verfügen und ein deutlich negativeres Ruhemembranpotential (ca. -90 mV) haben als Neuronen
Oligodendrozyten
  • Wenige, kurze Fortsätze
  • Nicht regenerationsfähig
Mikrogliazellen (Hortega-Zellen)
  • Beweglich durch Fortsätze
Ependymzellen
  • Ähneln iso- bis hochprismatischen Epithelzellen
  • Sind untereinander über Gap junctions verbunden
Radiärglia
  • Dienen während der Entwicklung des Nervengewebes als Leitstruktur zur radiären Migration von Neuroblasten
  • Verschiedene weitere Funktionen, z.T. noch nicht geklärt

Neurinome
Neurinome sind von den Schwann-Zellen ausgehende gutartige Neubildungen und werden mitunter auch als Schwannome bezeichnet. Sie können im kompletten peripheren Nervensystem vorkommen, stammen aber häufig vom vestibulären Anteil des Nervus vestibulocochlearis ab (Vestibularisschwannom oder auch Akustikusneurinom genannt). Klinische Frühsymptome sind u.a. Hörstörungen, Schwindel und Gangunsicherheit. Im Verlauf kann es auch zur Kompression anderer Nerven (z.B. N. facialisPeriphere Fazialisparese) kommen. Die Therapie besteht meist aus der operativen Entfernung des Tumors.

Gliome
Entartete Gliazellen sind der Ursprung fast aller Gehirntumoren. Je nachdem welchem Subtyp sie entstammen, unterscheidet man Astrozytome, Oligodendrogliome, Ependymome und Glioblastome. Letztere sind hochmaligne und haben unter den Gliomen die schlechteste Prognose.

Nervenfasern

Hüllen der Nervenfasern im ZNS und PNS
Eigenschaft Nervensystem Nicht-myelinisierte Nervenfasern Myelinisierte Nervenfasern
Dicke ZNS
  • <1μm
PNS
  • <2μm
Gliazellen ZNS
PNS
Hülle ZNS
  • Keine oder in Bündeln von Astrozyten zusammengehalten
PNS
Basallamina ZNS
  • Nein
PNS
  • Ja
Erregungsleitung ZNS und PNS

Multiple Sklerose
Die Multiple Sklerose ist eine neurologische Erkrankung des ZNS und geht mit Demyelinisierungen im Gehirn und Rückenmark einher. Diese beeinflussen die Innervation von Organen und Muskeln und es kommt zur progredienten oder schubförmigen Beeinträchtigung mehrerer Systeme wie bspw. dem motorischen System (gestörte Okulomotorik), dem Kleinhirn (Ataxie), dem vegetativen Nervensystem (Blasen- und Mastdarmentleerungsstörungen), dem sensiblen System (lokalisierte Sensibilitätsstörungen) sowie der Kognition (Defizite in der Gedächtnis- und Konzentrationsleistung).

Opticusneuritis (Neuritis nervi optici, Retrobulbärneuritis)
Die Opticusneuritis ist oft erstes Symptom einer Multiplen Sklerose und geht mit einseitiger Farbsinnstörung und Visusminderung sowie Orbitaschmerzen einher. Besonders ist hierbei, dass die Augenspiegelung meist unauffällig ist. Zugrunde liegt der Opticusneuritis eine Entzündung des Sehnervs, die zur Folge hat, dass Aktionspotentiale verlangsamt oder gar nicht weitergeleitet werden.

Bindegewebshüllen eines Nervs

Eine periphere Nervenfaser setzt sich aus Axonen, Gliazellen und einer umgebenden Bindegewebshülle zusammen. Mehrere Nervenfasern sind dabei zu Nerven gebündelt.

Bindegewebshülle
(von außen nach innen)

Aufbau Inhalt
  • Epineurium
  • Fasst die Nervenfaserbündel zu einem Nerven zusammen
  • Perineurium
  • Mehrere Schichten epitheloider Zellen
  • Fasst mehrere Nervenfasern zu einem Nervenfaserbündel zusammen
  • Endoneurium

Klassifikation der Nervenfasern

Nervenfasern können anhand der Dicke ihrer Myelinscheide und ihrer Leitungsgeschwindigkeit eingeteilt werden.

Faserklasse (nach Lloyd und Hunt) Faserklasse (nach Erlanger und Gasser) Myelinscheide Durchmesser Leitungsgeschwindigkeit Vorkommen
I Aα-Fasern ja

ca. 15 μm

ca. 60–120 m/s

II Aβ-Fasern ja ca. 8 μm ca. 30–60 m/s
Aγ-Fasern ja ca. 5 μm ca. 2–30 m/s
III Aδ-Fasern ja ca. 3 μm
B-Fasern ja <3 μm ca. 3–15 m/s
IV C-Fasern nein ca. 1 μm ca. 0,25–1,5 m/s

Je größer der Durchmesser der Nervenfaser, desto höher die Leitungsgeschwindigkeit!

Ganglien

Ganglien sind Ansammlungen von Perikarya (Nervenzellkörpern), die als Verdickungen an einem Nervenstrang imponieren. In Ganglien des vegetativen Nervensystems werden präganglionäre Nervenfasern zu postganglionären Nervenfasern verschaltet. Spinalganglien hingegen stellen nur eine Zusammenlagerung von Nervenzellkörpern dar, die die Informationen unverändert weiterleiten.

Ganglionstyp Verschaltung Vorkommen Systemzugehörigkeit Zellen
Spinalganglien nein Somatisches Nervensystem

Vegetative Ganglien

ja
  • Grenzstrangganglien: Parallel zur Wirbelsäule (paravertebrale Ganglien)
  • Prävertebrale Ganglien: Liegen in der Nähe der großen Bauchgefäße
  • Intramurale Ganglien: In Organen
Vegetatives Nervensystem

Signalübertragung in Ganglien

  • Divergenz: Ein präganglionäres Neuron zweigt sich in viele postganglionäre Neurone auf (Verteilerfunktion)
  • Konvergenz: Viele präganglionäre Neurone bündeln sich zu einem postganglionären Neuron (hoher Sicherheitsgrad der synaptischen Übertragung)
  • Eine Signalübertragung findet wahrscheinlich nur unter funktionell gleichen Neuronen statt

Plexus

Plexus (lat. Geflecht) sind Knotenpunkte für Nervenfasern, die ihren Ursprung in unterschiedlichen Ganglien oder Rückenmarkssegmenten haben. Sie kommen sowohl im somatischen als auch im vegetativen Nervensystem vor und befinden sich oft in Nähe der sie versorgenden Organe.

Synapsen

Synapsen sind Umschaltstellen zwischen zwei Neuronen oder zwischen einem Neuron und einem Zielorgan. An der Oberfläche jedes Neurons befinden sich mehrere Synapsen, die gleichzeitig aktiv sind und entweder erregend oder hemmend auf das Neuron wirken. Man unterscheidet dabei elektrische von chemischen Synapsen.

Elektrische Synapse

Elektrische Synapsen sind weitaus seltener als chemische und übertragen die Erregung zwischen zwei Zellen über einen Ionenstrom. Die Erregungsübertragung kann in beide Richtungen („bidirektional“) und ohne Zeitverlust erfolgen. Man findet elektrische Synapsen zwischen neuronalen Zellen, z.B. in der Retina.

Aufbau

Funktionsweise

  1. Eine präsynaptische Zelle wird durch ein Aktionspotential depolarisiert
  2. Da die andere mit ihr verbundene Zelle noch nicht erregt ist, kommt es zu einem Potentialgefälle
  3. Ionenstrom durch Konnexone hindurch
  4. Depolarisation der anderen postsynaptischen Zelle = elektrische Kopplung
  5. Auslösung eines Aktionspotentials an der postsynaptischen Zelle, falls das Schwellenpotential überschritten wird

Chemische Synapse

Chemische Synapsen sind die häufigste Synapsenform im menschlichen Körper. Sie geben die Informationen eines Neurons mithilfe eines Botenstoffes (sog. Transmitter) an ein anderes Neuron oder ein Zielorgan weiter. Im Gegensatz zu elektrischen Synapsen ist der Informationsfluss bei chemischen Synapsen nur in eine Richtung möglich („unidirektional“, PräsynapsePostsynapse), da die Postsynapse keine Transmitter ausschütten kann. Die Signalweiterleitung an einer chemischen Synapse dauert weniger als 0,5 Millisekunden.

Aufbau

Synapsentypen

Chemische Synapsen können anhand verschiedener Eigenschaften unterschieden werden.

Funktionsweise

  1. Präsynapse: Umwandlung elektrisches Signal (Aktionspotential) → Chemisches Signal (Transmitterfreisetzung)
    • Transmitter werden im Perikaryon des Neurons synthetisiert und anterograd entlang des Axons zur präsynaptischen Endigung transportiert
    • In Nähe der präsynaptischen Membran wird der Transmitter in Vesikeln gespeichert
    • Das elektrische Signal in Form einer Depolarisation führt dazu, dass sich an der präsynaptischen Endigung spannungsabhängige Calcium-(Ca2+)-Kanäle öffnen und es folglich zu einem Ca2+-Einstrom kommt
  2. Synaptischer Spalt: Transmitterfreisetzung aus Präsynapse
    • Ca2+-vermittelt verschmilzt der Vesikel mit der präsynaptischen Membran und setzt den Transmitter durch Exozytose frei
    • Synaptische Bahnung
      • Je größer der Ca2+-Einstrom ist, desto mehr Transmittermoleküle werden aus den Vesikeln freigesetzt und desto stärker ist das Signal an der postsynaptischen Membran
      • Erreicht ein weiteres Aktionspotential die Präsynapse, während in diese noch Calcium einströmt, addieren sich die "alten" und "neuen" Calciummengen und führen so zu verstärkter Transmitterfreisetzung
    • Erhöhte extrazelluläre Magnesium-(Mg2+)-Konzentrationen können diesen Ablauf hemmen, da Magnesium den gleichen Ionenkanal wie Ca2+ benutzt. Dies hat einen reduzierten Ca2+-Einstrom und damit eine verminderte Transmitterfreisetzung zur Folge.
  3. Postsynapse: Transmitterbindung und Umwandlung chemisches Signal → Elektrisches Signal (postsynaptisches Potential)
  4. Postsynaptisches Potential (abhängig von der Art des Transmitters und postsynaptischen Rezeptors)
  5. Verstärkung des EPSP
    • Zeitliche Summation: Wird über eine oder mehrere beieinander liegende Synapsen kurz nacheinander ein unterschwelliges EPSP weitergeleitet, so addieren sich die Ströme zu einem überschwelligen EPSP
    • Räumliche Summation: Werden über mehrere nah beieinander liegende Synapsen gleichzeitig unterschwellige EPSPs weitergeleitet, dann addieren sich diese zu einem überschwelligen EPSP
  6. Beendigung der Signalübertragung

Ein EPSP ist nicht ausreichend, um ein Aktionspotential im postsynaptischen Neuron auszulösen. Für postsynaptische Aktivität im Neuron bedarf es vieler EPSP!

Tetanus
Tetanus (Wundstarrkrampf) ist eine lebensgefährliche Krankheit. Sie wird durch das Bakterium Clostridium tetani verursacht, das im Erdboden vorkommt und meist über kleine Wunden an der Hautoberfläche in den Körper eindringt. Im Körper angekommen, produziert es das Tetanustoxin, das von peripheren Nerven aufgenommen und entlang der Axone retrograd ins Rückenmark transportiert wird. An den Synapsen hemmender Interneurone (sog. Renshaw-Zellen) zerstört es ein Protein, das für die Freisetzung des Transmitters Glycin verantwortlich ist. Es kommt demnach zu einer ungehemmten Aktivität der α-Motoneurone und folglich zu einer Dauerkontraktion verschiedener Muskeln.

Afferenzen/Efferenzen

Nervenfasern leiten Informationen nur in eine Richtung. Je nachdem, wo die Erregung entsteht, unterscheidet man Afferenzen und Efferenzen. Die Erregung der Afferenzen erfolgt in Rezeptoren der peripheren Nervenendigungen, die der Efferenzen in einem Neuron des ZNS.

Übersicht der Neurotransmitter

Die Neurone des Nervensystems können über Botenstoffe (sog. Transmitter) mit anderen Neuronen oder Zielzellen kommunizieren. Dafür kann ein Neuron einen oder mehrere Transmitter verwenden.

Quartäre Ammoniumverbindung

Transmitter Vorkommen Wirkung Eigenschaften

Acetylcholin (ACh)

  • Meist erregend

Monoamine

Die Monoamine Dopamin, Serotonin, (Nor‑)Adrenalin und Histamin werden durch die Monoaminoxidase abgebaut!

Transmitter Vorkommen Eigenschaften

Dopamin

Serotonin (5-Hydroxy-Tryptamin)

Noradrenalin

  • Postganglionäre sympathische Fasern
  • Noradrenerge Kerne des Hirnstamms

Adrenalin

Histamin

Aminosäuren

Transmitter Vorkommen Wirkung Eigenschaften

Glutamat

  • Erregend

Aspartat

  • Erregend
  • Seltener Erreger im ZNS

GABA

  • Hemmend
  • Prä- und postsynaptisch

Glycin

  • Hemmend

Neuropeptide

Neuropeptide sind im Nervengewebe freigesetzte Peptide, die als Cotransmitter und Peptidhormone fungieren können.

Transmitter Vorkommen

Substanz P

Endorphine

Enkephaline

Dynorphin

Neurotensin

Somatostatin

Oxytocin

Vasopressin

Vasoaktives intestinales Polypeptid (VIP)

Neuropeptid Y

Cholezystokinin

Orexin A

Purine und gasförmige Transmitter

Substanzklasse Transmitter Vorkommen Wirkung
Purine
Gasförmige Transmitter
  • Kann als retrograder Transmitter wirken
  • Moduliert glutamaterge Neurotransmission

Schizophrenie
Man vermutet, dass für einige Formen der Schizophrenie eine vermehrte Aktivität von dopaminergen Zellgruppen zumindest teilweise verantwortlich ist. Aufgrund dieser Annahme werden in der medikamentösen Therapie Dopaminantagonisten eingesetzt. Sie bewirken, dass die Aktivität des Dopamins an postsynaptischen Rezeptoren reduziert und somit die Symptomatik der Erkrankten verbessert wird.

Drogen
Einige Drogen wie Kokain, Amphetamin und Halluzinogene erhöhen u.a. die Dopaminkonzentration im synaptischen Spalt, was zu einer Stimulation des Dopamin-vermittelten Belohnungssystems und damit zu einer psychischen Abhängigkeit führt. Die daraus folgende positive Assoziation mit der Substanz erschwert die Therapie.

Depressive Erkrankungen
Zusammen mit Noradrenalin steuert Serotonin emotionale Prozesse, den Schlaf-Wach-Rhythmus und das schmerzhemmende System. Im Zusammenhang mit depressiven Erkrankungen geht man davon aus, dass eine reduzierte Aktivität noradrenerger und serotoninerger Neurone eine Rolle spielt. Die Leitsymptome der Depression (gedrückte Stimmung, Interessenverlust, Antriebsverlust) können daher durch einen Mangel an Serotonin und Noradrenalin erklärt werden. Pharmakologisch wird mit Medikamenten wie selektiven Serotonin-Noradrenalin-Wiederaufnahmehemmern (SSNRI) versucht, den Noradrenalin- und Serotoninspiegel zu erhöhen.

Wiederholungsfragen zum Kapitel Nervengewebe, Synapsen und Transmitter

Nervengewebe

Was sind die sog. Nissl-Schollen?

Was zeichnet die sog. subplasmalemmale Verdichtungszone des Axons aus?

Was ist der Unterschied zwischen Dendriten und Axonen? Beschreibe den Aufbau eines Dendrits!

Mit welcher histologischen Färbung lassen sich Neurone am besten darstellen?

Wie läuft der schnelle anterograde bzw. retrograde Transport im Axon ab?

Welche Funktion haben die Ependymzellen?

Ganglien sind Ansammlungen von Perikaryen (Nervenzellkörper) im peripheren Nervensystem, die sich auch als knotige Verdickungen von Nervensträngen darstellen. Wie heißen die sie umhüllenden Zellen?

Welche Zellen produzieren besonders viel saures Gliaprotein GFAP (engl. Glial Fibrillary Acidic Protein) und welche klinische Bedeutung hat dies?

An welchen histologischen Charakteristika kannst du sensorische Ganglien (wie z.B. Spinalganglien) erkennen?

Welche Ionenkanäle, die in großer Anzahl auf Neuronen vorkommen, fehlen auf den Astrozyten fast vollständig?

Beschreibe den Aufbau einer Nervenfaser! Welche Zellen sind im peripheren Nervensystem (PNS), welche im zentralen Nervensystem (ZNS) daran beteiligt?

Wie verhält sich der Durchmesser einer Nervenfaser zu ihrer Leitungsgeschwindigkeit?

Bei welcher Erkrankung des zentralen Nervensystems kann als Erstsymptom typischerweise eine Verschlechterung des Visus auftreten?

Welcher Nervenfasertyp erreicht die schnellste Leitungsgeschwindigkeit und wie hoch ist sie?

Wie schnell leiten in etwa die Aβ-Fasern und wo sind sie zu finden?

Welche beiden Nervenfaserklassen sind für die Weiterleitung von Schmerz verantwortlich?

Synapsen

Wie sind elektrische Synapsen aufgebaut?