Neuronen und Synapsen

Ein Neuron, also eine Nervenzelle, besteht aus drei wesentlichen Abschnitten: dem Zellkörper, den Dendriten und dem Axon. Der Zellkörper enthält den Zellkern und die meisten Zellorganellen, hier laufen alle Informationen zusammen. Die Dendriten sind kurze, stark verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen und zum Zellkörper weiterleiten.

Das Axon ist dagegen ein einzelner, oft sehr langer Fortsatz, der elektrische Signale vom Zellkörper wegleitet, teilweise über mehr als einen Meter, etwa bei Nervenzellen vom Rückenmark bis zum Fuß. Viele Axone sind von einer Myelinscheide umhüllt, einer isolierenden Fettschicht aus speziellen Gliazellen, die in regelmäßigen Abständen von kleinen Lücken, den Ranvierschen Schnürringen, unterbrochen wird.

Am Ende verzweigt sich das Axon in mehrere Endknöpfchen, die jeweils eine Synapse zur nächsten Zelle bilden. Diese kann eine andere Nervenzelle, aber auch eine Muskel- oder Drüsenzelle sein. Ein einzelnes Neuron kann über tausende solcher Synapsen gleichzeitig mit anderen Zellen verbunden sein, wodurch im Gehirn ein enorm dichtes Netzwerk entsteht.

In Ruhe herrscht zwischen dem Innern und dem Äußeren eines Neurons ein Spannungsunterschied von etwa minus 70 Millivolt, das Ruhepotential. Es entsteht, weil die Zellmembran unterschiedlich viele Natrium- und Kaliumionen durchlässt und eine Ionenpumpe aktiv Natrium hinaus- und Kalium hineinbefördert. Innen sammelt sich dadurch relativ mehr negative Ladung als außen.

Erreicht ein ankommendes Signal am Axonhügel einen bestimmten Schwellenwert, öffnen sich schlagartig spannungsgesteuerte Natriumkanäle. Natriumionen strömen von außen nach innen, die Spannung kippt kurzzeitig ins Positive, das ist das Aktionspotential. Direkt danach öffnen sich Kaliumkanäle, Kalium strömt nach außen, und das Ruhepotential wird wiederhergestellt.

Dieses Aktionspotential folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip: Es wird entweder in voller Stärke ausgelöst oder gar nicht, eine abgeschwächte Version gibt es nicht. Stärkere Reize führen deshalb nicht zu einem größeren Aktionspotential, sondern zu mehr Aktionspotentialen pro Zeiteinheit. Das entstandene Signal wandert dann wie eine Welle das Axon entlang bis zu den Endknöpfchen.

Die Geschwindigkeit, mit der ein Aktionspotential ein Axon entlangläuft, hängt stark davon ab, ob die Faser von einer Myelinscheide umhüllt ist. Marklose, also unisolierte Fasern leiten das Signal Punkt für Punkt entlang der gesamten Membran, was vergleichsweise langsam ist. Markhaltige Fasern dagegen springen von einem Ranvierschen Schnürring zum nächsten, weil sich das Aktionspotential nur dort neu bilden muss, wo die Isolierung unterbrochen ist.

Dieses Springen von Schnürring zu Schnürring nennt man saltatorische Erregungsleitung, sie ist deutlich schneller als eine kontinuierliche Weiterleitung. Zusätzlich spielt der Durchmesser der Faser eine Rolle: Dickere Fasern leiten schneller als dünnere. Diese Unterschiede sind kein Zufall, sondern an die jeweilige Aufgabe angepasst – Reflexe, die extrem schnell reagieren müssen, laufen über dicke, stark myelinisierte Fasern.

Erreicht ein Aktionspotential das Ende des Axons, öffnen sich dort spannungsgesteuerte Kalziumkanäle. Der einströmende Kalziumeinstrom bewirkt, dass kleine Bläschen mit Neurotransmittern mit der Zellmembran verschmelzen und ihren Inhalt in den synaptischen Spalt ausschütten. Die Botenstoffe diffundieren durch den Spalt und binden an passende Rezeptoren der nachfolgenden Zelle.

Je nach Botenstoff und Rezeptor kann diese Bindung die nächste Zelle entweder erregen oder hemmen. Erregende Synapsen machen es wahrscheinlicher, dass die nächste Zelle selbst ein Aktionspotential auslöst, hemmende Synapsen senken diese Wahrscheinlichkeit. Ein einzelnes Neuron erhält oft gleichzeitig erregende und hemmende Signale von tausenden Synapsen und verrechnet sie am Axonhügel zu einer einzigen Entscheidung: feuern oder nicht.