Michaela Sambanis - Didaktik und Neurowissenschaften

Die ersten Gliazellen, die den NeuroblastenNeuroblasten bei ihrer Wanderung helfen, sind langgestreckte RadialgliazellenRadialgliazellen, deren eines Ende bis in die Schicht ragt, in der die Neuroblasten entstehen und deren anderes Ende an der Außenseite der späteren GroßhirnrindeGroßhirnrinde angeheftet ist. So liegen die Radialgliazellen wie die Speichen eines Rades nebeneinander und durchziehen alle Schichten der künftigen Großhirnrinde. Die jungen Neuroblasten hangeln sich entlang dieser Speichen an ihren Bestimmungsort. Dazu wandern sie so lange, bis sie in eine Schicht kommen, die noch nicht von anderen, früher geborenen NervenzellenNervenzellen besetzt ist.3 Dort angekommen, entwickeln sie ihre endgültige Form und werden zu erwachsenen Nervenzellen, den NeuronenNeuronen.

Zum „Erwachsenwerden“ von NervenzellenNervenzellen gehört es, dass sie Verbindungen zu anderen Nervenzellen ausbilden. Sie verknüpfen sich zu einem riesigen neuronalen NetzwerkNetzwerk aus Nervenfasern und SynapsenSynapse (Verbindungsstellen). Dieses Netzwerk bildet die Grundlage aller Hirnfunktionen, egal ob Wahrnehmung, DenkenDenken, Lernen, die Steuerung von Handlungen oder auch automatische und unwillkürliche Prozesse. Über die Synapsen sammeln Neurone Informationen und geben sie weiter. Veränderungen und Umbau der Synapsen setzen sich während des gesamten Lebens fort.

Um SynapsenSynapse mit anderen NervenzellenNervenzellen aufzubauen, bilden Neurone verschiedene Arten von Ausläufern aus. Die Ausläufer, die Informationen von anderen Nervenzellen einsammeln, also sozusagen die „Antennen“, nennt man DendritenDendriten. Dendriten bilden Verästelungen, die je nach Lage im Gehirn und künftiger Funktion des NeuronsNeuronen eine sehr unterschiedliche Form haben (Abb. 1).

Abb. 1: Abbildung von zwei NeuronenNeuronen. Je nachdem, wo sie im Gehirn lokalisiert sind und wie sie Informationen aufnehmen und verarbeiten, bilden NervenzellenNervenzellen unterschiedlich geformte Dendritenbäume aus. DendritenDendriten sind Zellfortsätze von Neuronen, über die Signale von anderen Nervenzellen oder von Sinneszellen aufgenommen werden. Über das AxonAxone werden Signale an andere – auch weiter entfernt liegende – Neurone weitergegeben. Axone können unterschiedlich lang sein und Verzweigungen aufweisen. Die Endigungen der Axone werden als Axonterminalen bezeichnet.

Um Informationen weiterzugeben, entwickeln NeuronenNeuronen einen mehr oder weniger langen Fortsatz, das AxonAxone. Über die Axone laufen die Informationen im Nervensystem in Form elektrischer Impulse. An ihrem Ende sind Axone mal stärker, mal weniger verzweigt und bilden den Kontakt mit einem oder mehreren DendritenDendriten oder der Zelloberfläche eines nachgeschalteten Neurons aus (oder auch mit einem Muskel oder einer Drüse). Auch in der Länge und Verzweigung ihrer Axone unterscheiden sich Neurone je nach Lage und Funktion. Damit auch lange Axonfäden ihren Weg finden und z.B. verschiedene Hirngebiete miteinander vernetzen können, sind sie wieder auf die Hilfe von Gliazellen angewiesen. Einige Gliazellen liegen wie Streckenposten an bestimmten Stellen im Gehirn und „weisen“ die auswachsenden Axone in eine bestimmte Richtung, andere locken Axone über chemische Botenstoffe an oder geben Substanzen ab, die als eine Art „Schreckstoff“ verhindern, dass Axone in die falsche Richtung wachsen. So wird sichergestellt, dass die heranwachsenden Neurone sich in der richtigen Art und Weise miteinander verbinden.

Abb. 2: Die Axonterminale (blau) bilden mit der Oberfläche eines Informationen empfangenden NeuronsNeuronen (nachgeschaltetes Neuron, rosa) Verbindungsstellen, die sogenannten SynapsenSynapse. Nervenimpulse laufen über das AxonAxone bis zur Synapse und lösen dort die Ausschüttung von Neurotransmittern aus. Wird (über alle Synapsen zusammen) ausreichend NeurotransmitterNeurotransmitter ausgeschüttet, entsteht im nachgeschalteten Neuron ein elektrischer Impuls, der über das Axon des nachgeschalteten Neurons (nicht abgebildet) erneut weitergegeben wird.

2.1 Warum chemische SynapsenSynapse ?

Neurone leiten Informationen in Form elektrischer Signale, der sogenannten AktionspotentialeAktionspotential, teilweise über weite Strecken. Die Übertragung der Aktivität erfolgt aber in den meisten Fällen nicht direkt, indem der elektrische Impuls zwischen NeuronenNeuronen überspringt.1 Vielmehr führt der elektrische Impuls, der über ein AxonAxone zur SynapseSynapse läuft, dazu, dass am Ende des Axons Botenstoffe (NeurotransmitterNeurotransmitter) ausgeschüttet werden. Die DendritenDendriten der nachgeschalteten NervenzelleNervenzellen (und evtl. auch noch andere Stellen auf ihrer Zelloberfläche) nehmen den Neurotransmitter über Rezeptoren auf, die in der Synapse lokalisiert sind. In Abhängigkeit von der Menge des Neurotransmitters öffnen sie einige oder viele Kanäle in der Zelloberfläche. Durch diese Kanäle strömen positiv geladene (Natrium-)Ionen in die Nervenzelle ein und verändern die elektrische Spannung zwischen Innenseite und Außenseite der Nervenzelle. Wenn das an mehreren Stellen der Zellmembran geschieht, strömt so viel Natrium in die Zelle ein, dass ein neuer elektrischer Impuls in die Informationen empfangenden Zelle ausgelöst wird, der dann als sogenanntes Aktionspotential über das Axon der Nervenzelle wieder an weitere Neurone geschickt wird. Auf diese Weise wechseln sich elektrische und chemische Signale ab, wenn Informationen zwischen Nervenzellen weitergegeben werden. Die Umwandlung braucht einige Zeit und beeinflusst die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Nervensystems deutlich. Wo aber liegt der Vorteil dieser komplizierten und zeitraubenden Umwandlung der Signale?

Zum einen sind chemische SynapsenSynapse gut regulierbar. Eine Reduktion oder Anhebung der im AxonAxone verfügbaren Neurotransmittermenge hat umgehend Einfluss auf die Intensität der weitergegebenen Signale. Andere Stoffe z.B. HormoneHormone oder Botenstoffe, die von anderen NeuronenNeuronen oder Gliazellen ausgeschüttet werden, können die Wirkung von Neurotransmittern verstärken oder verringern. Eine solche Feinregulierung ist bei direkter elektrischer Übertragung nicht möglich.

Zum zweiten können chemische SynapsenSynapse ihre Übertragungseigenschaften durch Umbau langfristig und dauerhaft verändern. Diese Fähigkeit zum Umbau wird als synaptische PlastizitätPlastizität bezeichnet. Sie ist die Grundlage von Lernprozessen und erlaubt es, neue Erfahrungen und Lerninhalte im Gehirn zu verankern, indem Synapsen vergrößert werden. Von den größeren Synapsen werden Nervenimpulse schneller und effektiver weiterleitet. In diesen Verbindungen zwischen NervenzellenNervenzellen ist das Wissen repräsentiert und kann durch AktivierungAktivierung des entsprechenden Nervennetzes abgerufen werden.

Bei der Geburt eines Menschen sind die meisten NeuronenNeuronen bereits vorhanden. Auch grundlegende Verbindungen sind bereits angelegt, darunter die Verbindungen zwischen verschiedenen Arealen der GroßhirnrindeGroßhirnrinde, Verbindungen von den Sinnesorganen zur Großhirnrinde2 und von der Großhirnrinde über das RückenmarkRückenmark zur Muskulatur.