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18.5: Neuron Struktur
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Neuron Structure
 
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18.5: Neuron Structure

18.5: Neuron Struktur

Overview

Neurons are the main type of cell in the nervous system that generate and transmit electrochemical signals. They primarily communicate with each other using neurotransmitters at specific junctions called synapses. Neurons come in many shapes that often relate to their function, but most share three main structures: an axon and dendrites that extend out from a cell body.

Structure and Function of Neurons

The neuronal cell body—the soma— houses the nucleus and organelles vital to cellular function. Extending from the cell body are thin structures that are specialized for receiving and sending signals. Dendrites typically receive signals while the axon passes on the signals to other cells, such as other neurons or muscle cells. The point at which a neuron makes a connection to another cell is called a synapse.

Neurons receive inputs primarily at postsynaptic terminals, which are frequently located on spines—small bumps protruding from the dendrites. These specialized structures contain receptors for neurotransmitters and other chemical signals. Dendrites are often highly branched, allowing some neurons to receive tens of thousands of inputs. Neurons most commonly receive signals at their dendrites, but they can also have synapses in other areas, such as the cell body.

The signal received at the synapses travels down the dendrite to the soma, where the cell can process it and determine whether it should send the message forward or not. The action potential is the main electrical signal generated by neurons. It carries the information forward onto the next cell. It is first generated at the axon hillock—the junction between the soma and the axon.

Axons vary in length but can be quite long. For example, some extend from the spinal cord all the way to the foot. Longer axons are usually wrapped in a fatty myelin sheath that insulates the axon, helping to maintain the electrical signal. The myelin sheath is created by glia—another type of cell in the nervous system. In myelinated axons, the action potential is regenerated at each node of Ranvier—repeated gaps in the myelin—until it reaches the terminal at the end of the axon, or presynaptic terminal.

The presynaptic terminal has vesicles that contain pools of neurotransmitters. Action potentials trigger the vesicles to undergo exocytosis by fusing to the cell membrane and releasing neurotransmitter into the synaptic cleft—the gap between cells at a synapse. Different neurotransmitters can have varying effects on the postsynaptic cell. An excitatory synapse increases the chances of initiating an action potential on the postsynaptic cell, while an inhibitory synapse decreases the chances of an action potential.

Neuronal Morphology

The overall shape of neurons—their morphology—can vary dramatically and often relates to their function. Some neurons have few dendritic processes and a single axon, others have very convoluted dendritic arbors, while others have axons that can span the length of the organism. The diverse morphologies are often used to define the type of neuron. The number of inputs—synaptic connections—can influence how a cell responds to signals. Therefore, the morphology of the dendrites, and the number of synapses they contain, is an important feature that can determine the type of neuron. In the peripheral nervous system, the dendrites can also define the receptive field of a cell—the physical space on the body that they are sensitive to.

The Art of Visualizing Neuronal Structures

The Spanish anatomist Santiago Ramon y Cajal, working in the late 19th and early 20th century, pioneered the tracing of individual neurons and provided fundamental insights into their very nature. He produced stunning depictions of cells that still offer a considerable amount of detail. Using the staining technique developed and named after the Italian biologist Camillo Golgi, he was able to trace the structure of many different kinds of cells in the brain. He also sketched some of the basic connections of neuronal circuits—networks of neurons that are activated together to process specific information.

Überblick

Die Neuronen bilden den wichtigsten Zelltyp im Nervensystem, der elektrochemische Signale erzeugt und weiterleitet. An bestimmten Knotenpunkten, sogenannten Synapsen, kommunizieren sie hauptsächlich über Neurotransmitter miteinander. Neuronen gibt es in vielen Formen. Diese ist oft von ihren Funktionen abhängig. Die meisten teilen sich jedoch zwei Hauptstrukturen: ein Axon und Dendriten, die sich aus einem Zellkörper heraus erstrecken.

Struktur und Funktionsweise von Neuronen

Der neuronale Zellkörper, das Soma, beherbergt den Kern und die Organellen, welche für die Zellfunktion lebenswichtig sind. Vom Zellkörper aus erstrecken sich dünne Strukturen, die auf den Empfang und die Aussendung von Signalen spezialisiert sind. Die Dendriten empfangen typischerweise Signale, während das Axon die Signale an andere Zellen, wie z.B. andere Neuronen oder Muskelzellen, weiterleitet. Der Punkt, an dem ein Neuron eine Verbindung zu einer anderen Zelle herstellt, nennt man Synapse.

Die Neuronen erhalten ihre Inputs vor allem an postsynaptischen Endungen, die sich häufig auf den Stacheln befinden. Das sind kleine Beulen, die aus den Dendriten herausragen. Diese spezialisierten Strukturen enthalten Rezeptoren für Neurotransmitter und andere chemische Signale. Da die Dendriten oft stark verzweigt sind, können einige Neuronen zehntausende von Eingängen empfangen. Am häufigsten empfangen Neuronen Signale an ihren Dendriten. Sie können aber auch Synapsen in anderen Bereichen, z.B. im Zellkörper, besitzen.

Das an den Synapsen empfangene Signal wandert über den Dendriten hinunter zum Soma, wo die Zelle es verarbeiten und bestimmen kann, ob sie die Nachricht weiterleiten soll oder nicht. Das Aktionspotential ist das wichtigste elektrische Signal, das von den Neuronen erzeugt wird. Es leitet die Information an die nächste Zelle weiter. Es wird zunächst am Axonhügel erzeugt-der Verbindung zwischen dem Soma und dem Axon.

Die Länge der Axone variiert, kann aber ziemlich lang sein. Einige reichen zum Beispiel vom Rückenmark bis zum Fuß. Längere Axone sind normalerweise in eine fetthaltige Myelinscheide eingewickelt, die das Axon isoliert und dabei hilft, das elektrische Signal aufrechtzuerhalten. Die Myelinscheide wird von Gliazellen gebildet. Sie sind ein weiterer Zelltyp des Nervensystems. In den myelinisierten Axonen wird das Aktionspotential an Ranvier-Schnürring regeneriert-wiederholte Lücken im Myelin—bis es das Ende des Axons oder den präsynaptischen Terminal erreicht.

Die präsynaptische Endigung besitzt Vesikel, die Pools von Neurotransmittern enthalten. Aktionspotentiale lösen in den Vesikeln eine Exozytose aus, indem sie mit der Zellmembran verschmelzen und Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freisetzen. Das ist die Lücke zwischen den Zellen an einer Synapse. Verschiedene Neurotransmitter können unterschiedliche Wirkungen auf die postsynaptische Zelle haben. Eine exzitatorische Synapse erhöht die Chancen, ein Aktionspotenzial auf die postsynaptische Zelle auszulösen, während eine hemmende Synapse die Chancen auf ein Aktionspotenzial verringert.

Neuronale Morphologie

Die allgemeine Form der Neuronen—ihre Morphologie—kann dramatisch variieren und hängt oft von ihren Funktionen ab. Einige Neuronen haben wenige Dendriten und ein einziges Axon, andere haben sehr verschlungene dendritische Äste, während andere Axone die Länge des gesamten Organismus überspannen können. Die verschiedenen Morphologien werden oft zur Definition des Neuronentyps verwendet. Die Anzahl der Inputs (synaptische Verbindungen) kann beeinflussen, wie eine Zelle auf Signale reagiert. Daher ist die Morphologie der Dendriten und die Anzahl der Synapsen, die sie enthalten, ein wichtiges Merkmal, das den Neuronentyp bestimmen kann. Im peripheren Nervensystem können die Dendriten auch das rezeptive Feld einer Zelle definieren. Es handelt sich um den physische Raum auf dem Körper, für den sie empfindlich sind.

Die Kunst der Visualisierung von neuronalen Strukturen

Am Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts leistete der spanische Anatom Santiago Ramon y Cajal Pionierarbeit beim Aufspüren einzelner Neuronen und lieferte grundlegende Erkenntnisse über die Beschaffenheit dieser Neuronen. Er schuf verblüffende Darstellungen von Zellen, die auch noch heute eine beträchtliche Menge an Details bieten. Mit der nach dem italienischen Biologen Camillo Golgi entwickelten und benannten Färbetechnik konnte er die Struktur vieler verschiedener Zellarten im Gehirn aufdecken. Er skizzierte auch einige der grundlegenden Verbindungen neuronaler Schaltkreise. Das sind Netzwerke von Neuronen, die gemeinsam aktiviert werden, um bestimmte Informationen zu verarbeiten.


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