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Auf der Spur der Zellkommunikation

Die Arbeit der frühen Hirnforscher war ein Abenteuer: Da zuckten Froschschenkel auf Wäscheleinen, verbitterte Feindschaften wurden gepflegt und Nobelpreise geteilt. Es hat sich gelohnt: Die Erkenntnisse von einst sind Basis heutiger Forschungen.

Copyright: Herederos de Ramón y Cajal (Golgi-Färbung von S. Ramon y Cajal aus dem Jahre 1903)

Der menschliche Körper besteht aus geschätzten 100 Billionen Zellen, sämtlich spezialisiert auf bestimmte Aufgaben. Zellen, die auf die Verarbeitung und Weitergabe von Information spezialisiert sind, heißen Nervenzellen oder Neurone. Gemeinsam mit den Gliazellen bilden sie das zentrale und das periphere Nervensystem. Zellen: spezialisierte Arbeiter des Gehirns, Video: Neurone: Bausteine des Denkens

Das Wichtigste in Kürze

  • Bis Ende des 19. Jahrhunderts war nicht klar, ob das Gehirn ein zusammenhängendes Netz aus verschmolzenen Neuronen ist oder aus einzelnen Zellen besteht.
  • Erst durch Camillo Golgis Entdeckung der Silbernitratfärbung wurden einzelne Neurone sichtbar – eine Technik, die Santiago Ramón y Cajal die Formulierung der Neuronendoktrin ermöglichte: Diskrete Nervenzellen sind die grundlegenden Bausteine des Gehirns.
  • Luigi Galvani, Hermann von Helmholtz, Lord Adrian und andere beschäftigte die elektrische Erregungsleitung von Nerven und Nervenzellen.
  • Otto Loewi entdeckte die Neurotransmitter.

Laut der aktuellsten Schätzung befinden sich 86 Milliarden Neurone im Gehirn. Sie sind dafür verantwortlich, dass wir sprechen, handeln, fühlen können. Durch ihre vielfältige Verschaltung entstehen Netzwerke, die auch komplexe Reize verarbeiten. Ihrer Erkundung widmen die heutigen Hirnforscher ihre Arbeits- und bisweilen auch Lebenszeit. Doch alle heutigen Erkenntnisse wären undenkbar ohne die Pioniere der Zunft. Mit zum Teil abenteuerlichen Experimenten legten sie den Grundstein für heutige Forschungen und entdeckten, was unser Gehirn im Innersten zusammenhält.

Das Problem der Sichtbarkeit

Leicht war das nicht. Denn mit bloßem Auge sind weder die Netzwerke, noch die einzelnen Gehirnzellen zu sehen. Zwar hatte bereits Robert Hooke – ein Gründungsmitglied der ehrwürdigen Royal Society – mit einem der frühen Mikroskope 1665 zellartige Strukturen bei Pflanzen entdeckt und auch benannt. Doch erst 1839 gelang Theodor Schwann der Nachweis, dass Pflanzen und Tiere tatsächlich aus eigenständigen Zellen bestehen – und demzufolge vermutlich auch das Gehirn. Wie genau diese Hirn-Zellen jedoch aussehen, wusste niemand so genau.

Konfliktbehaftete Färbung

Der Durchbruch gelang einem Italiener: 1872 entdeckte der Physiologe Camillo Golgi in einem provisorischen Labor die „schwarze Reaktion“, eine Färbemethode, die einzelne Neurone per Silbernitrat sichtbar machte. Eine unglaubliche Entdeckung – die gleich einen neuen Disput auslöste. Denn Golgi war sicher: Was er in seinen Präparaten sah, war ein zusammenhängendes Netz von miteinander verschmolzenen Zellen, ein so genanntes Synzytium. Ganz anderer Meinung war der spanische Mediziner Santiago Ramón y Cajal, der eigentlich Maler werden wollte und der mit Golgis Technik zahlreiche Präparate färbte. Noch heute ist er für seine faszinierenden Zeichnungen damaliger Nervenzell-Präparate bekannt. Er postulierte mit Überzeugung, dass das Gehirn aus einzelnen funktionellen Einheiten besteht, die in Verbindung stehen, aber eben nicht miteinander verschmolzen sind. Letztlich behielt Cajal Recht – die von ihm vertretene Neuronendoktrin legte die Grundlage der modernen Neurobiologie.

Eine Nervenzelle aus dem Hippocampus. Gut zu erkennen sind der Zellkörper in der Mitte des Bildes und die faserartigen Zellausläufer, welche die ankommenden Signale anderen Nervenzellen integrieren können. Copyright: Aline Winkelmann/ AG Jochen Meier/ mdc berlin
Eine Nervenzelle aus dem Hippocampus. Gut zu erkennen sind der Zellkörper in der Mitte des Bildes und die faserartigen Zellausläufer, welche die ankommenden Signale anderen Nervenzellen integrieren können. Copyright: Aline Winkelmann/ AG Jochen Meier/ mdc berlin
Für ihre Leistungen wurden Golgi und Cajal 1906 mit einem gemeinsamen Nobelpreis gewürdigt. Genossen haben sie die Feierlichkeit aber nicht, wie unsere Autorin Hanna Driamalla in ihrem Artikel  beschreibt: Ihren Streit konnten die Forscher einfach nicht beilegen.

Verbindender Spalt

Ein großer Bewunderer von Cajals Arbeit war der britische Neurophysiologe Charles Sherrington, der sich auf die Untersuchung von Rückenmarksreflexen konzentrierte. Dabei beschäftigte er sich intensiv mit bestimmten langen Fortsätzen von Nervenzellen, den Axonen, über die Impulse an andere Neurone oder Zellen weitergeleitet werden. Sherrington benannte auch die dafür nötige Kontaktstelle zweier Neurone: Seit 1897 kennen wir sie als Synapse. Über sie werden, wie wir heute wissen, Impulse von einer an die andere Zelle weitergeleitet, zudem sind sie notwendig für den Lernprozess. Synapsen: Schnittstellen des Lernens

Damit war der Ort der Kommunikation bestimmt, nicht aber deren Natur. Die entdeckte der deutsche Pharmakologe Otto Loewi 1921 an zwei Fröschen: Er legte ein noch schlagendes Froschherz in eine Salzlösung und stimulierte elektrisch den Vagusnerv, was den Herzschlag verlangsamte. Als Loewi dann ein zweites Froschherz in die gleiche Lösung platzierte, schlug auch dieses langsamer. Offensichtlich war hier ein chemischer Botenstoff des Nervensystems aktiv – Loewi nannte ihn damals den "Vagusstoff", inzwischen ist er als Acetylcholin bekannt. Loewi wurde für seine Erkenntnisse mit einem Nobelpreis gewürdigt. Das Preisgeld allerdings pressten ihm die Nazis ab. Inzwischen wissen wir, dass es zahlreiche chemische Botenstoffe gibt, die unser Autor Ulrich Pontes in seinem Artikel vorstellt. Neurotransmitter: Botenmoleküle im Gehirn

Tierische Elektrizität

Die Entdeckung der chemischen Kommunikation von Nervenzellen war eine Überraschung, denn schon länger war bekannt, dass die Erregung innerhalb der Nervenzellen elektrisch weitergeleitet wird. Vermutet hatte dies schon der italienische Biologe Luigi Galvani: Er hatte im Jahr 1786 Froschschenkel an einer Wäscheleine aufgehängt und beobachtet, dass sie bei Gewitter zuckten. Galvani hatte etwas entdeckt, das er als tierische Elektrizität bezeichnete.

Mehr als 50 Jahre später fand der deutsche Physiologe Hermann von Helmholtz, dass diese elektrischen Signale nicht etwa ein Nebenprodukt der Nerven waren, sondern Informationen von Bedeutung trugen: Die elektrischen Impulse sind so etwas wie die Sprache der Nervenzellen und werden über das Axon weitergeleitet.

Allerdings war die elektrische Weiterleitung der Zellen überraschend langsam: Helmholtz konnte messen, dass die Impulse gerade einmal drei Meter pro Sekunde zurücklegen – während Strom in einem Draht nahezu Lichtgeschwindigkeit erreicht.

Durch eine Färbetechnik, die mit Silbernitrat arbeitet, sind die Axone und die Zellkörper der Neurone im Kleinhirn deutlich sichtbar. Copyright: Oliver von Bohlen und Halbach/ Universität Greifswald
Durch eine Färbetechnik, die mit Silbernitrat arbeitet, sind die Axone und die Zellkörper der Neurone im Kleinhirn deutlich sichtbar. Copyright: Oliver von Bohlen und Halbach/ Universität Greifswald
Aktionspotenziale

Welcher Art sind nun die Signale der Neurone? Dieser Frage widmete sich der britische Lord Edgar Adrian ab dem Jahr 1920. Indem er per Oszilloskop, einem Gerät zur Messung elektrischer Spannungen, die Impulse eines Axons beobachtete, kam er zu einigen bahnbrechenden Erkenntnissen. Zum einen sah der eine elektrische Impuls genauso aus wie der nächste – unabhängig von der Intensität der Reizung. Wir kennen das heute als Alles-oder-Nichts-Prinzip: Entweder das Neuron feuert oder nicht.

Allerdings, so eine weitere Entdeckung Lord Adrians, zeigte sich die Stärke des Eingangsreizes in der Häufigkeit der elektrischen Impulse: Je stärker der Reiz, umso höher die Feuerrate. Seine vielleicht wichtigste Entdeckung war allerdings, dass die elektrischen Impulse sich auch unabhängig von der Botschaft ähnelten. Licht, das auf die Netzhaut fällt, Berührungen der Haut oder Schmerz lösen alle gleichartige Reaktionen bei den Nervenzellen aus. Lord Adrian und Charles Sherrington erhielten für ihre Arbeit 1932 ebenfalls einen gemeinsamen Nobelpreis – den sie deutlich entspannter entgegennahmen als 26 Jahre zuvor Golgi und Cajal.

Eine wichtige Frage aber war noch ungelöst: Wie die Elektrizität in der Zelle überhaupt entsteht. Der Helmholtz-Schüler Julius Bernstein entwickelte hierzu die so genannte "Membran-Hypothese". Ihm war bereits bekannt, dass bei der nicht gereizten Zelle an der Membran eine elektrische Spannung von -70 Millivolt anliegt – das Ruhepotenzial. Wie er herausfand, beruht dieses Potenzial auf der unterschiedlichen Verteilung positiver und negativer Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle. Diese These wurde später von Alan Hodgkin und Andrew Huxley bestätigt. Und auch diese beiden teilten sich einen Nobelpreis: Sie entdeckten, welche Prozesse der Ionenkanäle es ermöglichen, dass sich die Membranspannung schlagartig ändert – wodurch ein so genanntes Aktionspotenzial entsteht, das durch das Axon bis zur Synapse vordringt und dort die chemischen Prozesse der Reizübertragung zur Nachbarzelle auslöst.

Das fehlende Teilchen

Die Entdeckung des – verglichen mit dem Aktionspotenzial – schwachen elektrischen Potenzials an den Dendriten stellte sich als fehlendes Puzzleteilchen heraus. Die Dendriten sind sozusagen die Antennen der Neurone: Sie empfangen die Reize ihrer Nachbarzellen oder der Sinnesrezeptoren. Auch sie senden schwache elektrische Impulse, allerdings nicht nach außen, sondern in Richtung Zellkörper. Der Sherrington-Schüler John Eccles, ein Elektrophysiologe, fand mit seinen Kollegen Stephen Kuffler und Bernhard Katz in den Jahren des zweiten Weltkrieges heraus, dass es bei diesen so genannten postsynaptischen Potenzialen sowohl hemmende als auch erregende Impulse gibt. Diese, erkannte der spätere Nobelpreisträger Eccles, werden von der Nervenzelle summiert, die dann entweder feuert oder eben nicht.

Noch sind viele Fragen um Aufbau und Funktionsweise der Nervenzellen nicht geklärt. Denn wie bei so vielen Wissensgebieten zeigte sich auch bei der Hirnforschung: Je mehr wir wissen, desto mehr Fragen stellen sich. Und so ist die Forschung inzwischen nicht nur mit molekularbiologischen und genetischen Methoden auf der Suche nach neuen Antworten, sie stellt auch immer wieder als gängig geltende Theorien in Frage. Ein Beispiel ist die Rolle der Gliazellen im Gehirn. Lange auf die Rolle von reinem Kitt reduziert, der die Nervenzellen an Ort und Stelle hält, gibt es aktuell eine große Diskussion darüber, ob sie möglicherweise ein ganz eigenes Informationssystem innerhalb des Gehirns darstellen. Unterschätzter Klebstoff

Der wissenschaftliche Parcours-Ritt durchs Gehirn hat gerade erst begonnen.

Kommentare
Dr. Dieter Senitz

Als Neuropathologe habe ich zahlreiche menschliche Gehirne untersucht, Gehirne sehr vieler neurodegenerativer, schizophrener, entzündlicher und gefässbedingter Hirnerkrankungen und zahlreiche Gehirne von nicht Hirnerkrankter. Damit hatte ich eine Möglichkeit immer meine Ergebnisse direkt mit einander zu vergleichen, einmal mit den verschiedenen Hirnerkrankungen und dann den Nicht - Hirnerkrankten. Ferner konnte ich zusätzlich durch die Obduktionen auch die Auswirkungen von Organerkrankungen auf die Hirnstruktur sehen. Ferner habe ich die morpho-funktionelle Hirnstruktur routinemässig mit der Golgi-Technik aufgearbeitet und habe damit die einzelnen Neuron und Neurogliazellen in ihrer Gänze quantitativ und qualitativ erfassen können.
Dabei fand ich, dass die schizophrenen Hirnerkrankungen mit hoher Wahrscheinlichkeit ihre Verursachung in einer Störung der Entwicklung der pränatalen Hirnstruktur haben.
Ein Teil der neuorodegeneratven Hirnerkrankungen, wie die Alzheimer Krankheit werden verursacht durch eine Erkrankung der Makroglia, die dazu führt, dass notwendige plastische Vorgänge im erwachsenen menschlichen Gehirn nicht mehr korrekt ablaufen können.
Das Verständnis der Vorgänge im Gehirn bei den schizophrenen und neurodegenerativen Hirnerkrankungen können weder am Tiermodell noch mit Zellkulturen geklärt werden sondern nur in einer Zusammenarbeit mit der Klinik und den histomorphpologischen Strukturuntersuchungen des menschlichen Gehirns selbst.
Bei normalen Hirnalterungsvorgängen sind plastischen Vorgänge gleichzeitig an der Makroglia, der Mikroglia und den Nervenzellen zu erkennen.
Die Neuroglia hat für die lebenslange Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit des Gehirns eine grössere Bedeutung als die Nervenzellen selbst, das ist meine Meinung und auch meiner Vorstellung.
Man sollte bei den morphofunktionellen Strukturuntersuchungen am menschlichen Gehirn immer Neurone und Neuroglia gleichzeitig versuchen zu erfassen, das gilt besonders bei Untersuchungen des kranken Gehirns.
Dies solle eine Bemerkung zum guten Artikel sein.
Gruss Dr. Senitz
21.05.2012 11:36 Uhr
Infos zum Beitrag
Autor:
Arvid Leyh
Datum:
16.04.2012
Wissenschaftliche Betreuung:
Prof. Dr. Herbert Schwegler
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