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Axonale Degeneration: Chaos auf der Datenautobahn

Die Nervenzellfortsätze stellen die Datenautobahnen des Gehirns dar. Was passiert, wenn sie beschädigt sind, simulieren Forscher am Computer. Ihr Ziel: Erkrankungen wie multiple Sklerose besser zu verstehen.
leuchtende NervenzelleLaden...

Jeder Heimwerker weiß, dass eine Stromleitung isoliert werden muss. Ist diese Isolation defekt, kommt es zu gefährlichen Kurzschlüssen. Eine vergleichbare Situation liegt in unserem Nervensystem vor. Auch hier kann die Isolationsschicht der Nervenleitungen, der Axone, beschädigt sein; so genannte axonale Degenerationserkrankungen wie die multiple Sklerose, die Charcot-Marie-Tooth-Erkrankung oder das Guillain-Barré-Syndrom sind die Folge.

Dank großer Forschungsanstrengungen kennen wir inzwischen zahlreiche Details dieser Leiden. Es mangelt aber immer noch an einem grundsätzlichen Verständnis der Krankheitsmechanismen. Die Wissenschaftler gehen daher auch andere Wege: Statt nur im Labor zu experimentieren, setzen sie sich an den Computer und simulieren, was bei der Arbeit der Neurone schiefläuft.

Axone verbinden die Nervenzellen untereinander sowie mit der Muskulatur. Bei großen Tieren wie Elefanten können diese Nervenzellfortsätze durchaus mehrere Meter lang werden. Sie leiten elektrische Impulse, die jeweils ein kleines Stück Information repräsentieren, die so genannten Aktionspotenziale.

Anders als beim mit Plastik isolierten Stromkabel besteht die Schutzschicht der Nervenzellen aus zwiebelartig übereinandergeschichteten Zellmembranen, dem Myelin, das sich um das Axon wickelt. Im Gegensatz zur Stromleitung sind Axone aber nicht auf ganzer Strecke isoliert. Vielmehr weist die Myelinscheide in regelmäßigen Abständen Lücken auf, wie der französische Anatom Louis-Antoine Ranvier (1835-1922) erstmals beob­achtet hat.

In diesen Ranvier-Schnürringen sitzen zahlreiche Membranproteine, die etwa als Kanäle Ionen passiv hindurchfließen lassen oder als aktive Pumpen Ionen von einer Seite der Membran auf die andere befördern. Durch diese Pumpleistung baut sich eine elektrische Spannung über der Membran auf, die das Auslösen von Aktionspotenzialen erst ermöglicht. Die Ranvier-Schnürringe spielen somit für die Reizweiterleitung eine entscheidende Rolle. Da diese Ionenpumpen sehr viel Energie verbrauchen, ist das Axon vollgepackt mit Mitochondrien, den Kraftwerken der Zellen.

Die Myelinscheide und die Ranvier-Schnürringe sind jene Strukturen, die bei Krankheiten wie multipler Sklerose Schaden nehmen ...

2/2017

Dieser Artikel ist enthalten in Gehirn&Geist 2/2017

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  • Quellen

Bullock, T. H. et al.: Evolution of Myelin Sheaths: Both Lamprey and Hagfish Lack Myelin. In: Neuroscience Letters 48, S. 145-148, 1984

Coggan, J. S. et al.: Physiological Dynamics in Demyelinating Diseases: Unraveling Complex Relationships through Computer Modeling. In: International Journal of Molecular Sciences 16, S. 21215-21236, 2015

Hodgkin, A. L., Huxley, A. F.: The Components of Membrane Conductance in the Giant Axon of Loligo. In: The Journal of Physiology 116, S. 473-496, 1952

Ratté, S. et al.: Criticality and Degeneracy in Injury-Induced Changes in Primary Afferent Excitability and the Implications for Neuropathic Pain. In: eLife 3, e02370, 2014

Stiefel, K. M. et al.: Proposed Evolutionary Changes in the Role of Myelin. In: Frontiers in Neuroscience 7, 202, 2013

Zlochiver, S.: Persistent Reflection Underlies Ectopic Activity in Multiple Sclerosis: A Numerical Study. In: Biological Cybernetics 102, S. 181-196, 2010