Zellen des Nervensystems, Zellbiologie von Neuronen I
1. Prinzipieller Aufbau eines Nervensystems
2. Zelltypen des Nervensystems
2.1 Gliazellen
2.2 Nervenzellen
3. Zellbiologie von Neuronen
3.1 Strukturelle Polarität
3.2 Funktionelle Polarität
3.3 Molekulare Polarität
3.4 Neurale Plastizität
3.5 Kulturmodelle zur Untersuchung der Zellbiologie von
Nervenzellen
Zelltypen des Nervensystems
etwa dieselbe Anzahl nicht-neuronaler Zellen (Gliazellen)
Nur ca. 20.000 – 25.000 Gene im menschlichen Genom
→ Etwa 3 Millionen mal so viel Nervenzellen wie Gene
97% des menschlichen Genoms besteht aus nichtkodierenden
Sequenzen → Regulation der Genexpression auf post-
transkriptionaler Ebene, z.B. durch microRNAs
Im menschlichen Gehirn: etwa 10 Nervenzellen
(8,6 x 10 Nervenzellen)
(Azevedo et al. (2009) J. Comp. Neurol. 13:532-541)
Klassifikation in mindestens 1000 Subtypen
11
10
Zelltypen des Nervensystems
Nervenzellen
Gliazellen
Sensorische
NeuroneMotorische
Neurone
Inter-
Neurone
(99,999%)
Mikroglia Makroglia
Oligodendro-
zytenAstrozytenSchwann-
zellen
Gliazellen (Makroglia)
- Isolierung der Axone
- Stützfunktion
- Führung von Nervenzellen
- Beeinflussung des
axonalen Zytoskeletts
- Nährstofflieferant
- instruieren Ausbildung der
Blut/Hirn Schranke
- halten extrazelluläre K+ -
Ionenkonzentration konstant
- nehmen Neurotransmitter auf
Astrozytäre Neurotransmitteraufnahme über den Glutamat-Glutamin Shuttle
(aus: Seifert und Steinhäuser (2005) Gliazellen im Gehirn: Neue Eigenschaften und neue
Funktionen. Neuroforum 2:55-60)
„Neuronen-Doktrin“(Ramon y Cajal, um 1900):
• Nervensystem ist aus einzelnen Nervenzellen aufgebaut
• Nervenzellen sind die Grundeinheit der Informationsverarbeitung
in allen Nervensystemen
Strukturelle Polarität von Nervenzellen
Axon
- Gleichbleibender Durchmesser
- Häufig rechtwinklige Verzweigungen
- Gesamtquerschnitt kann distal
zunehmen
Dendriten
- Verjüngend
- Häufig stark und baumartig
verzweigt
- Abnehmender Gesamtquerschnitt
Morphologische Einteilung von Nervenzellen
Großhirn-
rindeKleinhirnrindeRückenmark
Input von etwa
10.000 Kontakten
Input von etwa
150.000
Kontakten
Strukturelle Polarität von Nervenzellen
Funktionelle Polarität von Nervenzellen
SignalempfangTransduktion eines
chemischen Signals in ein elektrisches
Signalintegration
Signalweiterleitung
Transduktion
eines
elektrischen
Signals in ein
chemisches
Molekulare Polarität von Nervenzellen
„Erregungsbildung
und -leitung“
„Zellbiologie von
Neuronen II“
Molekulare Polarität von Nervenzellen
Das „Axonale Initiale Segment“ (AIS) bei der molekularen Polarität
- Diffusionsbarriere von Membranproteinen
- Aufrechterhaltung der kompartimentspezifischen Verteilung von MAPs
(Huang & Rasband (2016) J. Cell Biol.)
Neurale Plastizität
Aplysia
(aus: Bailey & Chen (1991) Morphological aspects of synaptic plasticity in Aplysia: An anatomical
substrate for long-term memory. Ann. NY Acad. Sci. 627: 181-196)
Neurale Plastizität
Hebbsche Lernregel (Donald Hebb, 1949):
„what fires together, wires together“
Dendritische Dornen
(„Dendritic spines“)
(Cajal, nach: Yuste (2011) Neuron)
(from: Mattson et al. (2002) Modification of Brain Aging and Neurodegenerative Disorders
by Genes, Diet, and Behavior. Physiol. Rev. 82:637-672)
Mensch
Verlust der neuralen Plastizität und Degeneration bei der
Alterung
Kulturmodelle zur Untersuchung der
Zellbiologie von Nervenzellen
• Dissoziierte Nervenzelle aus dem Hippocampus
(embryonale Ratte oder Maus)
• Organoytpische Kulturen aus dem Hippocampus (ex vivo Kulturen)
(frühe postnatale Ratte oder Maus)
Menschliche neuronale Kulturmodelle
• Neuronal differenzierte humane Stammzellen: humane iPS Zellen
(„human induced pluripotent stem cells“)
• Zelllinienmodell: Humane Modellneurone (NT2-N Zellen)
(„iCell® Neurons“, Cellular Dynamics
International, Madison, USA)
(Fath et al. (2002) J. Neurosci.;
Raasch et al. (2015) Chem. Biol. Drug Design)
Jürgen Knoblich: Modeling Human Brain Development in 3D Organoid Culture
https://www.youtube.com/watch?v=WrsPhkpooUQ
• 3D-Kulturen und Organoide
Menschliche neuronale Kulturmodelle
https://www.youtube.com/watch?v=WrsPhkpooUQ