Frontiers for Young Minds

Wir wissen, dass das menschliche Gehirn die komplexeste Struktur ist. Es hat etwa 80 Milliarden Nervenzellen, Neuronen genannt. Achtzig Milliarden (80.000.000.000)! Das sind mehr als 10 Mal so viele Neuronen, wie es Menschen auf der Erde gibt. Neuronen kommunizieren miteinander durch spezielle Chemikalien, die Neurotransmitter genannt werden. Neurotransmitter sind wie chemische Wörter, die „Nachrichten“ von einem Neuron zum anderen senden. Es gibt viele verschiedene Arten von Neurotransmittern: Einige stimulieren die Neuronen, wodurch sie aktiver werden; andere hemmen sie, wodurch sie weniger aktiv werden. Neuronen steuern buchstäblich alles, was Sie tun.

Die Neuronen sind die Bausteine Ihres Gehirns

Neuronen gibt es in vielen Formen, Gestalten und Größen, aber es ist hilfreich, sich ein Neuron wie einen Baum vorzustellen. Ein Neuron hat drei Hauptteile, den Zellkörper, ein Axon und die Dendriten (Abbildung 1). Der Baumstamm (Zellkörper) speichert die genetische Information (DNA) in einem Bereich, der Nukleus genannt wird. Der Zellkörper enthält auch die chemische Maschinerie zur Herstellung der Neurotransmitter, die das Neuron zur Kommunikation untereinander verwendet.

Die Äste des Baumes (Dendriten, das Wort Dendron kommt aus dem Griechischen und bedeutet eigentlich „Baum“) sind die Teile eines Neurons, die Signale empfangen. Früher dachte man, Dendriten seien wie Antennen, die nur Signale von anderen Neuronen empfangen, aber, wie ich erkläre, können sie mehr als das.

Die Baumwurzel (Axon) ist die Struktur, mit der sich ein Neuron mit einem anderen Neuron verbindet und mit ihm spricht. Ein Axon transportiert Informationen ähnlich wie ein Kabel, das Strom transportiert. Wenn ein Neuron eine Nachricht an ein anderes weitergeben möchte, sendet es einen elektrischen Impuls, ein sogenanntes Aktionspotential, sein Axon hinunter, bis es das Axonterminal am Ende des Axons erreicht. Stellen Sie sich ein Axon-Terminal wie ein Flughafen-Terminal vor. Ein Flughafenterminal ist mit Passagieren gefüllt, die darauf warten, abzufliegen, während ein Axonterminal mit Neurotransmittern gefüllt ist, die darauf warten, zum nächsten Neuron zu reisen.

Was sind die Unterschiede zwischen drahtgebundener und drahtloser Übertragung?

Wenn das Aktionspotential das Axonterminal erreicht, werden einige der Neurotransmitter im Terminal in eine winzige Lücke zwischen dem Terminal und dem Dendriten eines anderen Neurons gekippt. Dieser Spalt wird Synapse genannt – er ist so winzig, dass er in Nanometern oder Milliardstel Metern gemessen wird. Der Neurotransmitter durchquert die Synapse und bindet an eine spezialisierte Stelle, die als Rezeptor bezeichnet wird, auf der anderen Seite. Jeder Neurotransmitter bindet nur an seinen spezifischen Rezeptor, so wie ein Schlüssel nur in ein bestimmtes Schloss passt. Je nach Neurotransmitter stimuliert er das andere Neuron oder hemmt es, wodurch es entweder wahrscheinlicher oder unwahrscheinlicher wird, ein eigenes Aktionspotential abzufeuern. All dies geschieht mit sehr hoher Präzision und wird immer wieder wiederholt. Da das Signal mit sehr hoher Geschwindigkeit von einem Neuron zum anderen weitergeleitet wird (bis zu 100 m/s oder 223 mph; schneller als das schnellste Landsäugetier, der Gepard, der auf eine Geschwindigkeit von 29 m/s oder 64 mph beschleunigen kann), wird diese Art der Kommunikation zwischen Neuronen manchmal als „drahtgebundene Übertragung“ bezeichnet. Die Neurotransmitter leiten „geflüsterte Geheimnisse“ direkt von einem Neuron zum anderen weiter; sie übermitteln eine Botschaft, die nur zu einer bestimmten Zeit und an einem bestimmten Ort von Bedeutung ist. Eine Möglichkeit, sich die „verdrahtete Übertragung“ vorzustellen, ist die eines Lichtschalters, der eine bestimmte Glühbirne ein- oder ausschaltet.

Einige Neurotransmitter, insbesondere eine Art namens Neuropeptide, sind anders. Neuropeptide werden von vielen Teilen eines Neurons freigesetzt, auch von den Dendriten. Anstatt in die winzige Synapse zwischen einem Axon-Terminal und einem anderen Neuron freigesetzt zu werden, werden sie in die Flüssigkeit freigesetzt, die die Räume zwischen den Neuronen füllt, und sie diffundieren durch das Gehirn, um Rezeptoren zu erreichen, die sich auf entfernten Zielen befinden. Eine Möglichkeit, sich die Diffusion vorzustellen, ist, sich einen Weg durch einen Wald zu bahnen (Abbildung 2). Von einem Punkt zu einem anderen zu gelangen, wenn keine Bäume in der Nähe sind, wäre sehr einfach und schnell. Sobald es viele Bäume gibt, würde der Weg von einem Punkt zum anderen viel länger dauern, weil man um die Bäume herumgehen muss. Diese Art der Signalisierung ist also viel langsamer als die Signalisierung an Synapsen, aber schließlich erreichen die Neuropeptide die meisten Teile des Gehirns. Allerdings können nur Hirnbereiche, die über die richtigen Rezeptoren verfügen, auf die Neuropeptide reagieren. Die Freisetzung von Neuropeptiden durch Dendriten ist also wie Wi-Fi ein drahtloses Signal – diese Botschaften sind „öffentliche Bekanntmachungen“, die nicht von einer Zelle zur anderen gesendet werden, sondern von einer Gruppe von Neuronen zu einer anderen Gruppe von Neuronen .

Oxytocin und Vasopressin können das Verhalten durch „drahtlose“ Signalübertragung beeinflussen

Lassen Sie mich ein anderes Beispiel verwenden. Die Neuropeptide Oxytocin und Vasopressin werden von großen Neuronen im Hypothalamus gebildet, einem Teil des Gehirns, der für die Regulierung vieler physiologischer Prozesse des Körpers wichtig ist. Diese großen Neuronen haben ein Axon, das den ganzen Weg zu einer spezialisierten Drüse, der Hypophyse, geht, die an der Unterseite des Gehirns angebracht ist. Von dort aus werden die Neuropeptide von den Axonendigungen direkt ins Blut abgegeben. Oxytocin wandert durch den Körper und spielt eine Rolle bei der Geburt und beim Stillen. Vasopressin beeinflusst den Blutdruck und reguliert über die Nieren den Wasserhaushalt des Körpers. Beide Neuropeptide werden aber auch im Gehirn freigesetzt, wo sie verschiedene Arten von Verhalten steuern. Oxytocin hilft zum Beispiel einer Mutter, sich an ihr Kind zu binden, und Vasopressin beeinflusst Gedächtnis und Aggression. Die Gehirnbereiche, die diese Verhaltensweisen steuern, sind jedoch manchmal weit von den Zellen entfernt, die die Neuropeptide herstellen. Einige dieser Bereiche haben die richtigen Rezeptoren, aber keine Axone und Terminals in der Nähe, so dass die „verdrahtete“ Signalisierung durch Oxytocin und Vasopressin nicht stattfinden kann.

Das Oxytocin und Vasopressin, das von den Axonterminals ins Blut freigesetzt wird, kann wegen einer seltsamen Struktur, die Blut-Hirn-Schranke genannt wird, nicht wieder in das Gehirn gelangen. Denken Sie darüber nach: Wenn Sie krank werden, wollen Sie nicht, dass Bakterien oder Viren in Ihr Gehirn eindringen! Die Blut-Hirn-Schranke ist eine Schicht von Zellen, die das Gehirn vor Krankheitserregern, Giftstoffen und anderen Molekülen, die im Blut zirkulieren, schützt. Sie verhindert, dass Eindringlinge in das Gehirn gelangen.

Allerdings werden Oxytocin und Vasopressin auch aus den Dendriten der Neuronen freigesetzt, direkt in das Gehirn. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Freisetzung von Neuropeptiden aus Dendriten (ins Gehirn) und aus Axonendigungen (ins Blut) unabhängig voneinander erfolgen kann. Die Freisetzung von Vasopressin und Oxytocin aus den Axonterminals wird durch Aktionspotentiale gesteuert, ähnlich wie die Neurotransmitterfreisetzung in allen anderen Neuronen. Einige chemische Signale im Gehirn können jedoch die Neuropeptidfreisetzung aus den Dendriten stimulieren, ohne Aktionspotentiale auszulösen. Durch diese unterschiedlichen Freisetzungsarten können die Neuropeptidwirkungen im Körper und im Gehirn separat reguliert werden. So hat Oxytocin nicht nur Auswirkungen auf den Körper, wie z.B. bei der Geburt und beim Stillen, sondern stimuliert auch die Betreuungs- und Bindungsaktionen der Mutter im Gehirn. Das sorgt dafür, dass das Neugeborene all das bekommt, was es dringend braucht: Nahrung und Liebe (Abbildung 3) .

Sind Neuropeptide ähnlich wie Hormone?

Die Freisetzung von Neuropeptiden durch die Dendriten von Neuronen ist der Freisetzung von Hormonen an anderer Stelle in Ihrem Körper sehr ähnlich. Hormone sind chemische Botenstoffe, die von Drüsen freigesetzt und über das Blut zu weit entfernten Zielzellen transportiert werden. Hormone können also Zellen stimulieren, die sich weit entfernt von den Drüsen befinden, in denen sie produziert werden. Es gibt viele verschiedene Hormone, und sie haben viele verschiedene Funktionen im Körper. Zum Beispiel wandert Prolaktin, ein anderes Hormon, das von der Hirnanhangdrüse freigesetzt wird, zur Brust der Mutter, wo es die Produktion von Milch zum Stillen anregt. Dieser Prozess der „drahtlosen Signalübertragung“ durch Hormone ähnelt der Signalübertragung durch Neuropeptide im Gehirn – man könnte Neuropeptide also als „Hirnhormone“ bezeichnen.“

Warum ist es wichtig, die Signalübertragung durch Neurotransmitter zu verstehen?

Einige der am schwierigsten zu behandelnden Verhaltensstörungen, für die dringend neue Therapien benötigt werden, betreffen Verhaltensweisen, an denen Vasopressin und Oxytocin beteiligt sind. Wie bereits erwähnt, ist Oxytocin an der Geburt, dem Stillen und dem Verhalten der Mutter bei der Kinderbetreuung beteiligt. Aber Oxytocin ist auch wichtig für das Kind, um komplexe Interaktionen mit anderen zu entwickeln und aufrechtzuerhalten. Einige Kinder mit Autismus haben oft Schwierigkeiten, diese Interaktionen zu verstehen und darauf zu reagieren, und Wissenschaftler versuchen, Oxytocin als mögliche Behandlung einzusetzen (wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, lesen Sie den Artikel von Daniel Quintana und Gail Alvares in der Online-Bibliothek Frontiers for Young Minds).

Weitere Beispiele sind Störungen im Zusammenhang mit Stress und Angst, Essstörungen, Störungen des Substanzmissbrauchs (einschließlich Alkoholmissbrauch) und Störungen des Sexualverhaltens. Dies sind große Gesundheitsprobleme mit erheblichen Auswirkungen auf den Menschen. Indem wir besser verstehen, wie Gehirnzellen und Neuropeptide interagieren, können wir Wege finden, einige dieser Störungen zu kontrollieren und die Qualität unseres Lebens zu verbessern.

Glossar

Neuron: Zellen Ihres Nervensystems, Nervenzellen oder Neuronen genannt, sind darauf spezialisiert, „Nachrichten“ zu übermitteln.“

Neurotransmitter: Chemikalien, die von Neuronen verwendet werden, um miteinander zu kommunizieren – wir können sie uns als „chemische Wörter“ vorstellen.“

Neuropeptide: Eine besondere Art von Neurotransmittern. Sie beeinflussen Aktivitäten im Gehirn und im Körper, zum Beispiel die Regulierung des Energielevels einer Person.

Hypothalamus: Der Hypothalamus ist eine Gehirnregion, die Funktionen wie Durst, Appetit und Schlaf reguliert.

Hypophyse: Die Hirnanhangsdrüse befindet sich in einer kleinen, knöchernen Höhle an der Basis des Gehirns. Sie ist mit dem Hypothalamus verbunden. Sie sondert Hormone ab, die viele verschiedene körperliche Aktivitäten regulieren.

Hormone: Hormone sind spezielle Chemikalien, die der Körper herstellt, um ihm dabei zu helfen, bestimmte Dinge zu tun, wie z.B. das Heranwachsen und die Pubertät zu durchlaufen, in der Sie beginnen, sich zu einem Erwachsenen zu entwickeln. Während dieser Zeit wird Ihr Körper mit Hormonen beladen, die ihm sagen, dass es an der Zeit ist, sich zu verändern.

Autismus: Viele Kinder, die Autismus haben, haben Schwierigkeiten zu verstehen, was andere Menschen denken und wie sie sich fühlen. Sie verhalten sich vielleicht auf eine Art und Weise, die ungewöhnlich erscheint, und es kann schwer zu verstehen sein, warum sie so handeln.

Interessenkonflikt-Erklärung

Der Autor erklärt, dass die Forschung in Abwesenheit jeglicher kommerzieller oder finanzieller Beziehungen durchgeführt wurde, die als potentieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Dankesworte

Ich möchte mich bei meinen Freunden und Arbeitskollegen bedanken, die das Manuskript kommentiert haben, besonders bei meinen Freunden David und Gareth, die dafür gesorgt haben, dass ich die richtigen und für Kinder verständlichen Worte verwendet habe. Ich möchte auch Márta für das Bild der Purkinje-Zellen danken.

Ludwig, M., und Stern, J. E. 2015. Multiple signaling modalities mediated by dendritic exocytosis of oxytocin and vasopressin. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 370(1672):20140182. doi:10.1098/rstb.2014.0182

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