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