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Die geheimnisvolle Baumstruktur: Wie funktionieren Neuronen-Dendriten?
Das Wort Dendrit (englisch: Dendrite) stammt aus dem Griechischen und bedeutet „Baum“. Es ist ein verzweigter zytoplasmischer Prozess von Neuronen. Seine Hauptfunktion besteht darin, elektrochemische Reize von anderen Nervenzellen zu übertragen Die an die Nervenzelle weitergeleitete Energie wird auch „Zellkörper“ genannt. Diese elektrischen Reize werden typischerweise über Synapsen an die Dendriten übertragen, die über die gesamte baumartige Struktur der Dendriten verteilt sind. Dendriten spielen eine Schlüsselrolle bei der Integration dieser synaptischen Eingaben und bestimmen das Ausmaß, in dem das Neuron Aktionspotenziale erzeugt.
Dendriten sind nicht nur Signalempfänger. Ihre Struktur und Funktion machen sie zum Kern der neuronalen Nachrichtenverarbeitung.
Struktur und Funktion von Dendriten
Dendriten sind einer von zwei zytoplasmatischen Fortsätzen, die aus dem Zellkörper eines Neurons herausragen. Der andere ist das Axon. Dendriten unterscheiden sich von Axonen durch mehrere Merkmale, darunter Form, Länge und Funktion. Typischerweise sind Dendriten spitz zulaufend und von kürzerer Form, während Axone einen konstanten Durchmesser behalten und sehr lang sein können. Die Hauptfunktion von Dendriten besteht darin, Signale von den Axonenden anderer Neuronen zu empfangen und eine größere Oberfläche für den Empfang dieser Signale bereitzustellen.
Es wird geschätzt, dass die Dendriten einer großen Zapfenzelle Signale von etwa 30.000 präsynaptischen Neuronen empfangen können. Erregende Synapsen enden an dendritischen Stacheln, kleinen Vorsprüngen von Dendriten, die eine hohe Dichte an Neurotransmitterrezeptoren enthalten. Die meisten inhibitorischen Synapsen stellen direkten Kontakt mit dem Hauptstamm des Dendriten her. Synaptische Aktivität induziert lokale Veränderungen im Potenzial der dendritischen Membran, die mit der Entfernung zunehmend schwächer werden.
Um ein Aktionspotential zu erzeugen, müssen viele erregende Synapsen gleichzeitig aktiv sein, was zu einer starken Depolarisation der Dendriten und ihrer Zellkörper führt.
Historische Entwicklung der Dendriten
Der Begriff Dendrit wurde erstmals 1889 von Wilhelm His verwendet, um die vielen kleineren „protoplasmatischen Prozesse“ zu beschreiben, die Nervenzellen verbinden. Der deutsche Anatom Otto Deiters gilt allgemein als Entdecker der Axone, indem er sie von Dendriten unterschied.
Die ersten intrazellulären Aufzeichnungen im Nervensystem wurden in den 1930er Jahren von Kenneth S. Cole und Howard J. Curtis durchgeführt. Rüdolf Albert von Kölliker in der Schweiz und Robert Remak in Deutschland waren die ersten, die den Anfangsabschnitt des Axons identifizierten und beschrieben. Später verwendeten Alan Hodgkin und Andrew Huxley die Riesenaxone von Tintenfischen, um eine vollständige quantitative Beschreibung der Aktionspotentiale zu liefern, was ihnen 1963 auch den Nobelpreis einbrachte.
Entwicklung von Dendriten
Während der Entwicklung von Dendriten können mehrere Faktoren ihre Differenzierung beeinflussen, darunter die Modulation sensorischer Eingaben, Umweltschadstoffe, Körpertemperatur und Drogenkonsum. Beispielsweise wurde einmal festgestellt, dass die Anzahl der Zapfenzellen im primären visuellen Kortex von Mäusen, die in einer dunklen Umgebung aufgezogen wurden, hinsichtlich der Anzahl dendritischer Leisten deutlich reduziert war und dass sich auch die Verteilung dendritischer Äste von Sternzellen deutlich veränderte.
Die komplexe baumartige Struktur von Dendriten entsteht durch das Zusammenspiel mehrerer externer und interner Signale.
Vielfalt der Dendriten
Dendriten bilden in verschiedenen Organismen viele verschiedene morphologische Muster aus, und die Morphologie dieser Zweige (z. B. Zweigdichte und Verteilungsmuster) steht in engem Zusammenhang mit der Funktion von Neuronen. Die Anzahl der Dendriten kann sehr unterschiedlich sein und manchmal bis zu 100.000 verschiedene Eingaben empfangen. Fehler in der Dendritenmorphologie stehen in engem Zusammenhang mit einer Beeinträchtigung der Funktion des Nervensystems.
Die Morphologie von Dendriten kann eine verzweigte Struktur oder eine strahlende Struktur wie ein Baum sein. Diese dendritischen Verzweigungsmuster können spindelförmig oder kugelförmig sein oder eine multiplanare Form annehmen, wie beispielsweise in den Purkinje-Zellen des Kleinhirns.
Elektrische Eigenschaften und Plastizität von Dendriten
Veränderungen in der dendritischen Struktur, den Verzweigungen und der spannungsabhängigen Ionenleitfähigkeit von Neuronen haben tiefgreifende Auswirkungen darauf, wie Neuronen Eingaben von anderen Neuronen integrieren. Man geht davon aus, dass Dendriten mehr als nur passive Überträger elektrischer Stimulation sind, sondern dass sie im Erwachsenenalter zu plastischen Strukturanpassungen fähig sind. Die aus Dendriten bestehenden Abteilungen werden funktionelle Einheiten genannt und sind in der Lage, eingehende Reize zu berechnen und zu verarbeiten.
Neueste experimentelle Beobachtungen zeigen, dass die dendritische Anpassung innerhalb von Sekunden erfolgen kann und die Auswirkungen solcher strukturellen Veränderungen auf die neuronale Funktion erheblich sein können. Auch die Zusammensetzung der Dendriten kann sich bei Veränderungen der äußeren Umgebung erheblich verändern. Beispielsweise kann sich die Dendritenstruktur unter dem Einfluss von Schwangerschaft oder Hormonzyklen um bis zu 30 % verändern.
All dies lässt uns fragen, ob es einen tieferen Zusammenhang zwischen der Entwicklung von Dendriten und der Lernfähigkeit gibt?
