Gehirnzelle: Definition, Beispiele und Funktion

Das menschliche Gehirn ist eines der komplexesten Organe des Körpers und beherbergt Milliarden von spezialisierten Zellen, die gemeinsam die Grundlage für Denken, Fühlen, Erinnern und Handeln bilden. Diese sogenannten Gehirnzellen arbeiten in hochgradig koordinierten Netzwerken zusammen und lassen sich in unterschiedliche Typen einteilen, die jeweils spezifische Aufgaben im zentralen Nervensystem übernehmen. Ein Verständnis dieser Zelltypen ist zentral für die Neurowissenschaften, da viele Erkrankungen des Gehirns auf Störungen bestimmter Zellpopulationen zurückgehen. Welche Zellen es gibt und welche Funktionen diese genau übernehmen, erklärt dieser Artikel.

Gehirnzelle – Definition

Gehirnzellen sind alle Zelltypen, die im Gewebe des Gehirns vorkommen und dort strukturelle, funktionelle oder regulierende Aufgaben erfüllen. Sie lassen sich grob in zwei Hauptkategorien unterteilen: Neuronen, die elektrische Signale verarbeiten und weiterleiten, sowie Gliazellen, die unterstützende, versorgende und immunologische Funktionen ausüben. Darüber hinaus finden sich im Gehirn auch endotheliale, immunologische und Stammzellen.

Gehirnzelle – Beispiele

Im Gehirn finden sich mehrere Haupttypen von Zellen:

• Neuronen (Nervenzellen)
• Gliazellen: Hierunter zählen Astrozyten, Oligodentrozyten, Mikrogliazellen und Ependymzellen.
• Endothelzellen
• Perizyten
• Immunzellen (zum Beispiel T-Zellen und Makrophagen)
• Neuronale Stammzellen und Vorläuferzellen

Nervenzellen

Neuronen sind die zentralen funktionellen Einheiten des Nervensystems. Sie sind für die Weiterleitung elektrischer Signale und die Kommunikation zwischen verschiedenen Gehirnregionen sowie zwischen dem Gehirn und dem Körper verantwortlich. Ihre Struktur ermöglicht eine gezielte Signalverarbeitung und -weiterleitung.

Neuronen bestehen typischerweise aus drei Hauptbestandteilen:

• Dendriten: Diese baumartig verzweigten Fortsätze empfangen synaptische Signale von anderen Neuronen. Ihre Oberfläche ist mit zahlreichen Rezeptoren besetzt, die Neurotransmitter erkennen und so das postsynaptische Potenzial auslösen. Die Vielzahl an Dendriten erlaubt es einem Neuron, simultan Signale von hunderten oder tausenden Nervenzellen zu integrieren.

• Soma (Zellkörper): Der Zellkörper enthält den Zellkern mit genetischer Information sowie Zellorganellen wie das raue endoplasmatische Retikulum (Nissl-Substanz), den Golgi-Apparat und Mitochondrien. Im Soma findet die Synthese von strukturellen und funktionellen Proteinen sowie von Neurotransmittern statt. Der Axonhügel, der Übergang zwischen Soma und Axon, ist der Ort der Aktionspotenzialgenerierung. Hier werden die elektrischen Signale, die in den Dendriten gesammelt wurden, integriert und, falls ein Schwellenwert überschritten wird, ein Aktionspotenzial ausgelöst.

• Axon: Das Axon ist ein meist sehr langer Fortsatz (bis zu einem  Meter im peripheren Nervensystem), der elektrische Impulse vom Zellkörper zur Synapse leitet. Axone können myelinisiert oder unmyelinisiert sein: die Myelinisierung durch Oligodendrozyten (im ZNS) oder Schwann-Zellen (im PNS) erhöht die Leitungsgeschwindigkeit durch saltatorische Erregungsleitung. Axonterminale, auch Boutons genannt, sind die Endabschnitte, die Neurotransmitter freisetzen und mit Zielzellen kommunizieren.

Neuronen lassen sich nach verschiedenen Kriterien einteilen:

• Nach ihrer Funktion: sensorische, motorische und Interneuronen.
• Nach ihrer Morphologie: multipolare, bipolare, unipolare und pseudounipolare Neuronen.

Ein besonderes Merkmal von Neuronen ist ihre Fähigkeit zur Synapsenbildung, was ihnen eine hochspezifische Kommunikation ermöglicht.

Astrozyten

Astrozyten gehören zu den Gliazellen und sind im gesamten Gehirn verteilt. Sie stellen eine wichtige strukturelle und metabolische Unterstützung für die Neuronen dar. Ihre Sternform verleiht ihnen nicht nur ihren Namen, sondern auch eine große Kontaktfläche zu Blutgefäßen, Neuronen und Synapsen.

Die Funktionen der Astrozyten umfassen:

• Regulation des ionischen Milieus, insbesondere von Kalium.
• Aufnahme und Recycling von Neurotransmittern wie Glutamat.
• Beteiligung an der Blut-Hirn-Schranke durch Endfüßfchen.
• Metabolische Versorgung der Neuronen mit Lactat.
• Synaptische Modulation und Beteiligung an neuronaler Plastizität.

Astrozyten sind auch an pathologischen Prozessen beteiligt, beispielsweise bei der Bildung von Glianarben nach Hirnverletzungen. 

Oligodentrozyten

Oligodendrozyten sind die Myelin-bildenden Zellen im zentralen Nervensystem. Ihre Hauptfunktion ist die elektrische Isolierung von Axonen durch Bildung von Myelinscheiden, die die Leitungsgeschwindigkeit der Aktionspotenziale erheblich erhöhen.

Ein Oligodendrozyt kann mehrere Axone gleichzeitig myelinisieren. Im Gegensatz dazu myelinisiert im peripheren Nervensystem eine Schwann-Zelle immer nur ein Axonsegment.

Schädigungen der Oligodendrozyten oder ihrer Myelinscheiden führen zu Demyelinisierungserkrankungen wie der Multiplen Sklerose.

Mikrogliazellen

Mikrogliazellen sind die residenten Immunzellen des zentralen Nervensystems. Sie stammen aus der embryonalen Dottersackmesoderm und sind nicht neuronalen Ursprungs. Mikroglia übernehmen immunologische Überwachungsfunktionen und sind in der Lage, pathogene Strukturen und Zelltrümmer zu phagozytieren.

Ihre Funktionen beinhalten:

• Immunüberwachung und Antigenpräsentation.
• Phagozytose von Apoptoseprodukten.
• Freisetzung von pro- und antiinflammatorischen Zytokinen.
• Beteiligung an der Synapseneliminierung (“synaptic pruning”).

Mikroglia sind hoch dynamisch und reagieren schnell auf pathologische Reize, wie Infektionen, Ischämien oder neurodegenerative Prozesse.

Ependymzellen

Ependymzellen kleiden die inneren Liquorräume (Ventrikel) des Gehirns aus. Sie sind spezialisierte Zellen, die eine Barriere zwischen dem Liquor cerebrospinalis und dem Hirngewebe bilden. Ihre apikalen Membranen sind mit Kinozilien und Mikrovilli besetzt.

Sie haben folgende Funktionen:

• Beteiligung an der Liquorzirkulation durch Kinozilienbewegung.
• Absorption und Sekretion von Stoffen zwischen Liquor und Gewebe.
• Bildung des Plexus choroideus in Verbindung mit Kapillaren, der den Liquor produziert.

Endothelzellen

Die Endothelzellen der Hirnkapillaren bilden die strukturelle Grundlage der Blut-Hirn-Schranke. Diese Schranke ist essenziell für den Schutz des Gehirns vor toxischen Substanzen, Pathogenen und Schwankungen der Blutbestandteile.

Die Endothelzellen sind durch Tight Junctions eng miteinander verbunden, was den parazellulären Transport fast vollständig unterbindet. Nur ausgewählte Substanzen können via spezialisierter Transportmechanismen passieren.

Perizyten

Perizyten sind kontraktile Zellen, die die Kapillaren des Gehirns umgeben. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung des zerebralen Blutflusses und bei der Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke.

Zusätzlich sind sie an folgenden Prozessen beteiligt:

• Gefäßumbau und Angiogenese
• Reaktion auf Entzündungen
• Beteiligung an Reparaturprozessen nach Schädigungen

Immunzellen im Gehirn

Obwohl das Gehirn immunprivilegiert ist, können in bestimmten Situationen Immunzellen aus dem Blut einwandern. Dazu zählen vor allem T-Lymphozyten, Monozyten und Makrophagen.

In neuroinflammatorischen Erkrankungen wie der Multiplen Sklerose überwinden diese Zellen die Blut-Hirn-Schranke und tragen zur Pathogenese bei. Auch bei Infektionen (zum Beispiel Meningitis) oder Tumoren spielt ihre Infiltration eine Rolle.

Neuronale Stammzellen und Vorläuferzellen

Neuronale Stammzellen kommen auch im adulten Gehirn vor, insbesondere in zwei Regionen:

• Subventrikuläre Zone (SVZ) entlang der Seitenventrikel.
• Subgranuläre Zone (SGZ) im Gyrus dentatus des Hippocampus.

Sie sind in der Lage, sich in Neuronen, Astrozyten oder Oligodendrozyten zu differenzieren. Diese Neurogenese trägt zur Plastizität des Gehirns bei und spielt eine Rolle bei Gedächtnisprozessen, Lernen und eventuell in der Regeneration nach Hirnschäden.