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Warum manche Nervenzellen den Zellkörper „auslagern“

Bei Insekten befindet sich der Zellkörper von Neuronen meistens am Ende eines gesonderten Fortsatzes. Berliner Forscher zeigen, dass so die Signalstärke erhöht wird – bei gleichbleibendem Energieaufwand (April 2015).

Nervenzellen sind funktional aufgebaut: Über mehr oder weniger weit verzweigte Zellverästelungen (Dendriten) erhalten sie Eingangssignale, die sie entlang eines langen dünnen Zellfortsatzes (Axon) an andere Nervenzellen weiterleiten. Der Zellkörper enthält den Zellkern mit Erbmaterial und weitere Bestandteile der Maschinerie, die das Neuron am Leben erhält. Seine Lage unterscheidet sich deutlich zwischen den einzelnen Tierklassen: Bei Säugetieren befindet sich der Zellkörper meist zwischen Dendriten und Axon, während er etwa bei Insekten häufig am Ende eines separaten Fortsatzes „ausgelagert“ wird.

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Nervenzellen weisen unterschiedliche Formen auf: Während der Zellkörper (rot) bei Ratten zentral liegt, befindet er sich bei Fliegen am Ende eines Fortsatzes. Bildrechte: Janina Hesse, 2015

„Seit der Beschreibung von Nervenzellen durch Santiago Ramón y Cajal ist viel über den Grund dieser unterschiedlichen Morphologie spekuliert worden“, erklärt Erstautorin Janina Hesse vom Bernstein Zentrum Berlin und der Humboldt-Universität zu Berlin. „Unsere Studie bringt nun einen entscheidenden Grund ins Spiel: Die Verminderung des Signalverlustes sowie der benötigten Energie bei der Übertragung elektrischer Signale innerhalb der Nervenzelle.“

Zur Stützung ihrer Hypothese nutzten die Biologen mathematische Modelle, um die Vorteile der ausgelagerten Lage des Zellkörpers zu ermitteln. Ihre Computermodelle beinhalteten in vereinfachter Form die wesentlichen Bestandteile einer Nervenzelle. Der Zellkörper war in den Modellen einmal zentral und einmal ausgelagert eingebunden. Die Forscher simulierten die elektrische Signalübertragung unter beiden Bedingungen und schätzten so die dafür benötigte Energie und Leitungsverluste ab.

„Zur Weiterleitung elektrischer Signale benötigen Nervenzellen eine gewisse Signalstärke im Axon. Wenn das Signal zuvor über den Zellkörper läuft, treten Verluste entlang der Zellmembran auf. Diese Leitungsverluste kann die Nervenzelle durch aktive Verstärkung reduzieren, verwendet dabei aber insbesondere bei großen Zellkörpern viel Energie. In solchen Fällen ist eine Auslagerung von Vorteil, denn diese vermindert eine Abschwächung des Signals durch den Zellkörper ohne dafür zusätzliche Energie zu benötigen“, erläutert Seniorautorin Susanne Schreiber.

Für Organismen mit großen Zellkörpern ist es daher am günstigsten, das Signal nicht über den Zellkörper laufen zu lassen, sondern geradewegs vom Dendrit zum Axon weiterzuleiten. Insekten nehmen diesen direkten Weg, indem sie den Zellkörper ihrer Nervenzellen an das Ende eines dünnen Fortsatzes verlegen. Dank der vorteilhaften Gestalt gelingt es den Zellen so, auch kleine Eingangssignale effizient an Nachbarzellen weiterzuleiten. Mit ihrer Studie bringen die Berliner Forscherinnen Licht in ein Rätsel, über das seit den ersten detaillierten morphologischen Studien vor über 100 Jahren spekuliert worden ist. Ihre Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Current Biology erschienen.

 


Ansprechpartner                  





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Prof. Dr. Susanne Schreiber
Humboldt-Universität zu Berlin
Institut für Theoretische Biologie (ITB)
Philippstr. 13, Haus 4
10115 Berlin

Tel: +49 (0)30 2093 98405
E-Mail: s.schreiber@hu-berlin.de







J. Hesse & S. Schreiber (2015): Externalization of neuronal somata as an evolutionary strategy for energy economization. Current Biology, 25(8), R324 - R325.
doi: 10.1016/j.cub.2015.02.024

Siehe auch Dispatch in der gleichen Ausgabe:
J. E. Niven (2015): Neural Evolution: Marginal gains through soma location. Current Biology, 25(8), pR330–R332.
doi: 10.1016/j.cub.2015.02.059

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