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Warum manche Nervenzellen den Zellkörper „auslagern“

21.04.2015

Nervenzellen weisen ganz unterschiedliche Formen auf. Forscher am Bernstein Zentrum Berlin klären nun, warum sich bei Insekten der Zellkörper meistens am Ende eines gesonderten Fortsatzes befindet. Mithilfe von mathematischen Modellen zeigen sie, dass so die Signalstärke der elektrischen Übertragung erhöht wird – bei gleichbleibendem Energieaufwand.

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.


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

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.

„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.

Das Bernstein Zentrum Berlin ist Teil des Nationalen Bernstein Netzwerks Computational Neuroscience. Seit 2004 fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit dieser Initiative die neue Forschungsdisziplin Computational Neuroscience mit über 180 Mio. €. Das Netzwerk ist benannt nach dem deutschen Physiologen Julius Bernstein (1835-1917).

Weitere Informationen erteilen Ihnen gerne:
Janina Hesse
Humboldt-Universität zu Berlin
Institut für Theoretische Biologie (ITB)
Philippstr. 13, Haus 4
10115 Berlin
Tel: +49 (0)30 2093 98407
E-Mail: janina.hesse@bccn-berlin.de

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

Originalpublikation:
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
Free access link: http://authors.elsevier.com/a/1QurA3QW8RZuOX

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

Weitere Informationen:

http://www.neuron-science.de Webseite Arbeitsgruppe Schreiber
https://www.hu-berlin.de Humboldt-Universität zu Berlin
https://www.bccn-berlin.de Bernstein Zentrum Berlin
http://www.nncn.de Nationales Bernstein Netzwerk Computational Neuroscience

Mareike Kardinal | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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