Neuronen im Ischiasnerv
AFB I–IIDer Ischiasnerv zieht vom unteren Rückenmark durch das Bein bis in den Fuß. M1 beschreibt drei Neuronen, deren Fortsätze im Rückenmark bzw. im Ischiasnerv liegen, M2 zeigt einen Querschnitt durch den Nerv.
| Neuron | Lage des Zellkörpers | längster Fortsatz | Myelinscheide gebildet von | verbindet |
|---|---|---|---|---|
| A | Nervenknoten neben dem Rückenmark (Spinalganglion) | etwa 1 m | Schwann-Zellen | Tastsinneszellen der Zehe mit dem Rückenmark |
| B | Rückenmark (Vorderhorn) | etwa 1 m | im Rückenmark Oligodendrocyten, im Nerv Schwann-Zellen | Rückenmark mit dem Wadenmuskel |
| C | Rückenmark | unter 1 mm | Oligodendrocyten | zwei Neuronen im Rückenmark |
- Skizzieren Sie schematisch den Bau des Neurons B aus M1 und beschriften Sie die Strukturen.
- Beschreiben Sie den Aufbau eines Nervs anhand von M2.
- Ordnen Sie die Neuronen A, B und C aus M1 begründet den Begriffen sensorisches (afferentes) Neuron, motorisches (efferentes) Neuron und Interneuron zu.
- Erklären Sie, warum eine Durchtrennung des Ischiasnervs zugleich zu einer Lähmung des Wadenmuskels und zum Verlust des Tastempfindens an der Zehe führt, obwohl dabei kein einziger Zellkörper verletzt wird (M1, M2).
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Skizze zeigt von links nach rechts: verzweigte Dendriten, die an einem Zellkörper (Soma) mit Zellkern ansetzen; einen kegelförmigen Axonhügel; ein langes Axon, das von einer Myelinscheide umhüllt ist, die in regelmäßigen Abständen von Ranvier-Schnürringen unterbrochen wird; am Ende Axonverzweigungen mit synaptischen Endknöpfchen, die über Synapsen Kontakt zu Muskelfasern des Wadenmuskels haben. Beschriftet werden Dendrit, Zellkörper, Zellkern, Axonhügel, Axon, Myelinscheide (im Nerv aus Schwann-Zellen), Ranvier-Schnürring, Endknöpfchen und Synapse; ein Pfeil kann die Richtung der Erregung von den Dendriten zu den Endknöpfchen angeben.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Der Nerv ist außen von einer Bindegewebshülle umgeben. Darin liegen mehrere Faszikel, die ihrerseits von einer Bindegewebsschicht umhüllt sind. Jeder Faszikel enthält viele quer geschnittene Axone (Nervenfasern); die meisten sind von einer dunkel erscheinenden Myelinscheide umgeben, einige dünne Axone ohne Myelin liegen gebündelt in einer Schwann-Zelle. Zwischen den Faszikeln verlaufen Blutgefäße, die das Gewebe versorgen. Ein Nerv ist somit ein Bündel aus Fortsätzen vieler Neuronen, keine einzelne Zelle.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Neuron A ist ein sensorisches (afferentes) Neuron: Es leitet Erregungen von den Tastsinneszellen der Zehe zum Rückenmark, also zum ZNS hin. Neuron B ist ein motorisches (efferentes) Neuron: Sein Zellkörper liegt im Rückenmark, sein Axon leitet Erregungen vom ZNS weg zum Wadenmuskel. Neuron C ist ein Interneuron: Es liegt vollständig im Rückenmark, hat einen kurzen Fortsatz und verschaltet dort zwei Neuronen miteinander.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Im Ischiasnerv verlaufen die langen Fortsätze sowohl der sensorischen Neuronen A als auch der motorischen Neuronen B; der Nerv ist ein gemischter Nerv. Ihre Zellkörper liegen außerhalb des Nervs im Spinalganglion bzw. im Rückenmark. Wird der Nerv durchtrennt, ist die Verbindung unterbrochen: Erregungen von den Tastsinneszellen erreichen das Rückenmark nicht mehr (Gefühlsverlust), und Erregungen der motorischen Neuronen erreichen die Endknöpfchen am Muskel nicht mehr (Lähmung). Zudem ist der abgetrennte Axonteil von seinem Zellkörper, dem Stoffwechselzentrum, abgeschnitten und kann nicht mehr mit Proteinen versorgt werden.
Nachschub für das Axon
AFB II–IIIWie gelangen Proteine in ein Axonende, das einen Meter vom Zellkörper entfernt liegt? Um das zu klären, spritzte der Neurobiologe SIDNEY OCHS radioaktiv markierte Aminosäuren in die Spinalganglien von Katzen, in denen die Zellkörper sensorischer Neuronen liegen, und verfolgte die Radioaktivität im Ischiasnerv (M3). M4 enthält weitere Befunde.
(1) Axone enthalten praktisch kein raues ER und keinen Golgi-Apparat; der Zellkörper dagegen ist reich an beiden. (2) Wird ein kurzes Nervenstück mit Colchicin behandelt, einem Stoff, der die Mikrotubuli des Cytoskeletts zerstört, bleibt die radioaktive Welle an dieser Stelle stehen. (3) Nach Durchtrennung eines peripheren Nervs zerfällt der vom Zellkörper abgetrennte Axonteil innerhalb weniger Tage; die Schwann-Zellen bleiben erhalten und bilden Leitbahnen. Der mit dem Zellkörper verbundene Stumpf wächst täglich etwa 1–3 mm entlang dieser Leitbahnen nach. Im Rückenmark wachsen durchtrennte Axone dagegen kaum nach; dort bilden Oligodendrocyten und andere Gliazellen hemmende Stoffe und Narbengewebe.
- Beschreiben Sie die Verteilung der Radioaktivität in M3.
- Berechnen Sie aus M3 die Transportgeschwindigkeit der markierten Proteine in mm pro Tag und die Zeit, die sie bis zum 1 m entfernten Axonende im Fuß benötigen.
- Deuten Sie die Befunde (1) und (2) aus M4 im Zusammenhang mit M3.
- Ein Schüler behauptet: „Das Axon ist ein selbstständiger Teil der Nervenzelle, der seinen Zellkörper nicht braucht.“ Beurteilen Sie diese Aussage unter Einbeziehung aller Materialien und erklären Sie dabei den Unterschied bei der Regeneration im PNS und im ZNS.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Zu allen drei Zeitpunkten ist die Radioaktivität in der Nähe der Zellkörper (0 mm) am höchsten und fällt innerhalb der ersten Millimeter stark ab. Zusätzlich zeigt jede Kurve einen deutlichen Gipfel: nach 2 h bei etwa 30 mm, nach 4 h bei etwa 65 mm und nach 6 h bei etwa 100 mm. Vor dem Gipfel (zum Zellkörper hin) bleibt eine geringe Radioaktivität zurück, hinter dem Gipfel fällt sie steil auf null ab. Der Gipfel wandert also mit der Zeit gleichmäßig vom Zellkörper weg in Richtung Axonende, seine Höhe bleibt etwa gleich.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Der Gipfel wandert in 2 h etwa 35 mm weit (von 30 auf 65 mm und von 65 auf 100 mm), also etwa 17,5 mm pro Stunde. Das ergibt 17,5 mm/h · 24 h ≈ 420 mm pro Tag. Für 1 m = 1000 mm benötigen die Proteine 1000 mm : 420 mm/d ≈ 2,4 Tage (etwa 57 Stunden). (Ergebnisse zwischen etwa 400 und 450 mm/d sind je nach Ablesung vertretbar.)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Das radioaktive Leucin wird im Zellkörper in Proteine eingebaut. Nach Befund (1) kann nur der Zellkörper mit rauem ER und Golgi-Apparat Proteine herstellen und verpacken; das Axon kann das nicht. Die hohe Radioaktivität bei 0 mm zeigt die frisch gebildeten Proteine im Zellkörper. Der wandernde Gipfel zeigt, dass ein Teil dieser Proteine gerichtet und schnell zum Axonende transportiert wird. Befund (2) belegt, dass dieser Transport auf die Mikrotubuli des Cytoskeletts angewiesen ist: Werden sie zerstört, endet der Transport an dieser Stelle. Mikrotubuli dienen also als Transportschienen, auf denen Bläschen mit Proteinen vom Zellkörper zum Axonende gelangen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage ist nicht haltbar. Das Axon kann selbst keine Proteine herstellen (M4 (1)); alle Proteine, die es für Aufbau, Membranen und Endknöpfchen braucht, stammen aus dem Zellkörper und werden über Mikrotubuli dorthin transportiert (M3, M4 (2)). Wird das Axon vom Zellkörper getrennt, zerfällt der abgetrennte Teil deshalb innerhalb weniger Tage (M4 (3)); nur der mit dem Zellkörper verbundene Stumpf überlebt und kann nachwachsen. Der Zellkörper ist also das Stoffwechselzentrum, von dem das Axon abhängt. Im PNS gelingt die Regeneration, weil die Schwann-Zellen erhalten bleiben und Leitbahnen bilden, an denen der Stumpf mit 1–3 mm pro Tag entlangwächst; ein 1 m langes Axon bräuchte dafür allerdings ein Jahr oder länger. Im ZNS verhindern hemmende Stoffe der Oligodendrocyten und Narbengewebe das Nachwachsen, daher sind Verletzungen von Gehirn und Rückenmark meist bleibend. Insgesamt zeigt sich: Das Axon ist ein Teil der Zelle, der vom Zellkörper versorgt werden muss, und seine Umgebung aus Gliazellen entscheidet mit darüber, ob es sich erholen kann.