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Das menschliche Nervensystem kann in zwei interagierende Teilsysteme unterteilt werden: das periphere Nervensystem (PNS) und das zentrale Nervensystem (ZNS). Das ZNS besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark. Das periphere Nervensystem ist ein ausgedehntes Netz von Nerven, die das ZNS mit den Muskeln und sensorischen Strukturen verbinden. Die Beziehung zwischen diesen Systemen ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Die wesentlichen Bestandteile des menschlichen Nervensystems sind in dieser Abbildung dargestellt. Das zentrale Nervensystem (ZNS) besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark. Es steht in Verbindung mit dem peripheren Nervensystem (PNS), einem Netzwerk von Nerven, das sich durch den ganzen Körper zieht.

Das zentrale Nervensystem

Das Gehirn ist das komplexeste und empfindlichste Organ des Körpers. Es ist für alle Funktionen des Körpers verantwortlich und dient unter anderem als Koordinationszentrum für alle Empfindungen, die Beweglichkeit, die Emotionen und den Intellekt. Das Gehirn wird von den Schädelknochen geschützt, die wiederum von der Kopfhaut bedeckt sind (siehe Abbildung 2). Die Kopfhaut besteht aus einer äußeren Hautschicht, die locker mit der Aponeurose verbunden ist, einer flachen, breiten Sehnenschicht, die die oberflächlichen Schichten der Haut verankert. Das Periost, das sich unter der Aponeurose befindet, umhüllt die Schädelknochen fest und bietet ihnen Schutz, Nahrung und die Fähigkeit zur Knochenreparatur. Unter der knöchernen Schicht des Schädels befinden sich drei Schichten von Membranen, die als Hirnhäute bezeichnet werden und das Gehirn umgeben. Die relative Lage dieser Hirnhäute ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Hirnhautschicht, die den Schädelknochen am nächsten liegt, wird Dura mater genannt (wörtlich: harte Mutter). Unterhalb der Dura mater liegt die Arachnoidea mater (wörtlich: spinnenartige Mutter). Die innerste Meningealschicht ist eine zarte Membran, die Pia mater (wörtlich: zarte Mutter). Im Gegensatz zu den anderen Meningealschichten haftet die Pia mater fest an der gewundenen Oberfläche des Gehirns. Zwischen der Arachnoidea und der Pia Mater befindet sich der Subarachnoidalraum. Der Subarachnoidalraum in dieser Region ist mit Liquor (Liquor cerebrospinalis) gefüllt. Diese wässrige Flüssigkeit wird von Zellen des Plexus choroideus produziert – Bereiche in jedem Ventrikel des Gehirns, die aus quaderförmigen Epithelzellen bestehen, die dichte Kapillarbetten umgeben. Der Liquor dient dazu, Nährstoffe zuzuführen und Abfallstoffe aus dem Nervengewebe zu entfernen.

Abbildung 2. Zu den Gewebeschichten, die das menschliche Gehirn umgeben, gehören drei Hirnhautmembranen: die Dura mater, die Arachnoidea mater und die Pia mater. (credit: modification of work by National Institutes of Health)

Die Blut-Hirn-Schranke

Das Gewebe des ZNS ist besonders geschützt, da es nicht wie andere Gewebe dem Blut oder dem Immunsystem ausgesetzt ist. Die Blutgefäße, die das Gehirn mit Nährstoffen und anderen chemischen Substanzen versorgen, liegen oberhalb der Pia Mater. Die Kapillaren, die mit diesen Blutgefäßen im Gehirn verbunden sind, sind weniger durchlässig als die Kapillaren an anderen Stellen des Körpers. Die Endothelzellen der Kapillaren bilden enge Verbindungen, die den Transport von Blutbestandteilen zum Gehirn kontrollieren. Außerdem haben die Schädelkapillaren viel weniger Fenestra (porenartige Strukturen, die durch eine Membran verschlossen sind) und pinozytotische Vesikel als andere Kapillaren. Infolgedessen können die Stoffe im Kreislaufsystem nur in sehr begrenztem Maße direkt mit dem ZNS interagieren. Dieses Phänomen wird als Blut-Hirn-Schranke bezeichnet.

Die Blut-Hirn-Schranke schützt die Zerebrospinalflüssigkeit vor Verunreinigungen und kann potenzielle mikrobielle Krankheitserreger recht wirksam ausschließen. Infolge dieser Abwehrmechanismen gibt es keine normale Mikrobiota in der Zerebrospinalflüssigkeit. Die Blut-Hirn-Schranke verhindert auch, dass viele Arzneimittel ins Gehirn gelangen, insbesondere solche, die nicht lipidlöslich sind. Dies hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Behandlung von Infektionen des ZNS, da es für Medikamente schwierig ist, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden, um mit Krankheitserregern, die Infektionen verursachen, in Wechselwirkung zu treten.

Das Rückenmark verfügt ebenfalls über Schutzstrukturen, die denen ähneln, die das Gehirn umgeben. Innerhalb der Knochen der Wirbel befinden sich Hirnhäute aus Dura mater (manchmal auch Durahülle genannt), Arachnoidea mater, Pia mater und eine Blut-Rückenmark-Schranke, die den Transfer von Blutbestandteilen aus den mit dem Rückenmark verbundenen Blutgefäßen kontrolliert.

Um eine Infektion im ZNS zu verursachen, müssen Krankheitserreger die Blut-Hirn-Schranke oder die Blut-Rückenmark-Schranke erfolgreich durchbrechen. Um dies zu erreichen, setzen verschiedene Erreger unterschiedliche Virulenzfaktoren und Mechanismen ein, die jedoch im Allgemeinen in vier Kategorien eingeteilt werden können: interzellulär (auch parazellulär genannt), transzellulär, leukozytenvermittelt und nicht-hämatogen. Beim interzellulären Eindringen werden mikrobielle Virulenzfaktoren, Toxine oder durch Entzündung vermittelte Prozesse eingesetzt, um zwischen die Zellen der Blut-Hirn-Schranke zu gelangen. Beim transzellulären Eindringen passiert der Erreger die Zellen der Blut-Hirn-Schranke mit Hilfe von Virulenzfaktoren, die es ihm ermöglichen, an ihnen zu haften und die Aufnahme durch Vakuolen- oder Rezeptor-vermittelte Mechanismen auszulösen. Der durch Leukozyten erleichterte Eintritt ist ein trojanisches Pferd, das auftritt, wenn ein Erreger periphere Blutleukozyten infiziert, um direkt in das ZNS einzudringen. Der nicht-hämatogene Eintritt ermöglicht es Krankheitserregern, in das Gehirn einzudringen, ohne auf die Blut-Hirn-Schranke zu stoßen; er tritt auf, wenn Krankheitserreger entweder entlang des Riech- oder des Trigeminus-Hirnnervs wandern, die direkt in das ZNS führen.

Das periphere Nervensystem

Das PNS besteht aus den Nerven, die Organe, Gliedmaßen und andere anatomische Strukturen des Körpers mit dem Gehirn und Rückenmark verbinden. Im Gegensatz zu Gehirn und Rückenmark ist das PNS nicht durch Knochen, Hirnhäute oder eine Blutbarriere geschützt, so dass die Nerven des PNS viel anfälliger für Verletzungen und Infektionen sind. Eine mikrobielle Schädigung der peripheren Nerven kann zu Kribbeln oder Taubheitsgefühlen führen, die als Neuropathie bezeichnet werden. Diese Symptome können auch durch Traumata und nicht-infektiöse Ursachen wie Medikamente oder chronische Krankheiten wie Diabetes hervorgerufen werden.

Die Zellen des Nervensystems

Gewebe des PNS und des ZNS bestehen aus Zellen, die Gliazellen (Neurogliazellen) und Neuronen (Nervenzellen) genannt werden. Gliazellen helfen bei der Organisation der Neuronen, bieten ein Gerüst für einige Aspekte der neuronalen Funktion und helfen bei der Genesung von neuronalen Verletzungen.

Neuronen sind spezialisierte Zellen, die im gesamten Nervensystem zu finden sind und mit Hilfe elektrochemischer Prozesse Signale durch das Nervensystem übertragen. Die Grundstruktur eines Neurons ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Zellkörper (oder Soma) ist das Stoffwechselzentrum des Neurons und enthält den Zellkern und die meisten Zellorganellen. Die vielen fein verzweigten Ausläufer des Somas werden als Dendriten bezeichnet. Aus dem Soma geht auch ein länglicher Fortsatz hervor, das so genannte Axon, das für die Übertragung von elektrochemischen Signalen durch aufwendige Ionentransportprozesse verantwortlich ist. Die Axone einiger Neuronenarten können im menschlichen Körper bis zu einem Meter lang sein. Um die elektrochemische Signalübertragung zu erleichtern, haben einige Neuronen eine Myelinscheide, die das Axon umgibt. Myelin, das aus den Zellmembranen von Gliazellen wie den Schwann-Zellen im PNS und den Oligodendrozyten im ZNS gebildet wird, umgibt das Axon und isoliert es, wodurch sich die Geschwindigkeit der elektrochemischen Signalübertragung entlang des Axons erheblich erhöht. Das Ende eines Axons bildet zahlreiche Verzweigungen, die in Knollen, den so genannten synaptischen Terminals, enden. Neuronen bilden Verbindungsstellen mit anderen Zellen, z. B. mit einem anderen Neuron, mit denen sie Signale austauschen. Diese Verbindungsstellen, die eigentlich Lücken zwischen den Neuronen sind, werden als Synapsen bezeichnet. An jeder Synapse gibt es ein präsynaptisches Neuron und ein postsynaptisches Neuron (oder eine andere Zelle). Die synaptischen Enden des Axons des präsynaptischen Neurons bilden die Synapse mit den Dendriten, dem Soma oder manchmal auch dem Axon des postsynaptischen Neurons oder einem Teil einer anderen Zellart, wie z. B. einer Muskelzelle. Die synaptischen Enden enthalten Bläschen, die mit chemischen Stoffen, den so genannten Neurotransmittern, gefüllt sind. Wenn das elektrochemische Signal, das sich das Axon hinunterbewegt, die Synapse erreicht, verschmelzen die Vesikel mit der Membran, und es werden Neurotransmitter freigesetzt, die durch die Synapse diffundieren und an Rezeptoren auf der Membran der postsynaptischen Zelle binden, wodurch möglicherweise eine Reaktion in dieser Zelle ausgelöst wird. Diese Reaktion in der postsynaptischen Zelle kann die weitere Ausbreitung eines elektrochemischen Signals zur Informationsübertragung oder die Kontraktion einer Muskelfaser umfassen.

Abbildung 3. (a) Ein myelinisiertes Neuron ist mit Oligodendrozyten verbunden. Oligodendrozyten sind eine Art von Gliazellen, die die Myelinscheide im ZNS bilden, die das Axon isoliert, so dass die elektrochemischen Nervenimpulse effizienter übertragen werden. (b) Eine Synapse besteht aus dem axonalen Ende des präsynaptischen Neurons (oben), das Neurotransmitter freisetzt, die den synaptischen Raum (oder Spalt) durchqueren und sich an Rezeptoren auf den Dendriten des postsynaptischen Neurons (unten) binden.

Meningitis und Enzephalitis

Obwohl der Schädel dem Gehirn einen hervorragenden Schutz bietet, kann er bei Infektionen auch problematisch werden. Jede Schwellung des Gehirns oder der Hirnhaut, die aus einer Entzündung resultiert, kann einen intrakraniellen Druck verursachen, der zu einer schweren Schädigung des Hirngewebes führt, das sich innerhalb der starren Schädelknochen nur begrenzt ausdehnen kann. Der Begriff Meningitis bezeichnet eine Entzündung der Hirnhäute. Zu den typischen Symptomen gehören starke Kopfschmerzen, Fieber, Lichtscheu (erhöhte Lichtempfindlichkeit), Nackensteife, Krämpfe und Verwirrung. Eine Entzündung des Gehirngewebes wird als Enzephalitis bezeichnet, und die Patienten zeigen ähnliche Anzeichen und Symptome wie bei einer Meningitis, zusätzlich zu Lethargie, Krampfanfällen und Persönlichkeitsveränderungen. Wenn sowohl die Hirnhaut als auch das Hirngewebe von der Entzündung betroffen sind, spricht man von einer Meningoenzephalitis. Alle drei Formen der Entzündung sind schwerwiegend und können zu Blindheit, Taubheit, Koma und Tod führen.

Meningitis und Enzephalitis können durch viele verschiedene Arten von mikrobiellen Erregern verursacht werden. Diese Erkrankungen können jedoch auch durch nicht-infektiöse Ursachen ausgelöst werden, wie z. B. ein Kopftrauma, bestimmte Krebsarten und bestimmte Medikamente, die eine Entzündung auslösen. Um festzustellen, ob die Entzündung durch einen Krankheitserreger verursacht wird, wird eine Lumbalpunktion durchgeführt, um eine Liquorprobe zu gewinnen. Enthält der Liquor erhöhte Mengen weißer Blutkörperchen und abnorme Glukose- und Proteinwerte, deutet dies darauf hin, dass die Entzündung eine Reaktion auf eine Infektion ist.

Denken Sie darüber nach

1. Beschreiben Sie kurz die Abwehrkräfte des Gehirns gegen Traumata und Infektionen.
2. Beschreibe, wie die Blut-Hirn-Schranke gebildet wird.
3. Identifiziere den dargestellten Zelltyp sowie die folgenden Strukturen: Axon, Dendrit, Myelinscheide, Soma und Synapse.