Oligodendrozyten

Myelinisierung

Jedes Axon des menschlichen Körpers wird von mehreren aufeinanderfolgenden Myelinscheiden umhüllt. Diese Myelinscheiden sind durch schmale Zwischenräume voneinander getrennt, die man als Ranvier-Schnürringe bezeichnet. Die Myelinscheide selbst besteht aus mehreren Schichten der Zellmembran eines Oligodendrozyten, die sich eng um das Axolemm, also die Zellmembran des Axons, wickelt. Im zentralen Nervensystem sind die Oligodendrozyten für die Bildung der Myelinscheiden verantwortlich, während diese Aufgabe im peripheren Nervensystem von Schwann-Zellen übernommen wird.

Um eine Myelinscheide zu bilden, streckt ein Oligodendrozyt einen Fortsatz in Richtung eines unmyelinisierten Axons aus. Dieser Fortsatz umschließt das Axon, nimmt Kontakt mit dem Axolemm auf und bildet eine Schleife, die als inneres Mesaxon bezeichnet wird. Diese Hülle wickelt sich anschließend mehrmals um das Axon, bis sie von mehreren Schichten umgeben ist. Während dieses Prozesses wird das Zytoplasma im Fortsatz nach und nach in Richtung des Zellkörpers verdrängt, sodass die Membranschichten zunehmend verdichtet werden.

Die Stabilität der Myelinscheide wird durch enge Zellverbindungen unterstützt: autotypische Verbindungen zwischen den Gliazellschichten und heterotypische Verbindungen zwischen der Gliazellmembran und dem Axolemm. Zusätzlich sorgen spezielle Transmembranproteine, wie zum Beispiel Proteolipidproteine im zentralen Nervensystem, für die nötige Elastizität und Stabilität der Myelinscheide. So wird eine effektive Isolierung und eine schnelle Signalweiterleitung entlang des Axons garantiert.

Unterschied der Myelinisierung zwischen ZNS und PNS

Obwohl das Grundprinzip der Myelinscheiden Bildung im zentralen und peripheren Nervensystem ähnlich ist, bestehen wichtige Unterschiede zwischen Oligodendrozyten im ZNS und Schwann-Zellen im PNS. Im zentralen Nervensystem streckt jeder Oligodendrozyt mehrere Fortsätze aus und kann damit bis zu 50 separate Myelinscheiden bilden, die sich um verschiedene Axone legen können. Der Zellkörper und der Zellkern des Oligodendrozyten befinden sich dabei stets in einigem Abstand zu den von ihm gebildeten Myelinscheiden und liegen nicht innerhalb dieser Strukturen.

Im peripheren Nervensystem hingegen bildet jede Schwann-Zelle nur eine einzige Myelinscheide. Dabei bleibt der Zellkörper der Schwann-Zelle direkt an das Axolemm des umhüllten Axons angelegt, sodass keine weitreichenden Fortsätze notwendig sind.

Auch die strukturelle und ernährungsphysiologische Unterstützung der Myelinscheiden unterscheidet sich deutlich. Im PNS übernehmen Bindegewebe und die umhüllende Basallamina die Stütz- und Versorgungsfunktion. Im ZNS hingegen sind Astrozyten für die strukturelle Stabilität und die Aufrechterhaltung des chemischen Milieus verantwortlich. Sie regulieren die Ionen- und Molekülkonzentrationen in der extrazellulären Flüssigkeit und tragen so entscheidend zur Aufrechterhaltung der physiologischen Bedingungen bei. Ihre spezialisierten Endfüße reichen bis zu den Ranvier-Schnürringen, wo sie den Ionenhaushalt unterstützen und die dort in hoher Dichte vorhandenen Ionenkanäle stabilisieren, die für eine schnelle Nervenleitung notwendig sind.

Die Bedeutung der Oligodendrozyten im ZNS

Die Tatsache, dass die meisten Nervenbahnen im menschlichen Gehirn und Rückenmark aus myelinisierten Axonen bestehen, ist entscheidend dafür, dass unser Körper in der Lage ist, schnell und angemessen auf neue Reize zu reagieren. Die Myelinisierung durch Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem verschafft der Signalübertragung drei wesentliche Vorteile:

• Isolierung:
  Myelin besteht überwiegend aus Lipiden wie Galactocerebrosid, Sphingomyelin und Cholesterin, die mit spezifischen Proteinen verbunden sind, welche die Struktur des Myelins stabilisieren. Diese besondere Zusammensetzung, zusammen mit der Dicke der mehrfach gewundenen Myelinschichten, isoliert das Axon effektiv vom extrazellulären Raum. Durch diese Isolierung wird der Verlust von Ionen im Vergleich zu unmyelinisierten Axonen deutlich reduziert. Das ermöglicht eine präzisere Signalübertragung bei gleichzeitig geringerem Energieaufwand und unterstützt so die Bildung komplexer neuronaler Netzwerke.
• Erhöhte Leitungsgeschwindigkeit:
  Die Abfolge von Myelinscheiden, den sogenannten Internodien, die durch die Ranvier-Schnürringe voneinander getrennt sind, schafft eine besondere Struktur entlang des Axons. Diese Anordnung ermöglicht die sogenannte saltatorische Erregungsleitung. Während sich das Aktionspotential in unmyelinisierten Axonen kontinuierlich entlang des gesamten Axons ausbreitet, „springt“ das Aktionspotential in myelinisierten Axonen von Ranvier-Schnürring zu Ranvier-Schnürring. Die hohe Konzentration spannungsgesteuerter Ionenkanäle an den Schnürringen und die isolierende Wirkung des Myelins ermöglichen diesen Sprung. Das Aktionspotential überspringt die myelinisierten Bereiche, wodurch die Weiterleitungsgeschwindigkeit im Vergleich zu unmyelinisierten Fasern deutlich erhöht wird. Diese schnelle Erregungsleitung war entscheidend für die Entwicklung großer, vielzelliger Organismen und bildet die Grundlage für die Leistungsfähigkeit des menschlichen Gehirns.
• Ernährung und Stützfunktion:
  Neben der Isolierung und der Steigerung der Leitungsgeschwindigkeit übernehmen Oligodendrozyten auch eine ernährende und stützende Rolle. Über die Myelinscheiden versorgen sie die Axone mit Nährstoffen, unterstützen die Regulierung des Ionen- und Molekülhaushalts und stabilisieren das Zytoskelett der Axone. Dadurch tragen sie wesentlich zur Erhaltung der strukturellen Integrität und der langfristigen Funktionsfähigkeit der Nervenfasern bei.

Myelinisierungsunabhängige Funktionen

Ein Teil der Oligodendrozyten zeigt keine aktive Myelinisierung, obwohl diese Zellen vollständig ausgereift sind. Diese Zellen werden als Satelliten-Oligodendrozyten bezeichnet. Sie sind nicht über Myelinscheiden mit Axonen verbunden und befinden sich vor allem in der grauen Substanz des zentralen Nervensystems. Ihre Aufgaben stehen im Zusammenhang mit der Regulation der Mikroumgebung des Nervengewebes sowie der Fähigkeit, bei Bedarf funktionsgestörte Oligodendrozyten zu ersetzen.

Darüber hinaus übernehmen Oligodendrozyten wichtige Aufgaben im neuronalen Stoffwechsel. Sie fördern unter anderem das Überleben und Wachstum von Nervenzellen, indem sie Wachstumsfaktoren wie GDNF (“glial cell line-derived neurotrophic factor”) und BDNF (“brain-derived neurotrophic factor”) bereitstellen. Diese Faktoren können bei Bedarf das Wachstum und die Regeneration von Nervenzellen anregen.

Weitere potentielle Funktionen der Oligodendrozyten, insbesondere im Bereich der Schadensbegrenzung und neuronaler Plastizität, sind Gegenstand aktueller Forschung und müssen in ihrer genauen Bedeutung noch weiter aufgeklärt werden.