Wie funktioniert das Rückenmark

Was ist das zentrale Nervensystem?

Das Zentralnervensystem (ZNS) steuert die meisten Funktionen von Körper und Geist. Es besteht aus zwei teilen: dem Gehirn und dem Rückenmark.

Das Gehirn ist das Zentrum unserer Gedanken, der Interpret unserer äußeren Umgebung und der Ursprung der Kontrolle über die Körperbewegung. Wie ein zentraler Computer interpretiert er Informationen aus Augen (Sehen), Ohren (Schall), Nase (Geruch), Zunge (Geschmack) und Haut (Berührung) sowie von inneren Organen wie dem Magen.,

Das Rückenmark ist der Weg für die Kommunikation zwischen Körper und Gehirn. Wenn das Rückenmark verletzt wird, ist der Informationsaustausch zwischen dem Gehirn und anderen Körperteilen gestört.

Wie unterscheidet sich das Zentralnervensystem von anderen Körpersystemen?

Die meisten Systeme und Organe des Körpers steuern nur eine Funktion, aber das zentrale Nervensystem erledigt viele Aufgaben gleichzeitig. Es steuert alle freiwilligen Bewegungen wie Sprechen und Gehen sowie unwillkürliche Bewegungen wie Blinken und Atmen., Es ist auch der Kern unserer Gedanken, Wahrnehmungen und Emotionen.

Wie schützt sich das Zentralnervensystem vor Verletzungen?

Das zentrale Nervensystem ist besser geschützt als jedes andere System oder Organ im Körper. Seine Hauptverteidigungslinie sind die Knochen des Schädels und der Wirbelsäule, die eine harte körperliche Barriere gegen Verletzungen bilden. Ein flüssigkeitsgefüllter Raum unter den Knochen, Syrnix genannt, sorgt für Stoßdämpfung.

Leider kann dieser Schutz ein zweischneidiges Schwert sein., Wenn eine Verletzung des Zentralnervensystems auftritt, schwillt das Weichgewebe des Gehirns und des Rückenmarks an und verursacht Druck aufgrund des begrenzten Raums. Die Schwellung verschlimmert die Verletzung, wenn sie nicht schnell gelindert wird. Gebrochene Knochen können zu weiteren Schäden und der Möglichkeit einer Infektion führen.

Warum kann das zentrale Nervensystem nach einer Verletzung selbst zu reparieren?

Viele Organe und Gewebe im Körper können sich nach einer Verletzung ohne Eingriff erholen. Leider sind einige Zellen des Zentralnervensystems so spezialisiert, dass sie sich nicht teilen und neue Zellen bilden können., Infolgedessen ist die Erholung von einer Gehirn-oder Rückenmarksverletzung viel schwieriger.

Die Komplexität des Zentralnervensystems erschwert die Bildung der richtigen Verbindungen zwischen Gehirn-und Rückenmarkszellen sehr. Es ist eine große Herausforderung für Wissenschaftler, das zentrale Nervensystem nachzubilden, das vor der Verletzung existierte.

Zellen des Zentralnervensystems

Neuronen verbinden sich miteinander, um Nachrichten im Gehirn und Rückenmark zu senden und zu empfangen., Viele Neuronen, die zusammenarbeiten, sind für jede getroffene Entscheidung, jede empfundene Emotion oder Empfindung und jede getroffene Aktion verantwortlich.

Die Komplexität des Zentralnervensystems ist erstaunlich: Es gibt ungefähr 100 Milliarden Neuronen im Gehirn und Rückenmark kombiniert. Bis zu 10.000 verschiedene Subtypen von Neuronen wurden identifiziert, die jeweils darauf spezialisiert sind, bestimmte Arten von Informationen zu senden und zu empfangen. Jedes Neuron besteht aus einem Zellkörper, in dem sich der Kern befindet. Axone und Dendriten bilden Erweiterungen aus dem Zellkörper.,

Astrozyten, eine Art Gliazelle, sind die primären Stützzellen des Gehirns und des Rückenmarks. Sie bilden und sezernieren Proteine, die als neurotrophe Faktoren bezeichnet werden. Sie zerlegen und entfernen auch Proteine oder Chemikalien, die für Neuronen schädlich sein könnten (z. B. Glutamat, ein Neurotransmitter, der im Übermaß dazu führt, dass Zellen übererregt werden und durch einen Prozess namens Exzitotoxizität sterben).

Astrozyten sind nicht immer vorteilhaft: Nach einer Verletzung teilen sie sich, um neue Zellen zu bilden, die die Verletzungsstelle umgeben und eine Glialnarbe bilden, die eine Barriere für die Regeneration von Axonen darstellt.,

Mikroglia sind Immunzellen für das Gehirn. Nach der Verletzung wandern sie an die Verletzungsstelle, um tote und sterbende Zellen zu beseitigen. Sie können auch kleine Moleküle produzieren, die als Zytokine bezeichnet werden und Zellen des Immunsystems dazu veranlassen, auf die Verletzungsstelle zu reagieren. Dieser Reinigungsprozess wird wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Wiederherstellung der Funktion nach einer Wirbelsäulenverletzung spielen.

Oligodendrozyten sind Gliazellen, die eine Fettsubstanz namens Myelin produzieren, die sich in Schichten um Axone wickelt., Durch Myelin isolierte Axonfasern können elektrische Nachrichten (auch Aktionspotentiale genannt) mit einer Geschwindigkeit von 100 Metern pro Sekunde übertragen, während Fasern ohne Myelin Nachrichten nur mit einer Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde übertragen können.

Synapsen und Neurotransmission

Nachrichten werden von Neuron zu Neuron durch Synapsen, kleine Lücken zwischen den Zellen, mit Hilfe von Chemikalien, die Neurotransmitter genannt werden, weitergeleitet., Um eine Aktionspotentialnachricht über eine Synapse zu übertragen, werden Neurotransmittermoleküle von einem Neuron (dem „präsynaptischen“ Neuron) über die Lücke zum nächsten Neuron (dem „postsynaptischen“ Neuron) freigesetzt. Der Vorgang wird fortgesetzt, bis die Nachricht ihr Ziel erreicht hat.

Es gibt Millionen und Millionen von Verbindungen zwischen Neuronen innerhalb des Rückenmarks allein. Diese Verbindungen werden während der Entwicklung hergestellt, wobei positive (neurotrophe Faktoren) und negative (inhibitorische Proteine) Signale zur Feinabstimmung verwendet werden. Erstaunlicherweise kann ein einzelnes Axon Synapsen mit bis zu 1.000 anderen Neuronen bilden.,

Was verursacht Lähmungen?

Es ist ein logischer und Physischer topographische Organisation der Anatomie des zentralen Nervensystems, die ist eine aufwendige web-eng verbunden Nervenbahnen. Diese geordnete Beziehung bedeutet, dass verschiedene Segmentebenen der Schnur verschiedene Dinge kontrollieren und Verletzungen eines bestimmten Teils der Schnur Auswirkungen auf benachbarte Körperteile haben.

Lähmung tritt auf, wenn die Kommunikation zwischen Gehirn und Rückenmark fehlschlägt. Dies kann auf eine Verletzung von Neuronen im Gehirn (Schlaganfall) oder im Rückenmark zurückzuführen sein., Ein Trauma des Rückenmarks betrifft nur die Bereiche unterhalb des Verletzungsniveaus. Poliomyelitis (eine Virusinfektion) oder Lou Gehrig-Krankheit (amyotrophe Lateralsklerose oder ALS) können jedoch Neuronen im gesamten Rückenmark betreffen.

Die Informationspfade

Spezialisierte Neuronen tragen Nachrichten von Haut, Muskeln, Gelenken und inneren Organen zum Rückenmark über Schmerzen, Temperatur, Berührung, Vibration und Propriozeption. Diese Botschaften werden dann über einen von zwei Wegen an das Gehirn weitergeleitet: den spinothalmischen Trakt und den lemniskalen Weg., Diese Bahnen befinden sich an verschiedenen Stellen im Rückenmark, so dass eine Verletzung sie möglicherweise nicht in gleicher Weise oder in gleichem Maße beeinflusst.

Jedes Segment des Rückenmarks erhält sensorischen Input von einer bestimmten Region des Körpers. Wissenschaftler haben diese Bereiche kartiert und die „empfänglichen“ Felder für jede Ebene des Rückenmarks bestimmt. Benachbarte Felder überlappen sich, sodass die Linien im Diagramm ungefähr sind.

Freiwillige und unwillkürliche Bewegung

Über eine Million Axone wandern durch das Rückenmark, einschließlich der längsten Axone im Zentralnervensystem.,

Neuronen im motorischen Kortex, der Region des Gehirns, die die freiwillige Bewegung steuert, senden ihre Axone durch den Kortikospinaltrakt, um sich mit Motoneuronen im Rückenmark zu verbinden. Die spinalen Motoneuronen projizieren über die ventrale Wurzel aus dem Rückenmark auf die richtigen Muskeln. Diese Verbindungen steuern bewusste Bewegungen wie Schreiben und Laufen.

Informationen fließen auch in die entgegengesetzte Richtung, was zu unwillkürlichen Bewegungen führt. Sensorische Neuronen geben dem Gehirn über die dorsale Wurzel Feedback., Einige dieser sensorischen Informationen werden direkt an untere Motoneuronen übertragen, bevor sie das Gehirn erreichen, was zu unwillkürlichen oder reflexartigen Bewegungen führt. Die restlichen sensorischen Informationen wandern zurück in den Kortex.

Wie Rückenmark und Muskeln zusammenarbeiten

Das Rückenmark ist in fünf Abschnitte unterteilt: die zervikalen, thorakalen, lumbalen, sakralen und coccygealen Regionen. Das Ausmaß der Verletzung bestimmt das Ausmaß der Lähmung und / oder des Gefühlsverlusts. Keine zwei Verletzungen sind gleich.,

Dieses Diagramm veranschaulicht die Verbindungen zwischen den wichtigsten Skelettmuskelgruppen und jeder Ebene des Rückenmarks. Eine ähnliche Organisation existiert für die Wirbelsäulenkontrolle der inneren Organe.

Wie Rückenmark und innere Organe zusammenarbeiten

Neben der Kontrolle der willkürlichen Bewegung enthält das Zentralnervensystem die sympathischen und parasympathischen Wege, die die „Kampf-oder Fluchtreaktion“ auf Gefahr und Regulierung von Körperfunktionen steuern., Dazu gehören Hormonfreisetzung, Bewegung der Nahrung durch Magen und Darm sowie die Empfindungen von und Muskelkontrolle zu allen inneren Organen.

Dieses Diagramm veranschaulicht diese Wege und das Niveau des Rückenmarks, das auf jedes Organ projiziert wird.

Was passiert nach einer Rückenmarksverletzung?

Nach einer Rückenmarksverletzung treten häufig biologische Ereignisse auf:

1. Zellen aus dem Immunsystem wandern an die Verletzungsstelle und verursachen zusätzliche Schäden an einigen Neuronen und Tod für andere, die das anfängliche Trauma überlebt haben.,
2. Der Tod von Oligodendrozyten führt dazu, dass Axone ihre Myelinisierung verlieren, was die Leitung von Aktionspotential, Nachrichten oder die verbleibenden Verbindungen stark beeinträchtigt nutzlos. Die neuronale Informationsautobahn wird weiter gestört, weil viele Axone abgetrennt werden, wodurch die Kommunikationslinien zwischen Gehirn und Muskeln sowie zwischen den sensorischen Systemen des Körpers und dem Gehirn unterbrochen werden.
3. Innerhalb weniger Wochen nach der ersten Verletzung wurde der Bereich der Gewebeschädigung durch Mikroglia geräumt und ein mit Flüssigkeit gefüllter Hohlraum, der von einer Glialnarbe umgeben ist, zurückgelassen., Moleküle, die das Nachwachsen abgetrennter Axone hemmen, werden jetzt an dieser Stelle exprimiert. Die Kavitation wird Syrinx genannt, die als Barriere für die Wiederverbindung der beiden Seiten des beschädigten Rückenmarks wirkt.

Obwohl Rückenmarksverletzungen komplexe Schäden verursachen, kann ein überraschender Teil der Grundschaltung zur Steuerung von Bewegung und Prozessinformationen intakt bleiben. Dies liegt daran, dass das Rückenmark in Schaltungsschichten angeordnet ist. Viele der Verbindungen und neuronalen Zellkörper, die diese Schaltung oberhalb und unterhalb der Verletzungsstelle bilden, überleben das Trauma., Eine wichtige Frage für Forscher ist, wie viel wissen diese überlebenden Neuronen“?“Können sie regenerieren und neue, korrekte Verbindungen herstellen?

Interventionsstrategien

Die Forschung weist auf eine Vielzahl möglicher Interventionen hin, um die Genesung von einer Wirbelsäulenverletzung zu fördern. Einige würden sofort nach der Verletzung geliefert; Andere sind weniger zeitspezifisch und beinhalten den Wiederaufbau und die Wiederverbindung des verletzten Kabels., Es ist klar, dass beide Ansätze wichtig sind: Die Begrenzung der Degeneration erhöht die Wahrscheinlichkeit einer größeren Genesung, während die Stimulierung der Regeneration auf dem verbleibenden System aufbaut, um verlorene Konnektivität wiederherzustellen und möglicherweise eine weitere Degeneration zu verhindern.

Im Folgenden sind einige der Interventionsstrategien aufgeführt, die mit Mitteln der Christopher & Dana Reeve Foundation unterstützt werden. Dies ist keine umfassende Liste aller möglichen Interventionen.,

Behandlungen unmittelbar nach einem Unfall:

1. Begrenzung der anfänglichen Degeneration
   Neuere Forschungen haben gezeigt, dass bei neuronalem und Oligodendrozytenverlust nach einer Verletzung mindestens drei verschiedene Mechanismen des Zelltodes im Spiel sind: Nekrose, Exzitotoxizität und Apoptose.
2. Behandlung von Entzündungen
   Kurz nach der Verletzung schwillt das Rückenmark an und Proteine aus dem Immunsystem dringen in die verletzte Zone ein. Diese Schwellung und Entzündung kann sekundäre Schäden an der Schnur nach der ersten Verletzung fördern., Daher ist es wichtig, die Entzündungsreaktion so schnell wie möglich zu behandeln. Zu den Laboren, die diesen Ansatz verfolgen, gehört das Schwab Lab.

Längerfristige Behandlungen:

1. Stimulierendes axonales Wachstum
   Nervenzellen, sogenannte Neurotrophine, können das Zellüberleben fördern, indem sie die Apoptose blockieren und das axonale Wachstum stimulieren. Jeder neurotrophin hat eine sehr spezifische Ziel-Zelle-Funktion. Einige verhindern selektiv den Tod von Oligodendrozyten, andere fördern das Nachwachsen von Axonen oder das Überleben von Neuronen und wieder andere dienen mehreren Funktionen., Labors, die diesen Ansatz verfolgen, umfassen das Black Lab und das Parada Lab.
2. Förderung des neuen Wachstums durch Substrat-oder Leitmoleküle
   Substrat-und Leitmoleküle können das Targeting verbessern, sobald Axone ermutigt wurden, sich an der Läsionsstelle vorbei zu regenerieren. Diese Proteine fungieren als Roadmaps und steuern Axone zu ihren richtigen Zielen. Dies ist eine kritische Funktion, denn selbst wenn Axone überleben, müssen sie sich wieder mit den richtigen Zielen verbinden. Labors, die diesen Ansatz verfolgen, umfassen das Black Lab, das Mendell Lab und das Parada Lab.,
3. Blockierende Moleküle, die die Regeneration hemmen
   Es gibt Moleküle im Gehirn und Rückenmark, die verhindern, dass sich Neuronen teilen und Axone wachsen. Die Überwindung der Hemmung kann das Nachwachsen und die Regeneration von Axonen stimulieren und ist wahrscheinlich ein wichtiger Bestandteil regenerativer Therapien. Das Schwab Lab verfolgt diesen Ansatz.
4. Neue Zellen liefern, um verlorene zu ersetzen
   Stammzellen, die aus dem ZNS isoliert sind und sich zu neuen Zellen teilen können, können verlorene Neuronen und Gila ersetzen., Diese Stammzellen müssen geerntet, behandelt, um das Wachstum zu fördern, und dann in die verletzte Schnur injiziert werden. Labore, die einen solchen Ansatz verfolgen, umfassen das Bunge Lab und das Gage Lab.
5. Brücken bauen, um die Läsionshöhle zu überspannen
   Brücken können erforderlich sein, um die abgetrennten Abschnitte des verletzten Rückenmarks wieder zu verbinden. Wissenschaftler müssen bestimmen, wie diese Brücken am besten gebaut werden und welche Moleküle verwendet werden, um neues Wachstum zu fördern und das Überleben neuer Verbindungen zu verbessern. Das Bunge-Labor verfolgt diesen Ansatz.