Motor neuron

A motor neuron (or motoneuron), also known as efferent neuron^[1] is a neuron that allows for both voluntary and involuntary movements of the body through muscles and glands. Its cell body is located in the motor cortex, brainstem or the spinal cord, and whose axon (fiber) projects to the spinal cord or outside of the spinal cord to directly or indirectly control effector organs, mainly muscles and glands.^[2] There are two types of motor neuron – upper motor neurons and lower motor neurons. Axons from upper motor neurons synapse onto interneurons in the spinal cord and occasionally directly onto lower motor neurons.^[3] The axons from the lower motor neurons are efferent nerve fibers that carry signals from the spinal cord to the effectors.^[4] Types of lower motor neurons are alpha motor neurons, beta motor neurons, and gamma motor neurons.

Ein einzelnes Motoneuron kann viele Muskelfasern innervieren , und eine Muskelfaser kann innerhalb der Zeit, die für eine einzelne Muskelzuckung benötigt wird, viele Aktionspotenziale durchlaufen . Die Innervation erfolgt an einer neuromuskulären Endplatte , und Zuckungen können sich aufgrund von Summation oder einer tetanischen Kontraktion überlagern . Einzelne Zuckungen können ununterscheidbar werden, und die Spannung steigt gleichmäßig an und erreicht schließlich ein Plateau. ^{[ 5 ]}

Obwohl der Begriff „Motoneuron“ suggeriert, dass es nur eine einzige Art von Neuron gibt, die Bewegungen steuert, ist dies nicht der Fall. Tatsächlich werden obere und untere Motoneuronen – die sich hinsichtlich ihres Ursprungs, ihrer Synapsen, ihrer Verläufe, ihrer Neurotransmitter und ihrer Läsionsmerkmale stark unterscheiden – unter dem Begriff „Motoneuronen“ zusammengefasst. Im Wesentlichen bestehen Motoneuronen, auch bekannt als Motoneuronen, aus einer Vielzahl komplexer, fein abgestimmter Schaltkreise, die im gesamten Körper vorkommen und Effektormuskeln und -drüsen innervieren, um sowohl willkürliche als auch unwillkürliche Bewegungen zu ermöglichen. Zwei Motoneuronen bilden zusammen einen Zwei-Neuronen-Schaltkreis. Während untere Motoneuronen im Rückenmark entspringen und Muskeln und Drüsen im ganzen Körper innervieren, entstehen obere Motoneuronen in der Großhirnrinde und verlaufen zum Hirnstamm oder Rückenmark. Die Unterschiede zwischen oberen und unteren Motoneuronen und ihre Verläufe sind wichtige Faktoren für die effektive Erkennung neuronaler Schäden und die Lokalisierung von Läsionen. ^{[ 6 ]}

Erkrankungen, die zu einer selektiven Schädigung der Motoneuronen führen, werden als Motoneuronerkrankungen klassifiziert .

Die Entwicklung der Motoneuronen beginnt früh in der Embryonalentwicklung , und die motorische Funktion entwickelt sich bis ins Kindesalter hinein. ^{[ 7 ]} Im Neuralrohr werden die Zellen entweder entlang der rostro-kaudalen oder der ventro-dorsalen Achse festgelegt. Die Axone der Motoneuronen erscheinen ab der vierten Entwicklungswoche im ventralen Bereich der ventro-dorsalen Achse (der Basalplatte ). ^{[ 8 ]} Diese Homöodomäne wird als motorische neuronale Progenitordomäne (pMN) bezeichnet. Zu den hier aktiven Transkriptionsfaktoren gehören Pax6 , OLIG2 , Nkx-6.1 und Nkx-6.2 , die durch Sonic Hedgehog (Shh) reguliert werden . Das OLIG2-Gen ist aufgrund seiner Rolle bei der Förderung der Ngn2-Expression von größter Bedeutung. Ngn2 ist ein Gen, das den Zellzyklus beendet und weitere Transkriptionsfaktoren fördert, die mit der Entwicklung von Motoneuronen assoziiert sind. ^{[ 9 ]}

Die weitere Spezifizierung von Motoneuronen erfolgt durch die Integration von Retinsäure , Fibroblasten-Wachstumsfaktor , Wnts und TGFβ in die verschiedenen Hox -Transkriptionsfaktoren. Es gibt 13 Hox-Transkriptionsfaktoren, die zusammen mit den Signalen bestimmen, ob ein Motoneuron eher rostral oder kaudal lokalisiert ist. Im Rückenmark sortieren die Hox-Faktoren 4–11 die Motoneuronen in eine der fünf motorischen Säulen. ^{[ 9 ]}

Die oberen Motoneuronen entspringen im motorischen Kortex, genauer gesagt im Gyrus praecentralis . Die Zellen des primären motorischen Kortex sind Betz-Zellen , riesige Pyramidenzellen . Ihre Axone ziehen vom Kortex ab und bilden den Tractus corticospinalis . ^{[ 12 ]} Kortikomotorneuronen projizieren vom primären Kortex direkt auf Motoneuronen im Vorderhorn des Rückenmarks. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Ihre Axone synapsieren mit den spinalen Motoneuronen verschiedener Muskeln sowie mit spinalen Interneuronen . ^{[ 13 ] [ 14 ]} Sie sind einzigartig für Primaten, und es wird vermutet, dass ihre Funktion in der adaptiven Steuerung der Hände, einschließlich der relativ unabhängigen Steuerung einzelner Finger, liegt. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Kortikomotorneuronen wurden bisher nur im primären motorischen Kortex und nicht in sekundären motorischen Arealen gefunden. ^{[ 14 ]}

Nervenbahnen sind Bündel von Axonen in der weißen Substanz , die Aktionspotenziale zu ihren Effektoren leiten. Im Rückenmark transportieren diese absteigenden Bahnen Impulse aus verschiedenen Regionen. Sie dienen auch als Ursprungsort für die unteren Motoneuronen. Es gibt sieben Hauptbahnen für absteigende motorische Nervenfasern im Rückenmark: ^{[ 16 ]}

• Lateraler kortikospinaler Trakt
• Tractus rubrospinalis
• Lateraler retikulospinaler Trakt
• Vestibulospinaler Trakt
• medialer retikulospinaler Trakt
• Tractus tectospinalis
• Tractus corticospinalis anterior

Die unteren Motoneuronen entspringen im Rückenmark und innervieren direkt oder indirekt ihre Zielstrukturen. Das Ziel dieser Neuronen variiert, im somatischen Nervensystem handelt es sich jedoch stets um eine Muskelfaser. Es gibt drei Hauptkategorien von unteren Motoneuronen, die sich weiter in Unterkategorien unterteilen lassen. ^{[ 17 ]}

Nach ihren Zielstrukturen werden Motoneuronen in drei große Kategorien eingeteilt: ^{[ 18 ].}

• Somatische Motoneuronen
• Spezielle viszerale Motoneuronen
• Allgemeine viszerale Motoneuronen

Somatische Motoneuronen entspringen dem zentralen Nervensystem und projizieren ihre Axone zu Skelettmuskeln ^{[ 19 ]} (wie den Muskeln der Gliedmaßen, der Bauchmuskulatur und der Zwischenrippenmuskulatur ), die an der Fortbewegung beteiligt sind . Man unterscheidet drei Arten dieser Neuronen: Alpha- , Beta- und Gamma-efferente Neuronen . Die Bezeichnung „efferent“ verdeutlicht den Informationsfluss vom zentralen Nervensystem (ZNS) zur Peripherie .

• Alpha-Motoneuronen innervieren extrafusale Muskelfasern , die den Hauptteil der kraftgenerierenden Muskelfasern darstellen. Ihre Zellkörper befinden sich im Vorderhorn des Rückenmarks und werden daher auch als Vorderhornzellen bezeichnet . Ein einzelnes Motoneuron kann durchschnittlich mit 150 Muskelfasern synaptisch verbunden sein. ^{[ 20 ]} Das Motoneuron und alle mit ihm verbundenen Muskelfasern bilden eine motorische Einheit . Motorische Einheiten werden in drei Kategorien unterteilt: ^{[ 21 ]}
  • Langsame (S-) motorische Einheiten stimulieren kleine Muskelfasern, die sich sehr langsam zusammenziehen und nur geringe Energiemengen liefern, aber sehr ermüdungsresistent sind. Daher dienen sie der Aufrechterhaltung der Muskelkontraktion, beispielsweise zum Halten des Körpers. Sie gewinnen ihre Energie oxidativ und benötigen daher Sauerstoff. Sie werden auch als rote Fasern bezeichnet. ^{[ 21 ]}
  • Schnell ermüdbare (FF) motorische Einheiten stimulieren größere Muskelgruppen, die große Kräfte aufbringen, aber sehr schnell ermüden. Sie werden für Aufgaben eingesetzt, die kurze, intensive Energiestöße erfordern, wie Springen oder Laufen. Sie gewinnen ihre Energie über die Glykolyse und benötigen daher keinen Sauerstoff. Sie werden als weiße Muskelfasern bezeichnet. ^{[ 21 ]}
  • Schnelle, ermüdungsresistente motorische Einheiten stimulieren mittelgroße Muskelgruppen, die zwar nicht so schnell reagieren wie die FF-motorischen Einheiten, aber deutlich länger durchhalten (wie der Name schon sagt) und mehr Kraft entwickeln können als S-motorische Einheiten. Sie nutzen sowohl oxidative als auch glykolytische Stoffwechselwege zur Energiegewinnung. ^{[ 21 ]}

Neben der willkürlichen Kontraktion der Skelettmuskulatur tragen Alpha-Motoneuronen auch zum Muskeltonus bei , der kontinuierlichen Kraft, die von nicht kontrahierenden Muskeln erzeugt wird, um einer Dehnung entgegenzuwirken. Wird ein Muskel gedehnt, erfassen sensorische Neuronen in der Muskelspindel den Grad der Dehnung und senden ein Signal an das zentrale Nervensystem (ZNS). Das ZNS aktiviert Alpha-Motoneuronen im Rückenmark, wodurch extrafusale Muskelfasern kontrahieren und so einer weiteren Dehnung entgegenwirken. Dieser Vorgang wird auch als Dehnungsreflex bezeichnet .

• Beta-Motoneuronen innervieren intrafusale Muskelfasern der Muskelspindeln und bilden Kollateralen zu extrafusalen Fasern. Es gibt zwei Arten von Beta-Motoneuronen: Langsam kontrahierende – diese innervieren extrafusale Fasern; Schnell kontrahierende – diese innervieren intrafusale Fasern. ^{[ 22 ]}
• Gamma-Motoneuronen innervieren intrafusale Muskelfasern innerhalb der Muskelspindel. Sie regulieren die Dehnungsempfindlichkeit der Spindel. Bei Aktivierung der Gamma-Neuronen kontrahieren die intrafusalen Muskelfasern so stark, dass bereits eine geringe Dehnung ausreicht, um die Spindelsensorneuronen und den Dehnungsreflex zu aktivieren. Es gibt zwei Arten von Gamma-Motoneuronen: Dynamische Gamma-Motoneuronen innervieren Bag1-Fasern und erhöhen die dynamische Dehnungsempfindlichkeit. Statische Gamma-Motoneuronen innervieren Bag2-Fasern und erhöhen die Dehnungsempfindlichkeit. ^{[ 22 ]}
• Regulatorische Faktoren der unteren Motoneuronen
  • Größenprinzip – dies bezieht sich auf den Zellkörper des Motoneurons. Es beschränkt größere Neuronen darauf, ein stärkeres erregendes Signal zu empfangen, um die von ihnen innervierten Muskelfasern zu stimulieren. Durch die Reduzierung unnötiger Muskelfaserrekrutierung kann der Körper den Energieverbrauch optimieren. ^{[ 22 ]}
  • Persistenter Einwärtsstrom (PIC) – Jüngste Tierstudien haben gezeigt, dass ein konstanter Fluss von Ionen wie Kalzium und Natrium durch Kanäle im Soma und in den Dendriten den synaptischen Input beeinflusst. Man kann sich das auch so vorstellen, dass das postsynaptische Neuron vor dem Empfang eines Impulses vorbereitet wird. ^{[ 22 ]}
  • Nach der Hyperpolarisation (AHP) – Es wurde ein Trend festgestellt, der zeigt, dass langsame Motoneuronen intensivere AHPs über einen längeren Zeitraum aufweisen. Eine Eselsbrücke dafür ist, dass sich langsame Muskelfasern länger kontrahieren können, weshalb es plausibel ist, dass ihre entsprechenden Motoneuronen langsamer feuern. ^{[ 22 ]}

Diese werden auch als Kiemenganglionmotorneuronen bezeichnet und sind an Gesichtsausdruck, Kauen, Sprechen und Schlucken beteiligt. Zugehörige Hirnnerven sind der Augenmuskelnerv , der Abduzensnerv , der Trochlearisnerv und der Hypoglossusnerv . ^{[ 18 ]}

Diese Motoneuronen innervieren indirekt den Herzmuskel und die glatte Muskulatur der Eingeweide (die Muskulatur der Arterien ): Sie bilden Synapsen mit Neuronen in Ganglien des autonomen Nervensystems ( Sympathikus und Parasympathikus ), die im peripheren Nervensystem (PNS) lokalisiert sind und ihrerseits direkt die Eingeweidemuskulatur (und auch einige Drüsenzellen) innervieren.

Folglich ist die motorische Steuerung der Skelett- und Kiemenmuskulatur monosynaptisch und involviert nur ein Motoneuron, entweder somatisch oder branchial , das mit dem Muskel synaptiert. Im Vergleich dazu ist die Steuerung der Eingeweidemuskulatur disynaptisch und involviert zwei Neuronen: Das allgemeine viszerale Motoneuron im ZNS synaptiert mit einem Ganglionneuron im PNS, welches wiederum mit dem Muskel synaptiert.

Alle motorischen Neuronen der Wirbeltiere sind cholinerg , d. h., sie setzen den Neurotransmitter Acetylcholin frei . Parasympathische Ganglienzellen sind ebenfalls cholinerg, wohingegen die meisten sympathischen Ganglienzellen noradrenerg sind , d. h., sie setzen den Neurotransmitter Noradrenalin frei . (siehe Tabelle)

Ein einzelnes Motoneuron kann viele Muskelfasern innervieren , und eine Muskelfaser kann innerhalb der Zeit einer einzelnen Muskelzuckung zahlreiche Aktionspotenziale durchlaufen . Trifft ein Aktionspotenzial ein, bevor eine Zuckung abgeschlossen ist, können sich die Zuckungen entweder durch Summation oder durch eine tetanische Kontraktion überlagern . Bei der Summation wird der Muskel wiederholt stimuliert, sodass zusätzliche Aktionspotenziale aus dem somatischen Nervensystem vor dem Ende der Zuckung eintreffen. Die Zuckungen überlagern sich dadurch und führen zu einer Kraft, die größer ist als die einer einzelnen Zuckung. Eine tetanische Kontraktion wird durch eine konstante, sehr hochfrequente Stimulation hervorgerufen – die Aktionspotenziale folgen so schnell aufeinander, dass einzelne Zuckungen nicht mehr unterscheidbar sind und die Spannung gleichmäßig ansteigt, bis sie schließlich ein Plateau erreicht. ^{[ 5 ]}

Die Schnittstelle zwischen einem Motoneuron und einer Muskelfaser ist eine spezialisierte Synapse , die neuromuskuläre Endplatte . Bei ausreichender Stimulation setzt das Motoneuron eine Flut von Acetylcholin (ACh) -Neurotransmittern aus synaptischen Vesikeln frei, die an die Plasmamembran der Axonterminalen gebunden sind. Die Acetylcholinmoleküle binden an postsynaptische Rezeptoren in der motorischen Endplatte. Sobald zwei Acetylcholinrezeptoren gebunden sind, öffnet sich ein Ionenkanal und Natriumionen strömen in die Zelle. Der Natriumeinstrom führt zur Depolarisation der Zelle und löst ein Muskelaktionspotenzial aus. Daraufhin werden die T-Tubuli des Sarkolemms stimuliert, was zur Freisetzung von Calciumionen aus dem sarkoplasmatischen Retikulum führt. Diese Freisetzung bewirkt die Kontraktion der Zielmuskelfaser. ^{[ 20 ]}

Bei Wirbellosen kann die Reaktion der Muskelfaser je nach freigesetztem Neurotransmitter und dem Typ des bindenden Rezeptors entweder erregend oder hemmend sein. Bei Wirbeltieren hingegen kann die Reaktion einer Muskelfaser auf einen Neurotransmitter nur erregend, also kontraktil, sein. Muskelentspannung und die Hemmung der Muskelkontraktion werden bei Wirbeltieren ausschließlich durch die Hemmung des Motoneurons selbst erreicht. So wirken Muskelrelaxanzien : Sie wirken auf die Motoneuronen, die die Muskeln innervieren (indem sie deren elektrophysiologische Aktivität verringern), oder auf cholinerge neuromuskuläre Verbindungen, anstatt direkt auf die Muskeln.

Motoneuronen erhalten synaptische Eingänge von prämotorischen Neuronen. Prämotorische Neuronen können sein: 1) spinale Interneurone mit Zellkörpern im Rückenmark, 2) sensorische Neurone , die Informationen aus der Peripherie weiterleiten und direkt mit Motoneuronen synaptisch verbunden sind , oder 3) absteigende Neurone , die Informationen aus dem Gehirn und Hirnstamm weiterleiten . Die Synapsen können exzitatorisch , inhibitorisch , elektrisch oder neuromodulatorisch sein . Die Bestimmung des relativen Beitrags verschiedener Eingangsquellen ist für ein einzelnes Motoneuron schwierig, Fortschritte in der Konnektomik haben dies jedoch für Motoneuronen der Fruchtfliege ermöglicht . Bei der Fliege befinden sich die Motoneuronen, die Beine und Flügel steuern, im ventralen Nervenstrang , der homolog zum Rückenmark ist . Die Gesamtzahl der Eingangssynapsen variiert bei Fliegenmotoneuronen um mehr als das Hundertfache. Allerdings erhält jedes Motoneuron ähnliche Anteile seiner Synapsen von jeder prämotorischen Quelle: ca. 70 % von Neuronen innerhalb des ventralen Nervenstrangs (VNC), ca. 10 % von absteigenden Neuronen, ca. 3 % von sensorischen Neuronen und ca. 6 % von VNC-Neuronen, die auch einen Fortsatz zum Gehirn senden. Die verbleibenden 10 % der Synapsen stammen von neuronalen Fragmenten, die von den aktuellen Bildsegmentierungsalgorithmen nicht erfasst werden und daher eine zusätzliche manuelle Segmentierung zur Messung erfordern. ^{[ 23 ]}

• Betz-Zelle
• Zentrale Chromatolyse
• Motorische Dysfunktion
• Motoneuronerkrankung
• Nerv
• Sensorischer Nerv
• Motorischer Nerv
• Afferente Nervenfaser
• Efferente Nervenfaser
• Sensorisches Neuron

• Sherwood, L. (2001). Humanphysiologie: Von Zellen zu Systemen (4. Aufl.). Pacific Grove, CA: Brooks-Cole. ISBN 0-534-37254-6Die
• Marieb, EN; Mallatt, J. (1997). Menschliche Anatomie (2. Aufl.). Menlo Park, Kalifornien: Benjamin/Cummings. ISBN 0-8053-4068-8Die