Forschern der Humanphysiologie ist seit langem bekannt, dass einzelne Nervenzellen, auch Neuronen genannt, als eine der wenigen Zellen die Fähigkeit zur Regeneration und Selbstreparatur besitzen. Eine Nervenzelle überträgt elektrische Signale über einen langen, strukturellen Vorsprung, der als Axon bezeichnet wird. Wenn das Axon verletzt ist und sich vollständig durchtrennt, beginnt es sich zu regenerieren und zu seinem zuvor abgetrennten anderen Ende zu wachsen. An der Wende zum 21. Jahrhundert hatte man viel über den Prozess gelernt, aber mit begrenzter wissenschaftlicher Gewissheit über den genauen Mechanismus nannten Forscher dieses eng begrenzte Studiengebiet Axonführung.
Eine Nervenzelle kann als dreiteilig beschrieben werden. Der Hauptkörper der Zelle, sein Soma genannt, hat viele kleine, sich verzweigende Vorsprünge, die Dendriten genannt werden, die die chemischen Signaturen eines elektrischen Signals aufnehmen. Um das Signal weiterzuleiten, erzeugt das Soma eine elektrische Ladung, die entlang eines anderen singulären Vorsprungs, seines Axons, pulsiert. Ob es sich um ein Motoneuron zur Steuerung der Muskelbewegung oder um ein sensorisches Neuron zur Erkennung eines Hautkitzels handelt, ein einzelnes mikroskopisch dünnes Axon kann von einem Zeh bis zur Basis der Wirbelsäule reichen. Die grundlegende Frage der Axonführung ist, wie das wachsende, sich aktiv verlängernde Axon eines Nervs seinen Weg zur richtigen, äußerst präzisen Endstelle findet.
Die irrige Annahme, dass eine Zelle intern vorprogrammiert ist, wird verworfen, da jede Zelle die gleichen genetischen Anweisungen enthält. Die Schlussfolgerung ist, dass es sich um ein externes Signal handeln muss, meistens wahrscheinlich chemisch, auf das sich ein Axon konzentriert. Folglich muss die Spitze eines wachsenden Axons einen Rezeptor enthalten, um das Signal zu erkennen. Forscher glauben, dass dies einer der Hauptgründe für die Axonführung ist.
Die Spitze eines wachsenden oder sich regenerierenden Axons wird als Wachstumskegel bezeichnet. Es wurde festgestellt, dass dies ungewöhnliche, sehr kleine Vorsprünge entwickelt, die als Filopodien bezeichnet werden und mit dem umgebenden Gewebe in Kontakt treten. Sie suchen nach Chemikalien, den sogenannten Zelladhäsionsmolekülen, die sich meist an den Zellwänden bestimmter Gewebearten befinden und dem Axon signalisieren, sich an dieser Stelle anzuheften und weiter zu suchen. Auf diese Weise geführt, kann ein regenerierendes Axon pro Tag um bis zu 0.08-0.2 mm (2 – 5 Zoll) wachsen.
Forscher haben herausgefunden, dass jede Filopodie nicht nur von bestimmten Chemikalien angezogen, sondern auch von anderen abgestoßen wird. Der Nachweis dieser Chemikalien beschleunigt oder verlangsamt die Axonwachstumsrate, und der relative Nachweis von jedem Filopodien führt daher zu einem asymmetrischen Wachstum. Das Axon wird chemisch gesteuert, um in inkrementell korrigierten Richtungen zu wachsen. Eine Schwierigkeit bei diesem Modell der Axonführung besteht jedoch darin, dass Forscher zahlreiche biologische Chemikalien katalogisieren, auf die der Wachstumskegel reagiert.
Ganz natürlich überschneidet sich die Embryologie oder das Studium der frühen Entwicklung eines Organismus mit der Forschung zur Axonlenkung. Eine aus der Beobachtung der Eier von Hühnern und Fröschen abgeleitete Theorie besagt, dass Axone gemäß einer räumlichen Topographie wachsen. Die relative Verteilung chemischer Signale von der Vielzahl benachbarter Nervenzellen fungiert als eine Art magnetische Ausrichtung, um die Wachstumsrichtung des Axons zu organisieren. Eine andere Theorie stellt fest, dass die bilaterale Symmetrie der meisten komplexen Tiere erfordert, dass Axone auf Entscheidungspunkte treffen, die als Kommisuren bezeichnet werden, um sie in radikal spezifische Richtungen wie rechts oder links zu lenken. Es gibt Hinweise auf bestimmte Arten von Zellen, die als Wegweiserzellen bezeichnet werden, zu denen auch andere wachsende Nervenzellen gehören, die diese Wirkung haben.
Das menschliche Nervensystem lässt sich in das zentrale Nervensystem, bestehend aus Gehirn und Rückenmark, und das periphere Nervensystem, das sich im ganzen Körper verzweigt, unterteilen. Es gibt viel darüber zu lernen, wie sich die Nervenzellen des Gehirns und des Rückenmarks regenerieren und reparieren. Es wird angenommen, dass ein besseres Verständnis des leichter beobachtbaren Prozesses der Regeneration peripherer Nerven zu möglichen Therapien für Gehirn- und Wirbelsäulenverletzungen führen wird.