Die Synapse: Aufbau, Funktion und Bedeutung der Schaltstelle im Nervensystem

Nervenzellen sind die Spezialisten für die Weiterleitung von Informationen in unserem Körper. Sie bilden die kleinsten funktionellen Einheiten des Nervensystems und leiten elektrische Signale vom Körper ins Gehirn und umgekehrt. Diese elektrischen Impulse ermöglichen es uns, Reize wahrzunehmen, zu denken, zu fühlen und uns zu bewegen. Die Synapse spielt dabei eine entscheidende Rolle als Verbindungsstelle zwischen den Nervenzellen.

Die Rolle der Nervenzellen und Gliazellen im Nervensystem

Die Nervenzellen, auch Neurone genannt, sind für die Reizweiterleitung zuständig. Impulse aus allen Bereichen des Körpers werden durch sie gebündelt und an die Schaltzentralen im Rückenmark und Gehirn weitergeleitet. Die dort angesiedelten Nervenzellen verarbeiten diese Informationen und senden wiederum selbst elektrische Signale aus, die in allen Bereichen des Körpers entsprechende Reaktionen hervorrufen können, zum Beispiel die Bewegungen der Beine beim Gehen.

Gliazellen hingegen sind selbst nicht direkt an der Reizweiterleitung beteiligt, erfüllen aber dennoch äußerst wichtige Funktionen im Nervensystem. Sie schützen die Neurone, indem sie sie elektrisch abschirmen oder eingedrungenen Stoffen im Blut den Zugang zum Gehirn versperren. Zudem sind die Gliazellen für die Versorgung der Neurone mit Nährstoffen zuständig und steuern den Fluss der zerebrospinalen Flüssigkeit, die Gehirn und Rückenmark bei Erschütterungen abfedert.

Aufbau einer Nervenzelle

Wie auch die übrigen Zellen des Körpers besteht ein Neuron aus einem Zellkern und einem Zellkörper (Soma). Vom Zellkörper gehen Fortsätze aus, die Dendriten und das Axon. Die Dendriten empfangen Signale von anderen Nervenzellen und leiten sie an den Axonhügel im Zellkörper weiter. Hier werden eingehende Signale gesammelt und erst weitergegeben, wenn ein bestimmter Schwellwert überschritten ist.

Das Axon ist ein Fortsatz des Neurons, der deutlich länger und dicker als die Dendriten ist. Die längsten Axone im menschlichen Körper - die den Ischias-Nerv ausmachen - messen etwa einen Meter. Am Ende des Axons sitzen synaptische Endknöpfe, wo die Umwandlung des elektrischen Reizes in ein chemisches Signal stattfindet.

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Die Synapse: Schaltstelle zwischen Nervenzellen

Die Synapse ist das Verbindungsstück einer Nervenzelle zu einer anderen Zelle. Dies kann wiederum eine Nervenzelle sein, aber auch eine ganz andere wie zum Beispiel Muskel- oder Sinneszellen. Die Synapsen sorgen für die Erregungsweiterleitung durch die Umwandlung von elektrischen Informationen in chemische Informationen. Diese Synapse wird daher auch chemische Synapse genannt. Die Übertragung der Erregung wird mittels chemischer Botenstoffen, den sogenannten Neurotransmittern, realisiert. Dabei läuft die Weiterleitung der Reize immer nur in eine Richtung ab. Chemische Synapsen kommen im Nervensystem von Säugetieren vor und damit auch beim Menschen.

Aufbau einer chemischen Synapse

Eine chemische Synapse besteht im Wesentlichen aus drei Bereichen:

• Präsynaptische Membran: Die Membran des synaptischen Endknöpfchens der sendenden Nervenzelle. Sie enthält Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind, sowie spannungsabhängige Calciumkanäle.
• Synaptischer Spalt: Der schmale Raum zwischen der prä- und postsynaptischen Membran.
• Postsynaptische Membran: Die Membran der empfangenden Zelle (Nervenzelle, Muskelzelle, etc.). Sie enthält Rezeptoren für die Neurotransmitter.

Funktion der chemischen Synapse

Die Erregungsübertragung an einer chemischen Synapse läuft in folgenden Schritten ab:

1. Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen (Synapse) → Spannungsänderung!
2. Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
3. Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen → Positivierung → Depolarisation der Membran!
4. Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel bewegen sich darauf hin zur Präsynapse, und verschmelzen dort mit ihr. Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
5. Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
6. Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Na+).
7. Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten.
8. Acetat und Cholin → zurück zur präsynaptischen Membran → aktiv aufgenommen.
9. Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Acetat und Cholin → Acetylcholin.

Sobald ein Aktionspotential die Terminale erreicht, öffnen sich die spannungsabhängigen Ca2+ Ionenkanäle. Es folgt ein starker Einstrom der Ionen in das Endknöpfchen. Angeregt durch die Ca2+ Ionen Konzentration, wandern die synaptischen Vesikel zur präsynaptischen Membran. Die Ca2+ Ionen werden derweil wieder aus der Terminale ausgepumpt, um die Ausgangslage wiederherzustellen. Die freigesetzten Transmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden reversibel an den für sie passenden rezeptorabhängigen Ionenkanälen. Die Bindung bewirkt eine Konformationsänderung und damit eine Öffnung, der rezeptorabhängigen Ionenkanäle.

Durch die geöffneten Ionenkanäle findet ein starker Einstrom an Na+ in die Zelle und ein schwacher Ausstrom K+ aus der Zelle statt. Das führt zu einer Depolarisation der Membran (= Endplattenpotential (EPP) oder postsynaptisches Signal (PSP)) Das EPP breitet sich elektrisch (durch Ionenwanderung) entlang der Membran aus. Erreicht es eine Stelle, die nicht mehr direkt unter der Terminale liegt, und überschreitet dort die Reizschwelle von -60mV wird ein Muskelaktionspotential ausgelöst. Der Muskel wird kontrahiert.

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Der Transmitter (i.d.F. Acetylcholin) löst sich von den Ionenkanälen und wird an der Acetylcholinesterase in Acetat und Cholin abgebaut, um eine sofortige Neubesetzung des Rezeptors zu verhindern. Die Spaltprodukte werden wieder ins Endknöpfchen aufgenommen und dort neu zu Acetylcholin synthetisiert. Die Synapse ist jetzt voll regeneriert und kann erneut erregt werden!

Chemisch-interneuronale Synapsen

Es gibt zwei Arten an chemisch-interneuronalen Synapsen:

• Erregende Synapse
• Hemmende Synapse

Eine erregende Synapse verstärkt die Depolarisation am anbindenden Neuron. Als Transmitter kommen Acetylcholin, Dopamin, Serotonin, u.a. infrage. Die Funktion der Synapse ist analog zu der normalen chemischen Synapse. Die Transmitter öffnen die Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran. Darauf folgt die Depolarisation und ein erregendes postsynaptisches Potenzial (EPSP).

Eine hemmende / inhibitorische Synapse vermindert die Depolarisation (= Hyperpolarisation) am anbindenden Neuron. Ein Beispiel für einen Transmitter wäre die y-Aminobuttersäure. Im Gegensatz zur normalen Synapse werden bei der hemmenden Synapse K+ bzw. Cl- Kanäle geöffnet. Die darauf folgende Hyperpolarisation führt zu einem inhibitorischen postsynaptischen Potenzial (IPSP).

Die Erregung eines Neurons ergibt sich aus der Summe der verschiedenen Signale, die das Neuron erhält. Also alle EPSPs verrechnet mit allen IPSPs (= Synaptische Integration)

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Summation von Signalen an der Synapse

Nicht jedes Endplattenpotential - egal ob von einer erregenden oder hemmenden Synapse stammend - führt auch zu einer Reizüberschreitung in der postsynaptischen Membran. Oft sind mehrere APo's nötig, um tatsächlich zu einer Muskelkontraktion zu führen oder diese zu unterbinden.

Es gibt zwei Arten von Summation, die an einem Soma auftreten können: die zeitliche und die räumliche Summation.

• Zeitliche Summation: Innerhalb kürzester Zeit laufen APo's am selben Dendrit in das Soma einer Synapse ein.
• Räumliche Summation: An einem Neuron laufen gleichzeitig mehrere APo's von verschiedenen Dendriten in das Soma einer Nervenzelle ein.

Beide Arten von Summationen führen zu graduierten PSPs.

Elektrische Synapsen

Neben den chemischen Synapsen gibt es auch elektrische Synapsen. In einer elektrischen Synapse wird die Erregung (Bildung bzw. Auslösung eines Aktionspotenzials) direkt in Form eines elektrischen Signals an die benachbarte Zelle weitergegeben. Dies geschieht fast verzögerungsfrei, da spezielle Proteinkanäle, sogenannte gap junctions, die Zellen miteinander verbinden. Die Informationsübertragung an elektrischen Synapsen erfolgt in weniger als einer Millisekunde!

Sowohl elektrische als auch chemische Synapsen sind Kontaktstrukturen zur Übertragung eines Signals von einer Nervenzelle auf eine weitere Nerven- oder andere Zielzelle. Die elektrische Synapse leitet das Signal über einen sehr engen Zellkontakt und über Ionenkanäle direkt weiter - ein Aktionspotenzial im präsynaptischen Neuron löst somit unmittelbar ein Aktionspotenzial im postsynaptischen Neuron aus. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist dadurch sehr hoch. Die Erregungsweiterleitung erfolgt aufgrund des Ionenstroms passiv. Bei einer chemischen Synapse dauert die Übertragung länger (etwa 1 Millisekunde), denn hier wird ein elektrisches Signal in ein chemisches umgewandelt. Chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) werden freigesetzt und leiten die weitere Informationsübertragung ein.

Bedeutung der Synapsen für das Nervensystem

Synapsen sind für die Informationsverarbeitung und -weiterleitung im Nervensystem unerlässlich. Sie ermöglichen die Kommunikation zwischen Nervenzellen und die Übertragung von Signalen zu anderen Zellen im Körper. Die synaptische Übertragung ist ein hochkomplexer Prozess, der durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden kann.

Synapsengifte

Es gibt verschiedene Synapsengifte, die, je nach Art des Gifts, in allen Teilen der Synapse (Präsynapse, synaptischer Spalt, Postsynapse) wirken können. Sie beeinflussen die Erregungsübertragung also auf unterschiedliche Weise. Nikotin aktiviert postsynaptische Rezeptoren und öffnet dadurch Natriumkanäle. Dies hat eine erregende Wirkung auf den Körper und selbst schwächere Signale können bereits eine Depolarisation auslösen. Kokain bewirkt, dass der Botenstoff Dopamin ohne ein elektrisches Signal in den synaptischen Spalt gelangt. Dopamin spielt eine Rolle bei der Motivations- und Emotionsregulation und ist auch als Botenstoff des Glücks bekannt. Die Wiederaufnahme in den präsynaptischen Teil wird außerdem verhindert. Dadurch ist ein Vielfaches der normalen Botenstoffmenge im synaptischen Spalt vorhanden und die nachfolgende Zelle wird dauergereizt. Atropin dagegen hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.

Lernen und Gedächtnis

Lernen und Erinnern hängen stark von der Aktivität deiner Synapsen ab. Durch wiederholte Aktivierung bestimmter Synapsen werden diese verstärkt, was zu einer dauerhaften Veränderung der synaptischen Verbindungen führt. Dieser Prozess wird als synaptische Plastizität bezeichnet und ist die Grundlage für Lernen und Gedächtnis.

Verschiedene Neuronentypen

Es gibt viele verschiedene Neuronentypen, die auf unterschiedliche Weisen klassifiziert werden können.

A1) Nach der Anzahl der Neuriten kann man unipolare, bipolare und multipolare Neurone unterscheiden.

• Unipolare Nervenzelle.
• Bipolare Nervenzelle. Auf der einen Seite des Somas befinden sich die Dendriten, auf der anderen Seite ein stark verästeltes Axon.
• Multipolare Nervenzelle.
• Pseudounipolare Nervenzelle. Im Prinzip ähnlich wie die bipolaren Nervenzelle, man kann nur sehr schlecht zwischen Dendriten und stark verzweigtem Axon unterscheiden. Das Soma liegt jetzt aber nicht zwischen diesen beiden Bereichen, sondern außerhalb.

A2) Nach der Art und Weise der Denditen-Anordnung unterscheidet man verschiedene Typen von Nervenzellen. Am bekanntesten sind wohl die Sternzellen und die Pyramidenzellen. Die Sternzellen bestehen aus einem zentralen Soma, von dem sternförmig oder strahlenförmig viele lange Dendriten ausgehen und natürlich auch ein Axon.

A3) Nach der Art der Verknüpfung kann man zwischen sensorischen und motorischen Neuronen sowie Interneuronen unterscheiden. Sensorische Neurone empfangen Sinnesreize von außen und leiten diese an motorische Neurone oder Interneurone weiter. Motorische Neurone sind mit Muskelzellen verbunden und können dieses zur Kontraktion anregen.

A4) Nach der Axonlänge kann man zwischen Golgi-Typ-I-Neuronen bzw. Projektionsneuronen und Golgi-Typ-II-Neuronen bzw. lokale Schaltkreisneuronen unterscheiden. Die Typ-I-Neurone haben lange Axone und können daher größere Strecken im Gehirn überbrücken (oder im Körper), während die Typ-II-Neurone nur kurze Axone haben, die nur kurze Strecken im Gehirn überbrücken.

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