Die Kommunikation zwischen Nervenzellen ist ein komplexer Prozess, der auf elektrischen und chemischen Signalen basiert. In diesem Artikel werden die wesentlichen Unterschiede zwischen Aktionspotentialen (AP), exzitatorischen postsynaptischen Potentialen (EPSP) und inhibitorischen postsynaptischen Potentialen (IPSP) untersucht. Darüber hinaus werden die Mechanismen der neuronalen Verrechnung, die Rolle von Synapsen und die Auswirkungen von Pharmaka auf die Signalübertragung beleuchtet.
Grundlagen der neuronalen Kommunikation
Neuronale Verrechnung ist ein fundamentaler Prozess in unserem Nervensystem, bei dem Signale zwischen Nervenzellen verarbeitet werden. Unsere Nervenzellen kommunizieren über zwei Arten von Signalen: erregende postsynaptische Potenziale (EPSP) und hemmende postsynaptische Potenziale (IPSP). An Synapsen werden ankommende Aktionspotentiale in länger andauernde postsynaptische Potentiale umgewandelt. Diese breiten sich unter Abschwächung über die Zelle aus und werden am Axonhügel verrechnet.
Aktionspotentiale: Das "Alles-oder-Nichts"-Prinzip
Ein Aktionspotential ist ein schneller, durch Ionenflüsse verursachter Anstieg des negativen Ruhepotenzials einer Zelle zu einem positiven Membranpotenzial. Es ist ein "digitales" Signal, das nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip funktioniert: Entweder wird ein Aktionspotential vollständig ausgelöst, oder es findet gar nicht statt. Aktionspotentiale breiten sich aktiv unter Erhalt ihrer Amplitude aus und haben eine konstante Dauer von etwa 4 ms. Die für das Aktionspotential verantwortlichen schnellen, spannungsaktivierten Natrium-Kanäle haben eine Aktivierungsschwelle von ca. -40 mV! Diese Kanäle öffnen nur, wenn die Membran zumindest bis zu diesem Wert depolarisiert wurde. Dies kann durch Neurotransmitter geschehen, die postsynaptisch eine lokale Depolarisation bewirken oder auch Generator- oder Rezeptorpotentiale (je nach Zelltyp und Situation) oder elektrotonisch durch ein ankommendes Aktionspotential.
EPSP und IPSP: Graduierte Antworten an der Synapse
Im Gegensatz dazu sind EPSPs und IPSPs "analoge" Signale, die in ihrer Amplitude variieren können.
EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potential): Ein EPSP ist eine positive Veränderung der Spannung in einer Nervenzelle, eine Depolarisation der Zellmembran. Durch eine präsynaptische Erregung kommt es zum Einstrom von Botenstoffen (Neurotransmittern) in den synaptischen Spalt der erregenden Synapse. des postsynaptischen Neurons befinden sich entsprechende Rezeptoren, also Andockstellen für die Botenstoffe. Wenn die Neurotransmitter nun an die Rezeptoren binden, kommt es zur Öffnung von Ionenkanälen. Im Fall des EPSPs öffnen sich Natriumionenkanäle. Daher strömen Natriumionen (Na+) in die Zelle und das Potential steigt an. Je mehr Transmitter sich im synaptischen Spalt befinden, desto länger bleiben die Kanäle geöffnet. EPSPs breiten sich elektrotonisch ("kriechend") unter Abschwächung aus und können zwischen 40 und 4000 ms andauern. EPSPs benötigen keine Auslöseschwelle. Erregende Synapsen erkennt man daran, dass sie Aktionspotentiale am Axonhügel auslösen können.
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IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potential): Ein IPSP ist eine negative Veränderung der Spannung in einer Nervenzelle, eine Hyperpolarisation der Zellmembran. An einer hemmenden Synapse kommt es zur Entstehung eines inhibitorischen postsynaptischen Potentials (IPSP). Dabei sinkt die Spannung der postsynaptischen Nervenzelle. Den Vorgang nennst du auch Hyperpolarisation. Hierfür sind Kalium- und Chloridionenkanäle in der Nervenzellmembran verantwortlich. Auch sie werden durch Neurotransmitter im synaptischen Spalt geöffnet. Durch die Kaliumionenkanäle strömen dann positiv geladene K+-Ionen aus der Zelle heraus. Gleichzeitig strömen durch die Chloridionenkanäle negativ geladene Cl--Ionen in die Zelle. Beide Effekte führen dazu, dass die Ladung innerhalb der Zelle negativer wird. Daher kann die Nervenzelle die Erregung nicht weiterleiten. IPSPs entstehen durch hemmende Synapsen.
Die Rolle der Synapsen
An Synapsen werden ankommende Aktionspotentiale in länger andauernde postsynaptische Potentiale umgewandelt. Dadurch wandern synaptische Bläschen, sogenannte Vesikel, zur präsynaptischen Membran. Dort können die Transmitter an Rezeptoren der postsynaptischen Membran andocken. Diese Rezeptoren sind mit Ionenkanälen verbunden, durch deren Öffnung Natriumionen in das Innere der Postsynapse strömen und dort zu einer Änderung des Membranpotenzials führen.
Erregende Synapsen
Erregende Synapsen haben immer die Funktion, eine Depolarisation weiterzuleiten. Ein Beispiel für eine erregende Synapse ist die acetylcholinerge Synapse, die als Antwort auf eine Erregung den Neurotransmitter Acetylcholin in den synaptischen Spalt ausschüttet.
Hemmende Synapsen
Die grundlegenden Prinzipien einer hemmenden Synapse sind beinahe identisch zu denen einer erregenden Synapse. Ein Aktionspotential führt über einen Calciumioneneinstrom an der Präsynapse zur Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt. Transmitter von hemmenden Synapsen sind Stoffe, die an der postsynaptischen Membran zu einem Einstrom von negativ geladenen Chloridionen und/oder dem Ausstrom von positiv geladenen Kaliumionen führen. Ein Beispiel für eine hemmende Synapse ist die GABA ausschüttende Synapse. GABA ist dabei die Abkürzung für den Neurotransmitter Gamma-Amino-Buttersäure, wobei das hintere A für das Wort acid (englisch für „Säure“) steht. Ihre Funktion ist hauptsächlich das Abschwächen von erregenden Signalen im Zentralnervensystem. Damit verhindern hemmende Synapsen Übererregungen, die im Extremfall zu Starrkrämpfen führen können.
Neuronale Verrechnung: Summation von EPSP und IPSP
Ein Aktionspotential wird in der Regel nicht durch eine Erregung von einer einzigen Synapse erzeugt. Vielmehr werden in einer Zelle immer mehrere EPSP und IPSPS verrechnet. Je mehr erregende Synapsen also an der verrechnenden Nervenzelle anliegen, umso mehr EPSP können gebildet werden. Diese EPSP kommen in der Zelle zusammen und werden summiert. So wird die Reizschwelle am Axonhügel schneller überschritten und ein Aktionspotential kann gebildet werden. Je mehr hemmende Synapsen an der verrechnenden Nervenzelle anliegen, umso mehr IPSP werden gebildet und umso schwieriger ist es für die erregenden Nervenzellen, die Zielzelle stark genug zu erregen, um die Reizschwelle am Axonhügel zu überschreiten und ein Aktionspotential zu erzeugen.
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Die Verrechnung der Signale erfolgt durch zwei Mechanismen:
- Räumliche Summation: Bei der räumlichen Summation werden gleichzeitig eintreffende EPSPs und IPSPs von verschiedenen Synapsen verrechnet. Gleichzeitige Stimulation der Nervenzelle durch mehrere bzw. verschiedene Synapsen. Die postsynaptischen Potentiale addieren sich auf.
- Zeitliche Summation: Bei der zeitlichen Summation werden kurz nacheinander eintreffende Signale von einer Synapse addiert. Wenn mehrere EPSP in schnellen Abständen durch die erregenden Synapsen erzeugt werden, dann reicht das eine IPSP der hemmenden Synapse nicht mehr aus, um die Weiterleitung zu verhindern. Bei der zeitlichen Summation überlagern sich schnell aufeinanderfolgende EPSPs, was zu einer schrittweisen Depolarisation führt. Dies zeigt sich in einem langsamen Anstieg der Messkurve bis zum Schwellenwert.
Ein vereinfachtes Beispiel
Stell dir vor, dass an einer speziellen Nervenzelle genau drei EPSP einer bestimmten Stärke nötig sind, um die Reizschwelle zu überschreiten. Dann würde es ausreichen, wenn drei erregende Synapsen jeweils ein EPSP erzeugen, um ein Aktionspotenzial am Axonhügel nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip zu erzeugen. $+2$ reicht nicht für eine Überschreitung der Reizschwelle aus, sodass nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip kein Aktionspotenzial ausgelöst wird, obwohl wie im ersten Beispiel drei erregende Synapsen ein Signal von $+3$ erzeugt haben.
Alltagsbeispiele zur Veranschaulichung
- Szenario 1: Jemand klingelt an deiner Tür. Du öffnest.
- Szenario 2: Jemand klingelt an deiner Tür, während du unter der Dusche stehst. Du wirst die Tür vermutlich nicht öffnen.
- Szenario 3: Die Person fängt an, ununterbrochen zu klingeln, bis du dich entscheidest, die Dusche abzustellen, dir ein Handtuch umzuwickeln und sofort die Tür zu öffnen. So funktioniert die zeitliche Summation.
Die Bedeutung der Synapsenposition
Die Wirkung von Synapsen hängt auch von ihrer Entfernung zum Axonhügel ab. Je weiter eine Synapse vom Axonhügel entfernt ist, desto stärker wird ihr Potential abgeschwächt. Die Position der Synapsen auf dem Neuron spielt eine wichtige Rolle!
Pharmakologische Beeinflussung der Signalübertragung
Pharmaka können die neuronale Signalübertragung gezielt beeinflussen. Pharmakologisch lässt sich die Signalübertragung beeinflussen: Substanz S kann eine Dauerdepolarisation durch permanente Öffnung der Natriumkanäle bewirken. Pharmakon P wirkt hingegen als kompetitiver Hemmstoff an den Rezeptoren. Interessanterweise können sich bestimmte Pharmaka P+NP+N in ihrer Wirkung gegenseitig aufheben, was auf denselben Wirkmechanismus hindeutet.
Codierung von Signalen in der Neurobiologie
Die Codierung von Informationen im Nervensystem ist ein faszinierendes Kapitel der Neurobiologie, das erklärt, wie unser Gehirn Reize verarbeitet und weiterleitet. In unserem Nervensystem werden Informationen sowohl durch elektrische Signale als auch durch chemische Botenstoffe übermittelt. Diese neuronale Kommunikation basiert… Die Umcodierung in der Neurobiologie zwischen digitalen und analogen Signalen ist sinnvoll, da sie die Vorteile beider Systeme kombiniert und eine präzise neuronale Kommunikation ermöglicht.
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