Aufbau des Nervensystems und die Funktion der Synapsen

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das die Grundlage für die Kommunikation und Steuerung im menschlichen Körper bildet. Es ermöglicht uns, unsere Umwelt wahrzunehmen, auf sie zu reagieren und lebenswichtige Körperfunktionen zu regulieren. Dieser Artikel beleuchtet den Aufbau des Nervensystems, die Funktionsweise der Synapsen und die neuesten Erkenntnisse über die Mechanismen der synaptischen Übertragung.

Organisation des Nervensystems

Das Nervensystem lässt sich in verschiedene Bereiche unterteilen, die in ihrer Funktion miteinander gekoppelt sind:

• Zentralnervensystem (ZNS): Bestehend aus Gehirn und Rückenmark, dient es als Kontroll- und Schaltzentrale für die bewusste Koordination von Bewegungen (Motorik), die Vermittlung von Nachrichten aus der Umwelt oder dem Körperinneren und die Regulierung des Zusammenspiels aller Körpersysteme. Es ermöglicht komplexe Funktionen wie Gedächtnis, Bewusstsein, Gefühle, Verstand und Vernunft.
• Peripheres Nervensystem (PNS): Umfasst alle Nerven, die nicht zum ZNS gehören, einschließlich der Hirnnerven, die Sinnesorgane mit dem Gehirn und der Muskulatur im Kopf- und Rumpfbereich verknüpfen, und der Spinalnerven, die sich aus den Nervenwurzeln im Rückenmark bilden und verschiedene Körperbereiche versorgen.
• Somatisches (willkürliches) Nervensystem: Steuert die Motorik der Skelettmuskulatur und damit alle bewussten, willentlichen Körperreaktionen und Reflexe, die als Reaktion auf unsere Umwelt erfolgen.
• Vegetatives (unwillkürliches) Nervensystem: Innerviert Herz, Gefäße, Drüsen und die glatte Muskulatur der Eingeweide und steuert so sämtliche Vitalfunktionen wie Atmung, Herzschlag, Stoffwechsel, Verdauung, Ausscheidung, Schweißbildung, Körpertemperatur und Fortpflanzung. Es besteht aus dem Sympathikus, der erregend und leistungssteigernd wirkt, dem Parasympathikus, der für Ruhe- und Regenerationsphasen zuständig ist, und dem enterischen Nervensystem, das den Verdauungstrakt durchzieht und auch einen Einfluss auf unsere Gefühlswelt hat.

Das Gehirn: Die Informationszentrale

Das Gehirn ist die zentrale Informationsverarbeitungsstelle des Körpers. Hier werden Informationen aus der Umwelt und über den Zustand des Organismus zusammengetragen und zu Reaktionen weiterverarbeitet. Die wichtigsten Abschnitte des Gehirns sind:

• Großhirn: Der am höchsten entwickelte Abschnitt des Gehirns, insbesondere die Großhirnrinde, beinhaltet die Verarbeitungszentren für Signale, die von den Sinnesorganen kommen, sowie Bereiche für Sprache, Rechnen und Empfindungen. Der motorische Bereich der Großhirnrinde steuert und koordiniert Muskelbewegungen.
• Zwischenhirn: Steuert vegetative Funktionen wie Körpertemperatur, Hunger- und Durstgefühl sowie Sexualverhalten. Hier befindet sich auch die Hypophyse, eine wichtige Hormondrüse.
• Mittelhirn: Steuert u.a. den Wach-Schlaf-Rhythmus und kann die Aufmerksamkeit auf bestimmte Sinneseindrücke lenken.
• Kleinhirn: Verantwortlich für den richtigen Ablauf aller Körperbewegungen und die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts.
• Nachhirn: Steuert Atmung, Kreislauf und viele Abläufe in den Organen. Es ist auch für Reflexe wie den Lidschlussreflex, den Tränenfluss, den Schluckreflex, die Speichelproduktion sowie für Niesen, Husten und Erbrechen zuständig.

Nervenzellen: Die Bausteine des Nervensystems

Die Nervenzellen (Neurone) sind die kleinsten funktionellen Einheiten des Nervensystems. Ihre Aufgabe besteht darin, Signale aufzunehmen und an andere Nervenzellen oder Muskel- und Drüsenzellen weiterzuleiten. Entlang einer Nervenzelle werden die Signale elektrisch fortgeleitet. Die Geschwindigkeit solcher Signale kann bis zu 360 km pro Stunde erreichen.

Eine Nervenzelle besteht aus:

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• Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und die wichtigsten Zellorganellen.
• Dendriten: Stark verästelte Fortsätze, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen.
• Axon: Ein langer, dünner Fortsatz, der elektrische Signale vom Zellkörper zu anderen Nervenzellen oder Zielzellen weiterleitet.
• Synapsen: Kontaktstellen am Ende des Axons, an denen die Übertragung von Signalen auf andere Zellen erfolgt.

Synapsen: Die Schaltstellen der Nervenzellen

Die Synapse ist die Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einem Neuron und einer anderen Zelle (z. B. Muskel- oder Drüsenzelle), an der Informationen übertragen werden. Sie ist ein zentraler Bestandteil der Kommunikation im Nervensystem. Hier erfolgt die Übertragung des elektrischen Signals von einer Nervenzelle zur nächsten mit Hilfe von Botenstoffen, die auch als Transmitter bezeichnet werden. Gelangt das elektrische Signal zum Axonende einer Nervenzelle, wird dort der jeweilige Botenstoff in den winzigen Spalt zwischen den beiden Zellen ausgeschüttet. Die Funktion von Gehirn und Nervensystem basiert somit nicht nur auf einer Weiterleitung von elektrischen Signale sondern auch biochemischen Prozessen, welche die Signalübertragung zwischen den Nervenzellen erst ermöglicht.

Arten von Synapsen

Man unterscheidet zwei Haupttypen von Synapsen:

• Chemische Synapsen: Die Übertragung von Informationen erfolgt über chemische Botenstoffe (Neurotransmitter). Sie sind die häufigste Form von Synapsen im Nervensystem.
• Elektrische Synapsen: Die Übertragung von Informationen erfolgt direkt über Ionenströme zwischen den Zellen. Sie sind seltener als chemische Synapsen und ermöglichen eine schnellere Signalübertragung.

Die chemische Synapse im Detail

1. Aufbau: Eine chemische Synapse besteht aus der präsynaptischen Zelle (sendende Zelle), dem synaptischen Spalt (Raum zwischen den Zellen) und der postsynaptischen Zelle (empfangende Zelle).
2. Signalübertragung: Wenn ein Aktionspotential das Axonende der präsynaptischen Zelle erreicht, öffnen sich spannungsabhängige Calciumkanäle. Der Einstrom von Calciumionen löst die Verschmelzung von synaptischen Vesikeln (Bläschen, die mit Neurotransmittern gefüllt sind) mit der präsynaptischen Membran aus.
3. Freisetzung der Neurotransmitter: Die Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt und diffundieren zur postsynaptischen Membran.
4. Bindung an Rezeptoren: Die Neurotransmitter binden an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
5. Auslösung eines Signals in der postsynaptischen Zelle: Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren löst eine Veränderung des Membranpotentials in der postsynaptischen Zelle aus, was zu einer Erregung oder Hemmung führen kann.
6. Beendigung des Signals: Das Signal wird beendet, indem die Neurotransmitter abgebaut, wieder in die präsynaptische Zelle aufgenommen oder von Gliazellen entfernt werden.

Neurotransmitter: Die Botenstoffe des Nervensystems

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die im Nervensystem die Signalübertragung zwischen Nervenzellen oder zwischen einem Neuron und einer anderen Zielzelle ermöglichen. Sie werden an chemischen Synapsen freigesetzt, wenn ein elektrisches Signal die präsynaptische Nervenzelle erreicht.

Es gibt verschiedene Arten von Neurotransmittern, die unterschiedliche Wirkungen haben können:

• Acetylcholin: Spielt eine Rolle bei der Muskelkontraktion, der Gedächtnisbildung und der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus.
• Dopamin: Beteiligt an der Steuerung von Bewegungen, der Motivation und dem Belohnungssystem.
• Serotonin: Beeinflusst Stimmung, Schlaf, Appetit und Schmerzempfinden.
• Noradrenalin: Wirkt als Stresshormon und beeinflusst Aufmerksamkeit, Wachheit und Herzfrequenz.
• GABA (Gamma-Aminobuttersäure): Wirkt hemmend im zentralen Nervensystem und spielt eine Rolle bei der Angstregulation.
• Glutamat: Wirkt erregend im zentralen Nervensystem und ist wichtig für Lernprozesse und Gedächtnis.

Erregende und hemmende Synapsen

Synapsen können entweder erregend oder hemmend wirken, je nachdem welcher Neurotransmitter freigesetzt wird und welche Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran vorhanden sind.

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• Erregende Synapsen: Fördern die Entstehung eines Aktionspotentials in der postsynaptischen Zelle. Ein Beispiel ist die glutamaterge Synapse, bei der der Neurotransmitter Glutamat freigesetzt wird, was zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran führt.
• Hemmende Synapsen: Verhindern die Entstehung eines Aktionspotentials in der postsynaptischen Zelle. Ein Beispiel ist die GABAerge Synapse, bei der der Neurotransmitter GABA freigesetzt wird, was zu einer Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran führt.

Aktuelle Forschung und neue Erkenntnisse

Forschende vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) haben zusammen mit einem internationalen Team einen entscheidenden Mechanismus bei der Entstehung von Synapsen aufgedeckt und die Identität der axonalen Transportvesikel aufgeklärt.

Axonaler Transport und Synapsenbildung

Die Forschenden fanden heraus, dass synaptische Vesikelproteine, Proteine der aktiven Zone und Adhäsionsproteine alle den gleichen axonalen Transportmechanismus nutzen. Der Haupttreiber dieses Transports ist das Motorprotein Kinesin "KIF1A". Mutationen in KIF1A können den axonalen Transport präsynaptischer Proteine behindern und zu neurologischen Symptomen wie Bewegungsstörungen, Ataxie oder geistigen Behinderungen führen.

Neue Transportorganelle in Nervenzellen

Überraschenderweise stammen die axonalen Transportvesikel nicht aus dem Golgi-Apparat, sondern teilen sich Markierungen mit dem endolysosomalen System. Dies deutet darauf hin, dass Neuronen eine neue Organelle erfunden haben, eine Transportorganelle, die es wahrscheinlich in dieser Form nur in Nervenzellen gibt.

Mögliche klinische Anwendungen

Die neuen Erkenntnisse könnten eines Tages für die Klinik nützlich sein. Wenn die Kontakte zwischen den Nervenzellen kaputtgehen, sei es durch eine Krankheit, einen Unfall oder schlicht durch den Alterungsprozess, ist es wichtig, den Mechanismus des axonalen Transports und die beteiligten Schlüsselproteine zu kennen, um therapeutisch eingreifen zu können.

Offene Fragen

Obwohl die Forschenden nun einen entscheidenden Mechanismus der Synapsenentstehung entschlüsselt haben, sind noch viele Fragen offen. Zum Beispiel, wie die neu entdeckten Transportorganellen eigentlich entstehen, aus was sie gebaut sind oder wie sie ihre Fracht, die Synapsenmoleküle, am Ort ihrer Bestimmung abliefern. Auch steht die Frage im Raum, ob lebenslange Erinnerungen nicht möglicherweise über den gleichen axonalen Transportmechanismus abgespeichert werden, der für die Bildung von Synapsen verantwortlich ist.

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Erkrankungen und Störungen der Synapsen

Synapsen können von verschiedenen Erkrankungen und Störungen betroffen sein, die die Signalübertragung beeinträchtigen und zu neurologischen oder psychischen Symptomen führen können.

• Depressionen: Störungen der synaptischen Signalübertragung, insbesondere der Neurotransmitter Serotonin, Noradrenalin und Dopamin, spielen eine zentrale Rolle bei der Entstehung von Depressionen.
• Lambert-Eaton-Syndrom: Eine Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört, indem Antikörper gegen spannungsabhängige Calciumkanäle auf der präsynaptischen Membran gebildet werden.
• Myasthenia gravis: Eine chronische Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört, indem Autoantikörper gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran gebildet werden.
• Parkinson-Krankheit: Eine neurodegenerative Erkrankung, bei der die Produktion von Dopamin durch Zerstörung der produzierenden Zellen in der Substantia nigra vermindert ist.
• Autismus-Spektrum-Störung: Eine neurologische Entwicklungsstörung, die durch reduzierte soziale Fähigkeiten, eingeschränkte Interessen und soziale Interaktionen sowie sich wiederholende und stereotype Verhaltensweisen gekennzeichnet ist.
• Schizophrenie: Eine schwere chronische psychische Störung, die durch psychotische Symptome, desorganisiertes Sprechen oder Verhalten, Affektverflachung, Avolition, Anhedonie und verminderte Aufmerksamkeitsfähigkeit gekennzeichnet ist.

Toxine und Gifte

Auch Gifte oder Toxine von Krankheitserregern können Synapsen gezielt ausschalten:

• Botulismus: Das Botulinumtoxin, produziert von Clostridium botulinum, verhindert die Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Endplatte und führt so zur Lähmung der betroffenen Muskulatur.
• Tetanus: Das Tetanustoxin, produziert von Clostridium tetani, verhindert die Freisetzung von Neurotransmittern in bestimmten Neuronen, da es Synaptobrevin proteolytisch abbaut und damit die Vesikelfusion verhindert.
• Parathion (E 605): Führt zu einer irreversiblen Hemmung des Enzyms Acetylcholinesterase, das den Abbau von Acetylcholin am Rezeptor katalysiert. Die Folge ist eine Daueraktivierung der Neurone und Muskelzellen, was zum Tod führen kann.

Medikamente und ihre Wirkung auf Synapsen

Einige Medikamente entfalten ihre Wirkung auf unterschiedliche Art und Weise an Synapsen. Zu diesen gehören auch gewisse Antidepressiva, die die Wiederaufnahme von Noradrenalin oder Serotonin in die Präsynapse verhindern. Botox (Botulinumtoxin) wird in der Medizin gezielt eingesetzt, um übermäßige Muskelaktivität oder Drüsentätigkeit zu hemmen. Es wirkt an der neuromuskulären Synapse, indem es die Freisetzung von Acetylcholin aus der präsynaptischen Nervenzelle blockiert - dadurch wird die Signalübertragung unterbrochen, und der Muskel entspannt sich.

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