In lebenden Organismen findet Kommunikation zwischen Zellen auf vielfältige Weise statt, besonders im Nervensystem. Eine schnelle und direkte Form der Signalweitergabe wird durch elektrische Synapsen ermöglicht. Diese Zellverbindungen erlauben eine verzögerungsfreie Signalübertragung und spielen in der Entwicklung und in Geweben des erwachsenen Organismus eine wichtige Rolle.
Grundlagen elektrischer Synapsen
Elektrische Synapsen basieren auf direkter Ionenstromweiterleitung durch Gap Junctions, im Gegensatz zu chemischen Synapsen, die Neurotransmitter nutzen. Gap Junctions bestehen aus Kanalproteinen, die das Zytoplasma zweier Zellen verbinden und den Austausch von Ionen und kleinen Molekülen ermöglichen.
Die Struktur der Gap Junction
Die Kernstruktur der elektrischen Synapse ist die Gap Junction, ein Aggregat aus vielen einzelnen Kanälen, die als Connexone bezeichnet werden. Jedes Connexon besteht aus sechs Connexin-Proteinen, die in der Membran einer Zelle einen ringförmigen Halbkanal formen. Ein vollständiger Gap-Junction-Kanal hat einen Durchmesser von etwa 1,5 bis zwei Nanometer und ist selektiv für kleine Moleküle (bis etwa ein Kilodalton) durchlässig. Die Architektur der Gap Junction ist dynamisch und kann sich je nach Zelltyp, Entwicklungsstadium oder physiologischem Zustand verändern.
Vorkommen und Funktion im Körper
In der frühen embryonalen Entwicklung spielen elektrische Synapsen eine wichtige Rolle bei der morphogenetischen Kommunikation. Beim erwachsenen Menschen sind sie im Zentralnervensystem (ZNS) nachweisbar, vor allem in Hirnstammkernen, der Retina und bestimmten Regionen des Neokortex. Dort ermöglichen sie eine präzise Synchronisation neuronaler Netzwerke. Auch im Herzmuskelgewebe übernehmen elektrische Synapsen eine wichtige Funktion, indem sie zwischen den Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) eine schnelle, koordinierte Depolarisation des Myokards ermöglichen, die für die rhythmische Kontraktion entscheidend ist. Darüber hinaus sind elektrische Synapsen auch in der Leber, im Pankreas, im Knochengewebe (Osteozyten) und in Gliazellen des Nervensystems vertreten.
Funktionelle Aspekte elektrischer Synapsen
Elektrische Synapsen ermöglichen eine schnelle und direkte Signalweiterleitung. Durch den geringen Widerstand und die direkte Kopplung der Zellmembranen durch Gap Junctions können Aktionspotenziale oder elektrische Signale nahezu ohne Verzögerung von einer Zelle auf die nächste übergehen.
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Schnelle Signalübertragung im Herzmuskel
Ein wichtiges Anwendungsbeispiel ist die Rolle der elektrischen Synapsen im Herzmuskel. Hier erzeugen spezialisierte Schrittmacherzellen des Sinusknotens elektrische Impulse, die über Gap Junctions auf benachbarte Muskelzellen übertragen werden.
Synchronisation neuronaler Netzwerke
Auch in neuronalen Netzwerken tragen elektrische Synapsen zur Synchronisierung der Zellaktivität bei. Sie können Oszillationen verstärken, Wellenmuster stabilisieren und die Effizienz von neuronalen Schaltkreisen steigern.
Bidirektionalität und metabolische Kopplung
Ein besonderes Merkmal elektrischer Synapsen ist ihre Bidirektionalität: Im Gegensatz zu chemischen Synapsen, bei denen die Informationsübertragung typischerweise nur in eine Richtung erfolgt (von präsynaptisch nach postsynaptisch), erlauben elektrische Synapsen eine bidirektionale Kommunikation. Allerdings ist diese Bidirektionalität nicht immer gegeben: In einigen Zelltypen lässt sich die Stromrichtung regulieren, beispielsweise durch Änderungen des intrazellulären Calciumspiegels oder des Membranpotentials. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die metabolische Kopplung durch Gap Junctions. So tauschen etwa Osteozyten im Knochengewebe über Gap Junctions Nährstoffe und Signalmoleküle aus und regulieren dadurch ihre Aktivität und das Gleichgewicht zwischen Knochenaufbau und -abbau.
Schutzmechanismen bei Zellschädigung
Elektrische Synapsen können sich bei Zellschädigung auch schützen, indem sie sich gezielt „abschalten“: Ein starker Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration oder eine Azidose (saurer pH-Wert) in einer Zelle führen typischerweise zur Schließung der Gap Junctions. Auf diese Weise wird verhindert, dass schädliche Substanzen oder Signale auf benachbarte, gesunde Zellen übergehen.
Elektrische Synapsen und Krankheiten
Elektrische Synapsen spielen nicht nur in der physiologischen Zellkommunikation eine wichtige Rolle, sondern sind auch in zahlreichen Krankheitsprozessen beteiligt.
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Charcot-Marie-Tooth-Krankheit Typ X1
Eine besonders gut untersuchte Erkrankung im Zusammenhang mit elektrischen Synapsen ist die Charcot-Marie-Tooth-Krankheit Typ X1, eine erbliche motorisch-sensible Neuropathie. Sie beruht auf Mutationen im GJB1-Gen, das für Connexin 32 kodiert. Connexin 32 ist in den Schwann-Zellen peripherer Nerven lokalisiert und ermöglicht dort über Gap Junctions die metabolische Kopplung der Zellen. Bei einem Funktionsverlust kommt es zur Degeneration der Myelinscheiden und damit zur Beeinträchtigung der Nervenleitung.
Epilepsie
Darüber hinaus wird die Epilepsie zunehmend mit einer gestörten elektrischen Kopplung im Gehirn in Verbindung gebracht. Studien an Tiermodellen zeigen, dass eine Überexpression bestimmter Connexine, wie Connexin 36, die neuronale Synchronität erhöht und epileptische Anfälle begünstigen kann.
Herzerkrankungen
Im Herzmuskel ist die Rolle elektrischer Synapsen besonders kritisch, da sie die Grundlage für die elektrische Erregungsausbreitung bilden. Connexin 43 ist hier das dominierende Connexin in den Kardiomyozyten. Eine gestörte Expression oder Verteilung dieses Proteins, beispielsweise bei ischämischer Herzkrankheit oder Herzinsuffizienz, kann zur Entstehung von Arrhythmien führen.
Krebs
Gap Junctions und ihre Connexine spielen auch eine Rolle in der Krebsentstehung. In vielen soliden Tumoren ist die Funktion von Connexinen reduziert oder vollständig ausgeschaltet. Dies begünstigt die Entkopplung der Tumorzellen vom umgebenden Gewebe und erlaubt unkontrolliertes Zellwachstum. Connexine, insbesondere Connexin 43, werden daher als Tumorsuppressoren betrachtet.
Elektrische Synapsen in der Retina
Die Netzhaut (Retina) ist die lichtempfindliche Schicht im Auge und ein Modellsystem für Untersuchungen des Zentralnervensystems. Sie wandelt Lichtreize in elektrische Signale um, die an Bipolar- und Horizontalzellen übertragen werden. Von den Bipolarzellen wird das Signal an die Ganglien- und Amakrinzellen weitergeleitet. Komplexe neuronale Verschaltungen verarbeiten den Lichtreiz und filtern bestimmte Mustermerkmale heraus. Die Verarbeitung erfolgt durch etwa 50 unterschiedliche Typen von Nervenzellen, die sowohl erregende als auch hemmende Schaltkreise bilden.
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Anpassungsmechanismen in der Retina
Das visuelle System verfügt über einen großen Arbeitsbereich bezüglich der Intensitätsverarbeitung. Retinale Anpassungsmechanismen manifestieren sich in einer ausgeprägten, lichtgesteuerten Plastizität der chemischen und elektrischen Synapsen in beiden plexiformen Schichten der Retina. Lichtabhängige Neuromodulatoren steuern diese synaptische Plastizität, wobei Dopamin eine solche Rolle zugeschrieben wird. Es wird auch die Hypothese untersucht, dass Retinsäure eine solche Rolle übernimmt.
Rolle der Retinsäure
Retinsäure ist ein hochaktives, morphogenetisches Molekül, welches während der Dunkelregeneration des Rhodopsins gebildet werden kann. Durch eine Kombination biochemischer und histologischer Techniken wird seine lichtabhängige Generierung in der Retina bestimmt und lokalisiert, sowie die Signaltransduktionswege aufgeklärt, die für die Effekte der Retinsäure auf die Spinulesbildung und auf die elektrische Kopplung verantwortlich sind. Mit elektrophysiologischen Methoden wird die Wirkung von Retinsäure auf verschiedene Ionenkanäle retinaler Neurone analysiert.
Glyzinrezeptoren in der Retina
Glyzin ist neben GABA der wichtigste hemmende Transmitter in der Netzhaut. Unterschiedliche Typen von glyzinergen Amakrinzellen sind in der Netzhaut vorhanden. Nach der Freisetzung an der Synapse bindet Glyzin an spezielle Moleküle in deren Membran, die Glyzinrezeptoren (GlyR). Der Glyzinrezeptor besteht aus zwei α- und drei β-Untereinheiten, die zusammen einen Chloridkanal bilden. Durch die Bindung von Glyzin öffnet sich der Kanal und Chlorid strömt in die Zelle ein, wodurch diese gehemmt wird. Es gibt vier Gene für die α-Untereinheiten (α1, α2, α3, α4) und ein Gen für die β-Untereinheit.
Verteilung und Funktion der Glyzinrezeptoren
Die vier α-Untereinheiten des GlyRs sind offensichtlich an unterschiedlichen Synapsen in der Netzhaut exprimiert, denn ihre Verteilung erscheint deutlich verschieden. In der Regel kommt an einer Synapse nur eine der vier α-Untereinheiten vor, was bedeutet, dass es mindestens vier unterschiedliche Isoformen von Glyzinrezeptoren in der Netzhaut gibt.
Experimentelle Untersuchungen
Untersuchungen an Netzhautschnitten zeigen, dass bei allen Nervenzellen der inneren Netzhaut (Bipolar-, Amakrin- und Ganglienzellen) ein Einstrom von Chloridionen ausgelöst werden kann, was darauf hinweist, dass alle diese Zellen Glyzinrezeptoren besitzen. Spontane postsynaptische Ströme (sIPSCs), die durch die interne Freisetzung von Glyzin an Synapsen entstehen, zeigen einen charakteristischen Zeitverlauf für die unterschiedlichen Isoformen der Glyzinrezeptoren.
Ergebnisse der Untersuchungen
In der Netzhaut konnten alle bisher bekannten Untereinheiten von Glyzinrezeptoren in postsynaptischen Dichten nachgewiesen werden. Je nach Zellklasse (Bipolar-, Amakrin- oder Ganglienzelle) wurden verschiedene Untereinheiten in den Synapsen gefunden, was dazu führt, dass diese hemmenden glyzinergen Synapsen unterschiedliche Kinetiken zeigten.
Aufbau der Netzhaut
Die Netzhaut unterteilt sich in einen vorderen und einen hinteren Abschnitt. Der vordere Teil (Pars caeca retinae) überzieht die Rückseite der Iris und den Strahlenkörper und enthält keine Fotorezeptoren. Der hintere Teil (Pars optica retinae) kleidet den Augenhintergrund aus und besitzt lichtempfindliche Fotorezeptoren. Er besteht aus zwei Blättern: einem Pigmentepithel (Stratum pigmentosum) und der lichtempfindlichen Schicht (Stratum nervosum).
Lichtempfindliche Schicht (Stratum nervosum)
Das Stratum nervosum beherbergt die ersten drei hintereinander geschalteten Neuronentypen der Sehbahn: Photorezeptorzellen (Stäbchen und Zapfen), bipolare Zellen und Ganglienzellen. Außerdem finden sich hier weitere Zelltypen wie Horizontalzellen und Müller-Zellen. Die Zellkörper der drei Neuronentypen sind schichtweise angeordnet, wodurch sich insgesamt zehn Schichten ergeben.
Stäbchen und Zapfen
Die Stäbchen und Zapfen teilen sich die Aufgaben der Lichtwahrnehmung: Stäbchen sind für das Sehen in der Dämmerung und das Schwarz-Weiß-Sehen zuständig, während Zapfen das Sehen von Farben am Tag ermöglichen. Die Sinneszellen grenzen direkt an das Pigmentepithel und stehen über Synapsen in direktem Kontakt zu neuronalen Schaltzellen, die an den Optikusganglienzellen enden.
Gelber Fleck und Sehgrube
Der „Gelbe Fleck“ (Macula lutea) ist eine Region in der Mitte der Netzhaut, in der die lichtempfindlichen Sinneszellen besonders dicht stehen. Im Zentrum befindet sich die Sehgrube (Fovea centralis), die als Photorezeptoren nur Zapfen enthält und die Stelle des schärfsten Sehens ist.
Blinder Fleck
Am „Blinden Fleck“ (Papilla nervi optici) verlassen die Nervenende die Netzhaut und treten gebündelt als Sehnerv aus dem Auge aus.
Synapsen: Reizweiterleitung und Informationsverarbeitung
Synapsen sorgen für die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer in chemische Information erfolgt. Eine Synapse bildet das Verbindungsstück, über das eine Nervenzelle mit anderen Zellen in Kontakt steht. Je nach Funktionalität unterscheidet man chemische Synapsen und elektrische Synapsen.
Chemische Synapsen
Bei chemischen Synapsen erfolgt die Übertragung der Erregung durch einen Neurotransmitter, einem chemischen Botenstoff. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen.
Elektrische Synapsen
Bei elektrischen Synapsen erfolgt die Übertragung der Erregung an zwei eng aneinanderliegenden Membranen über spezielle Ionenkanäle, den Konnexionen. Es findet ein direkter Austausch von Ladungsträgern statt, die zur Erzeugung eines Aktionspotentials führen. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Die Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist.
Vorgänge an der Synapse
Das Endknöpfchen enthält Vesikel mit Neurotransmitter (z.B. Acetylcholin). Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran, woraufhin sich spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen und Ca2+-Ionen in das Endknöpfchen strömen. Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel wandern zur Präsynapse und verschmelzen dort mit der Membran, wodurch ihr Inhalt in den synaptischen Spalt freigesetzt wird. Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse und bindet an Rezeptoren der postsynaptischen Membran, was eine spezifische Wirkung hervorruft. Ein spezielles Enzym baut den Transmitter ab, und die Produkte der Spaltung diffundieren zurück in die Präsynapse, wo sie aktiv aufgenommen und zur Regeneration der Neurotransmittervesikel verwendet werden.
Informationsübertragung am Endköpfchen des Neurons
Die klassische Synapse ist die Acetylcholin-abhängige Synapse. Acetylcholin führt zur Öffnung von acetylenabhängigen Kanälen an der Postsynapse, die zu einem Natriumeinstrom und einer Depolarisation dort führen. Bei einer neuromuskulären Synapse führt der Transmitter zur Erregung der verbundenen motorischen Endplatte und damit zu einer Muskelkontraktion.
Chemische Vorgänge an den Synapsen
Das elektrische Signal wird in der präsynaptischen Membran in ein chemisches Signal umgewandelt. Wenn ein Aktionspotential die Membran des synaptischen Endknöpfchens depolarisiert, erfolgt der Einstrom von Calciumionen. Dies löst die Fusion der synaptischen Vesikel mit der Synapsenmembran aus. Die Vesikel setzen Neurotransmitter frei, die über den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran diffundieren. Dort binden sie an bestimmte Rezeptoren und öffnen dadurch spezielle Ionenkanäle. Dies ermöglicht den Einstrom von Natriumionen und damit die Depolarisation der postsynaptischen Membran. Enzymatischer Abbau des Neurotransmitters führt zum Abbruch der Signalweitergabe.
Informationsverarbeitung in der Netzhaut
Die Netzhaut analysiert das Gesehene bereits auf Kriterien wie Farbe, Bewegung, Form und Helligkeit. Die Fotorezeptoren wandeln Licht in elektrische und chemische Reize um. Die weitere Verarbeitung übernehmen Horizontal- und Amakrinzellen sowie Bipolar- und Ganglienzellen, die komplex miteinander verschaltet sind. Der direkteste Weg der Informationsübertragung führt von den Fotorezeptoren über die Bipolarzellen zu den Ganglienzellen, deren Zellfortsätze, die Axone, den Sehnerv bilden.
Neuronale Adaptationsmechanismen
Neuronale Adaptationsmechanismen in der Netzhaut sind auf Informationen über die herrschenden Lichtverhältnisse angewiesen. Retinsäure liefert möglicherweise diese Information und könnte der langgesuchte Lichtschalter im Auge sein. Sie wird in der Retina als lichtabhängiges Nebenprodukt des Phototransduktionszyklus gebildet.
Rezeptive Felder
Der Retinabereich, von dem eine bestimmte Bipolarzelle Signale erhält, die zu einer Veränderung ihrer Aktivität führen können, wird als rezeptives Feld dieser Zelle bezeichnet. Es gibt OFF-Bipolarzellen, die depolarisieren, wenn das Licht ausgeschaltet ist, und ON-Bipolarzellen, die depolarisieren, wenn das Licht angeht.
Ganglienzellen
Ganglienzellen werden in ON- und OFF-Typen unterschieden und verstärken den Kontrast an den Übergängen zwischen Hell und Dunkel. Eine Funktion der Ganglienzellen besteht darin, Unterschiede in der Lichtstärke innerhalb ihres rezeptiven Feldes wahrzunehmen. Es gibt verschiedene Ganglienzelltypen, wie M-Typen, die auf Kontraste spezialisiert sind, und P-Ganglienzellen, die für die Unterscheidung kleiner Details geeignet sind.
Spezialisierte Neurone
Spezielle Neurone in der Netzhaut filtern aus dem Reizgemisch speziell sich rasch nähernde Objekte. Forscher haben annäherungssensitive Ganglientypen in der Netzhaut entdeckt, bei denen ein schneller Hemmmechanismus selektiv die Weitergabe von Signalen unterdrückt, die nicht von näher kommenden Objekten ausgelöst werden.
Forschung und Anwendungen
Die Entschlüsselung des komplizierten Geflechts der Netzhaut und des Geflüsters in seinem Innern verfolgt auch das Ziel, Sehhilfen für Blinde zu verbessern. Bei der erblichen Krankheit Retinitis pigmentosa sterben die Lichtrezeptoren im Auge ab, aber das Nervengeflecht der Netzhaut und der Sehnerv bleiben erhalten. Forscher wollen dies nutzen, um den Patienten einen Teil ihrer Sehfähigkeit zurückzugeben, indem sie einen winzigen Elektronik-Chip auf oder hinter die Netzhaut implantieren, der die Nervenzellen mit elektrischen Impulsen stimuliert.
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