Der Unterschied zwischen erregenden und hemmenden Synapsen: Ein detaillierter Überblick

Synapsen sind die grundlegenden Verbindungsstellen im Nervensystem, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen ermöglichen. Obwohl alle Synapsen dem gleichen Grundprinzip folgen, gibt es wesentliche Unterschiede zwischen erregenden und hemmenden Synapsen, die für die präzise Steuerung neuronaler Schaltkreise unerlässlich sind.

Was ist eine Synapse?

Eine Synapse ist der Verbindungsbereich zwischen zwei Zellen, meist Nervenzellen. Ihre Funktion ist das Übertragen von chemischen oder elektrischen Signalen von einer Nervenzelle zu ihrer Nachbarzelle. Synapsen sind Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, die Informationen (Reize/Erregungen) weiterleiten. Innerhalb jeder Nervenzelle werden die Reize dann als elektrische Signale weitergeleitet. Obwohl Synapsen grundsätzlich ähnlich aufgebaut sind, gibt es verschiedene Synapsentypen. Eine Synapse besteht aus drei Bereichen:

• Präsynaptische Endigung: Von der Präsynapse geht das weitergeleitete Signal aus. An der präsynaptischen Endigung befinden sich Vesikel mit Neurotransmittern, die bei Erregung ausgeschüttet werden.
• Synaptischer Spalt: Der Raum zwischen den beiden Zellen.
• Postsynaptische Membran: Die Postsynapse ist die Nachbarzelle, die das Signal empfängt.

Arten von Synapsen

Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Synapsen:

• Elektrische Synapsen: Bei elektrischen Synapsen wird ein Signal direkt in elektrischer Form zur benachbarten Zelle weitergeleitet. Elektrische Synapsen kommen in unserem Körper eher selten vor. Du findest sie dort, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist. Die Struktur der elektrischen Synapse basiert auf speziellen Proteinkomplexen, den Connexinen. Diese bilden Kanäle, durch die Ionen und kleine Moleküle direkt von einer Zelle zur anderen gelangen können. Die Besonderheit der elektrischen Synapsen liegt in ihrer bidirektionalen Übertragungsfähigkeit.
• Chemische Synapsen: Chemische Synapsen kommen in unserem Körper viel häufiger vor. Bei der chemischen Synapse werden Neurotransmitter ausgeschüttet. Die chemische Synapse funktioniert durch die Umwandlung elektrischer Signale in chemische Botenstoffe. Der Prozess beginnt mit einem Aktionspotential, das zur Freisetzung von Neurotransmittern führt.

Erregende Synapsen

Erregende Synapsen haben immer die Funktion, eine Depolarisation weiterzuleiten. Erregende Synapsen lösen ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) aus und führen zur Depolarisation der Zellmembran. Bei einem EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potential) kommt es zur Depolarisation der Zellmembran, wodurch die Nervenzelle erregt und die Signalweiterleitung gefördert wird. Ein Beispiel für eine erregende Synapse ist die acetylcholinerge Synapse, die als Antwort auf eine Erregung den Neurotransmitter Acetylcholin in den synaptischen Spalt ausschüttet. Erregende Synapsen öffnen durch ihre Transmitter Kationenkanäle und bewirken eine Depolarisation.

Mechanismus der Erregung

1. Ein Aktionspotential erreicht die präsynaptische Endigung. Ein Aktionspotenzial ist ein schneller, durch Ionenflüsse verursachter Anstieg des negativen Ruhepotenzials einer Zelle zu einem positiven Membranpotenzial.
2. Calciumionen strömen in die präsynaptische Zelle ein. Ein Aktionspotenzial führt über einen Calciumioneneinstrom an der Präsynapse zur Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt. Der Anstieg der Calciumionenkonzentration löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der Membran aus.
3. Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt. Dadurch wandern synaptische Bläschen, sogenannte Vesikel, zur präsynaptischen Membran.
4. Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran. Dort können die Transmitter an Rezeptoren der postsynaptischen Membran andocken. Die Neurotransmitter können an der postsynaptischen Membran an für sie spezifische Rezeptoren (Andockstellen) binden.
5. Ionenkanäle öffnen sich, und Natriumionen strömen in die postsynaptische Zelle ein. Diese Rezeptoren sind mit Ionenkanälen verbunden, durch deren Öffnung Natriumionen in das Innere der Postsynapse strömen und dort zu einer Änderung des Membranpotenzials führen.
6. Die Depolarisation der postsynaptischen Membran führt zu einem EPSP. Ist das Gesamtsignal stark genug um den Schwellenwert zu überschreiten spricht man von einem EPSP oder erregendem postsynaptischen Potential.

Hemmende Synapsen

Die grundlegenden Prinzipien einer hemmenden Synapse sind beinahe identisch zu denen einer erregenden Synapse. Hemmende Synapsen erzeugen IPSP, die die EPSP abschwächen. 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. Ihre Funktion ist hauptsächlich das Abschwächen von erregenden Signalen im Zentralnervensystem. Damit verhindern hemmende Synapsen Übererregungen, die im Extremfall zu Starrkrämpfen führen können. Ein IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potential) hingegen entsteht an einer hemmenden Synapse und führt zur Hyperpolarisation der Membran, wobei die Spannung in der postsynaptischen Nervenzelle sinkt. Hemmende Synapsen Anionenkanäle öffnen und eine Hyperpolarisation auslösen.

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Mechanismus der Hemmung

1. Ein Aktionspotential erreicht die präsynaptische Endigung. Ein Aktionspotenzial führt über einen Calciumioneneinstrom an der Präsynapse zur Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt.
2. Calciumionen strömen in die präsynaptische Zelle ein.
3. Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt.
4. Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
5. Chloridionen strömen in die postsynaptische Zelle ein oder Kaliumionen strömen aus.
6. Die Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran führt zu einem IPSP. Liegt die Summe der Erregung unterhalb der zur Aulösung eines Aktionspotential benötigten Stärke, ist das entstandene Potential ein IPSP oder inhibitorisches postsynaptisches Potential.

Beispiel für eine hemmende Synapse: GABA

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.

Räumliche und zeitliche Summation

Ein Aktionspotential wird aber in der Regel nicht durch eine Erregung von einer einzigen Synapse erzeugt. Vielmehr werden in einer Zelle immer mehrere EPSP und IPSPS verrechnet. Die Neuronale Verrechnung zeitliche räumliche Summation ist ein fundamentaler Mechanismus für die Informationsverarbeitung im Nervensystem. Die Kombination aus räumlicher und zeitlicher Summation sowie das Zusammenwirken erregender und hemmender Synapsen bilden die Grundlage für die komplexe Informationsverarbeitung im Nervensystem.

Räumliche Summation

Stell dir vor, dass an den Dendriten einer Nervenzelle die Synapsen vieler verschiedener Nervenzelle anliegen. 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 Aktionspotenzial kann gebildet werden. Stell dir nun weiter vor, dass an den Dendriten nicht nur erregende, sondern auch hemmende Synapsen anliegen. Diese hemmenden Synapsen erzeugen IPSP, die die EPSP abschwächen. 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 Aktionspotenzial zu erzeugen. Bei der räumlichen Summation werden gleichzeitig eintreffende Signale verschiedener Synapsen addiert. Die räumliche Summation ist ein Prozess, bei dem PSPs (postsynaptische Potentiale) mehrerer Synapsen, die gleichzeitig auf eine postsynaptische Zelle einwirken, addiert werden. Dabei werden unterschwellige Potentiale von verschiedenen Synapsen zusammengerechnet. Wenn das Ergebnis dieser Verrechnung an Synapsen am Axonhügel den Schwellenwert überschreitet, werden Aktionspotentiale generiert und weitergeleitet.

Zeitliche Summation

So funktioniert die zeitliche Summation. 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 Synapse werden mehrere, kurz nacheinander eintreffende postsynaptische Potentiale an derselben Synapse addiert. Wenn beispielsweise zwei unterschwellige EPSPs zeitlich dicht hintereinander am Axonhügel eintreffen, können sie sich zu einem überschwelligen EPSP addieren. Die räumliche und zeitliche Summation können auch gleichzeitig stattfinden und so die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass am Axonhügel ein Aktionspotential ausgelöst wird.

Analoge und digitale Codierung im Nervensystem

Wird ein Reiz von den Sinnesorganen aufgenommen, so verändert sich das Membranpotenzial an den Nervenzellen, die den entsprechende Sinneszellen nachgeschaltet sind. Die elektrische Spannung an der Membran der Nervenzelle wird verändert. Sie wird erregt. In den Dendriten und dem Zellkörper der Nervenzelle kommt es noch nicht zu einem Aktionspotenzial. Es kommt nur zu einer passiven Potenzialverschiebung. Die Information über den Reiz wird analog codiert: D.h. Die Reizstärke wird in Form der Amplitude der Potenzialverschiebung codiert. Diese Veränderung in der elektrischen Spannung setzt sich fort bis zum Axonhügel, welcher in das Axon übergeht. Ein bestimmter Amplitudenwert muss dabei überschritten werden, damit der Reiz überhaupt wahr genommen wird, denn die Entstehung von Aktionspotentialen erfolgt nach dem “Alles oder Nichts Prinzip”. Der zu überschreitende Wert nennt sich Schwellenpotential. Töne, welche sehr leise sind verursachen also im Soma der Nervenzelle keine ausreichende Potenzialverschiebung, sodass kein Aktionspotential wahrgenommen werden kann. Im Axon werden diese Aktionspotentiale dann weitergeleitet. Da es sich nun um Aktionspotentiale handelt, welche stets eine gleich große Amplitude aufweisen, kann die Codierung nun nicht mehr analog erfolgen. Demnach erfolgt die Abfolge der Aktionspotentiale bei einem starken Reiz schneller. Die Frequenz ist also größer.

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Neurotoxine und synaptische Übertragung

Die Effizienz der synaptischen Übertragung kann durch verschiedene Faktoren moduliert werden, einschließlich Synapsengifte. Synapsengifte (Neurotoxine) sind Substanzen, die gezielt die synaptische Übertragung stören.

Curare: Ein Beispiel für ein Neurotoxin

Die Wirkung von Curare-Wirkung Synapse einfach erklärt zeigt sich primär an der chemischen Synapse, wo es als kompetitiver Hemmstoff agiert. Das Gift greift gezielt in die Signalübertragung zwischen Nervenzellen ein, indem es die Acetylcholin-Rezeptoren an der postsynaptischen Membran blockiert. Bei der Neuronalen Verschaltung und Verrechnung unter Curare-Einfluss bleibt die Acetylcholinkonzentration im synaptischen Spalt zunächst unverändert. Allerdings können die Neurotransmitter nicht mehr an ihre Rezeptoren binden, was die Ausbildung eines erregenden postsynaptischen Potentials (EPSP) verhindert. Die Auswirkungen von Curare als eines der bekanntesten Nervengifte Beispiele sind dramatisch: Es kommt zu einer fortschreitenden Lähmung der Skelettmuskulatur, die unbehandelt zum Erstickungstod führen kann. Im Vergleich zur elektrischen Synapse zeigt sich die besondere Anfälligkeit der chemischen Synapse gegenüber Giftstoffen.

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