Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das Informationen in Form von elektrischen und chemischen Signalen überträgt. Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die grundlegenden Bausteine dieses Systems. Sie kommunizieren miteinander über spezielle Verbindungsstellen, die Synapsen. An diesen Synapsen laufen faszinierende Prozesse ab, die bestimmen, ob ein Signal weitergeleitet wird oder nicht. Dieser Artikel erklärt auf einfache Weise, wie Erregung und Hemmung an Nervenzellen funktionieren.
Was sind Synapsen?
Synapsen sind Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, die Informationen (Reize/Erregungen) weiterleiten. Genauer gesagt, sind Synapsen die Verbindungsbereiche zwischen zwei Zellen, meist Nervenzellen. Ihre Funktion ist das Übertragen von chemischen oder elektrischen Signalen von einer Nervenzelle zu ihrer Nachbarzelle. Innerhalb jeder Nervenzelle werden die Reize dann als elektrische Signale weitergeleitet. An der Synapse passiert die Weiterleitung von Nervenimpulsen zwischen Nervenzellen. Obwohl Synapsen grundsätzlich ähnlich aufgebaut sind, gibt es verschiedene Synapsentypen.
Eine Synapse besteht aus drei Hauptbereichen:
- Präsynapse: Die Präsynapse ist der Bereich der Nervenzelle, von dem das weitergeleitete Signal ausgeht.
- Synaptischer Spalt: Der synaptische Spalt ist der schmale Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Zelle.
- Postsynapse: Die Postsynapse ist die Nachbarzelle, die das Signal empfängt.
Arten von Synapsen
Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Synapsen: elektrische und chemische.
Elektrische Synapsen
Bei elektrischen Synapsen wird das 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.
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Chemische Synapsen
Chemische Synapsen kommen in unserem Körper viel häufiger vor. Bei diesen Synapsen wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt, indem Neurotransmitter freigesetzt werden. Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig. Auch nach dem Botenstoff lassen sich verschiedene Arten von Synapsen unterscheiden.
Die chemische Synapse im Detail
Die Erregungsübertragung an einer chemischen Synapse läuft wie eine perfekt choreographierte Kettenreaktion ab. Hier sind die einzelnen Schritte:
- Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Ein Aktionspotential, ein elektrisches Signal, erreicht das Endknöpfchen (Synapse) und verursacht eine Spannungsänderung.
- Öffnung von Calciumkanälen: Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
- Calcium-Einstrom: Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen. Dies führt zu einer Positivierung und Depolarisation der Membran.
- Vesikel verschmelzen mit der Membran: Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel bewegen sich darauf hin zur Präsynapse, und verschmelzen dort mit ihr. Die synaptischen Bläschen wandern zur präsynaptischen Membran und verschmelzen mit ihr.
- Freisetzung der Neurotransmitter: Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
- Diffusion zum Rezeptor: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
- Bindung an Rezeptoren: An der postsynaptischen Membran warten Rezeptorproteine, die perfekt zu den Transmittermolekülen passen. Die Neurotransmitter können an der postsynaptischen Membran an für sie spezifische Rezeptoren (Andockstellen) binden.
- Öffnung der Ionenkanäle: Wenn sie sich verbinden, öffnen sich Natriumkanäle und Na+-Ionen strömen hinein. Die Kanäle sind also nicht spannungsgesteuert, sondern ligandengesteuert. Das bedeutet: Die Ionenkanäle öffnen sich, sobald ein Transmitter (= Ligand) an den entsprechenden Rezeptor gebunden hat.
- Postsynaptisches Potential: Dieser Ein- und Ausstrom hat eine positive oder negative Veränderung der Spannung zur Folge (= postsynaptisches Potential).
- Erregung/Hemmung: Die Erregung / Hemmung findet solange statt, wie die Neurotransmitter an den Rezeptoren gebunden sind.
- Abbau oder Wiederaufnahme der Neurotransmitter: Dann können sie wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen und erneut verwendet werden. im synaptischen Spalt abgebaut (z. B. die die Reizweiterleitung an chemischen Synapsen stören oder verhindern können.
Erregende und hemmende Synapsen
Synapsen können entweder erregend oder hemmend wirken.
Erregende Synapsen
Erregende Synapsen sorgen dafür, dass das Potential der nachgeschalteten Zelle positiver wird. 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. Wenn sich die Transmittermoleküle mit den Rezeptorproteinen verbinden, öffnen sich Natriumkanäle und Na+-Ionen strömen hinein.
Hemmende Synapsen
Hemmende Synapsen funktionieren genau anders herum als erregende. Ihre Transmitter öffnen Chloridkanäle statt Natriumkanäle. Die grundlegenden Prinzipien einer hemmenden Synapse sind beinahe identisch zu denen einer erregenden Synapse. Ein Aktionspotenzial 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.
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Präsynaptische Hemmung
Hier findet eine Hemmung bereits vor dem synaptischen Spalt statt. Das heißt, dass eine hemmende Synapse am Endknöpfchen eines Neurons anliegt. Der von ihr ausgeschüttete Neurotransmitter hemmt die weitere Ausbreitung des Aktionspotentials, das über eben dieses Neuron geleitet wird. An den Endknöpfchen werden somit keine Neurotransmitter ausgeschüttet.
Reizcodierung und Summation
Die Reizcodierung ist ziemlich clever: Entlang des Axons wird die Reizstärke über die Frequenz der Aktionspotentiale übertragen. Da meist mehrere Signale an einer Nervenzelle ankommen, muss es auf der nächsten Stufe zu einer Verrechnung aller PSP kommen. Hierfür gibt es zwei Prinzipien:
- Zeitliche Summation: zeitlich kurz aufeinanderfolgende Erregungen einer Synapse
- Räumliche Summation: gleichzeitige Stimulierung an verschiedenen Synapsen
Die linke Abbildung zeigt die zeitliche Summation. Hier treffen die Reize (Erregung) in so kurzen Zeitabständen ein, dass das Membranpotential nach Eintreffen des ersten Impulses nicht auf das Niveau des Ruhepotentials zurückkehren kann. Die rechte Abbildung hingegen visualisiert schematisch die räumliche Summation. Die Nervenzelle wird von mehreren Synapsen gleichzeitig stimuliert, sodass sich die postsynaptischen Potentiale addieren.
Synapsengifte und ihre Wirkung
Synapsengifte können diesen Prozess ordentlich durcheinanderbringen. Nikotin aktiviert zusätzlich Acetylcholinrezeptoren, während Atropin sie blockiert. Atropin dagegen hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert. Insektizide wie E605 hemmen die Acetylcholinesterase, das Enzym, das normalerweise die Transmitter abbaut. Sie hemmen dann die Informationsübertragung an Synapsen an unterschiedlichen Stellen. Es aktiviert postsynaptische Rezeptoren, die auch durch Acetylcholin aktiviert werden.
Neuronale Erregung: Grundlagen
Die Erregung von Neuronen ist ein zentrales Thema in der Biologie. Sie spielt eine fundamentale Rolle bei den Kommunikationsprozessen im Nervensystem und ist entscheidend für die Funktion von Gehirn und Körper. Neuronale Erregung bezeichnet die elektrische Aktivität in einem Neuron, die entsteht, wenn es ein Signal empfängt oder sendet. Diese Aktivität wird durch die Bewegung von Ionen durch spezialisierte Membranen des Neurons erzeugt.
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Hauptbestandteile dieses Prozesses sind:
- Ruhepotential: Der Zustand eines Neurons in Ruhe, mit einem stabilen negativen Ladungsunterschied zwischen der Innen- und Außenseite der Zellmembran.
- Aktionspotential: Eine schnelle Änderung des Membranpotentials, die als Antwort auf einen Reiz entsteht und sich entlang des Neurons ausbreitet.
- Depolarisation: Der Prozess, bei dem das Neuron weniger negativ wird, was zur Auslösung eines Aktionspotentials führt.
- Repolarisation: Die Rückkehr zum Ruhepotential nach einem Aktionspotential.
Die Erregung ermöglicht es Neuronen, Informationen schnell und effizient zu übermitteln.
Rolle der neuronalen Erregung im Nervensystem
Neuronale Erregung ist der Schlüsselmechanismus, durch den das Nervensystem Informationen verarbeitet und überträgt. Jedes Neuron im Nervensystem ist dazu in der Lage, Erregung zu erzeugen und weiterzugeben. Die Rolle dieser Erregung im Nervensystem umfasst:
- Signalübertragung: Erregung ermöglicht die Kommunikation über Netzwerke von Neuronen.
- Verarbeitung von Informationen: Erregung ist nötig, um sensorische Eingaben in Handlungsantworten zu übersetzen.
- Koordination: Durch die Verteilung und Integration von Signalen wird die Zusammenarbeit verschiedener Körperteile sichergestellt.
- Plastizität: Erregungsmuster können sich ändern, was zu Lern- und Anpassungsprozessen führt.
Ohne die korrekte Funktion der neuronalen Erregung wäre das Nervensystem nicht in der Lage, seine komplexen Aufgaben zu erfüllen.
Neurophysiologie: Erregungsprozesse
Die neurophysiologischen Prozesse der Erregung sind komplex und faszinierend. Sie bilden die Grundlage für das Verständnis, wie das Nervensystem Reize wahrnimmt und auf sie reagiert.
Entstehung und Verbreitung von Erregung
Die Entstehung von Erregung in einem Neuron beginnt, wenn ein Reiz das Ruhepotential verändert. Dieser Prozess löst die Öffnung und Schließung von Ionenkanälen aus, was zu einem Aktionspotential führt. Das Aktionspotential ist ein wichtiger Mechanismus der Erregungsleitung.
Hier einige wichtige Punkte dazu:
- Ruhepotential: Definiert als der Ladungsunterschied über die Neuronenmembran im Ruhezustand, oft etwa \text{-70mV}.
- Depolarisierung: Initiierung durch eingehende Na+-Ionen, die das Neuron positiv aufladen.
- Aktionspotential: Ein Schwellenwert erreicht etwa \text{-55mV}, führt zur schnellen Öffnung der Na+-Kanäle.
- Repolarisierung: Ausgang von K+-Ionen hilft, das Ruhepotential wiederherzustellen.
Das Aktionspotential bewegt sich entlang des Axons, indem es in benachbarten Membranabschnitten neue Aktionspotentiale auslöst. Dies ist analog zu einer Kettenreaktion.
Die Geschwindigkeit, mit der sich ein Aktionspotential bewegt, kann je nach Neurontyp variieren. In myelinisierten Nervenfasern erfolgt die Leitung 'saltatorisch'. Myelin wirkt als Isolator, der nur an den Ranvier-Schnürringen die Ionenpermeabilität zulässt, um die Ausbreitung des Aktionspotentials zu beschleunigen.
Einfluss von Ionen auf die Neurophysiologie der Erregung
Ionen spielen eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung und Weiterleitung von Erregung in Neuronen. Die wichtigsten Ionen in diesem Prozess sind Natrium (Na+), Kalium (K+), Calcium (Ca2+), und Chlorid (Cl-).
Hier sind einige ihrer Funktionen:
- Natrium (Na+): Eintritt depolarisiert das Neuron und initiiert das Aktionspotential.
- Kalium (K+): Austritt repolarisiert die Membran zurück zum Ruhepotential.
- Calcium (Ca2+): Beteiligt sich an der Neurotransmitterfreisetzung an synaptischen Endknöpfchen.
- Chlorid (Cl-): Einfluss auf die Hyperpolarisation und die neuronale Erregbarkeit.
Die Bewegungen dieser Ionen durch Kanäle in der Membran sind für die Umkehrung und Wiederherstellung des Membranpotentials während eines Aktionspotentials verantwortlich.
Erregungsleitung in Nervenzellen
Die Erregungsleitung ist ein wesentlicher Prozess in Nervenzellen, bei dem Informationen durch elektrische Signale übermittelt werden. Diese Signale breiten sich entlang der Axone aus und werden in Form von Aktionspotentialen weitergegeben.
Mechanismen der Erregungsleitung im Axon
Im Axon erfolgt die Erregungsleitung hauptsächlich durch das Aktionspotential. Die axonale Erregungsleitung ist entscheidend für das schnelle Übermitteln von Informationen über längere Strecken.
Im Detail:
- Initialisierung: Ein Auslöser oder Reiz bewirkt die Öffnung von Natriumkanälen, was zu einer Depolarisation der Membran führt.
- Verbreitung: Das entstandene Aktionspotential breitet sich entlang des Axons aus, indem es benachbarte Membranbereiche depolarisiert.
- Saltatorisch: In myelinisierten Neuronen „springt“ das Aktionspotential von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten, was eine schnellere Leitung ermöglicht.
Dieser Mechanismus bildet die Grundlage für die neuronale Kommunikation.
Unterschiede zwischen elektrischer und chemischer Erregungsleitung
Die Erregungsleitung in Nervenzellen erfolgt sowohl elektrisch als auch chemisch, aber es gibt wesentliche Unterschiede zwischen diesen beiden Arten.
| Elektrische Erregungsleitung | Chemische Erregungsleitung | |
|---|---|---|
| Übertragung | Direkte Weitergabe des elektrischen Signals über gap junctions. | Übertragung durch Neurotransmitter an Synapsen. |
| Geschwindigkeit | Schneller, mit kurzer Verzögerungszeit. | Langsamer, da Neurotransmitter freigesetzt und diffundieren müssen. |
| Flexibilität | Weniger flexibel, betrifft meist nur eng benachbarte Zellen. | Erlaubt Modulation und Integration durch verschiedene Neurotransmitter. |
Zusammengefasst ermöglicht die elektrische Erregungsleitung eine schnelle Reaktion, während die chemische Erregungsleitung anpassbarer ist und komplexere Prozesse wie Lernen und Gedächtnis beeinflusst.
Erregungsübertragung an Synapsen
Die Erregungsübertragung an Synapsen ist ein grundlegender Prozess im Nervensystem, durch den Signale zwischen Neuronen weitergeleitet werden. Diese Kommunikation erfolgt meist durch chemische Synapsen, wo Neurotransmitter im synaptischen Spalt freigesetzt werden.
Synaptische Übertragung und Nervenimpuls
Die synaptische Übertragung beschreibt den Prozess, durch den ein Nervenimpuls von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen wird.
Hauptbestandteile dieses Prozesses sind:
- Aktionspotential Ankunft: Veranlasst die Öffnung von Calciumkanälen am präsynaptischen Endknopf.
- Cacliumionen-Eintritt: Fördert die Fusion von synaptischen Vesikeln mit der Membran.
- Neurotransmitterfreisetzung: Die Vesikel setzen Neurotransmitter in den synaptischen Spalt frei.
- Rezeptorbindung: Neurotransmitter binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und erzeugen ein postsynaptisches Potential.
Die synaptische Übertragung ist entscheidend für die neuronale Kommunikation und beeinflusst Prozesse wie Lernen und Gedächtnis.
Rolle des Aktionspotentials bei der Erregungsübertragung
Das Aktionspotential spielt eine zentrale Rolle bei der Erregungsübertragung. Sobald das Aktionspotential beim präsynaptischen Neuron ankommt, leitet es die Freisetzung von Neurotransmittern ein, die für die Signalübertragung notwendig sind.
Die Schritte im Überblick:
- Initiierung: Das Aktionspotential veranlasst die Öffnung von Spannungskanälen, besonders Calciumkanälen.
- Calciumionen-Fluss: Sie diffundieren in die präsynaptische Zelle und lösen die Bewegung der Vesikel zur Membran aus.
- Vesikelfusion: Führt zur Exozytose von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt.
- Signalweitergabe: Die freigesetzten Neurotransmitter binden an die Rezeptoren des postsynaptischen Neurons, wodurch ein neues Aktionspotential erzeugt wird.
Das Aktionspotential aktiviert schrittweise Prozesse, die die synaptische Übertragung ermöglichen und regulieren.
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