Synapsen sind spezialisierte Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen und anderen Zellen, die für die Erregungsübertragung im Nervensystem verantwortlich sind. Der Synapsenaufbau und ihre Funktion sind entscheidend für die effiziente Informationsweiterleitung.
Was ist eine Synapse?
Eine Synapse ist eine Kontaktstelle zwischen Neuronen und anderen Zellen, wie Muskel- oder Sinneszellen. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Reizweiterleitung und sorgt für die Übertragung von Informationen von einem Neuron zum nächsten. Die Synapse Funktion ist also essentiell für die Kommunikation zwischen Nervenzellen und ermöglicht so die Koordination aller Körperfunktionen.
Synapsen sind keine starren Verbindungen wie Kabelverbindungen, sondern hochdynamische, spezialisierte Bereiche, die gezielt Reize weiterleiten, filtern, verstärken oder hemmen. Ganz gleich, ob beim Lernen, Erinnern, oder beim Steuern eines Muskels - ohne Synapsen gäbe es keine Kommunikation im Nervensystem.
Aufbau einer Synapse
Eine typische Synapse besteht aus drei Hauptteilen:
- Präsynapse: Sie bildet das Endknöpfchen des sendenden Neurons. Hier werden die sogenannten Neurotransmitter in kleinen Bläschen (Vesikeln) gespeichert. Die präsynaptische Membran befindet sich am Axonende eines Neurons, genauer gesagt am synaptischen Endknöpfchen. Im Endknöpfchen sind Vesikel vorhanden, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Das präsynaptische Element enthält Vesikel mit Neurotransmittern und spannungsabhängige Calciumkanäle.
- Synaptischer Spalt: Der winzige Zwischenraum (etwa 20-50 Nanometer breit) trennt das Endknöpfchen von der nächsten Zelle. Der synaptische Spalt ist der kleine Zwischenraum zwischen den beiden kommunizierenden Neuronen. Durch diesen Spalt diffundieren die Neurotransmitter der präsynaptischen Membran und können sich an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran binden.
- Postsynapse: Die postsynaptische Membran gehört zur empfangenden Zelle. Die postsynaptische Membran gehört zum Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle.
Neben diesen Hauptbestandteilen existiert noch eine Vielzahl regulierender Proteine, Enzyme und Transportmechanismen, die für Präzision und Selektivität in der Signalübertragung sorgen.
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Arten von Synapsen
Synapse ist nicht gleich Synapse: Unterschiedliche Anforderungen im Nervensystem haben zur Ausbildung verschiedener Synapsentypen geführt. Nach Form der Übertragung unterscheidet man elektrische und chemische Synapsen.
- Chemische Synapse: Bei der chemischen Synapse erfolgt die Signalübertragung indirekt mittels Neurotransmittern. Sie ist im menschlichen Nervensystem am häufigsten und ermöglicht komplexe Regulation, Verstärkung und Hemmung. Bei einer chemischen Synapse dauert die Übertragung länger (etwa 1 Millisekunde), denn hier wird ein elektrisches Signal in ein chemisches umgewandelt. Chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) werden freigesetzt und leiten die weitere Informationsübertragung ein.
- Elektrische Synapse: Diese seltenere Form findet man z.B. im Herzmuskel oder bei gewissen Reflexbahnen. Hier übertragen spezielle Kanäle (Gap Junctions) elektrisch geladene Teilchen (Ionen) direkt von Zelle zu Zelle. Der Signalfluss ist dabei extrem schnell, aber weniger regulierbar als bei der chemischen Synapse. In einer elektrischen Synapse wird die Erregung (Bildung bzw. Auslösung eines Aktionspotenzials) direkt in Form eines elektrischen Signals an die benachbarte Zelle weitergegeben. Dies geschieht fast verzögerungsfrei, da spezielle Proteinkanäle, sogenannte Gap Junctions, die Zellen miteinander verbinden. Die Informationsübertragung an elektrischen Synapsen erfolgt in weniger als einer Millisekunde!
Sowohl elektrische als auch chemische Synapsen sind Kontaktstrukturen zur Übertragung eines Signals von einer Nervenzelle auf eine weitere Nerven- oder andere Zielzelle. Die elektrische Synapse leitet das Signal über einen sehr engen Zellkontakt und über Ionenkanäle direkt weiter - ein Aktionspotenzial im präsynaptischen Neuron löst somit unmittelbar ein Aktionspotenzial im postsynaptischen Neuron aus. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist dadurch sehr hoch. Die Erregungsweiterleitung erfolgt aufgrund des Ionenstroms passiv.
Funktion der Synapse
Die Synapse Funktion ist entscheidend für die Reizweiterleitung und Erregungsweiterleitung von einem Neuron zum nächsten. Durch diesen komplexen Mechanismus wird sichergestellt, dass Informationen präzise und effizient im Nervensystem übertragen werden.
Die Hauptaufgabe der Endknöpfchen ist die Weiterleitung von Reizen. Synapsen finden sich überall dort, wo Nervenzellen Reizinformationen weiterleiten. Die Anzahl der Verbindungsstellen der Neuronen im menschlichen Gehirn ist nahezu unmöglich zu erfassen.
Die Synapse stellt den essenziellen Verbindungspunkt einer Nervenzelle dar und ermöglicht die Übertragung eines chemischen oder elektrischen Signals auf eine andere Nerven- oder Körperzelle.
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Erregungsübertragung an der chemischen Synapse
Bei der Erregungsübertragung an der Synapse erreicht zunächst ein Aktionspotential das präsynaptische Element und löst eine Öffnung von Calciumkanälen aus. Der Calcium-Einstrom bewirkt, dass Vesikel mit Transmittern zur Membran wandern und ihren Inhalt in den synaptischen Spalt abgeben. Diese Transmitter binden dann an Rezeptoren der postsynaptischen Membran, was zur Öffnung von Natriumkanälen führt und ein postsynaptisches Potential erzeugt. Die gesamte Erregungsweiterleitung Synapse ist ein präzise regulierter Prozess.
Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig. Der Anstieg der Calciumionenkonzentration löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der Membran aus. Die Neurotransmitter können an der postsynaptischen Membran an für sie spezifische Rezeptoren (Andockstellen) binden. Die Kanäle sind also nicht spannungsgesteuert, sondern ligandengesteuert. Das bedeutet: Die Ionenkanäle öffnen sich, sobald ein Transmitter (= Ligand) an den entsprechenden Rezeptor gebunden hat. Dieser Ein- und Ausstrom hat eine positive oder negative Veränderung der Spannung zur Folge (= postsynaptisches Potential). Die Erregung / Hemmung findet solange statt, wie die Neurotransmitter an den Rezeptoren gebunden sind. Dann können sie wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen und erneut verwendet werden.
Betrachten wir noch einmal etwas genauer, was im prä- und postsynaptischen Teil passiert. Ein Aktionspotenzial erreicht zunächst das Endknöpfchen, was zu einer Spannungsänderung führt. Das nennt man Depolarisation. Dadurch öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle und Calciumionen $\left( \ce{Ca^{2+}} \right)$ strömen durch die Kanäle in den präsynaptischen Teil. Die Zunahme der Calciumionen sorgt wiederum dafür, dass die Vesikel mit den Botenstoffen mit der präsynaptischen Membran verschmelzen - je höher die Calciumionenkonzentration, desto mehr Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran. Die Neurotransmitter gelangen daraufhin in den synaptischen Spalt und diffundieren zur postsynaptischen Membran. Dort befinden sich spezifische Rezeptoren, die wiederum mit Ionenkanälen verbunden sind. Sie öffnen sich, sobald die Neurotransmitter an die Rezeptoren binden. So können beispielsweise Natriumionen $\left( \ce{Na^{+}} \right)$ in den postsynaptischen Teil einströmen und es kommt zu einem postsynaptischen Potenzial. Je nach Ionenstrom wird ein aktivierendes oder hemmendes Signal in der postsynaptischen Zelle ausgelöst. Die Erregung oder Hemmung von einer Synapse allein kann keine Reaktion hervorrufen.
Exocytose an der Synapse
Die Exocytose findet statt, wenn ein Aktionspotential das präsynaptische Element erreicht und durch die Depolarisation Calcium-Kanäle öffnet. Der erhöhte Calcium-Spiegel bewirkt, dass die synaptischen Endknöpfchen mit ihren Vesikeln zur präsynaptischen Membran wandern und mit ihr verschmelzen.
Chemische Botenstoffe und Rezeptoren
Die Botenstoffe überwinden den synaptischen Spalt und binden an die passenden Rezeptoren an der postsynaptischen Membran der nächsten (nachgeschalteten) Zelle. Diese Bindung zwischen den Botenstoffen und den Rezeptoren funktioniert nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Durch die Bindung zwischen Botenstoff und Rezeptor wird erneut ein elektrischer Impuls ausgelöst, der wieder am Axon entlangwandert und so über die Synapsen von Zelle zu Zelle weitergegeben wird, bis die Zielzellen erreicht sind. Nach dieser Erregung werden die verbleibenden Botenstoffmoleküle im synaptischen Spalt durch Enzyme in Spaltprodukte zerlegt.
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Erregende und hemmende Synapsen
Es gibt erregende Synapsen und hemmende Synapsen, die im Nervensystem zu etwa gleichen Teilen vorkommen. Erregende (auch: exzitatorische) Synapsen sorgen für eine Weiterleitung von Impulsen. Beide Synapsentypen sind in Bau und Funktion gleich. Es ist ein Missverständnis, dass Synapsen immer Signale weiterleiten.
Erregende Synapsen sorgen für eine Depolarisation (Erregung) der Zielzelle - typisches Beispiel: Glutamat wirkt stimulierend im Gehirn. Hemmende Synapsen dagegen hyperpolarisieren ihre Zielzelle, bremsen also den Signalfluss - wie GABA oder Glycin.
Abbau von Neurotransmittern
Damit Signale nicht "hängenbleiben", werden Neurotransmitter nach ihrem Einsatz rasch abgebaut oder zurück in die Präsynapse aufgenommen (Reuptake).
Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten. Die Produkte der Spaltung diffundieren zurück in die Präsynapse: Acetat und Cholin werden zurück zur präsynaptischen Membran transportiert und dort aktiv aufgenommen. Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Im Endknöpfchen werden Acetat und Cholin wieder zu Acetylcholin regeneriert. Der Zyklus kann erneut beginnen.
Synaptische Plastizität
Synaptische Plastizität ist die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke und Effizienz zu verändern - je nachdem, wie oft und wie stark sie benutzt werden. Sie ermöglicht es dem Gehirn, auf Erfahrungen zu reagieren und sich anzupassen. Eine berühmte Form ist die Langzeitpotenzierung (LTP): Werden Synapsen über längere Zeit wiederholt aktiviert, werden sie besonders leistungsfähig.
Diese Anpassungsfähigkeit ist die physikalische Grundlage für nahezu alle Lern- und Anpassungsprozesse im Nervensystem - von kindlicher Sprachentwicklung über das Erlernen eines Musikinstruments bis hin zur Regeneration nach einer Gehirnverletzung. Gehirnforscherinnen und -forscher sprechen deshalb oft vom "Gedächtnis der Synapsen".
Lernen und Erinnern hängen stark von der Aktivität deiner Synapsen ab.
Synapsengifte
Es gibt verschiedene Synapsengifte, die, je nach Art des Gifts, in allen Teilen der Synapse (Präsynapse, synaptischer Spalt, Postsynapse) wirken können. Sie beeinflussen die Erregungsübertragung also auf unterschiedliche Weise. Nikotin aktiviert postsynaptische Rezeptoren und öffnet dadurch Natriumkanäle. Dies hat eine erregende Wirkung auf den Körper und selbst schwächere Signale können bereits eine Depolarisation auslösen. Kokain bewirkt, dass der Botenstoff Dopamin ohne ein elektrisches Signal in den synaptischen Spalt gelangt. Dopamin spielt eine Rolle bei der Motivations- und Emotionsregulation und ist auch als Botenstoff des Glücks bekannt. Die Wiederaufnahme in den präsynaptischen Teil wird außerdem verhindert. Dadurch ist ein Vielfaches der normalen Botenstoffmenge im synaptischen Spalt vorhanden und die nachfolgende Zelle wird dauergereizt. In diesem Moment fühlt sich eine Person oft unschlagbar und ist zu beeindruckenden Leistungen imstande, es kommt allerdings nicht selten zur Abhängigkeit. Schlimm wird es für Konsumierende insbesondere nach dem Rausch: Kokain wird schnell abgebaut. Da die freigesetzten Botenstoffe allerdings nicht wieder in die Präsynapse aufgenommen werden können, brauchen die Nervenzellen sehr lange, die Neurotransmitter wieder aufzufüllen.
Atropin dagegen hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.
Bedeutung der Synapsen
Synapsen bilden das Fundament für alle Funktionen des Nervensystems: Sie verknüpfen Milliarden von Nervenzellen zu Netzwerken und ermöglichen Wahrnehmung, Bewegung, Denken und Lernen. Sie bestimmen, wie Informationen im Gehirn fließen und verarbeitet werden.
Flexibilität und Plastizität: Die synaptische Verbindung ermöglicht eine hohe Flexibilität und Plastizität des Gehirns. Das Nervensystem kann sich ständig an neue Erfahrungen, Lernvorgänge und Veränderungen anpassen.
Spezifität: Die synaptische Übertragung ermöglicht eine spezifische und zielgerichtete Kommunikation zwischen Nervenzellen.
Filterung: Die synaptische Spalt ermöglicht es, unerwünschte Signale oder Störungen zu filtern.
Modulation: Die synaptische Übertragung erlaubt es dem Gehirn, die Stärke der Verbindungen und damit die Reizübertragung zu modulieren. Dies spielt eine wichtige Rolle in der Regulierung von Gehirnfunktionen, wie z. B. Verhinderung von Überlastung: Ein fester Draht zwischen Nervenzellen würde zu einer unkontrollierten und potenziell chaotischen Signalübertragung führen.