Die faszinierende Welt der Neuronen und Synapsen: Funktion und Bedeutung für unser Gehirn

Unser Nervensystem, ein komplexes Netzwerk aus Abermilliarden von Nervenzellen, steuert bewusste und unbewusste Prozesse. Es ermöglicht uns, die Welt wahrzunehmen, zu denken, zu fühlen und zu handeln. Die Grundlage dieser komplexen Funktionen bilden die Neuronen und ihre Verbindungen, die Synapsen.

Das Nervensystem: Ein Überblick

Das Nervensystem wiegt etwa 2 kg, wovon rund 1,3 kg auf das Gehirn entfallen. Es besteht aus dem zentralen Nervensystem (ZNS), welches das Gehirn und das Rückenmark umfasst, und dem peripheren Nervensystem (PNS), das alle Nerven außerhalb des ZNS beinhaltet. Das Nervensystem lässt sich in sensorisches, motorisches und vegetatives Nervensystem unterteilen.

• Sensorisches Nervensystem: Nimmt Informationen aus der Umwelt und dem Körperinneren auf und leitet sie an das Gehirn weiter.
• Motorisches Nervensystem: Steuert die Muskeln und ermöglicht uns so, uns zu bewegen und zu handeln.
• Vegetatives Nervensystem: Reguliert unbewusste Körperfunktionen wie Atmung, Herzschlag, Verdauung und Stoffwechsel.

Neuronen: Die Bausteine des Nervensystems

Das Nervensystem besteht aus Abermilliarden Nervenzellen (Neuronen). Mit ihren „Zweigen“ (Dendriten) empfangen sie Signale aus den Nachbarzellen und schicken sie über den Stamm (Axon) zu den Synapsen, den Kontaktstellen zur nächsten Zelle. Nervenzellen sind im Durchmesser nur bis 0,1 Millimeter groß, das Axon kann aber bis zu einem Meter lang sein.

Ein Neuron besteht aus drei Hauptteilen:

• Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und die Organellen.
• Dendriten: Verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Neuronen empfangen.
• Axon: Langer, schlanker Fortsatz, der Signale an andere Neuronen oder Zielzellen weiterleitet.

Die Nervenzellen besitzen eine Antennenregion, die durch den Zellkörper und deren Fortsätze (Dendriten) gebildet wird. Die Signale werden dann verrechnet und durch ein „Kabel“, das Axon, in Form von elektrischen Impulsen weitergeleitet. In der Senderregion verzweigt sich das Axon und bildet Kontaktstellen aus, die Synapsen, an denen die Signale auf andere Nervenzellen übertragen werden.

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Synapsen: Die Schaltstellen des Nervensystems

Synapsen sind die Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, die Informationen (Reize/Erregungen) weiterleiten. Sie ermöglichen die Kommunikation zwischen Neuronen und die Übertragung von Signalen von Neuronen zu anderen Zellen, wie Muskelzellen oder Drüsenzellen. Bis zu 100.000 Synapsen kann eine Nervenzelle haben.

Eine Synapse ist der Verbindungsbereich zwischen zwei Zellen, in dem chemisch oder elektrisch ein Signal weitergeleitet wird. Eine Synapse besteht aus drei Bereichen:

• Präsynapse: Das Neuron, das das Signal sendet.
• Synaptischer Spalt: Der Raum zwischen den beiden Neuronen.
• Postsynapse: Das Neuron, das das Signal empfängt.

Synapsen stellen Kontaktstellen zwischen axonalen Nervenendigungen (die Präsynapse) und postsynaptischen Neuronen dar. An diesen Synapsen wird das elektrische Signal in chemische Botenstoffe umgewandelt, die dann von den Postsynapsen anderer Nervenzellen empfangen werden. Neben der Übertragung von Erregung können Synapsen auch Informationen speichern.

Arten von Synapsen

Grundsätzlich lassen sich zwei Arten von Synapsen unterscheiden:

• Elektrische Synapsen: Hier 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. Eine elektrische Synapse verbindet zwei Nervenzellen direkt miteinander, sodass das elektrische Signal ohne Umweg von einer Zelle zur nächsten fließen kann.
• Chemische Synapsen: Chemische Synapsen kommen in unserem Körper viel häufiger vor. Hier wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt, indem Neurotransmitter freigesetzt werden, die dann an Rezeptoren der postsynaptischen Zelle binden. 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.

Auch nach dem Botenstoff lassen sich verschiedene Arten von Synapsen unterscheiden.

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Neurotransmission an der chemischen Synapse

1. Ein Aktionspotential erreicht das Axonende der präsynaptischen Zelle.
2. Spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen sich, und Calciumionen strömen in die Zelle ein.
3. Der Anstieg der Calciumionenkonzentration löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der Membran aus.
4. Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt.
5. Die Neurotransmitter können an der postsynaptischen Membran an für sie spezifische Rezeptoren (Andockstellen) binden.
6. Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren öffnet Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran.
7. Ionen strömen in die postsynaptische Zelle ein oder aus und verändern das Membranpotential.
8. Es entsteht ein postsynaptisches Potential (PSP), das entweder erregend (EPSP) oder hemmend (IPSP) sein kann.
9. Die Neurotransmitter werden entweder wieder in die präsynaptische Zelle aufgenommen, im synaptischen Spalt abgebaut oder diffundieren weg.

Die synaptische Übertragung ist ein hochdynamischer Prozess, der durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden kann. Dazu gehören die Menge der freigesetzten Neurotransmitter, die Anzahl der Rezeptoren auf der postsynaptischen Zelle und die Aktivität von Enzymen, die die Neurotransmitter abbauen.

Synaptische Vesikel: Speicher und Transport von Neurotransmittern

Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Jedes Nervenende im zentralen Nervensystem enthält durchschnittlich mehrere 100 synaptische Vesikel. Dennoch gibt es hier große Unterschiede: So gibt es beispielsweise Spezialisten unter den Synapsen, die mehr als 100.000 Vesikel enthalten. Dazu zählen die Synapsen, die unsere Muskeln steuern.

Die synaptischen Vesikel sind keineswegs nur eine Art membranumhüllte „Konservendose“ zur Speicherung der Botenstoffe. In ihrer Membran befindet sich eine ganze Reihe von Proteinen, die sich seit Millionen von Jahren durch die Evolution kaum verändert haben. Eine Gruppe dieser Proteine, die Neurotransmitter-Transporter, ist dafür verantwortlich, die Botenstoffe aus dem Zellplasma in die Vesikel hineinzupumpen und dort anzureichern. Dazu ist viel Energie erforderlich. Diese wird von einem weiteren Proteinmolekül bereitgestellt, einer Protonen-ATPase (V-ATPase), die unter Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) Protonen in die Vesikel hineinpumpt. Neben diesen für das „Auftanken“ erforderlichen Proteinen enthalten die Membranen synaptischer Vesikel weitere Komponenten, die dafür sorgen, dass die Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen können (darunter das SNARE-Protein Synaptobrevin und den Calcium-Sensor Synaptotagmin) und nach der Membranfusion wieder in das Nervenende zurücktransportiert werden.

Die synaptische Vesikel werden anschließend im Nervenende über einige Zwischenschritte wieder recycelt und neu mit Botenstoffen befüllt.

Synaptische Plastizität: Die Grundlage für Lernen und Gedächtnis

Synaptische Plastizität bezeichnet die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke im Laufe der Zeit zu verändern. Diese Veränderungen können sowohl die Struktur als auch die Funktion der Synapsen betreffen. Synaptische Plastizität ist die Grundlage für Lernen und Gedächtnis.

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Beim Lernen werden individuell und selektiv erworbene Informationen aus der Umwelt im Gedächtnis in abrufbarer Form gespeichert. Dies geschieht manchmal nur kurzfristig, manchmal auf Erfahrungen aufbauend, auch über längere Zeiträume hinweg, zum Teil sogar für das ganze weitere Leben. Lernen basiert dabei auf einer spezifischen Verstärkung von bestimmten Synapsen, an denen die Signalübertragung durch biochemische und strukturelle Modifikationen erleichtert wird (Stichworte sind hier Langzeitpotenzierung und synaptische Plastizität). Plastische Synapsen verändern hierbei ihre Struktur und ihre Übertragungseigenschaften, was die Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse ist. Manchmal bilden sich beim Lernen neue Synapsen oder nicht mehr gebrauchte Synpasen werden abgebaut.

Wie gut wir lernen und uns etwas merken können, ist dabei von Faktoren wie Aufmerksamkeit, Motivation und Belohnung abhängig. Dabei werden wichtige von unwichtigen Informationen getrennt. Im Gehirn gibt es keinen zentralen Ort, an dem Informationen gespeichert werden, aber der Hippocampus ist eine zentrale Schaltstelle für viele Gedächtnisinhalte.

Die Bedeutung von Neuronen und Synapsen für das Gehirn

Das Gehirn ist ein gigantisches Netzwerk von Nervenzellen. Dieses Netzwerk steuert all unsere Organe und Körperfunktionen. Das Gehirn steuert alle wichtigen Fähigkeiten des Menschen: was wir wahrnehmen und empfinden, was wir wissen und denken oder wie wir uns verhalten. Es stellt aber auch sicher, dass unsere Organe richtig arbeiten und steuert all unsere Bewegungen. Es nimmt Sinneseindrücke auf und verarbeitet sie. Außerdem speichert es Informationen im Gedächtnis und ruft sie bei Bedarf wieder ab.

Das Gehirn besteht aus verschiedenen Bereichen, wobei jeder Bereich auf bestimmte Aufgaben spezialisiert ist.

• Hirnstamm: Der älteste Gehirn-Teil in der Entwicklungsgeschichte des Menschen. Er verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark. Zum Hirnstamm werden drei Hirn-Abschnitte gerechnet: verlängertes Mark, Mittelhirn und Brücke. Der Hirnstamm ist u. a. Durch den Hirnstamm verlaufen wichtige Nerven-Bahnen. Sie sorgen dafür, dass eingehende Sinneseindrücke aus dem Körper an das Großhirn weitergeleitet werden. Umgekehrt leiten sie auch Informationen vom Großhirn zu den Nervenzellen des Rückenmarks. Diese sind z. B. Außerdem regelt der Hirnstamm lebenswichtige Systeme wie Herzschlag, Atmung und Blutdruck. Auch wichtige Körperreflexe haben hier ihren Sitz. Dazu gehören z. B.
• Zwischenhirn: Für viele überlebenswichtige Empfindungen und Instinkte des Menschen verantwortlich. Hier werden zum Beispiel Durst und Hunger oder der Schlaf gesteuert. Auch an der Verarbeitung von Sinneseindrücken wie Sehen, Hören oder Tasten ist das Zwischenhirn beteiligt. Der Thalamus ist die wichtigste Schaltstation für Informationen aus den Sinnesorganen. Äußere Sinneseindrücke wie Sehen, Hören oder Tasten gehen hier ein. Hier werden sie verarbeitet und bewertet - jedoch, ohne dass sie uns bereits bewusst sind. Wichtige Informationen werden an das Großhirn weitergeleitet und dort bewusst gemacht. Der Thalamus ist also ein wichtiger Informationsfilter. Er sorgt dafür, dass das Großhirn und das Bewusstsein nicht von Signalen überflutet werden. Der Hypothalamus regelt zahlreiche automatische Vorgänge im Körper. Dazu gehören die Körpertemperatur, Wasser- und Salz-Haushalt oder auch die Magen-Darm-Funktion. Er ist auch am Entstehen des Durst-, Hunger- und Sättigungs-Gefühls beteiligt. Gemeinsam mit der Hirn-Anhang-Drüse (Hypophyse) reguliert der Hypothalamus wichtige Hormone im Körper. Im Zusammenspiel mit anderen Gehirn-Bereichen ist der Hypothalamus auch für Gefühle zuständig, wie z. B.
• Kleinhirn: Wichtig für das Gleichgewicht und die Koordination. Gemeinsam mit dem Großhirn steuert es die Muskeln und somit die Bewegungen. Außerdem sorgt es ganz wesentlich mit dafür, dass die Muskel-Spannung des Körpers erhalten bleibt. Während das Großhirn vorrangig für bewusste Bewegungen zuständig ist, steuert das Kleinhirn bereits gelernte Bewegungsabläufe. Hier werden bestimmte Bewegungsabfolgen wie Tanzschritte oder das Schalten beim Autofahren gespeichert.
• Großhirn: Der jüngste Gehirn-Teil in der Entwicklungsgeschichte des Menschen. Es ist zugleich der größte Teil des menschlichen Gehirns. Das Großhirn ermöglicht die sogenannten „höheren“ Hirnfunktionen, wie Motivation, Lernen, Denken oder Verstehen. Die Großhirn-Rinde bedeckt die gesamte Oberfläche des Großhirns. Sie ist etwa 1,5 bis 4,5 Millimeter dick und enthält fast drei Viertel aller Nervenzellen des Gehirns. Hier gehen wichtige Sinneseindrücke ein. Sie werden sortiert, bewusst gemacht, gespeichert und sinnvoll miteinander verknüpft. Dadurch ist es dem Menschen möglich, zielgerichtet zu handeln. In der Großhirn-Rinde sitzen auch die Wahrnehmung und der Wille. Auch wesentliche Teile unseres Gedächtnisses liegen in der Großhirn-Rinde. Denken und Erinnern sind hier verankert, willentliche Bewegungen werden gesteuert. Die Großhirn-Rinde ist in verschiedene Unterbereiche, sogenannte Gehirn-Lappen, gegliedert. Sie werden entsprechend ihrer Lage Stirn-Lappen, Schläfen-Lappen, Scheitel-Lappen und Hinterkopf-Lappen genannt. In ihnen haben Nervenzellen mit ganz bestimmten Aufgaben ihren Sitz. Man kann heute schon sehr genau sagen, wo sich einzelne Funktionen befinden, z. B. Unterhalb der Großhirn-Rinde verlaufen die Fortsätze der Nervenzellen. Sie übertragen Informationen. Unterhalb des Großhirns liegen auch die Basal-Ganglien. Das sind sehr dichte Verbünde von Nervenzellen.

Die Verbindungen zwischen den Nervenzellen, die Synapsen, ermöglichen die Kommunikation zwischen den verschiedenen Gehirnbereichen und die Verarbeitung von Informationen. Je besser die einzelnen Nerven-Zellen und Gehirn-Bereiche miteinander vernetzt sind, desto leistungsfähiger ist das Gehirn. Die Haupt-Verbindungen im Gehirn entwickeln sich schon vor der Geburt. Aus der Gehirn-Forschung weiß man aber, dass sich neue Kontakte zwischen Nerven-Zellen über das gesamte Leben ausbilden. Auch alte Verknüpfungen können sich verändern.

Erkrankungen im Zusammenhang mit Synapsen

Fehlfunktionen von Synapsen können zu einer Vielzahl von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen. Dazu gehören:

• Neurodegenerative Erkrankungen:
  • Parkinson-KKrankheit: neurodegenerative Erkrankung, bei der die Produktion von Dopamin durch Zerstörung der produzierenden Zellen in der Substantia nigra vermindert ist.
  • Chorea Huntington: progressive neurodegenerative Erkrankung mit autosomal-dominanter Vererbung. Sie wird durch vervielfältigte CAG-Triplett-Wiederholungen (Cytosin-Adenin-Guanin) im Huntingtin-Gen (HTT) verursacht. Zum klinischen Erscheinungsbild im Erwachsenenalter gehören eine Bewegungsstörung, die als Chorea bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um abrupte, unwillkürliche Bewegungen des Gesichts, des Rumpfes und der Extremitäten.
  • Demenz: Demenz geht mit einer Schädigung des Gehirns einher, die weitreichende Folgen für das gesamte Denken und Handeln haben kann.
• Autoimmunerkrankungen:
  • Myasthenia gravis: Autoimmunerkrankung, die durch eine Produktion von Autoantikörpern gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran gekennzeichnet ist. Rezeptoren blockiert sind, wird die Muskelkontraktion gehemmt. Betroffene berichten von Erschöpfung und Müdigkeit am Ende des Tages.
• Neurologische Entwicklungsstörungen:
  • Autismus-Spektrum-Störung: neurologische Entwicklungsstörung, die durch reduzierte soziale Fähigkeiten, eingeschränkte Interessen und soziale Interaktionen sowie sich wiederholende und stereotype Verhaltensweisen gekennzeichnet ist. Diese Störung wird aufgrund der großen Variabilität in der Ausprägung und Symptomatik als „Spektrum“ bezeichnet. Autismus-Spektrum-Störung leiden unter schweren Beeinträchtigungen der Sprachfähigkeit und des Intellekts, während andere einen normalen oder sogar fortgeschrittenen Intellekt aufweisen.
• Psychiatrische Erkrankungen:
  • Schizophrenie: schwere chronische psychische Störung. Schizophrenie ist gekennzeichnet durch das Vorhandensein psychotischer Symptome, desorganisierten Sprechens oder Verhaltens, Affektverflachung, Avolition, Anhedonie, verminderte Aufmerksamkeitsfähigkeit und Alogie.
• Infektionskrankheiten:
  • Tetanus: Tetanustoxin: Verhinderung der Freisetzung des hemmenden Neurotransmitters GABA. Muskelphysiologie der Skelettmuskulatur, die sich durch Krämpfe zeigt. Besonders betroffen ist die Kiefermuskulatur. Dadurch entsteht das klassische Zeichen der Kieferklemme. Im Verlauf wird zudem die Atemmuskulatur gelähmt.
  • Botulismus: Botulinumtoxin gehört zu den giftigsten bekannten Proteinen. Clostridien produziert. Wenn Botulinumtoxin an die synaptischen Vesikelproteine und Ganglioside bindet, verhindert es die Freisetzung von Acetylcholin, einem stimulierenden Neurotransmitter.

Medikamente und Synapsen

Viele Medikamente wirken auf Synapsen, indem sie die Freisetzung, Aufnahme oder den Abbau von Neurotransmittern beeinflussen oder an Rezeptoren binden. Diese Medikamente können zur Behandlung von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen eingesetzt werden.

Einige Beispiele:

• Atropin: Atropin dagegen hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.
• Koffein: Koffein ist eine psychoaktive Substanz. Es überwindet die Blut-Hirn-Schranke und wirkt direkt auf das zentrale Nervensystem, indem es die Adenosinrezeptoren der Nervenzellen blockiert. Adenosin ist ein Botenstoff, der dem Körper Müdigkeit signalisiert. Daher die belebende Wirkung.

Forschung und Zukunftsperspektiven

Die Erforschung von Neuronen und Synapsen ist ein aktives Gebiet der Neurowissenschaften. Ziel ist es, die komplexen Mechanismen der Signalübertragung und synaptischen Plastizität besser zu verstehen und neue Therapien für neurologische und psychiatrische Erkrankungen zu entwickeln.

So konnten Forscher vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) zusammen mit einem internationalen Team einen entscheidenden Mechanismus aufdecken und die Identität der axonalen Transportvesikel aufklären. Die Erkenntnisse liefern wichtige Grundlagen, um künftig die Regeneration von Nervenzellen zu befördern oder auch Alterungsprozessen entgegenzuwirken.

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