Die Signalübertragung im Gehirn ist ein faszinierender und komplexer Prozess, der die Grundlage für alle unsere Gedanken, Gefühle und Handlungen bildet. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte dieses Prozesses, von den beteiligten Zellen und Substanzen bis hin zu den Mechanismen, die eine schnelle und effiziente Kommunikation ermöglichen.
Einführung in die neuronale Kommunikation
Die Informationsverarbeitung im Gehirn beruht auf der Kommunikation zwischen Netzwerken von Nervenzellen, den Neuronen, über spezielle Kontaktstellen, die Synapsen. Lange Zeit wurde vermutet, dass elektrischer Strom direkt zwischen den Zellen fließt, ähnlich wie bei der Weiterleitung von Informationen innerhalb einer einzelnen Nervenzelle durch elektrische Aktionspotentiale. Tatsächlich gibt es auch elektrische Synapsen, die Neuronen über sogenannte "gap junctions" verbinden. Diese sind jedoch im Nervensystem in der Minderheit. Die meisten Synapsen kommunizieren chemisch miteinander.
Chemische Signalübertragung an Synapsen
Die chemische Übertragung von elektrischer Erregung an Synapsen bietet vielfältigere Möglichkeiten als eine einfache elektrische Kontaktstelle. Die Botenstoffe, die an chemischen Synapsen Informationen übertragen, werden als Neurotransmitter bezeichnet. Bis heute wurden Dutzende dieser Substanzen identifiziert, die sich in unterschiedliche Klassen einteilen lassen. Bekannte Beispiele sind Serotonin und Dopamin, die auch als "Glückshormone" gelten.
Der synaptische Spalt und Neurotransmitter
Neurotransmitter wandern in der Regel von der Synapse des sendenden Neurons über einen synaptischen Spalt zu einer postsynaptischen Membran, die sich auf Axon, Dendriten oder Zellkörper einer empfangenden Nervenzelle befinden kann. Sie werden auf der Ausgangsseite, also in der Synapse, auf Vorrat gebildet und in kleinen Bläschen, den Vesikeln, gespeichert. Wenn ein Aktionspotential eintrifft, entleeren sich die Vesikel in den synaptischen Spalt.
Rezeptoren und ihre Wirkmechanismen
An der postsynaptischen Membran passen die Transmittermoleküle zu bestimmten Rezeptorproteinen wie ein Schlüssel ins Schloss. Dort können sie erregend oder hemmend wirken, abhängig vom Transmitter selbst und vom jeweiligen Rezeptortyp. Auf jeden Fall entsteht ein Input, den das postsynaptische Neuron zusammen mit den von anderswo einlaufenden Signalen weiterverarbeiten kann.
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Jeder Neurotransmitter hat seine eigenen, spezifischen Rezeptoren, und in der Regel viele verschiedene davon, die sogenannten Subtypen. Diese lassen sich in Laboruntersuchungen beispielsweise dadurch unterscheiden, wie sie auf andere chemische Verbindungen reagieren. So gibt es bei den Glutamatrezeptoren drei Subtypen, die sich durch Agonisten wie AMPA, NMDA und Kainsäure aktivieren lassen. Im Gegensatz dazu stehen die Antagonisten, die einen Rezeptor blockieren statt aktivieren.
Rezeptoren lassen sich auch durch ihren Wirkmechanismus unterscheiden. Alle Glutamatrezeptoren, ob nun AMPA-, NMDA- oder Kainat-Rezeptor, öffnen bei Aktivierung direkt einen Ionenkanal in der postsynaptischen Membran (ionotrope Rezeptoren).
Die Vielfalt der Neurotransmitter
Die heute bekannten Neurotransmitter lassen sich großteils in drei Substanzklassen einordnen:
- Aminosäuren: Die drei häufigsten Transmitter Glutamat, GABA und Glycin sind Aminosäuren, kleine Bausteine von Eiweißmolekülen, wie sie im Körper überall vorhanden sind.
- Amine: Serotonin, Dopamin und weitere Transmitter gehören zu den Aminen, die durch enzymatische Reaktionen aus Aminosäuren gebildet werden.
- Neuropeptide: Die dritte Gruppe bilden die Neuropeptide, von denen bis heute mehr als 50 entdeckt wurden. Peptide sind kurze Kettenmoleküle aus Aminosäuren und können von der Zelle genau wie Proteine (lange Aminosäureketten) entsprechend genetisch codierter Baupläne synthetisiert werden.
Das Aufräumen nach der Signalübertragung
Nach der Signalübertragung müssen die Transmittermoleküle aus dem Spalt verschwinden, damit die Synapse wieder funktionsfähig wird. Bei den Substanzen, die für schnelle Kommunikation zuständig sind, helfen Transportproteine in der präsynaptischen Membran bei der Wiederaufnahme des Transmitters im Neuron. Dort wird er entweder wiederverwertet oder abgebaut. Jeder Transmitter benötigt also eine speziell auf ihn abgestimmte Maschinerie, damit Synthese, Freisetzung, Wirkung und Wiederaufnahme reibungslos funktionieren.
Da Nervenzellen jeweils auf einen oder wenige Transmitter spezialisiert sind, lassen sich jedem Botenstoff konkrete Neuronennetzwerke zuordnen. Besonders bekannte und bedeutsame Beispiele solcher Neurotransmittersysteme sind das cholinerge System rund um den Transmitter Acetylcholin, das serotonerge System mit dem Botenstoff Serotonin und das dopaminerge System mit dem Neurotransmitter Dopamin.
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Drei wichtige Neurotransmittersysteme
Acetylcholin, Serotonin und Dopamin haben relativ kleine Ursprungsgebiete, werden also nur von bestimmten, eng gefassten Neuronengruppen produziert. Ihr Einfluss reicht aber über 100.000 Synapsen und mehr pro beteiligtem Neuron in sehr viele verschiedene Stellen im Gehirn hinein. Im Vergleich zu Glutamat wirken sie langsamer und länger anhaltend, weil sie nicht nur in jeweils einer einzelnen Synapse ausgeschüttet werden, sondern diffus in einem größeren Gebiet. Sie spielen deshalb eine besondere Rolle bei der Regulierung umfassender Zustände wie Schlaf oder Gemütsverfassung.
Das cholinerge System und Acetylcholin
Acetylcholin wurde als erster Neurotransmitter entdeckt, weil er für das vegetative Nervensystem sowie an der Schnittstelle zwischen motorischen Nerven und Skelettmuskulatur eine entscheidende Rolle spielt. Aber auch im Gehirn finden sich cholinerge Neuronen. Die wichtigsten davon lassen sich zu zwei diffusen Modulationssystemen zusammenfassen:
- Das eine System innerviert von der Basis des Großhirns aus (zwischen und unter den Basalganglien) Hippocampus, Neocortex und Riechkolben. Diese Zellen gehören zu den ersten, die bei der Alzheimer-Krankheit absterben. Inwieweit es darüber hinaus eine Verbindung zu der Krankheit gibt, ist unklar. Unter den zugelassenen Alzheimer-Medikamenten, die den Verlust geistiger Fähigkeiten zumindest verzögern sollen, befinden sich aber Wirkstoffe, die den Acetylcholin-Abbau im Gehirn verlangsamen.
- Das zweite System besteht aus Zellen im Pons und im Tegmentum des Mittelhirns. Es wirkt vor allem in den Thalamus hinein, darüber aber auch stark ins Großhirn. Beteiligt sind die cholinergen Neuronen etwa an der Steuerung von Aufmerksamkeit und der Erregbarkeit des Gehirns während Schlaf- und Wachrhythmus. In Tierversuchen wurde deutlich, dass Acetylcholin die Weiterleitung sensorischer Reize vom Thalamus in die zuständigen Cortex-Regionen fördert.
Das serotonerge System und Serotonin
Neurone, die Serotonin als Botenstoff ausschütten, beeinflussen zum Beispiel das Schmerzempfinden, Schlaf- und Wachrhythmus und den Gemütszustand. Serotonin ist auch außerhalb des zentralen Nervensystems weit verbreitet und wurde erstmals in der Schleimhaut des Magen-Darm-Trakts isoliert. Den Namen hat es von seiner Wirkung auf den Blutdruck: Als Bestandteil des Serums reguliert es die Spannung (Tonus) der Blutgefäße.
Als Neurotransmitter im Gehirn ist Serotonin nur in Neuronen nachweisbar, deren Zellkörper in den so genannten Raphekernen im Hirnstamm sitzen. Von dort innervieren sie mit ihren Axonen praktisch alle Regionen des Gehirns und beeinflussen etwa Schmerzempfinden, Schlaf- und Wachrhythmus und den Gemütszustand. Die Raphekerne sind im Zustand erhöhter Wachsamkeit besonders aktiv, am wenigsten dagegen im Schlaf.
Ein Übermaß an Serotonin im Gehirn kann zu Unruhe und Halluzinationen führen, während ein Serotoninmangel depressive Verstimmungen, Angst und Aggressionen verursachen kann. Serotonin ist in vielen Nahrungsmitteln enthalten, kann aber nicht von der Blutbahn ins Gehirn gelangen. Vielmehr wird es dort aus der Aminosäure Tryptophan erzeugt. Allerdings lässt sich die Serotoninmenge im Gehirn über den Tryptophanspiegel beeinflussen, der wiederum über die Ernährung beeinflussbar ist. So führt kohlenhydratreiche Kost zu hoher Tryptophan-Verfügbarkeit, während ein Entzug von Kohlenhydraten in Studien Schlafstörungen und Depressionen bewirkt hat, was auf das dann fehlende Serotonin zurückgeführt wurde.
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Viele Antidepressiva und Medikamente gegen Angst erhöhen gezielt die Menge verfügbaren Serotonins im Gehirn, etwa indem sie die präsynaptische Wiederaufnahme verlangsamen. Diese Wirkstoffe kennt man als selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRI). Trotzdem lässt sich die Stimmung nicht einfach verbessern, indem man den Serotoninspiegel erhöht.
Das dopaminerge System und Dopamin
Dopamin entsteht ebenso wie Noradrenalin und Adrenalin aus der Aminosäure Tyrosin. Bevor Tierexperimente seine eigenständige Bedeutung für das zentrale Nervensystem zeigten, galt Dopamin lange nur als chemische Vorstufe des Noradrenalins. Dopaminhaltige Zellen finden sich vielerorts im Zentralnervensystem, zwei dopaminerge Neuronengruppen haben aber besondere Bedeutung:
- Eine befindet sich in der Substantia nigra im Mittelhirn und sendet ihre Nerven ins Striatum. Dieser Pfad ist für die Steuerung willkürlicher Bewegungen wichtig. Degenerieren die dopaminergen Zellen in der Substantia nigra, löst das verhängnisvolle motorische Störungen aus, die Parkinson-Krankheit.
- Das zweite dopaminerge System geht ebenfalls aus dem Mittelhirn hervor, aus dem ventralen Tegmentum. Von dort reichen die Axone in bestimmte Teile des Großhirns und des limbischen Systems. Bekannt ist dieser Pfad deshalb auch als mesocorticolimbisches System. Ihm wird eine wichtige Rolle bei der Motivation zugeschrieben: Es gilt als Belohnungssystem, das bei Tier wie Mensch überlebensdienliche Verhaltensweisen verstärkt.
Erhöht man durch geeignete Wirkstoffe die verfügbare Dopamin-Menge, so wirkt sich das stimulierend aus, oft allerdings auch suchterzeugend. Ein bekanntes Beispiel ist Kokain: Es hemmt die Wiederaufnahme von Dopamin und sorgt so für Wachheit, gesteigertes Selbstwertgefühl und Euphorie; gleichzeitig macht die Stimulation des Belohnungssystems abhängig. Aber auch andere Symptome und psychische Krankheiten werden mit Störungen des Dopaminsystems in Verbindung gebracht.
Das Reiz-Reaktions-Schema
Die Reizweiterleitung im Nervensystem ist ein komplexer Vorgang, bei dem elektrische sowie chemische Potenziale angewandt werden. Ein Reiz kann unterschiedlicher Natur sein, wie die Wahrnehmung einer Temperaturveränderung, ein visueller Reiz oder Schmerz. Die Reizaufnahme im Nervensystem geschieht über die Dendriten der Neuronen. Der Axonhügel sammelt die bei den Dendriten eingehenden elektrischen Potenziale. Nur wenn eine bestimmte Potenzialschwelle überschritten wird, gibt der Axonhügel das elektrische Potenzial an das Axon weiter. Dies ist eine Art Schutzmaßnahme des Nervensystems, um eine Reizüberflutung zu verhindern.
Viele Axone im peripheren Nervensystem werden durch einen Mantel aus Schwann-Zellen elektrisch isoliert. Die Abschnitte, an denen das Axon frei liegt, werden Ranviersche Schnürringe genannt und dienen einer schnelleren Übertragung von Nervensignalen (saltatorische Erregungsleitung).
Wenn kein Reiz weitergegeben werden muss, zeigt das Neuron folgende Verteilung elektrischer Ladung: Im Zellinneren herrscht eine hohe Konzentration an Kaliumionen (K+) und organischen Anionen, während außerhalb überwiegend Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl-) anzutreffen sind. Im Ruhezustand besteht ein Gleichgewicht zwischen der Zellinnen- und -außenseite, das durch verschiedene Transportmechanismen (Kaliumkanäle und Natrium-Kalium-Pumpen) aufrechterhalten wird (Ruhepotential). Auf der Innenseite der Zellmembrane ist die Ladung zunächst negativ.
Im Falle eines elektrischen Impulses, der durch einen Reiz ausgelöst wurde, öffnen sich unter anderem die Natrium-Kanäle der Zellmembran und Natriumionen strömen vermehrt ins Zellinnere. Dies bedeutet, dass abschnittsweise die Ladung an der Innen- und Außenseite des Neurons umgekehrt wird. Durch diese lokale Ladungsänderung wird der elektrische Impuls entlang des Axons bis zum Ende weitertransportiert.
Am synaptischen Endknöpfchen, was dem Ende des Axons entspricht, wird der elektrische Impuls in ein chemisches Signal umgewandelt. Das elektrische Potenzial, das dort ankommt, löst die Ausschüttung chemischer Botenstoffe (Neurotransmitter) aus. Dort löst der Neurotransmitter erneut einen elektrischen Impuls aus, der wieder am Axon entlangwandert und so von Zelle zu Zelle weitergegeben wird.
Die Bestandteile des Reiz-Reaktions-Schemas
Das Reiz-Reaktions-Schema beschreibt, wie ein Reiz von deinem Körper aufgenommen und zu einer Reaktion verarbeitet wird. Es besteht aus folgenden Schritten:
- Reiz: Ein äußerer oder innerer Faktor, der eine Reaktion auslöst.
- Reizaufnahme und -umwandlung: Sinnesorgane nehmen den Reiz auf und wandeln ihn in ein elektrisches Signal um.
- Erregungsweiterleitung: Das Signal wird von sensorischen Nerven weitergeleitet.
- Erregungsverarbeitung: Das Gehirn oder Rückenmark verarbeitet die Information.
- Erregungsweiterleitung: Das Signal wird von motorischen Nerven weitergeleitet.
- Reaktion: Das Zielorgan (z.B. Muskel) reagiert.
Bewusste Handlungen und Reflexe
Bewusste Handlungen sind Reaktionen, die willentlich gesteuert werden, während Reflexe unbewusst und automatisch ablaufen. Reflexe dienen dem Schutz vor Gefahren und werden im Rückenmark umgeschaltet, um eine schnelle Reaktion zu gewährleisten.
Die Nervenzelle (Neuron)
Nervenzellen sind die Bausteine des Nervensystems und für die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Reizen verantwortlich. Sie bestehen aus folgenden Teilen:
- Dendriten: Baumartige Zellfortsätze, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen.
- Soma (Zellkörper): Enthält den Zellkern und integriert die eingehenden Signale.
- Axonhügel: Übergang vom Soma zum Axon, wo das Aktionspotential ausgelöst wird.
- Axon (Neurit): Langer Fortsatz, der Aktionspotentiale weiterleitet.
- Myelinscheide: Isolierende Schicht um das Axon, die die Signalübertragung beschleunigt.
- Ranviersche Schnürringe: Unterbrechungen der Myelinscheide, die die saltatorische Erregungsleitung ermöglichen.
- Synaptische Endknöpfchen:Ende des Axons, wo das Signal an die nächste Zelle übertragen wird.
Synapsen: Die Schaltstellen der neuronalen Kommunikation
Synapsen sind die Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen oder zwischen Nervenzellen und anderen Zellen (z.B. Muskelzellen). Es gibt zwei Arten von Synapsen:
- Elektrische Synapsen: Direkte Verbindung zwischen den Zellen durch Gap Junctions, ermöglichen eine schnelle, aber wenig flexibleSignalübertragung.
- Chemische Synapsen: Übertragung des Signals durch Neurotransmitter, die in den synaptischen Spalt freigesetzt werden und an Rezeptoren der Zielzelle binden.
Die chemische Signalübertragung an Synapsen ermöglicht eine vielfältige und modulierbare Kommunikation zwischen Nervenzellen und ist die Grundlage für komplexe Hirnfunktionen wie Lernen und Gedächtnis.
Das Gehirn: Zentrale Schaltstelle des Nervensystems
Das Gehirn ist der Teil des zentralen Nervensystems, der innerhalb des knöchernen Schädels liegt und diesen ausfüllt. Es besteht aus unzähligen Nervenzellen, die über zuführende und wegführende Nervenbahnen mit dem Organismus verbunden sind und ihn steuern. Das Gehirnvolumen beträgt etwa 20 bis 22 Gramm pro Kilogramm Körpermasse. Das Gewicht macht mit 1,5 bis zwei Kilogramm ungefähr drei Prozent des Körpergewichts aus. Ein Mensch hat ungefähr 100 Milliarden Gehirnzellen, die das zentrale Nervensystem, unser Gehirn, aufbauen und untereinander verknüpft sind. Die Zahl dieser Verknüpfungen wird auf 100 Billionen geschätzt.
Aufbau des Gehirns
Das menschliche Gehirn lässt sich grob in fünf Abschnitte gliedern:
- Großhirn (Telencephalon): Der größte Teil des Gehirns, zuständig für höhere kognitive Funktionen wie Denken, Sprache und Gedächtnis.
- Zwischenhirn (Diencephalon): Enthält wichtige Strukturen wie Thalamus und Hypothalamus, die an der Steuerung von Schlaf-Wach-Rhythmus, Hunger, Durst und Hormonhaushalt beteiligt sind.
- Mittelhirn (Mesencephalon): Spielt eine Rolle bei der Verarbeitung von visuellen und auditiven Reizen sowie bei der Steuerung von Bewegungen.
- Kleinhirn (Cerebellum): Koordiniert Bewegungen und das Gleichgewicht.
- Nachhirn (Myelencephalon, Medulla oblongata): Übergang zwischen Gehirn und Rückenmark, steuert lebenswichtige Funktionen wie Atmung und Herzschlag.
Hirnnerven
Dem Gehirn entspringen zwölf paarige Nerven, die den Kopf, den Hals und Organe im Rumpf versorgen. Einige Hirnnerven sind an speziellen Sinnen wie dem Sehen, Hören und Schmecken beteiligt. Andere wiederum sind wichtig für die Muskelkontrolle des Gesichts.
Blutversorgung des Gehirns
Die Blutversorgung des Gehirns erfolgt über die rechte und linke innere Halsschlagader (Arteria carotis interna) und über die Arteria vertebralis. Durch weitere Arterien werden diese zu einem Gefäßring (Circulus arteriosus cerebri) geschlossen, der die Basis des Zwischenhirns umfasst. Durch diesen Gefäßring wird sichergestellt, dass der Blutbedarf des empfindlichen Gehirns auch bei Schwankungen in der Blutzufuhr immer ausreichend ist.
Schutzmechanismen des Gehirns
Das Gehirn ist durch verschiedene Mechanismen geschützt:
- Hirnhäute: Drei Schutzhüllen (Dura mater, Arachnoidea und Pia mater) umgeben das Gehirn.
- Liquor: Die Hirn-Rückenmarksflüssigkeit schützt das Gehirn vor Stößen und transportiert Nährstoffe.
- Blut-Hirn-Schranke: Eine selektive Barriere, die das Gehirn vor schädlichen Substanzen im Blut schützt.