Informationsweiterleitung von Synapsen einfach erklärt

Die Informationsweiterleitung von Synapsen ist ein faszinierender und komplexer Prozess, der die Grundlage für die Kommunikation zwischen Nervenzellen bildet. Dieser Artikel soll diesen Prozess auf verständliche Weise erklären, von den Grundlagen bis zu den neuesten Forschungsergebnissen.

Was sind Synapsen?

Synapsen sind die Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, meist Nervenzellen. Ihre Funktion ist das Übertragen von chemischen oder elektrischen Signalen von einer Nervenzelle zu ihrer Nachbarzelle. Synapsen sind Kontaktstellen zwischen Nervenzellen oder anderen Zellen wie Muskel- oder Drüsenzellen. Bei diesen Verbindungen fließt die Information nur in eine Richtung: von der präsynaptischen Zelle (sendende Nervenzelle) zur postsynaptischen Zelle (empfangende Zelle).

Aufbau einer Synapse

Eine Synapse besteht aus drei Hauptbereichen:

• Präsynapse: Der Teil der sendenden Nervenzelle, der das Signal aussendet. Am Ende des Axons der präsynaptischen Zelle befindet sich das Endknöpfchen, welches Vesikel enthält, die mit Neurotransmittern gefüllt sind.
• Synaptischer Spalt: Der schmale Raum zwischen der prä- und postsynaptischen Zelle.
• Postsynapse: Der Teil der empfangenden Zelle, der das Signal empfängt. Die postsynaptische Membran besitzt Rezeptoren, an die die Neurotransmitter binden.

Arten von Synapsen

Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Synapsen:

• Chemische Synapsen: Bei diesen Synapsen erfolgt die Übertragung der Erregung durch Neurotransmitter, chemische Botenstoffe. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapsen sind im Körper viel häufiger vorhanden.
• Elektrische Synapsen: Hier wird das Signal direkt in elektrischer Form zur benachbarten Zelle weitergeleitet. Elektrische Synapsen kommen im Körper eher selten vor und finden sich dort, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist.

Die chemische Synapse im Detail

Die chemische Synapse ist die häufigste Form der Synapse und spielt eine entscheidende Rolle bei der Informationsübertragung im Nervensystem. Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig.

Lesen Sie auch: Angebote der DIKO Oldenburg

Ablauf der Signalübertragung

1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Ein Aktionspotential, ein elektrisches Signal, erreicht das Endknöpfchen der präsynaptischen Zelle. Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran -> Spannungsänderung!
2. Öffnung der Calciumkanäle: Die Depolarisation der Membran des synaptischen Endknöpfchens führt zur Öffnung spannungsgesteuerter Calcium-Ionenkanäle. Spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen sich.
3. Calcium-Einstrom: Calcium-Ionen (Ca2+) strömen in das Endknöpfchen ein. Ca2+-Ionen strömen in das Endknöpfchen -> Positivierung -> Depolarisation der Membran!
4. Vesikelverschmelzung und Neurotransmitter-Freisetzung: Der Anstieg der Calciumionenkonzentration löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der Membran aus. Die mit Neurotransmittern gefüllten Vesikel wandern intrazellulär zur Präsynapse und verschmelzen dort mit der Membran. Ihr Inhalt wird in den synaptischen Spalt freigesetzt.
5. Diffusion der Neurotransmitter: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran. Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
6. Bindung an Rezeptoren: Die Neurotransmitter können an der postsynaptischen Membran an für sie spezifische Rezeptoren (Andockstellen) binden. Der Neurotransmitter bindet an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und ruft eine spezifische Wirkung hervor.
7. Öffnung der Ionenkanäle: Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren öffnet Ionenkanäle. Die Kanäle sind also nicht spannungsgesteuert, sondern ligandengesteuert. Das bedeutet: Die Ionenkanäle öffnen sich, sobald ein Transmitter (= Ligand) an den entsprechenden Rezeptor gebunden hat.
8. ** postsynaptisches Potential:** Durch den Ein- und Ausstrom von Ionen kommt es zu einer positiven oder negativen Veränderung der Spannung (= postsynaptisches Potential). Dieser Ein- und Ausstrom hat eine positive oder negative Veränderung der Spannung zur Folge (= postsynaptisches Potential).
9. Beendigung der Signalübertragung: 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. im synaptischen Spalt abgebaut (z. B. die die Reizweiterleitung an chemischen Synapsen stören oder verhindern können.

Neurotransmitter und Rezeptoren

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an den Synapsen freigesetzt werden und die Signalübertragung zwischen den Nervenzellen ermöglichen. Es gibt verschiedene Arten von Neurotransmittern, die unterschiedliche Wirkungen haben können.

• Erregende Neurotransmitter: Diese Neurotransmitter erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass die postsynaptische Zelle ein Aktionspotential auslöst (z.B. Glutamat).
• Hemmende Neurotransmitter: Diese Neurotransmitter verringern die Wahrscheinlichkeit, dass die postsynaptische Zelle ein Aktionspotential auslöst (z.B. GABA).

Die Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran sind spezifisch für bestimmte Neurotransmitter. Die Bindung eines Neurotransmitters an seinen Rezeptor löst eine Reaktion in der postsynaptischen Zelle aus, die entweder erregend oder hemmend sein kann.

Ionotrope und metabotrope Rezeptoren

Es gibt zwei Hauptarten von Rezeptoren:

• Ionotrope Rezeptoren: Dies sind ligandengesteuerte Ionenkanäle, die sich bei Bindung des Neurotransmitters öffnen und Ionen passieren lassen. Dies führt zu einer schnellen Änderung des Membranpotenzials.
• Metabotrope Rezeptoren: Diese Rezeptoren wirken über Second-Messenger-Systeme. Die Bindung des Neurotransmitters aktiviert ein G-Protein, das entweder Ionenkanäle öffnet oder dies indirekt über cAMP oder IP3 bewirkt. Diese Rezeptoren sind langsamer, da sie erst eine Signalkaskade in Gang setzen müssen.

Beendigung der Signalübertragung

Die Signalübertragung an einer Synapse wird durch verschiedene Mechanismen beendet:

• Repolarisation der präsynaptischen Membran: Die Exozytose der Transmitter nimmt ab, wenn sich die spannungsabhängigen Ca2+-Kanäle während der Repolarisation nach dem Aktionspotenzial wieder schließen.
• Inaktivierung und Abbau: Einige Transmitter wie Acetylcholin werden durch Enzyme wie die Acetylcholinesterase schnell inaktiviert und abgebaut.
• Wiederaufnahme in die präsynaptische Endigung: Andere Transmitter wie Noradrenalin werden als ganze Moleküle wieder in die präsynaptische Endigung aufgenommen.
• Autoinhibition: Der ausgeschüttete Transmitter bindet an Rezeptoren auf der präsynaptischen Membran und hemmt so seine weitere Freisetzung.

Synaptische Integration

Ein Neuron im ZNS kann mehrere Tausend synaptische Verbindungen eingehen und Signale austauschen. Die synaptische Integration ist ein entscheidender Prozess im Nervensystem, der beschreibt, wie Nervenzellen (Neuronen) Informationen aus mehreren Signalen verarbeiten und integrieren. Dieser Prozess findet an den Synapsen statt, den Verbindungsstellen zwischen Neuronen, wo chemische und elektrische Signale übertragen werden.

Lesen Sie auch: Sehvorgang im Detail

Räumliche und zeitliche Summation

Neben der Integration von erregenden und hemmenden Signalen spielt auch die räumliche und zeitliche Summation eine wesentliche Rolle. Bei der räumlichen Summation addiert das Neuron Signale von verschiedenen Synapsen an verschiedenen Stellen des Neurons. Die zeitliche Summation hingegen bezieht sich auf die Integration von Signalen, die nacheinander an derselben Synapse ankommen. Beide Prozesse helfen dem Neuron, die Stärke und Priorität der eingehenden Informationen zu bestimmen, was letztendlich die Weiterleitung von Nervenimpulsen beeinflusst.

EPSP und IPSP

• EPSP (Exzitatorisches postsynaptisches Potenzial): EPSP steht für exzitatorisches postsynaptisches Potenzial. Es handelt sich um ein erregendes Signal. Es entsteht bei der Depolarisation der postsynaptischen Membran einer Nervenzelle. Das erregende Signal wird in der Nervenzelle verarbeitet, die es empfangen hat, die Bildung eines Aktionspotenzials wird erleichtert
• IPSP (Inhibitorisches postsynaptisches Potenzial): IPSP steht für inhibitorisches postsynaptisches Potenzial. Es handelt sich um ein hemmendes Signal. Es entsteht bei der Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran einer Nervenzelle. Das hemmende Signal wird in der Nervenzelle verarbeitet, die es empfangen hat, die Bildung eines Aktionspotenzials wird erschwert

Impulse werden am Axonhügel des postsynaptischen Neurons "verrechnet" und weitergeleitet (räumliche und zeitliche Summation).

Bedeutung der synaptischen Integration

Synaptische Integration ist entscheidend für die Verarbeitung von Informationen im Gehirn. Durch die Kombination von erregenden und hemmenden Signalen an den Neuronen können präzise Entscheidungen darüber getroffen werden, welche Informationen weitergeleitet werden. Aus der Perspektive der Signalverarbeitung ist die Integration nicht nur für die Generierung von Aktionspotentialen wichtig, sondern auch für die Plastizität des Gehirns, also seine Fähigkeit zu lernen und sich an Veränderungen anzupassen.

Synaptische Plastizität

Synaptische Plastizität bezeichnet die Fähigkeit der synaptischen Verbindungen im Gehirn, ihre Stärke und Effizienz anzupassen. Diese ist grundlegend für das Lernen, die Gedächtnisbildung und die Anpassungsfähigkeit des Nervensystems.

Forschungsansätze zur synaptischen Integration

Die Forschung zur synaptischen Integration zielt darauf ab, die komplexen Mechanismen zu verstehen, durch die Neuronen Informationen verarbeiten und weiterleiten. Dabei spielen sowohl biologische Experimente als auch mathematische Modelle eine wesentliche Rolle.

Lesen Sie auch: Synaptische Übertragung einfach

Aktuelle Theorien und Modelle

Die modernen Theorien zur synaptischen Integration kombinieren oft detaillierte Biologie mit Mathematik, um den Prozess besser zu verstehen. Diese Modelle helfen Wissenschaftlern, die Funktionsweisen von Neuronen und deren Kommunikationsmuster zu simulieren und vorhersagen zu können. Entscheidend sind dabei:

• Mathematische Bewertungen: Nutzung von Gleichungen und Algorithmen.
• Biologische Experimente: Untersuchung neuronaler Aktivitäten in in-vitro und in-vivo Systemen.
• Computermodelle: Simulationssysteme zur Vorhersage neuronaler Reaktionen.

Ein zentrales mathematisches Modell, das oft verwendet wird, ist das Hodgkin-Huxley-Modell, welches ursprüngliche Elektrik der Neuronen beschreibt.

Synapsengifte und ihre Wirkung

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. Kokain bewirkt, dass der Botenstoff Dopamin ohne ein elektrisches Signal in den synaptischen Spalt gelangt.

tags: #informations #weiterleitung #von #synapsen #kurz #beschrieben