Informationsverarbeitung im Gehirn: Die Rolle der chemischen Synapse

Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das unglaubliche Leistungen in der Informationsverarbeitung erbringt. Etwa 100 Milliarden Nervenzellen kommunizieren über rund 100 Billionen Knotenpunkte miteinander. Diese Knotenpunkte, die Synapsen, sind entscheidend für die Weiterleitung und Verarbeitung von Informationen im Gehirn. Dieser Artikel beleuchtet die Funktionsweise der chemischen Synapse und ihre Bedeutung für die neuronale Informationsverarbeitung.

Was sind Synapsen?

Synapsen sind Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, meist Nervenzellen, die Informationen (Reize/Erregungen) weiterleiten. Sie ermöglichen die Kommunikation zwischen den Nervenzellen, die für alle Funktionen des Gehirns unerlässlich ist. Innerhalb jeder Nervenzelle werden die Reize dann als elektrische Signale weitergeleitet. Ihre Funktion ist das Übertragen von chemischen oder elektrischen Signalen von einer Nervenzelle zu ihrer Nachbarzelle.

Aufbau einer Synapse

Eine Synapse besteht aus drei Hauptbereichen:

• Präsynapse: Die Präsynapse ist die Nervenzelle, von der das Signal ausgeht. Das Endknöpfchen enthält Vesikel (Bläschen) mit Neurotransmitter.
• Synaptischer Spalt: Der synaptische Spalt ist der Raum zwischen der Präsynapse und der Postsynapse.
• Postsynapse: Die Postsynapse ist die Nervenzelle, die das Signal empfängt.

Arten von Synapsen

Obwohl Synapsen grundsätzlich ähnlich aufgebaut sind, gibt es verschiedene Synapsentypen. Je nach Art der Signalübertragung unterscheidet man zwischen elektrischen und chemischen Synapsen.

Elektrische Synapsen

Bei elektrischen Synapsen wird das Signal direkt in elektrischer Form zur benachbarten Zelle weitergeleitet. An elektrischen Synapsen sind zwei benachbarte Zellen direkt durch eine Art Tunnel miteinander verbunden. Die gängige Lehrbuchmeinung war lange, dass diese Tunnel starre unveränderbare Strukturen sind, deren einzige Aufgabe es ist elektrische Stromflüsse direkt von einer Zelle zur nächsten Zelle weiterzuleiten. Daher ist es auch nicht verwunderlich, dass man ihnen nicht zutraute, eine ähnliche Rolle bei Lernvorgängen zu spielen wie die chemische Synapse. Elektrische Synapsen kommen in unserem Körper eher selten vor. Du findest sie dort, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Die Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist.

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Chemische Synapsen

Chemische Synapsen kommen in unserem Körper viel häufiger vor. Bei chemischen Synapsen erfolgt die Signalübertragung durch chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter. Auch nach dem Botenstoff lassen sich verschiedene Arten von Synapsen unterscheiden. Die Übertragung der Erregung erfolgt durch einen Neurotransmitter, einem chemischen Botenstoff. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor und wird in diesem Kapitel behandelt. Die Funktionsweise der meisten Synapsen beruht auf biochemischer Signalübertragung mittels Neurotransmittern.

Funktionsweise der chemischen Synapse

Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig.

1. Aktionspotential erreicht die Präsynapse: Ein Aktionspotential erreicht das Ende der Axonmembran -> Spannungsänderung!
2. Öffnung von Calciumkanälen: Spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen sich.Ca2+-Ionen strömen in das Endknöpfchen -> Positivierung -> Depolarisation der Membran!
3. Freisetzung der Neurotransmitter: Der Anstieg der Calciumionenkonzentration löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der Membran aus. Ihr Inhalt wird in den synaptischen Spalt freigesetzt.
4. Bindung an Rezeptoren: Die Neurotransmitter können an der postsynaptischen Membran an für sie spezifische Rezeptoren (Andockstellen) binden.
5. Öffnung von Ionenkanälen: Die Kanäle sind also nicht spannungsgesteuert, sondern ligandengesteuert. Das bedeutet: Die Ionenkanäle öffnen sich, sobald ein Transmitter (= Ligand) an den entsprechenden Rezeptor gebunden hat.
6. Postsynaptisches Potential: Dieser Ein- und Ausstrom hat eine positive oder negative Veränderung der Spannung zur Folge (= postsynaptisches Potential).
7. Beendigung der Erregung/Hemmung: Die Erregung / Hemmung findet solange statt, wie die Neurotransmitter an den Rezeptoren gebunden sind.
8. Entfernung der Neurotransmitter: Dann können sie wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen und erneut verwendet werden. im synaptischen Spalt abgebaut. Damit die Synapse wieder neu funktionsfähig wird, müssen die Transmittermoleküle aus dem Spalt verschwinden. Zumindest bei denjenigen Substanzen, die für schnelle Kommunikation zuständig sind, hilft die präsynaptische Membran mit: Transportproteine sorgen für die Wiederaufnahme des Transmitters im Neuron. Dort wird er entweder wiederverwertet oder abgebaut.

Neurotransmitter

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an den Synapsen die Information von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen. Es gibt viele verschiedene Neurotransmitter, die jeweils spezifische Funktionen haben. Die bekanntesten sind wohl Serotonin und Dopamin, die beide auch als „Glückshormone“ gelten.

Beispiele für Neurotransmitter

• Acetylcholin: Acetylcholin wurde als erster Neurotranmitter entdeckt. Acetylcholin wurde wohl deshalb 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.
• 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.
• Dopamin: Das Dopamin spielt als Botenstoff im Belohnungszentrum eine Rolle. Dopamin entsteht ebenso wie Noradrenalin und Adrenalin - weitere Neurotransmitter, die besonders im peripheren vegetativen Nervensystem wichtig sind, man denke an den berühmten „Adrenalinstoß“ - aus der Aminosäure Tyrosin.

Rezeptoren

Neurotransmitter wandern in der Regel von der Synapse des sendenden Neurons über einen synaptischen Spalt zu einer postsynaptischen Membran, die auf Axon, Dendriten oder Zellkörper einer weiteren empfangenden Nervenzelle sitzen kann. An der postsynaptischen Membran passen die Transmittermoleküle zu bestimmten Rezeptor-​Proteinen wie der Schlüssel ins Schloss. Dort können sie erregend oder hemmend wirken - das hängt jeweils vom Transmitter selbst und in vielen Fällen auch vom speziellen Rezeptortyp ab. Auf jeden Fall entsteht ein Input, den das postsynaptische Neuron zusammen mit den von anderswo einlaufenden Signalen weiterverarbeiten kann. Jeder Neurotransmitter hat seine eigenen, spezifischen Rezeptoren - und in der Regel viele verschiedene davon, die sogenannten Subtypen. Unterscheiden lassen sie sich in Laboruntersuchungen beispielsweise dadurch, wie sie auf andere chemische Verbindungen reagieren.

Neuronale Informationsverarbeitung

Die neuronale Informationsverarbeitung ist ein faszinierender Prozess, der das Funktionieren unseres Nervensystems ermöglicht. Sie ist der Schlüssel, um zu verstehen, wie unser Gehirn Informationen von der Umwelt aufnimmt, verarbeitet und darauf reagiert. Dies bildet die Grundlage dessen, was wir als Wahrnehmung bezeichnen. Die Neuronale Informationsverarbeitung basiert auf einer Vielzahl von biochemischen und elektrischen Prozessen. Die Hauptakteure sind die Neuronen, die spezialisierte Zellen des Nervensystems sind. Diese Zellen sind in der Lage, elektrische Signale zu erzeugen und über Synapsen an andere Neuronen weiterzuleiten. Der Vorgang beginnt mit der Aufnahme eines Reizes durch die Dendriten der Nervenzelle. Die Weiterleitung erfolgt durch das Axon, welches das Signal in Form eines Aktionspotentials an die Endknöpfchen leitet. Dort wird das Signal chemisch umgewandelt und auf Zielneuronen übertragen. Die Geschwindigkeit und Effizienz dieses Signaltransfers sind für die Funktion des Nervensystems enorm wichtig.

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Prozess der Informationsverarbeitung

1. Informationsaufnahme: Dendriten nehmen Informationen von anderen Neuronen auf. Informationen werden als Reize bezeichnet. Reize können das Membranpotenzial erhöhen (Depolarisierung) oder erniedrigen (Hyperpolarisierung). Membranpotenzial erhöhende Reize sind erregend, erniedrigende Reize sind hemmend.
2. Informationsverarbeitung: Informationsverarbeitung findet am Soma statt. Depolarisierungen und Hyperpolarisationen von den Dendriten treffen am Soma zusammen. Es erfolgte eine Verrechnung der eintreffenden Signale am Soma. Endergebnis entscheidet, ob und mit welcher Frequenz am Axonhügel Aktionspotenziale entstehen (z.B. 4 Depolarisationen (erregend) + 2 Hyperpolarisationen (hemmend) = Betragsmäßig 2 Erregungen).
3. Informationsweiterleitung: Bildung eines Aktionspotenzials erfolgt, wenn das Membranpotenzial am Axonhügel den Schwellenwert überschreitet.Aktionspotenziale sind schnelle und starke Depolarisierungen des Membranpotenzials.
4. Informationsübertragung: Beim Eintreffen eines Aktionspotenzials werden an den synaptischen Endknöpfchen Neurotransmitter freigesetzt. Die Neurotransmitter wirken auf die nächste Nervenzelle als chemischer Reiz, der in ein elektrisches Potenzial umgewandelt wird, sie können erregend oder hemmend (erregende und hemmende Synapsen) wirken.

Klinische Bedeutung

Die Neuronale Informationsverarbeitung hat weitreichende Auswirkungen auf die klinische Praxis. Sie ermöglicht es, komplexe Erkrankungen des Nervensystems besser zu verstehen und innovative Therapieansätze zu entwickeln. Ärzte und Forscher arbeiten zusammen, um die neuronalen Mechanismen von Erkrankungen zu entschlüsseln und so präzisere Diagnosen zu stellen und gezielte Behandlungen zu entwickeln. Für ein umfangreiches medizinisches Verständnis ist es essenziell, die Grundlagen der neuronalen Informationsverarbeitung zu beherrschen. Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und Multiple Sklerose resultieren aus Störungen dieser Prozesse. Ein tieferes Verständnis ermöglicht es, diese Erkrankungen effektiver anzugehen.

Beispiele für neurologische Erkrankungen

• Parkinson-Krankheit: Beeinträchtigung der dopaminergen Signalübertragung.
• Alzheimer-Krankheit: Verlust der synaptischen Funktion durch Plaque-Ablagerungen.
• Multiple Sklerose: Schädigung der myelinisierten Nervenfasern.

Neuronale Plastizität

Das Konzept des synaptischen Plastizität, ein Kernelement der neuronalen Informationsverarbeitung, beschreibt die Fähigkeit des Gehirns, die Stärke oder Effizienz synaptischer Verbindungen als Reaktion auf Aktivität oder Erfahrungen zu verändern. Dies ist die Grundlage von Lernprozessen und Anpassungen und zeigt, wie dynamisch das menschliche Gehirn auf Umwelt- und interne Stimuli reagieren kann. Diese Fähigkeit des Gehirns, sich strukturell und funktionell als Reaktion auf Erfahrungen umzubauen, ist entscheidend für Lernen, Gedächtnis und Anpassung an neue Umstände. Nach einer Verletzung kann beispielsweise das Gehirn neue Verbindungen bilden, um verlorene Funktionen teilweise zu kompensieren.

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