Nervenzellrezeptoren: Funktion, Lokalisation und Bedeutung für neuronale Netzwerke

Einführung

Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die fundamentalen Bausteine des Nervensystems. Sie ermöglichen die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Informationen in Form von elektrischen und chemischen Signalen. Eine Schlüsselrolle bei der neuronalen Kommunikation spielen dabei Rezeptoren, die sich an der Zellmembran von Nervenzellen befinden. Diese Rezeptoren sind spezialisierte Proteine, die spezifische Botenstoffe (Neurotransmitter) erkennen und daraufhin eine Reaktion in der Zelle auslösen. Das Verständnis der Funktion von Nervenzellrezeptoren ist essentiell, um die komplexen Prozesse im Gehirn und die Entstehung psychischer Erkrankungen zu verstehen.

Rezeptoren: Antennen der Nervenzelle

Rezeptoren sind wie Antennen im Körper, die bestimmte Botschaften empfangen und weiterleiten. Sie sind Bestandteile in den Zellen des Körpers, die spezifische Signale oder Reize empfangen können. Rezeptoren ermöglichen es dem Körper, auf seine Umwelt zu reagieren und regulieren viele wichtige biologische Prozesse. Sie sind also für das Überleben und Wohlbefinden unerlässlich.

Lokalisation von Rezeptoren

Wo in einer Nervenzelle befindet sich ein bestimmter Rezeptor? Ohne Antwort auf diese Frage ist es fast unmöglich, Rückschlüsse über die Funktion dieses Proteins zu ziehen. Rezeptoren können sich an verschiedenen Stellen in der Nervenzelle befinden:

• In der Zellmembran: Die meisten Rezeptoren befinden sich an der Oberfläche der Zellen. Sie sind meistens dafür zuständig, Signale von außerhalb der Zelle zu empfangen. Diese Rezeptorproteine sitzen in der Membranhülle von Nervenzellen an den Stellen, wo sie über Synapsen eintreffende Signale anderer Zellen aufnehmen.
• Im Inneren der Zelle: Diese Rezeptoren findest du im Inneren der Zelle. Sie binden Moleküle, die die Zellmembran durchdringen können.
• In Sinneszellen: Diese Art von Rezeptoren ist dafür zuständig, äußere Reize wahrzunehmen, wie der Haut oder der Nase.

Spezifität von Rezeptoren

Rezeptoren erkennen hauptsächlich spezifische Reize. Das heißt, ein Botenstoff (Ligand) passt wie ein Schlüssel in den Rezeptor. Wenn das der Fall ist, bindet sich das Molekül an den Rezeptor. Anschließend wird ein Signal in die Zelle übertragen und löst eine Reaktion aus. Die Reizstärke spielt bei der Funktionsweise von Rezeptoren eine zentrale Rolle. Einige Rezeptoren reagieren bereits auf sehr schwache Reize. Beispielsweise reicht eine sehr geringe Menge an Licht aus, damit die visuellen Rezeptoren in der Netzhaut des Auges reagieren. Die Reizstärke kann auch durch die Anzahl der Rezeptoren in einer Zelle beeinflusst werden.

Funktion von Rezeptoren

Je nach Rezeptor-Typ und Position bestimmen sie, wie die Zellen auf ankommende Informationen reagieren: Werden sie aktiviert oder gehemmt, und wie schnell geschieht dies? Die Rezeptoren sind ligandabhängige Ionenkanäle. Bindet ein Neurotransmitter, öffnet der Kanal und lässt die für ihn spezifischen Ionen in den Zellinnnenraum einfließen. Das Rezeptorpotential bildet sich als Folge der Konzentrationserhöhung der in die Zelle einfließenden Ionen. Diese können z.B. Natriumionen sein. Das Potential wird über elektrotonische Weiterleitung bis zum Axonhügel weitergeleitet.

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Die Aktivierung bestimmter Nervenzellrezeptoren hat einen Einfluss auf neuronale Netzwerke im Gehirn.

Rezeptortypen

In der Biologie gibt es mehrere Arten von Rezeptoren:

• Ionenkanalrezeptoren: Ionenkanäle, die direkt oder indirekt an die Neurotransmitter-Rezeptoren gekoppelt sind. Dockt ein Transmittermolekül an den Rezeptor an, öffnet (oder schließt) sich der Ionenkanal und lässt - je nach Konfiguration der Transmitter und Kanäle - mehr (oder weniger) positiv geladene Natrium-, Calzium- oder Kaliumionen oder negativ geladene Chlorionen die Zellmembran überqueren.
• G-Protein-gekoppelte Rezeptoren: Wenn Du dennoch mehr zu dieser Art von Rezeptoren erfahren möchtest, dann lies die Artikel zu G-Protein gekoppelte Rezeptoren und ionotropen Rezeptoren durch!
• Sinnesrezeptoren: Man kann Sinneszellen aufgrund von verschiedenen Sinnesmodalitäten unterscheiden. Die klassischen fünf Sinnesmodalitäten sind: Sehen, Riechen, Hören, Schmecken, Fühlen. Die einzelnen Sinnesmodalitäten werden nur über spezifische Sinnesrezeptoren aufgenommen. Die Sinnesrezeptoren können dabei im Gewebe verteilt auftreten, wie es bei den Schmerzrezeptoren in der Haut der Fall ist, oder in einem Sinnesorgan organisiert sein, wie die Fotorezeptoren in der Netzhaut. Die Funktion der Rezeptoren kannst Du mit einem Sensor aus der Technik vergleichen, der Informationen aufnimmt und diese weiterleitet.

Sinnesrezeptoren sind hochselektiv und reagieren nur auf einen adäquaten Reiz. Daher lassen sie sich anhand der aufgenommenen Reize in verschiedene Kategorien einordnen. So gibt es z. B. Fotorezeptoren, Mechanorezeptoren, Chemorezeptoren und Thermorezeptoren. Rezeptoren nehmen zum einen äußere Reize aus der Umwelt auf, zum anderen aber auch innere Reize. Bei den inneren Reizen handelt es sich um chemische und physikalische Reize. Zum Beispiel nimmt ein Mechanorezeptor äußere Reize wie Druck auf, aber gleichzeitig auch innere Reize wie die Änderung der Körperspannung wahr.

Man klassifiziert Sinneszellen weiterhin, ob sie selbstständig ein Aktionspotenzial ausbilden können oder nicht:

• Primäre Sinneszellen: Primäre Sinneszellen sind Rezeptoren, welche selbst aus einer elektrischen Erregung ein Aktionspotenzial ausbilden können. Man spricht in diesem Fall auch von einem Generatorpotential. Beispiele hierfür sind die Mechanorezeptoren der Haut, welche Berührungen aufnehmen, Thermorezeptoren oder Muskelspindeln.
• Sekundäre Sinneszellen: Hingegen bilden sekundäre Sinneszellen selbstständig kein Aktionspotenzial aus. Die Depolarisierung der Zelle führt bloß zu einem Rezeptorpotenzial. In diesem Fall ist es zwingend notwendig, dass ein Neuron nachgeschaltet ist, damit ein Aktionspotenzial generiert werden kann. Ein Beispiel für eine sekundäre Sinneszelle sind die Geschmacksknospen auf der Zunge.

Rezeptorpotential und Reizweiterleitung

Sinnesrezeptoren sind spezialisierte Zellen, welche Reize aufnehmen und diese in elektrische Signale umwandeln können. Diese elektrischen Signale werden in Form eines Aktionspotenzials an die nächste Zelle weitergegeben und somit an das zentrale Nervensystem weitergeleitet. Ein Aktionspotenzial beschreibt die kurzzeitige Umkehr des elektrischen Potenzials der Zellmembran einer Nervenzelle.

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Im Ruhezustand besitzt die Nervenzelle ein Ruhepotential von -45 bis -70 mV. Kommt es durch einen Reiz zu einer kleinen lokalen Spannungsänderung, passiert in der Nervenzelle zuerst nichts. Nur wenn der Reiz stark genug ist, kann die Schwellenspannung für ein Aktionspotenzial überschritten werden. Ist die Schwellenspannung erreicht, kommt es immer zu einem Aktionspotenzial. Es strömen vermehrt positiv geladene Ionen in die Nervenzelle ein und es kommt zu der Depolarisierung der Zellmembran (-70 mV bis 0 mV). Da der Einstrom von positiv geladenen Ionen noch kurze eine Weile anhält, kommt es zum Overshoot, das heißt, das Membranpotential wird kurzzeitig positiv (+30 mV), bevor die Repolarisation einsetzt. Während der Repolarisation werden positiv geladenen Ionen aus der Nervenzelle gepumpt, sodass der Ruhezustand erneut erreicht werden kann. Dabei kommt es kurzzeitig zu einer Hyperpolarisation, also einem negativeren Membranpotential als im Ruhezustand, bis die Zelle das Ionengleichgewicht bei -70 mV wiederhergestellt hat. Das Potenzial der Zelle steigt auf einen Wert von bis zu +30 mV an. Daher hat die Zelle eine größere elektrische Spannung als zuvor. Man spricht in diesem Fall von einer Depolarisation.

Die Depolarisierung führt zu einem exzitatorischen postsynaptischen Potenzial (EPSP) und somit zu einem Aktionspotenzial im nächsten Neuron. Über die Signaltransduktion wird die elektrische Erregung des Rezeptorpotentials weitergegeben und über Nervenbahnen an das zentrale Nervensystem (ZNS) weitergeleitet. Erst im Gehirn ist eine Wahrnehmung des Reizes möglich. Das Rezeptorpotenzial ist eine Depolarisation der Zellmembran der Sinneszelle durch einen adäquaten Reiz.

Afferente Nerven leiten Informationen über Neuronen an das Gehirn und das Rückenmark, also das zentrale Nervensystem weiter. Hingegen gehen efferente Nervenbahnen vom zentralen Nervensystem ab und leiten Informationen an die Gliedmaßen und Organe. Zum Beispiel geht die Information über die Hitze einer Kerzenflamme, die beim Anfassen empfunden wird, über afferente Nervenbahnen an das zentrale Nervensystem. Die motorische Reaktion, um die Hand von der Flamme wegzuziehen, wird über efferente Nerven an die Gliedmaßen weitergeleitet.

Allgemein ist die Intensität des Rezeptorpotentials proportional zur Stärke des Reizes. Denn es gilt, je höher die Reizstärke ist, umso höher ist auch die Frequenz der aufeinanderfolgenden Aktionspotenziale. So kannst Du etwa unterschiedliche laute Töne voneinander unterscheiden. Zudem dauert das Rezeptorpotenzial so lange an, wie der Reiz auf den Rezeptor einwirkt.

Adaptation an Reize

Hält ein Reiz über einen längeren Zeitraum mit gleicher Intensität an, gewöhnt sich Dein Körper daran. Das kennst Du vielleicht selbst: Nach einer bestimmten Zeit nimmst Du monotone Hintergrundgeräusche oder Gerüche gar nicht mehr aktiv war. Diesen Prozess nennt man Adaptation. Wie und ob eine Reizanpassung abläuft, hängt vom Typ des Rezeptors ab.

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Insgesamt kann man die Rezeptoren anhand ihrer unterschiedlichen Anpassung an lang-einwirkende Reize in drei verschiedene Gruppen unterteilen:

• Die phasischen Sinnesrezeptoren zeigen eine Adaptation bei einem konstanten Reiz. Ihre Reizantwort nimmt ab und es kommt zu einer “Gewöhnung” an den Reiz.
• Bei tonischen Rezeptoren wie Schmerzrezeptoren nimmt die Aktionspotenzialfrequenz jedoch nicht mit der Zeit ab. Es findet also keine Anpassung an den Reiz statt.
• Die letzte Gruppe, die phasisch-tonischen Rezeptoren, stellen ein Mischform dar und sind im menschlichen Körper am häufigsten zu finden. Auch wenn die Impulsfrequenz zu Beginn recht hoch ist, fällt sie bei phasisch-tonischen Rezeptoren mit der Zeit auf einen niedrigen, konstanten Wert ab.

Geruchs- und Geschmackssinn zählen beispielsweise zu den phasischen Rezeptoren. Nach einer gewissen Zeit kann man sich also an einen Geruch gewöhnen und diesen gar nicht mehr bemerken. Hingegen zählen Schmerzrezeptoren zu den tonischen Rezeptoren - eine Gewöhnung an den Schmerz ist nicht möglich. Lichtrezeptoren zählen zum Beispiel zu den phasisch-tonischen Rezeptoren, da etwa eine Anpassung der Pupille an die Lichtverhältnisse stattfindet.

Regionale Verteilung und "Rezeptor-Fingerabdruck"

Jedes Hirnareal enthält Nervenzellen, die Rezeptoren für inhibitorische, exzitatorische und modulatorische Neurotransmitter exprimieren. Unterschiede in den regionalen und laminären Verteilungsmustern eines einzelnen Rezeptortyps können durch quantitative in vitro Rezeptorautoradiographie analysiert werden.

Die Balance zwischen den Konzentrationen der verschiedenen Rezeptortypen in einer Hirnregion (“Receptor Fingerprint”) ist von entscheidender Bedeutung für die Funktion dieser Hirnregion. Da diese Funktionen durch miteinander verbundene Hirnregionen ermöglicht werden, die komplexe neuronale Systeme bilden, würden Unterschiede in den “Receptor Fingerprints” unterschiedliche Modalitäten (z.B. Sehen vs. Hören vs. Tasten), hierarchische Organisationsprinzipien (primäre sensorische, höhere sensorische, multimodale assoziative Regionen) und ihre Bedeutung für Ruhezustandssysteme (z.B.

Forschungsmethoden zur Untersuchung von Rezeptoren

Einige etablierte Methoden geben keinen oder nur geringen Aufschluss über die Verteilung von Proteinen. Andere Techniken erlauben zwar das Markieren von künstlich in die Zellen eingebrachten Rezeptoren, aber nicht von natürlich vorkommenden.

Neue Technik zur Markierung von Rezeptoren

Mit der neuen Technik lassen sich zelleigene Rezeptoren mit dem grün fluoreszierenden Protein markieren - und das nur in ausgewählten Zellen. Anhand dieser Methode analysierten die Wissenschaftlerinnen Rezeptoren in Nervenzellen, die im visuellen System der Fruchtfliege Bewegungen verarbeiten. Sie stellten fest, dass sich verschiedene Rezeptoren keineswegs zufällig entlang einer Nervenzelle anordnen. Mit einer Genauigkeit von nahezu einem Mikrometer zeigt die Studie so, welche Synapse entlang eines Dendrits auf welchen Rezeptor trifft. Dadurch lassen sich nun Aussagen über die Kommunikation einzelner Nervenzellverknüpfungen treffen. Doch nicht nur das: die neue Methode lässt sich auch leicht und ohne großen Aufwand auf Tausende von anderen Proteinen erweitern.

Computermodelle zur Simulation von Rezeptoraktivierung

Um das im Computermodell zu simulieren, führte das Forschungsteam Daten aus drei verschiedenen bildgebenden Verfahren zusammen: Informationen zu den anatomischen Vernetzungen im Gehirn, aufgenommen mit diffusionsgewichteter Magnetresonanztomografie; Informationen über die Ruheaktivität von Probandinnen und Probanden aus Messungen mit funktionaler Magnetresonanztomografie, kurz fMRT; und die Verteilungen von Rezeptortypen, aufgezeichnet mittels Positronen-Emissions-Tomografie. Damit konnten die Forscher Wechselwirkungen zwischen Nervenzellen und die Aktivierungen einzelner Rezeptortypen im Computermodell simulieren. So aktivierten sie beispielsweise virtuell den Serotonin-Rezeptor 5-HT2A und beobachteten die Veränderungen im Modellgehirn.

Bedeutung für Diagnose und Behandlung psychischer Erkrankungen

Die Autoren der RUB, der Universität Pompeu Fabra in Barcelona und der Universität Oxford stellen Konzepte vor, um rezeptorspezifische Modulationen von Gehirnzuständen quantifizieren zu können. Darüber hinaus zeigen die Wissenschaftler, wie die im Computer gewonnenen Vorhersagen durch experimentelle Methoden überprüft und weiterentwickelt werden können. Sie hoffen, damit neue Wege zur Diagnose und Behandlung psychischer Erkrankungen zu eröffnen.

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