Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das Informationen im Körper weiterleitet und verarbeitet. Eine zentrale Rolle spielen dabei die Nervenzellen, auch Neuronen genannt, und ihre spezialisierten Kontaktstellen zu anderen Zellen: die Synapsen. Dieser Artikel beleuchtet die Definition, den Aufbau und die Funktionsweise von Synapsen und zeigt ihre Bedeutung für die Informationsübertragung im Körper auf.
Einführung in das Nervensystem
Das Nervensystem wird in das periphere und zentrale Nervensystem unterteilt. Das zentrale Nervensystem besteht aus Gehirn und Rückenmark. Neben Nervenzellen gibt es Gliazellen, die Stütz- und Haltefunktionen übernehmen, die Immunabwehr des Gehirns bilden, die Bluthirnschranke formen, an der Signalweiterleitung beteiligt sind und die Nervenzellen elektrisch isolieren.
Nervenzellen gibt es unter anderem als Rezeptorzellen, die Signale aus der Umgebung aufnehmen (Schmecken, Riechen, Sehen, Hören, Tastsinn, Schmerz, Propriozeption, Wärme- und Kälterezeptoren usw.). Diese Rezeptorzellen geben die Signale an Interneurone (lokale Verknüpfung) oder Projektionsneurone (Verbindung von Nervenzellen an verschiedenen Orten) weiter. Projektionsneurone überbrücken weite Strecken im Körper oder verbinden verschiedene Gehirnareale.
Wenn reagiert wird, geschieht dies in der Regel durch Muskelbewegung oder die Ansteuerung von Drüsen. Die Signale laufen immer von der Rezeptorzelle zu den Motorneuronen. Neurone haben eine Richtung, in der sie Signale transportieren.
Definition der Synapse
Als Synapse bezeichnet man die signalübertragende Kontaktstelle einer Nervenzelle mit einer anderen Zelle, sei es eine weitere Nervenzelle, eine Sinneszelle, eine Drüsenzelle oder eine Muskelfaser. An der Synapse werden elektrische Signale in chemische Signale umgewandelt und in dieser Form an andere Zellen weitergegeben. Die Synapse ist keine starre Verbindung, sondern ein hochdynamischer, spezialisierter Bereich, der Reize gezielt weiterleitet, filtert, verstärkt oder hemmt.
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Der Begriff "Synapse" wurde 1897 von Charles Scott Sherrington geprägt und leitet sich vom griechischen Wort "sýnapsis" (σύναψις) für "Verbindung, Verknüpfung" ab. Dies spiegelt die Vorstellung wider, dass Synapsen die Elemente eines vernetzten Schaltkreises sind.
Aufbau einer Synapse
Eine typische Synapse besteht aus drei Hauptteilen:
- Präsynapse: Das Endknöpfchen des sendenden Neurons. Hier werden Neurotransmitter in Vesikeln gespeichert.
- Synaptischer Spalt: Ein schmaler Zwischenraum (20-50 Nanometer breit) zwischen Prä- und Postsynapse.
- Postsynapse: Die Membran der empfangenden Zelle, die Rezeptoren für Neurotransmitter besitzt.
Zusätzlich gibt es regulierende Proteine, Enzyme und Transportmechanismen, die für Präzision und Selektivität in der Signalübertragung sorgen.
Die Rolle der einzelnen Bestandteile
- Dendriten: Baumartige Zellfortsätze, auf denen sich erregende Synapsen befinden.
- Soma (Zellkörper): Hier befindet sich der Zellkern. Die eingehenden Signale aller Dendriten laufen hier zusammen.
- Axonhügel: Hier wird das EPSP in Aktionspotentiale umgewandelt.
- Axon: Transportiert das Signal in Form von Aktionspotentialen bis zur Präsynapse.
Arten von Synapsen
Es gibt verschiedene Arten von Synapsen, die sich in ihrer Struktur und Funktionsweise unterscheiden:
- Chemische Synapsen: Die Signalübertragung erfolgt indirekt mittels Neurotransmittern. Sie sind im menschlichen Nervensystem am häufigsten und ermöglichen komplexe Regulation, Verstärkung und Hemmung.
- Elektrische Synapsen: Hier übertragen spezielle Kanäle (Gap Junctions) elektrisch geladene Teilchen (Ionen) direkt von Zelle zu Zelle. Der Signalfluss ist extrem schnell, aber weniger regulierbar als bei der chemischen Synapse. Man findet sie z.B. im Herzmuskel oder bei gewissen Reflexbahnen.
Chemische Synapsen im Detail
Chemische Synapsen wandeln ein elektrisches Signal in ein chemisches um. Ein Aktionspotential in der Präsynapse führt zur Freisetzung von Neurotransmittern. Diese überqueren den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren der Postsynapse. Dies löst ein Signal aus, das die nächste Nervenzelle entweder aktivieren (erregende Synapse) oder hemmen (hemmende Synapse) kann.
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Elektrische Synapsen im Detail
Elektrische Synapsen leiten das Signal über einen sehr engen Zellkontakt und über Ionenkanäle (Gap Junctions) direkt weiter. Ein Aktionspotential im präsynaptischen Neuron löst somit unmittelbar ein Aktionspotential im postsynaptischen Neuron aus. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist sehr hoch.
Funktionsweise der Signalübertragung an der Synapse
- Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Eine Spannungsänderung tritt ein.
- Calcium-Kanäle öffnen sich: Calcium-Ionen strömen in das Endknöpfchen.
- Vesikel verschmelzen mit der Präsynapse: Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
- Neurotransmitter diffundieren zur Postsynapse: Sie binden an Rezeptoren in der postsynaptischen Membran.
- Ionenkanäle öffnen sich: Ionen strömen ein (z.B. Natrium), was zu einem postsynaptischen Potenzial führt.
- Erregung oder Hemmung: Je nach Ionenstrom wird ein aktivierendes oder hemmendes Signal in der postsynaptischen Zelle ausgelöst.
- Rücknahme und Abbau von Neurotransmittern: Neurotransmitter werden abgebaut oder zurück in die Präsynapse aufgenommen (Reuptake), um Signale nicht "hängenbleiben" zu lassen.
Erregende und hemmende Synapsen
- Erregende Synapsen: Sorgen für eine Depolarisation (Erregung) der Zielzelle (z.B. durch Glutamat).
- Hemmende Synapsen: Hyperpolarisieren ihre Zielzelle und bremsen den Signalfluss (z.B. durch GABA oder Glycin).
Bedeutung der Synapsen
Synapsen sind die Grundlage für alle Funktionen des Nervensystems. Sie verknüpfen Milliarden von Nervenzellen zu Netzwerken und ermöglichen Wahrnehmung, Bewegung, Denken und Lernen. Sie bestimmen, wie Informationen im Gehirn fließen und verarbeitet werden.
Synaptische Plastizität
Synaptische Plastizität ist die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke und Effizienz zu verändern - je nachdem, wie oft und wie stark sie benutzt werden. Sie ermöglicht es dem Gehirn, auf Erfahrungen zu reagieren und sich anzupassen. Ein Beispiel ist die Langzeitpotenzierung (LTP), bei der Synapsen durch wiederholte Aktivierung leistungsfähiger werden. Diese Anpassungsfähigkeit ist die Grundlage für Lern- und Anpassungsprozesse im Nervensystem.
Synapsen und Lernen
Lernen und Erinnern hängen stark von der Aktivität der Synapsen ab. Bei Lernvorgängen kommt es zu funktionellen Veränderungen an bestimmten Synapsen, die dazu führen, dass die elektrischen Antworten in den Empfängerzellen stärker werden. Neue Verbindungen entstehen, werden sie nicht gebraucht, werden sie auch wieder abgebaut.
Einfluss von Substanzen auf die Synapsen
Psychoaktive Substanzen können an unterschiedlichen Stellen der synaptischen Übertragung eingreifen. Dazu gehören Rauschmittel (Kokain, Ecstasy), Medikamente (Antidepressiva, Beruhigungsmittel), aber auch Kaffee und Zigaretten. Manche Stoffe bewirken, dass die Neurotransmitter länger im synaptischen Spalt bleiben, indem ihr Abbau oder die Wiederaufnahme in die Senderzelle gehemmt werden.
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Die motorische Endplatte
Die motorische Endplatte ist die Kontaktstelle zwischen einer Nervenzelle und einer Muskelzelle. Sie ist ähnlich aufgebaut wie eine "normale" Synapse. Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen der Nervenzelle, wodurch sich Calciumionenkanäle öffnen und der Neurotransmitter Acetylcholin aus den Vesikeln in den synaptischen Spalt freigesetzt wird. Acetylcholin bindet an nikotinerge Acetylcholin-Rezeptoren an der postsynaptischen Membran, was zu einem Endplattenpotential führt. Das Enzym Acetylcholinesterase baut das freie Acetylcholin im synaptischen Spalt ab.
Synapsen und neuronale Netze
Die Vorgänge an den Synapsen spielen eine große Rolle beim Lernen in neuronalen Netzen. In computerbasierten neuronalen Netzen werden Informationsflüsse zwischen den Zellen über einen Lernprozess ständig neu gewichtet. Im Endeffekt werden Kanäle zwischen den Zellen durchlässiger oder weniger durchlässiger für Signale gemacht. Die Stellen, an denen die Durchlässigkeit manipuliert wird, sind die Synapsen.
Synaptische Kommunikation als Grundprinzip intelligenter Organisation
Die Kommunikation zwischen Abteilungen großer menschlicher Organisationen läuft oft so ab, dass intern eine große Informationsmenge erst reduziert und dann über einen einzigen Kanal nach außen an einen großen Adressatenkreis weitergegeben wird. Ähnlich scheint auch die Informationsarbeit in biologischen Neuronen wie auch in programmierten neuronalen Netzen abzulaufen. Diese Analogien führten zu der Idee, dass menschliche Organisationen und biologische Organismen im Sinne einer konvergenten Evolution möglicherweise ähnliche, lernfähige Strukturen und Prozesse ausbilden, sodass man von einer synaptischen Kommunikation als Grundprinzip einer intelligenten Organisation reden könnte.
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