Die komplexe Kommunikation zwischen Nervenzellen ist die Grundlage für alle Funktionen unseres Körpers, von bewussten Handlungen bis hin zu unbewussten Prozessen. Diese Kommunikation findet an spezialisierten Kontaktstellen statt, den Synapsen. Eine Schlüsselkomponente der Synapse ist der synaptische Spalt, der eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung spielt.
Aufbau des synaptischen Spalts
Der synaptische Spalt ist der winzige Raum zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und einer Muskelzelle. Betrachtet man eine ganze Nervenzelle, befindet sich der synaptische Spalt am Ende der Endknöpfchen. Genauer gesagt handelt es sich um den Abschnitt zwischen der präsynaptischen Membran (der sendenden Zelle) und der postsynaptischen Membran (der empfangenden Zelle). Dieser Spalt ist mit etwa 10-50 Nanometern extrem schmal und mit Extrazellulärflüssigkeit angefüllt.
Abbildung 1: Schematische Darstellung der chemischen Erregungsübertragung in der Synapse
Funktion und Bedeutung des synaptischen Spalts
Die Hauptfunktion des synaptischen Spalts besteht darin, die Übertragung von Aktionspotentialen (elektrischen Signalen) zwischen Zellen zu ermöglichen. Dies geschieht durch die Freisetzung von Neurotransmittern, chemischen Botenstoffen, aus der präsynaptischen Zelle, die dann über den Spalt zur postsynaptischen Zelle diffundieren.
Der Ablauf der Signalübertragung im synaptischen Spalt lässt sich wie folgt zusammenfassen:
- Freisetzung der Neurotransmitter: Wenn ein Aktionspotential das synaptische Endknöpfchen erreicht, verschmelzen synaptische Vesikel (kleine Bläschen, die Neurotransmitter enthalten) mit der präsynaptischen Membran. Dadurch werden die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt.
- Diffusion durch den Spalt: Aufgrund des geringen Abstands diffundieren die Neurotransmitter schnell durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran.
- Bindung an Rezeptoren: An der postsynaptischen Membran binden die Neurotransmitter an spezifische Rezeptormoleküle. Diese Bindung führt zu einer Konformationsänderung (räumliche Strukturveränderung) des Rezeptors.
- Öffnung von Ionenkanälen: Die Konformationsänderung der Rezeptoren führt zur Öffnung von Ionenkanälen in der postsynaptischen Membran.
- Depolarisation der Membran: Durch die geöffneten Ionenkanäle können Natrium-Ionen einströmen, was zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran führt. Dies erregt die postsynaptische Zelle und leitet das Signal weiter.
- Inaktivierung der Neurotransmitter: Nachdem das Signal übertragen wurde, werden die Neurotransmitter durch Enzyme im synaptischen Spalt aufgespalten oder durch Wiederaufnahme in die präsynaptische Zelle inaktiviert. Dies verhindert eine dauerhafte Erregung der postsynaptischen Zelle.
- Wiederherstellung des Ruhepotentials: Ionenpumpen sorgen dafür, dass das Potential in beiden Zellen wieder auf den Ausgangszustand zurückgesetzt wird.
Der synaptische Spalt gewährleistet, dass der Informationsfluss gerichtet ist, d. h. er kann nur in eine Richtung verlaufen (von der präsynaptischen Zelle zur postsynaptischen Zelle).
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Die Bedeutung von Enzymen im synaptischen Spalt
Enzyme im synaptischen Spalt spielen eine entscheidende Rolle bei der Beendigung der Signalübertragung. Sie spalten einige Neurotransmitter, die die Rezeptoren aktivieren, wieder in ihre Einzelteile auf. Ohne diese Enzyme würden die Ionenkanäle geöffnet bleiben und die postsynaptische Zelle dauerhaft erregen. Dies könnte beispielsweise zu einer dauerhaften Anspannung eines Muskels führen.
Die Enzyme entfernen die Transmitter aus dem synaptischen Spalt, transportieren sie zurück in die präsynaptische Zelle und verpacken sie dort wieder in Vesikel. Ein Beispiel hierfür ist die Acetylcholinesterase, die Acetylcholin in Cholin und Acetat spaltet.
Auswirkungen verschiedener Stoffe auf den synaptischen Spalt
Der synaptische Spalt ist ein wichtiger Angriffspunkt für viele Stoffe, die Auswirkungen auf das Nervensystem haben, darunter Drogen, Gifte und Medikamente. Diese Stoffe können die Funktion der Neurotransmitter und Rezeptoren im synaptischen Spalt beeinflussen.
Wirkung von Medikamenten
Bestimmte Antidepressiva, wie selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRIs), wirken, indem sie die Wiederaufnahme von Neurotransmittern hemmen. SSRIs blockieren den Transport von Serotonin zurück in die präsynaptische Zelle. Dadurch bleibt Serotonin länger im synaptischen Spalt und kann die Postsynapse auch mehrfach anregen.
Wirkung von Drogen
Drogen wie Nikotin oder Kokain stimulieren eine vermehrte Ausschüttung von Dopamin, einem Neurotransmitter, der eine wichtige Rolle im Belohnungssystem des Menschen spielt. Dies führt zu einem Glücksgefühl. Lässt die Wirkung der Droge nach, sinkt auch der Dopaminspiegel, und das Glücksgefühl verschwindet. Was bleibt, ist das Verlangen, diesen "Kick" zu wiederholen.
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Wirkung von Alkohol
Alkohol stimuliert die Bildung von Gamma-Aminobuttersäure (GABA), einem inhibitorischen Neurotransmitter, der die Erregbarkeit von Nervenzellen verringert. Dadurch werden Informationsströme gehemmt, und der Alkohol entfaltet seine beruhigende Wirkung.
Synaptischer Spalt im Vergleich zu Gap Junctions
Neben den chemischen Synapsen mit synaptischem Spalt gibt es auch elektrische Synapsen, die durch Gap Junctions (Nexus) verbunden sind. Im Gegensatz zum synaptischen Spalt ist eine Gap Junction nur etwa 2-3,5 nm breit. Sie leitet elektrische Signale in Form von Ionenströmen weiter und benötigt keine Transmitter, um Ionenkanäle zu öffnen. Während bei chemischen Synapsen durch den synaptischen Spalt eine Verzögerung von etwa 0,5 Millisekunden bei der Informationsweiterleitung auftritt, ist die Weiterleitung bei einer Gap Junction verzögerungsfrei.
Neuronale Aktivität und der synaptische Spalt
In jeder Sekunde werden milliardenfach Signale von einer Gehirnzelle zur anderen übertragen. Die Verbindungen zwischen den Neuronen verstärken sich im Laufe der Zeit, was ein wichtiger Mechanismus für Lernen und Gedächtnis ist.
Die Rolle von Konzeptneuronen
Studien haben gezeigt, dass im menschlichen Gehirn spezifische Nervenzellen, sogenannte Konzeptneuronen, auf bestimmte Personen oder Objekte reagieren, unabhängig von der Umgebung. Das Gehirn muss jedoch diesen Inhalt mit dem Kontext kombinieren können, um eine nützliche Erinnerung zu bilden.
Getrennte Verarbeitung von Inhalt und Kontext
Forschungen deuten darauf hin, dass das menschliche Gehirn Inhalt und Kontext getrennt abbildet, um ein flexibleres Gedächtnis zu ermöglichen. Inhalts-Neurone feuern als Reaktion auf spezifische Bilder (z. B. einen Keks), unabhängig von der Aufgabe. Kontext-Neurone feuern als Reaktion auf spezifische Aufgabenkontexte (z. B. die Frage „Größer“), unabhängig vom gezeigten Bild.
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Dynamische Prozesse im synaptischen Spalt
Der Moment, in dem eine Nervenzelle ihre Neurotransmitter in den synaptischen Spalt ausschüttet, ist extrem kurz. Forschern ist es gelungen, diesen Vorgang mikroskopisch einzufangen. Dabei wurde festgestellt, dass die Fusion der synaptischen Vesikel mit der Zellmembran in mehreren Schritten abläuft.
Die Fusionsmaschinerie in der Synapse funktioniert äußerst effizient, was für unsere Bewegungen, unser Fühlen und Denken unerlässlich ist.
Die Synapse als Angriffspunkt für Krankheiten
Mutationen in Proteinen, die an der Vesikelfusion beteiligt sind, können zu Epilepsie oder anderen Erkrankungen der Synapsen führen.
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