Die Signalübertragung zwischen Nervenzellen, die für die Informationsverarbeitung im Gehirn unerlässlich ist, erfolgt hauptsächlich über Synapsen. Diese spezialisierten Kontaktstellen ermöglichen die Kommunikation zwischen Neuronen durch chemische oder elektrische Signale. Der Artikel beleuchtet die Mechanismen schnell wirkender Synapsen, insbesondere die Rolle von Neurotransmittern und Rezeptoren.
Chemische Signalübertragung an Synapsen
Die meisten Synapsen im Nervensystem kommunizieren chemisch. Dieser Prozess beinhaltet die Freisetzung von Neurotransmittern aus dem präsynaptischen Neuron, die über den synaptischen Spalt wandern und an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran binden. Diese Bindung löst im postsynaptischen Neuron eine erregende oder hemmende Wirkung aus.
Neurotransmitter: Botenstoffe der Nervenzellen
Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an chemischen Synapsen Informationen übertragen. Bis heute wurden Dutzende dieser Substanzen identifiziert und in verschiedene Klassen eingeteilt. Bekannte Beispiele sind Serotonin und Dopamin, die oft als „Glückshormone“ bezeichnet werden.
Die heute bekannten Neurotransmitter lassen sich größtenteils in drei Substanzklassen einordnen:
- Aminosäuren: Glutamat, GABA und Glycin, die häufigsten Transmitter, sind Aminosäuren - kleine Bausteine von Eiweißmolekülen.
- Amine: Serotonin, Dopamin und andere Transmitter gehören zu den Aminen, die durch enzymatische Reaktionen aus Aminosäuren gebildet werden.
- Neuropeptide: Peptide sind kurze Kettenmoleküle aus Aminosäuren und können von der Zelle genau wie Proteine (lange Aminosäureketten) entsprechend genetisch codierter Baupläne synthetisiert werden. Bis heute wurden mehr als 50 Neuropeptide entdeckt.
Rezeptoren: Andockstellen für Neurotransmitter
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. So gibt es bei den Glutamatrezeptoren drei Subtypen. Einer davon lässt sich außer durch Glutamat auch durch eine als „AMPA“ bezeichnete Substanz aktivieren, ein anderer durch die Aminosäure NMDA und der dritte durch die so genannte Kainsäure. Solche Verbindungen, auf welche die Rezeptorsubtypen ansprechen, heißen auch Agonisten. Im Gegensatz dazu stehen die Antagonisten, die einen Rezeptor blockieren statt aktivieren.
Lesen Sie auch: Aufbau und Funktion schnell wirkender Synapsen
Unterscheiden lassen sich Rezeptoren auch noch durch ihren Wirkmechanismus. Alle Glutamatrezeptoren etwa, ob nun AMPA-, NMDA- und Kainat-Rezeptor, öffnen bei Aktivierung direkt einen Ionenkanal in der postsynaptischen Membran (ionotrope Rezeptoren).
Der synaptische Spalt und die Wiederaufnahme von Neurotransmittern
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. Sie werden auf der Ausgangsseite, also in der Synapse, auf Vorrat gebildet und in kleinen Bläschen, den Vesikeln, gespeichert. Läuft ein Aktionspotenzial ein, entleeren sich die Vesikel in den synaptischen Spalt. 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.
Nach der Signalübertragung müssen die Transmittermoleküle aus dem Spalt verschwinden, damit die Synapse wieder funktionsfähig wird. Bei Substanzen, die für schnelle Kommunikation zuständig sind, helfen Transportproteine in der präsynaptischen Membran bei der Wiederaufnahme des Transmitters im Neuron, wo er entweder wiederverwertet oder abgebaut wird.
Schnelle Kommunikation durch Aminosäure-Neurotransmitter
Schnelle Kommunikation im Nervensystem beruht in der Regel auf den Aminosäure-Neurotransmittern Glutamat, GABA oder Glycin, die Ionenkanäle in der Zelle aktivieren. Durch ihre längerfristige, das Gesamtsystem modulierende Wirkung haben auch Amin-Transmitter wie Serotonin und Dopamin herausragende Bedeutung.
Glutamat: Der wichtigste erregende Neurotransmitter
Glutamat ist der wichtigste exzitatorische (erregende) Neurotransmitter im Nervensystem. Gleichzeitig handelt es sich um eine Aminosäure, die Bestandteil von Proteinen sein kann. Für ungefähr 80 % der neuronalen Aktivität sind erregende Neurone verantwortlich, die meist den Neurotransmitter Glutamat nutzen.
Lesen Sie auch: Schnell fortschreitende Alzheimer: Auslöser
Glutamat kann an verschiedenen Typen von Rezeptoren wirken, dazu gehören die AMPA- und die NMDA-Rezeptoren. Bei beiden handelt es sich um ionotrope Rezeptoren.
- AMPA-Rezeptoren: Bei AMPA-Rezeptoren handelt es sich um unspezifische Kationenkanäle. Bei Bindung von Glutamat kann also theoretisch jede Art von positiv geladenen Ionen in die Zelle strömen. Welche Ionen genau passieren können, ist allerdings dennoch vom Subtyp abhängig. Vor allem sind sie durchlässig für Natrium-Ionen, weniger für Calcium-Ionen.
- NMDA-Rezeptoren: Die Ionenkanäle sind ebenfalls nicht selektiv für Kationen, ihre Durchlässigkeit für Calcium ist allerdings viel höher als die der AMPA-Rezeptoren. Meistens werden sie von Magnesium-Ionen blockiert, sodass kein Ionenfluss stattfinden kann. Die normale neuronale Grundaktivität ist nicht ausreichend, um das Magnesium aus dem NMDA-Rezeptor zu lösen, weshalb oft nur die AMPA-Rezeptoren aktiviert werden. Die Aktivierung von NMDA-Rezeptoren durch ausreichend hohe Aktivität ist zentraler Bestandteil der LTP (Langzeitpotenzierung).
GABA und Glycin: Hemmende Neurotransmitter
Inhibierende Neurone, die entsprechend ca. 20 % ausmachen, funktionieren in der Regel mithilfe von GABA. Die beiden Neuronentypen mit ihren Transmittern bilden die Grundlagen der basalen Neurotransmission.
Glyzin wirkt im zentralen Nervensystem von Säugern sowohl als hemmender Neurotransmitter an Strychnin-sensitiven Glyzinrezeptoren als auch zusammen mit Glutamat erregend an den sogenannten N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptoren.
Neurotransmittersysteme: Spezifische Netzwerke im Gehirn
Da Nervenzellen jeweils auf einen oder wenige Transmitter spezialisiert sind, lassen sich jedem Botenstoff konkrete Neuronennetzwerke zuordnen. Besonders bekannte und bedeutsame Beispiele solcher Neurotransmittersysteme sind das cholinerge System rund um den Transmitter Acetylcholin, das serotonerge System mit dem Botenstoff Serotonin und analog das dopaminerge System mit den Neurotransmitter Dopamin.
Acetylcholin: Lernen, Gedächtnis und Aufmerksamkeit
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. Die wichtigsten davon lassen sich zu zwei diffusen Modulationssystemen zusammenfassen. Das eine System innerviert von der Basis des Großhirns aus (zwischen und unter den Basalganglien) Hippocampus, Neocortex und Riechkolben. Diese Zellen gehören zu den ersten, die bei der Alzheimer-Krankheit absterben. Unter den zugelassenen Alzheimer-Medikamenten, die den Verlust geistiger Fähigkeiten zumindest verzögern sollen, befinden sich aber Wirkstoffe, die den Acetylcholin-Abbau im Gehirn verlangsamen. Das zweite System besteht aus Zellen im Pons und im Tegmentum des Mittelhirns. Es wirkt vor allem in den Thalamus hinein, darüber aber auch stark ins Großhirn. Beteiligt sind die cholinergen Neuronen etwa an der Steuerung von Aufmerksamkeit und der Erregbarkeit des Gehirns während Schlaf- und Wachrhythmus.
Lesen Sie auch: Lebenserwartung bei schnell fortschreitender Demenz
Serotonin: Stimmung, Schlaf und Schmerzempfinden
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. Erstmals isoliert wurde es in der Schleimhaut des Magen-Darm-Trakts. Den Namen hat es von seiner Wirkung auf den Blutdruck: Als Bestandteil des Serums reguliert es die Spannung (Tonus) der Blutgefäße. Als Neurotransmitter im Gehirn ist Serotonin nur in Neuronen nachweisbar, deren Zellkörper in den so genannten Raphekernen im Hirnstamm sitzen. Von dort innervieren sie mit ihren Axonen praktisch alle Regionen des Gehirns und beeinflussen etwa Schmerzempfinden, Schlaf- und Wachrhythmus und den Gemütszustand.
Dopamin: Motivation, Belohnung und Bewegung
Dopamin entsteht ebenso wie Noradrenalin und Adrenalin aus der Aminosäure Tyrosin. Dopaminhaltige Zellen finden sich vielerorts im Zentralnervensystem, zwei dopaminerge Neuronengruppen haben aber besondere Bedeutung. Eine befindet sich in der Substantia nigra im Mittelhirn und sendet ihre Nerven ins Striatum. Dieser Pfad ist für die Steuerung willkürlicher Bewegungen wichtig: Degenerieren die dopaminergen Zellen in der Substantia nigra, löst das verhängnisvolle motorische Störungen aus - die Parkinson-Krankheit. Das zweite dopaminerge System geht ebenfalls aus dem Mittelhirn hervor, aus dem ventralen Tegmentum. Von dort reichen die Axone in bestimmte Teile des Großhirns und des limbischen Systems. Bekannt ist dieser Pfad deshalb auch als mesocorticolimbisches System. Ihm wird eine wichtige Rolle bei der Motivation zugeschrieben: Es gilt als Belohnungssystem, das bei Tier wie Mensch überlebensdienliche Verhaltensweisen verstärkt.
Synaptische Plastizität: Anpassung und Lernen
Synaptische Plastizität beschreibt die Anpassung des Nervensystems an unterschiedlich intensive Nutzung. Dabei können unter anderem neue Synapsen entstehen, nicht benötigte Synapsen abgebaut oder Verbindungen neu geordnet werden. Langzeitpotenzierung (LTP) ist eine Möglichkeit, wie neuronale Plastizität stattfinden kann. Prozesse der Langzeitpotenzierung können überall im Nervensystem ablaufen. Besonders wichtig sind sie jedoch im Hippocampus, der Funktionen beim Lernvorgang übernimmt.
Langzeitpotenzierung (LTP)
Langzeitpotenzierung (kurz LTP) ist eine Möglichkeit, wie neuronale Plastizität stattfinden kann. Prozesse der Langzeitpotenzierung können überall im Nervensystem ablaufen. Besonders wichtig sind sie jedoch im Hippocampus, der Funktionen beim Lernvorgang übernimmt.
Die synaptische Übertragungsstärke lässt sich auch vereinfacht mit einer Formel darstellen:
Synaptische Übertragungsstärke = N * p * q
Dabei entspricht N der Anzahl der Freisetzungsstellen für Neurotransmitter, p der Freisetzungswahrscheinlichkeit und q der Amplitude des entstehenden Stroms, die mit der Anzahl der aktivierten Rezeptoren steigt. Die einzelnen Parameter beziehen sich also auf verschiedene Ebenen der synaptischen Übertragung, die im Rahmen der LTP optimiert werden können.
Wird durch Langzeitpotenzierung die Effektivität der synaptischen Übertragung vergrößert, erhöht dies die synaptische Übertragungsstärke.
Langzeitdepression
Wenn die Übertragungseffizienz erhöht werden kann, ist auch das Gegenteil möglich. Wird die Übertragungsstärke durch bestimmte neuronale Aktivität heruntergefahren, spricht man von Langzeitdepression. Sie wird durch verringerte Nutzung der Neurone eingeleitet. Ist die Calciumkonzentration gering, werden Phosphatasen aktiv, die AMPA-Rezeptoren dephosphorylieren. Dadurch sinkt ihre Affinität zu Glutamat wieder.
Die Rolle von Synapsen bei neurologischen Erkrankungen
Störungen in der synaptischen Funktion können zu verschiedenen neurologischen Erkrankungen führen. Ein Beispiel ist die Alzheimer-Krankheit, bei der ein neurotoxisch wirkender Protein-Protein-Komplex aus NMDA-Rezeptoren und dem Ionenkanal TRPM4 zum Absterben von Nervenzellen im Gehirn und dem daraus resultierenden kognitiven Verfall beiträgt.
Alzheimer-Krankheit
Ein molekularer Mechanismus, der entscheidend zum Fortschreiten der Alzheimer-Krankheit beiträgt, ist von einem Forschungsteam unter der Leitung des Neurobiologen Prof. Dr. Hilmar Bading von der Universität Heidelberg entdeckt worden. In gemeinsamen Untersuchungen mit Wissenschaftlern der Shandong-Universität (China) wies das Team an einem Alzheimer-Mausmodell nach, dass ein neurotoxisch wirkender Protein-Protein-Komplex für das Absterben von Nervenzellen im Gehirn und den daraus resultierenden kognitiven Verfall verantwortlich ist. Der aus Vorgängerstudien bekannte Protein-Protein-Komplex besteht aus dem NMDA-Rezeptor und dem Ionenkanal TRPM4.
Die NMDA-Rezeptoren, die für die Signalübertragung zwischen Nervenzellen mitverantwortlich sind, befinden sich auf der Zelloberfläche und sind sowohl in den Synapsen als auch außerhalb dieser Kontaktstellen zwischen den Nervenzellen vorhanden. Sie werden durch einen biochemischen Botenstoff, den Neurotransmitter Glutamat, aktiviert. Die Aktivierung synaptischer NMDA-Rezeptoren im Gehirn ist entscheidend für das Überleben von Nervenzellen sowie für den Erhalt kognitiver Fähigkeiten. Außerhalb der Synapsen verleiht TRPM4 diesen Rezeptoren jedoch toxische Eigenschaften. Der neurotoxisch wirkende NMDAR/TRPM4-Komplex ist bei Alzheimer-Mäusen im Vergleich mit gesunden Tieren deutlich vermehrt zu finden, wie die Forschungen zeigen.