Signalübertragung an der Synapse: Eine einfache Erklärung

Die Synapse ist ein essenzieller Bestandteil unseres Nervensystems. Sie ermöglicht die Kommunikation zwischen Nervenzellen und anderen Zellen im Körper. Ohne Synapsen gäbe es keine Informationsübertragung, die für grundlegende Funktionen wie Lernen, Erinnern und Muskelsteuerung notwendig ist. Dieser Artikel beleuchtet den Aufbau und die Funktionsweise der Synapse, die verschiedenen Arten von Synapsen und ihre Bedeutung für unser Leben.

Was ist eine Synapse?

Bevor wir uns mit den Details befassen, definieren wir zunächst den Begriff "Synapse". In der Biologie ist die Synapse die Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen (Neuronen) oder zwischen einer Nervenzelle und einer anderen Zelle, wie z. B. einer Muskel- oder Drüsenzelle. Die Synapse ist keine starre Verbindung, sondern ein hochdynamischer, spezialisierter Bereich, der gezielt Reize weiterleitet, filtert, verstärkt oder hemmt.

Ganz gleich, ob beim Lernen, Erinnern oder beim Steuern eines Muskels - ohne Synapsen gäbe es keine Kommunikation im Nervensystem. Synapsen ermöglichen die Signalübertragung zwischen Nervenzellen sowie zu Muskel- und Drüsenzellen.

Aufbau einer Synapse

Um die Funktion der Synapse zu verstehen, ist es wichtig, sich ihren Aufbau genauer anzusehen. Eine typische Synapse besteht aus drei Hauptteilen:

1. Präsynapse: Sie bildet das Endknöpfchen des sendenden Neurons. Hier werden die sogenannten Neurotransmitter in kleinen Bläschen (Vesikeln) gespeichert. Die präsynaptische Membran befindet sich am Axonende eines Neurons, genauer gesagt am synaptischen Endknöpfchen. Im Endknöpfchen sind Vesikel vorhanden, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Jedes Nervenende im zentralen Nervensystem enthält durchschnittlich mehrere 100 synaptische Vesikel. Es gibt aber auch Spezialisten unter den Synapsen, die mehr als 100.000 Vesikel enthalten, wie z.B. die Synapsen, die unsere Muskeln steuern. Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle.
2. Synaptischer Spalt: Der winzige Zwischenraum (etwa 20-50 Nanometer breit) trennt das Endknöpfchen von der nächsten Zelle. Durch diesen Spalt diffundieren die Neurotransmitter der präsynaptischen Membran und können sich an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran binden.
3. Postsynapse: Die postsynaptische Membran gehört zur empfangenden Zelle. Die postsynaptische Membran gehört zum Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle. Auf der anderen Seite des synaptischen Spalts treffen die Botenstoffe auf Andockstellen in der Membran des Empfänger-Neurons, die die elektrischen Eigenschaften dieser Membran regulieren.

Neben diesen Hauptbestandteilen existiert noch eine Vielzahl regulierender Proteine, Enzyme und Transportmechanismen, die für Präzision und Selektivität in der Signalübertragung sorgen. Die synaptische Vesikel sind keineswegs nur eine Art membranumhüllte „Konservendose“ zur Speicherung der Botenstoffe. In ihrer Membran befindet sich eine ganze Reihe von Proteinen, die sich seit Millionen von Jahren durch die Evolution kaum verändert haben.

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Arten von Synapsen

Synapse ist nicht gleich Synapse: Unterschiedliche Anforderungen im Nervensystem haben zur Ausbildung verschiedener Synapsentypen geführt. Generell lassen sie sich in chemische und elektrische Synapsen einteilen.

Chemische Synapse

Bei der chemischen Synapse erfolgt die Signalübertragung indirekt mittels Neurotransmittern. Sie ist im menschlichen Nervensystem am häufigsten und ermöglicht komplexe Regulation, Verstärkung und Hemmung. Bei einer chemischen Synapse findet die Übertragung durch in Vesikel verpackte chemische Stoffe, die sogenannten Neurotransmitter, statt.

Elektrische Synapse

Diese seltenere Form findet man z.B. im Herzmuskel oder bei gewissen Reflexbahnen. Hier übertragen spezielle Kanäle (Gap Junctions) elektrisch geladene Teilchen (Ionen) direkt von Zelle zu Zelle. In einer elektrischen Synapse (auch Gap Junction genannt) wird das Aktionspotenzial direkt in elektrischer Form an die nächste Nervenzelle weitergeleitet, ohne einen Neurotransmitter als Botenstoff zu verwenden. Der Signalfluss ist dabei extrem schnell, aber weniger regulierbar als bei der chemischen Synapse. Sie kommen vor allem dort vor, wo höchste Geschwindigkeit nötig ist.

Synapsen nach Art des Neurotransmitters

Synapsen lassen sich auch nach der Art des Neurotransmitters unterscheiden.

Wie funktioniert die Signalübertragung an der Synapse?

Jetzt wird’s spannend: Wie funktioniert das Zusammenspiel der Synapsen beim Informationsaustausch? Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Die Übertragung der Erregung wird mittels chemischer Botenstoffen, den sogenannten Neurotransmittern, realisiert. Dabei läuft die Weiterleitung der Reize immer nur in eine Richtung ab.

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1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen (Synapse) und führt zu einer Spannungsänderung. Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran -> Spannungsänderung! Das Endknöpfchen enthält Vesikel (Bläschen) mit Neurotransmitter (z.B. Acetylcholin).
2. Öffnung der Calciumkanäle: Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich. Bei der Erregungsübertragung an der Synapse führt ein ankommendes Aktionspotential zur Öffnung von Calciumkanälen.
3. Einstrom von Calcium-Ionen: Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen und bewirken eine Positivierung und Depolarisation der Membran! Ca2+-Ionen strömen in das Endknöpfchen -> Positivierung -> Depolarisation der Membran!
4. Verschmelzung der Vesikel mit der Präsynapse: Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel bewegen sich daraufhin zur Präsynapse, und verschmelzen dort mit ihr. Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel wandern intrazellulär zur Präsynapse und verschmelzen dort mit der Membran. Ihr Inhalt wird in den synaptischen Spalt freigesetzt.
5. Ausschüttung der Neurotransmitter: Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
6. Diffusion der Neurotransmitter zur Postsynapse: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
7. Bindung an Rezeptoren: Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Der Neurotransmitter bindet an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und ruft eine spezifische Wirkung hervor. (siehe zusätzlich untere Abbildung*)
8. Öffnung der Ionenkanäle: Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Na+).
9. Abbau der Neurotransmitter: Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten. Ein spezielles Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten. Enzymatischer Abbau des Neurotransmitters führt zum Abbruch der Signalweitergabe.
10. Rücktransport der Bestandteile: Acetat und Cholin $\rightarrow$ zurück zur präsynaptischen Membran $\rightarrow$ aktiv aufgenommen. Die Produkte der Spaltung diffundieren zurück in die Präsynapse: Acetat und Cholin werden zurück zur präsynaptischen Membran transportiert und dort aktiv aufgenommen.
11. Regeneration der Neurotransmitter: Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Acetat und Cholin $\rightarrow$ Acetylcholin. Im Endknöpfchen werden Acetat und Cholin wieder zu Acetylcholin regeneriert. Der Zyklus kann erneut beginnen.
12. Inaktivierung im synaptischen Spalt: Im synaptischen Spalt wird der Transmitter wieder inaktiviert, im vorliegenden Fall spaltet das Enzym Acetylcholinesterase Acetylcholin in Cholin und Essigsäure (Acetat).

Erregende vs. hemmende Synapsen

Erregende Synapsen sorgen für eine Depolarisation (Erregung) der Zielzelle - typisches Beispiel: Glutamat wirkt stimulierend im Gehirn. Hemmende Synapsen dagegen hyperpolarisieren ihre Zielzelle, bremsen also den Signalfluss - wie GABA oder Glycin. Das ausgelöste Signal kann die nächste Nervenzelle entweder aktivieren (erregende Synapse) oder hemmen (hemmende Synapse). Dieser Prozess entscheidet, wie Informationen im Gehirn verarbeitet und weitergeleitet werden.

Rücknahme und Abbau von Neurotransmittern

Damit Signale nicht "hängenbleiben", werden Neurotransmitter nach ihrem Einsatz rasch abgebaut oder zurück in die Präsynapse aufgenommen (Reuptake). Solange Acetylcholin im synaptischen Spalt vorhanden ist, findet die Reizweitergabe statt.

Synaptische Plastizität: Die Grundlage für Lernen und Anpassung

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. Eine berühmte Form ist die Langzeitpotenzierung (LTP): Werden Synapsen über längere Zeit wiederholt aktiviert, werden sie besonders leistungsfähig. Diese Anpassungsfähigkeit ist die physikalische Grundlage für nahezu alle Lern- und Anpassungsprozesse im Nervensystem - von kindlicher Sprachentwicklung über das Erlernen eines Musikinstruments bis hin zur Regeneration nach einer Gehirnverletzung. Gehirnforscherinnen und -forscher sprechen deshalb oft vom "Gedächtnis der Synapsen".

Beispiele für synaptische Plastizität im Alltag

• Lernen am Instrument: Übst du Klavier, verstärken sich relevante Synapsen im Motorkortex.
• Reflexe: Hast du je die Hand blitzschnell zurückgezogen, nachdem du etwas Heißes berührt hast?
• Lernen unter Stress: Unter Adrenalineinfluss - etwa bei einer Prüfung - werden Synapsen kurzfristig besonders "aufmerksam" und speichern Informationen effizienter.

Bedeutung für das Leben

Synapsen bilden das Fundament 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. Werden Synapsen über längere Zeit wiederholt aktiviert, werden sie besonders leistungsfähig.

Störungen der synaptischen Übertragung

Nicht immer funktioniert die synaptische Übertragung reibungslos. Depressionen wiederum werden u. a.

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