Stoffliche Einflüsse auf das Nervensystem: Eine umfassende Betrachtung

Einführung

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das die Kommunikation und Koordination im Körper ermöglicht. Diese Kommunikation erfolgt hauptsächlich durch biochemische Signalübertragung an den Synapsen, den Kontaktstellen zwischen Nervenzellen. Neurotransmitter spielen dabei eine zentrale Rolle, da sie Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen. Stoffliche Einflüsse auf das Nervensystem können diese Signalübertragung entweder verstärken, abschwächen oder vollständig blockieren, was zu vielfältigen Auswirkungen auf die Körperfunktionen und das Verhalten führen kann.

Die Grundlagen der neuronalen Signalübertragung

Neurotransmitter und ihre Rezeptoren

Die Funktionsweise der meisten Synapsen beruht auf der Freisetzung von Neurotransmittern. Diese werden präsynaptisch ausgeschüttet und docken postsynaptisch an spezifische Rezeptoren anderer Neuronen an, wo sie erregend oder hemmend wirken. Jeder Neurotransmitter definiert ein System - eine spezifische Maschinerie, die für Synthese, Ausschüttung, Wirkung, Wiederaufnahme und Abbau des Transmitters zuständig ist. Bekannte Beispiele sind das dopaminerge System oder das cholinerge System.

Schnelle Kommunikation 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 die „Glückshormone“ Serotonin und Dopamin herausragende Bedeutung. Jeder Neurotransmitter hat seine eigenen, spezifischen Rezeptoren - und in der Regel viele verschiedene davon, die sogenannten Subtypen. Diese Subtypen lassen sich in Laboruntersuchungen beispielsweise dadurch unterscheiden, wie sie auf andere chemische Verbindungen reagieren. So gibt es bei den Glutamatrezeptoren drei Subtypen, die durch unterschiedliche Agonisten wie AMPA, NMDA und Kainsäure aktiviert werden können. Im Gegensatz dazu stehen die Antagonisten, die einen Rezeptor blockieren statt aktivieren.

Klassen von Neurotransmittern

Die heute bekannten Neurotransmitter lassen sich größtenteils in drei Substanzklassen einordnen:

• Aminosäuren: Die drei häufigsten Transmitter Glutamat, GABA und Glycin sind Aminosäuren - kleine Bausteine von Eiweißmolekülen, wie sie im Körper überall vorhanden sind.
• Amine: Serotonin, Dopamin und weitere Transmitter gehören zu den Aminen, die durch enzymatische Reaktionen aus Aminosäuren gebildet werden.
• Neuropeptide: Die dritte Gruppe bilden die Neuropeptide, von denen bis heute mehr als 50 entdeckt wurden. Peptide sind kurze Kettenmoleküle aus Aminosäuren und können von der Zelle genau wie Proteine (lange Aminosäureketten) entsprechend genetisch codierter Baupläne synthetisiert werden.

Die Entdeckung der chemischen Signalübertragung

Im 19. Jahrhundert lieferte die Entdeckung des synaptischen Spalts ein Indiz dafür, dass die Signalübertragung zwischen Nervenzellen chemisch erfolgen könnte. Otto Loewi wies dies 1920 erstmals experimentell nach, indem er einen "Vagusstoff" identifizierte, der die neuronale Kommunikation vermittelt. Dieser Stoff, später als Acetylcholin identifiziert, verlangsamte den Herzschlag eines Frosches, selbst nachdem er in eine andere Lösung übertragen wurde.

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Der Ablauf der Signalübertragung an der Synapse

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. Transportproteine sorgen für die Wiederaufnahme des Transmitters im Neuron, wo er entweder wiederverwertet oder abgebaut wird. Jeder Transmitter braucht also eine speziell auf ihn abgestimmte Maschinerie, damit Synthese, Freisetzung, Wirkung und Wiederaufnahme reibungslos funktionieren. Da Nervenzellen jeweils auf einen oder wenige Transmitter spezialisiert sind, lassen sich jedem Botenstoff konkrete Neuronennetzwerke zuordnen.

Wichtige Neurotransmittersysteme

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 dem Neurotransmitter Dopamin. Diese Netzwerke haben relativ kleine Ursprungsgebiete, ihr Einfluss aber reicht über 100.000 Synapsen und mehr pro beteiligtem Neuron in sehr viele verschiedene Stellen im Gehirn hinein. Acetylcholin, Serotonin und Dopamin wirken langsamer, länger anhaltend, weil sie nicht nur in jeweils einer einzelnen Synapse ausgeschüttet werden, sondern diffus in einem größeren Gebiet. Sie spielen deshalb eine besondere Rolle bei der Regulierung umfassender Zustände wie Schlaf oder Gemütsverfassung.

Acetylcholin

Acetylcholin wurde 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. In Tierversuchen wurde deutlich, dass Acetylcholin die Weiterleitung sensorischer Reize vom Thalamus in die zuständigen Cortex-​Regionen fördert.

Serotonin

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.

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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. So sind die Raphekerne im Zustand erhöhter Wachsamkeit besonders aktiv, am wenigsten dagegen im Schlaf. Serotoninmangel kann zu depressiven Verstimmungen, Angst und Aggressionen führen.

Serotonin ist in vielen Nahrungsmitteln enthalten, kann aber nicht von der Blutbahn ins Gehirn gelangen. Vielmehr wird es dort aus der Aminosäure Tryptophan erzeugt. Allerdings lässt sich die Serotoninmenge im Gehirn über den Tryptophanspiegel beeinflussen - und dieser sich wiederum über die Ernährung. So führt kohlenhydratreiche Kost zu hoher Tryptophan-​Verfügbarkeit, umgekehrt hat ein Entzug von Kohlenhydraten in Studien Schlafstörungen und Depressionen bewirkt, was man auf das dann fehlende Serotonin zurückführte. Viele Antidepressiva und Medikamente gegen Angst erhöhen gezielt die Menge verfügbaren Serotonins im Gehirn, etwa indem sie die präsynaptische Wiederaufnahme verlangsamen. Diese Wirkstoffe kennt man als selektive Serotonin-​Wiederaufnahmehemmer (SSRI).

Dopamin

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. Erhöht man durch geeignete Wirkstoffe die verfügbare Dopamin-​Menge, so wirkt sich das stimulierend aus - oft allerdings auch suchterzeugend. Ein bekanntes Beispiel ist Kokain: Es hemmt die Wiederaufnahme von Dopamin und sorgt so für Wachheit, gesteigertes Selbstwertgefühl und Euphorie; gleichzeitig macht die Stimulation des Belohnungssystems abhängig. Aber auch andere Symptome und psychische Krankheiten werden mit Störungen des Dopaminsystems in Verbindung gebracht.

Synapsengifte und ihre Wirkungsweisen

Synapsengifte sind Giftstoffe, die die Erregungsübertragung zwischen Nervenzellen stören. Sie können an verschiedenen Stellen der Synapse wirken und unterschiedliche Mechanismen nutzen, um die Signalübertragung zu beeinflussen.

Angriffspunkte von Synapsengiften

• Präsynaptische Membran: Hier können Synapsengifte die Calciumionenkanäle beeinflussen, die für die Freisetzung von Neurotransmittern notwendig sind. Das Gift der schwarzen Witwe (α-Latrotoxin) führt beispielsweise dazu, dass übermäßig viele Calciumionen einströmen, was eine Dauererregung der nachfolgenden Nervenzelle verursacht. Botulinumtoxin (Botox) hingegen verhindert die Vesikelfusion und somit die Freisetzung von Neurotransmittern.
• Synaptischer Spalt: Im synaptischen Spalt können Synapsengifte die Enzyme beeinflussen, die die Neurotransmitter abbauen. Das Insektizid E 605 hemmt beispielsweise die Acetylcholinesterase, was zu einer Anreicherung von Acetylcholin im Spalt und einer Dauererregung führt.
• Postsynaptische Membran: Hier können Synapsengifte an die Rezeptoren binden und entweder die Wirkung der Neurotransmitter blockieren oder verstärken. Curare blockiert die Acetylcholinrezeptoren und verhindert so die Weiterleitung des Signals. Das Gift des Schrecklichen Pfeilgiftfroschs (Batrachotoxin) bindet ebenfalls an die Acetylcholinrezeptoren, verhindert aber das Schließen der Natriumkanäle, was zu einer Dauererregung führt.

Beispiele für Synapsengifte

• α-Latrotoxin (Schwarze Witwe): Führt zu übermäßigem Calciumioneneinstrom und Dauererregung.
• Botulinumtoxin (Botox): Verhindert die Vesikelfusion und somit die Freisetzung von Neurotransmittern.
• E 605 (Insektizid): Hemmt die Acetylcholinesterase und führt zu einer Anreicherung von Acetylcholin.
• Tetrodotoxin (Kugelfisch): Blockiert die Natriumkanäle und verhindert die Weiterleitung des Aktionspotenzials.
• Curare (Pflanzengift): Blockiert die Acetylcholinrezeptoren und verhindert die Weiterleitung des Signals.
• Batrachotoxin (Schrecklicher Pfeilgiftfrosch): Verhindert das Schließen der Natriumkanäle und führt zu einer Dauererregung.

Kompetitive Hemmung

Einige Synapsengifte, wie Atropin und Curare, ahmen die Rolle des Neurotransmitters Acetylcholin nach. Sie haben eine ähnliche Struktur und können an die gleiche Bindestelle am Rezeptor binden. Hier konkurrieren also zwei Moleküle miteinander um die gleiche Bindestelle. Das bezeichnet man als kompetitive Hemmung.

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Weitere stoffliche Einflüsse auf das Nervensystem

Neben den spezifischen Synapsengiften gibt es eine Vielzahl weiterer Stoffe, die das Nervensystem beeinflussen können. Diese Stoffe können in verschiedene Kategorien eingeteilt werden, darunter Narkotika, Drogen und Pharmaka.

Narkotika

Narkotika blockieren die Natriumkanäle und können so die Erregungsleitung in den Nervenzellen hemmen. Dies führt zu einer Betäubung und Schmerzlinderung.

Drogen

Drogen wirken auf unterschiedliche Weise auf das Nervensystem. Einige Drogen, wie Kokain, verhindern die Wiederaufnahme von Transmittern wie Dopamin, was zu einer erhöhten Konzentration dieser Transmitter im synaptischen Spalt und einer verstärkten Stimulation des Belohnungssystems führt. Andere Drogen, wie Nikotin, ahmen die Wirkung von Transmittern nach und können so die Aktivität bestimmter Nervenzellen erhöhen.

Pharmaka

Pharmaka werden gezielt eingesetzt, um die Funktion des Nervensystems zu beeinflussen und Krankheiten zu behandeln. Antidepressiva erhöhen beispielsweise die Wirksamkeit von Transmittern wie Dopamin, Noradrenalin oder Serotonin, indem sie die Wiederaufnahme dieser Transmitter aus dem synaptischen Spalt hemmen oder die Enzyme hemmen, die die Transmitter abbauen.

Kratom

Zubereitungen aus Kratom können auf das zentrale Nervensystem wirken. In Abhängigkeit von der Dosis können dabei sowohl anregende als auch sedierende und narkotisierende Effekte auftreten. Die Pflanze enthält zahlreiche Alkaloide, von denen Mitragynin und 7-Hydroxymitragynin als hauptverantwortlich für die pharmakologische Wirkung gelten. Diese Substanzen binden vor allem an Opioidrezeptoren im Körper und entfalten vermutlich auf diese Weise ihre Effekte. Neben neurologischen Symptomen sind verschiedene weitere unerwünschte Wirkungen beschrieben, u. a. Schädigungen der Leber und Nieren bis hin zu (mehrfachem) Organversagen, Herzrhythmusstörungen, unerwünschte Wirkungen auf das Nervensystem, verbunden mit Krampfanfällen, Verwirrtheit, Benommenheit, Ohnmacht und Halluzinationen sowie ein Zerfall von Muskelfasern (Rhabdomyolyse), aber auch Lungenödeme, Atemstörungen und Hirnödeme. Außerdem wurden nach der Beendigung eines regelmäßigen Kratom-Konsums Anzeichen von Abhängigkeit und Entzugserscheinungen beobachtet.

Psychoneuroimmunologie: Die Verbindung von Psyche, Nervensystem und Immunsystem

Die Psychoneuroimmunologie (PNI) ist ein interdisziplinäres Forschungsgebiet, das sich mit den Wechselwirkungen der Psyche, des Nervensystems und des Immunsystems beschäftigt. Sie zeigt, dass nicht nur stoffliche Faktoren, sondern auch psychische Faktoren das Nervensystem und somit auch die Gesundheit beeinflussen können.

Stress und seine Auswirkungen

Stress kann sowohl kurzfristige als auch langfristige Auswirkungen auf das Nervensystem und das Immunsystem haben. Kurzfristiger Stress aktiviert den Sympathikus und versetzt den Körper in erhöhte Reaktionsbereitschaft. Dies führt zu einer kurzzeitigen Entzündungsreaktion, die wie ein erster Schutzwall gegen potenzielle Krankheitserreger wirkt. Chronischer Stress hingegen führt zu einer Überaktivität der HPA-Achse und einer Verschiebung des immunologischen Gleichgewichts. Dies kann zu einer Schwächung des Immunsystems, einer erhöhten Anfälligkeit für Infektionen und einer Verschlimmerung von Autoimmunerkrankungen führen.

Positive Einflüsse auf das Nervensystem und das Immunsystem

Die Psyche beeinflusst das Immunsystem auch in positiver Richtung. Ein hohes Maß an freundschaftlichen und familiären Kontakten und an sozialer Aktivität geht nachweislich mit geringeren Entzündungslevels und einer effektiveren Regulation von Immunzellen einher. Auch durch die gezielte Anwendung von Entspannungsstrategien lassen sich positive qualitative und quantitative Effekte auf die Immunantwort nachweisen.

Die Rolle der frühen Kindheit

Belastende Lebenseinflüsse in der frühen Kindheit können ihre negativen Folgen für die körperliche und seelische Gesundheit noch Jahrzehnte später zeigen. Die Adverse Childhood Experiences-(ACE-)Studie hat gezeigt, dass Menschen mit mehr negativen Kindheitserlebnissen ein höheres Risiko für organische und psychiatrische Erkrankungen im Erwachsenenalter haben.

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