Synapse: Definition, Funktion und Bedeutung in der Neurobiologie

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das aus Milliarden von Nervenzellen besteht, die miteinander kommunizieren. Die Synapse spielt dabei eine zentrale Rolle als Verbindungsstelle zwischen den Nervenzellen und anderen Zellen. Dieser Artikel beleuchtet die Definition, den Aufbau, die Funktion und die Bedeutung der Synapse in der Neurobiologie.

Was ist eine Synapse?

In der Histologie des Nervensystems wird die Synapse als eine spezialisierte Kontaktstelle definiert, die es einem Neuron ermöglicht, ein elektrisches oder chemisches Signal an ein anderes Neuron oder eine Effektorzelle weiterzugeben. Sie ist somit die Grundlage für die Kommunikation zwischen Nervenzellen und für die Übertragung von Informationen im gesamten Nervensystem.

Aufbau einer Synapse

Eine typische Synapse besteht aus drei Hauptbestandteilen:

1. Präsynaptische Membran: Sie bildet das Endknöpfchen des sendenden Neurons und enthält synaptische Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Das Neuron, welches das Signal an ein anderes Neuron sendet, wird als präsynaptisches Neuron bezeichnet. Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Jedes Nervenende im zentralen Nervensystem enthält durchschnittlich mehrere 100 synaptische Vesikel. Dennoch gibt es hier große Unterschiede: So gibt es beispielsweise Spezialisten unter den Synapsen, die mehr als 100.000 Vesikel enthalten. Dazu zählen die Synapsen, die unsere Muskeln steuern.
2. Synaptischer Spalt: Dies ist der schmale Zwischenraum (etwa 20-50 Nanometer breit) zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Membran.
3. Postsynaptische Membran: Sie gehört zur empfangenden Zelle, meist zu einem Dendriten des nachfolgenden Neurons. Das Neuron, das das Signal empfängt, wird als postsynaptisches Neuron bezeichnet. Auf der anderen Seite des synaptischen Spaltes treffen die Botenstoffe auf Andockstellen in der Membran des Empfänger-Neurons, die die elektrischen Eigenschaften dieser Membran regulieren.

Arten von Synapsen

Synapsen lassen sich hauptsächlich in zwei Typen einteilen: chemische und elektrische Synapsen.

Chemische Synapsen

Bei der chemischen Synapse erfolgt die Signalübertragung indirekt über Neurotransmitter. Diese werden von der präsynaptischen Zelle freigesetzt, diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Zelle. Die chemische Synapse ist die häufigste Form im menschlichen Nervensystem und ermöglicht komplexe Regulation, Verstärkung und Hemmung von Signalen. Die Information fließt dabei nur in einer Richtung: Eine Zelle redet, die andere hört zu.

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Elektrische Synapsen

Elektrische Synapsen, auch Gap Junctions genannt, sind seltener. Hier werden elektrisch geladene Teilchen (Ionen) direkt von Zelle zu Zelle übertragen. Der Signalfluss ist extrem schnell, aber weniger regulierbar als bei der chemischen Synapse. Elektrische Synapsen kommen beispielsweise im Herzmuskel vor, wo eine schnelle und synchronisierte Erregungsausbreitung erforderlich ist.

Funktionsweise einer chemischen Synapse

Die Übertragung eines Signals an einer chemischen Synapse erfolgt in mehreren Schritten:

1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Wenn ein Aktionspotential das Endknöpfchen der Präsynapse erreicht, führt dies zu einer Spannungsänderung.
2. Öffnung von Calciumkanälen: Spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen sich, und Calcium-Ionen ($\ce{Ca^{2+}}$) strömen in das Endknöpfchen ein.
3. Freisetzung von Neurotransmittern: Der Einstrom von Calcium-Ionen führt dazu, dass die Vesikel mit der präsynaptischen Membran verschmelzen und die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freisetzen (Exozytose).
4. Bindung an Rezeptoren: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran, wo sie an spezifische Rezeptoren binden.
5. Öffnung von Ionenkanälen: Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren führt zur Öffnung von Ionenkanälen. Dies kann entweder zu einer Depolarisation (Erregung) oder zu einer Hyperpolarisation (Hemmung) der postsynaptischen Membran führen.
6. Beendigung des Signals: Die Neurotransmitter werden entweder enzymatisch abgebaut, von der präsynaptischen Zelle wieder aufgenommen (Reuptake) oder diffundieren aus dem synaptischen Spalt. Auf der anderen Seite des synaptischen Spaltes treffen die Botenstoffe auf Andockstellen in der Membran des Empfänger-Neurons, die die elektrischen Eigenschaften dieser Membran regulieren. Dadurch ändert sich der Membranwiderstand. Die Empfängerzelle kann die Spannungsänderung, die dadurch entsteht, in einem rasanten Tempo verarbeiten Zwischen dem Eintreffen des Impulses bis zur Spannungsänderung auf der anderen Seite des synaptischen Spalts vergeht nur etwa eine tausendstel Sekunde. Damit stellt die synaptische Übertragung einen der schnellsten biologischen Vorgänge dar.

Neurotransmitter

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an den Synapsen die Erregungsübertragung vermitteln. Es gibt eine Vielzahl von Neurotransmittern, die unterschiedliche Wirkungen auf die postsynaptische Zelle haben können. Zu den wichtigsten Neurotransmittern gehören:

• Acetylcholin (ACh): Spielt eine Rolle bei der Muskelkontraktion, der Gedächtnisbildung und der Aufmerksamkeit.
• Glutamat: Der wichtigste exzitatorische (erregende) Neurotransmitter im Gehirn. Für ungefähr 80 % der neuronalen Aktivität sind erregende Neurone verantwortlich, die meist den Neurotransmitter Glutamat nutzen.
• GABA (γ-Aminobuttersäure): Der wichtigste inhibitorische (hemmende) Neurotransmitter im Gehirn. Inhibierende Neurone, die entsprechend ca. 20 % ausmachen, funktionieren in der Regel mithilfe von GABA.
• Dopamin: Beteiligt an der Steuerung von Bewegungen, der Motivation und dem Belohnungssystem.
• Serotonin: Beeinflusst Stimmung, Schlaf, Appetit und Schmerzempfinden.

Erregende und hemmende Synapsen

Synapsen können entweder erregend oder hemmend wirken, je nachdem, welcher Neurotransmitter freigesetzt wird und welche Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran vorhanden sind.

• Erregende Synapsen: Diese Synapsen setzen Neurotransmitter wie Glutamat frei, die eine Depolarisation der postsynaptischen Membran verursachen. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotential in der postsynaptischen Zelle ausgelöst wird.
• Hemmende Synapsen: Diese Synapsen setzen Neurotransmitter wie GABA oder Glycin frei, die eine Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran verursachen. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotential in der postsynaptischen Zelle ausgelöst wird.

Die klassische Unterscheidung zwischen erregenden und inhibierenden (hemmenden) Neuronen beruht nicht primär auf besonderen Eigenschaften der Nervenzelle, sondern auf den vorliegenden Neurotransmittern und den Rezeptoren der Postsynapse. Ein Vorteil der Kopplung von Neuronen über Synapsen ist die Variabilität von Verschaltungen. Durch die Kombination von verschiedenen erregenden und hemmenden Neuronen in Netzwerken werden vielfältige Möglichkeiten für Regulation und Verrechnung der weiterzuleitenden Informationen geschaffen.

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Synaptische Plastizität

Synaptische Plastizität ist die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke und Effizienz im Laufe der Zeit zu verändern. Diese Anpassungsfähigkeit ist entscheidend für Lernprozesse, Gedächtnisbildung und die Anpassung des Nervensystems an neue Erfahrungen. Eine wichtige Form der synaptischen Plastizität ist die Langzeitpotenzierung (LTP).

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.

Wird durch Langzeitpotenzierung die Effektivität der synaptischen Übertragung vergrößert, erhöht dies die synaptische Übertragungsstärke. Das EPSP erhöht sich.

In diesem Fall bezeichnet man Stickstoffmonoxid auch als retrograden Botenstoff, denn er diffundiert von der Postsynapse in die Präsynapse und entfaltet dort seine Wirkung. In Bezug auf die Weiterleitungsrichtung bewegt das Molekül sich also rückwärts (retrograd).

Die frühe Langzeitpotenzierung kann schon nach wenigen Minuten einsetzen, ist dafür in ihrer Wirkung aber auf etwa zwei Stunden begrenzt. Bezogen auf die Formel der synaptischen Übertragungsstärke wirkt sich die frühe LTP vorrangig auf q, also den Strom, aus.

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Die späte Langzeitpotenzierung folgt einem anderen Mechanismus und setzt erst nach Stunden erhöhter Aktivität ein. Dafür kann ihre Wirkung sogar dauerhaft anhalten.

Die späte LTP hat also eine deutlich breitere Wirkung als die Frühphase. Bei Neubildung von Synapsen erhöht sich das N in der Formel, da sich die Anzahl der Freisetzungsstellen steigert. Wird eine weitere Steigerung des präsynaptischen Calciums erreicht, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass Transmitter in den synaptischen Spalt gelangen (Freisetzungswahrscheinlichkeit p).

Nach abgelaufener Langzeitpotenzierung ist die Amplitude des sonst immer gleich großen EPSPs erhöht. Folglich kommt es auf die gleichen Reize zu einer stärkeren Reaktion.

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.

Bedeutung von Synapsen für Erkrankungen

Fehlfunktionen der synaptischen Übertragung können zu verschiedenen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen. Einige Beispiele sind:

• Myasthenia gravis: Eine Autoimmunerkrankung, bei der Autoantikörper gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran gebildet werden. Wenn die Rezeptoren blockiert sind, wird die Muskelkontraktion gehemmt, was zu Erschöpfung und Müdigkeit führt.
• Parkinson-Krankheit: Eine neurodegenerative Erkrankung, bei der die Produktion von Dopamin durch Zerstörung der produzierenden Zellen in der Substantia nigra vermindert ist.
• Autismus-Spektrum-Störung: Eine neurologische Entwicklungsstörung, die durch reduzierte soziale Fähigkeiten, eingeschränkte Interessen und stereotype Verhaltensweisen gekennzeichnet ist.
• Schizophrenie: Eine schwere chronische psychische Störung, die durch psychotische Symptome, desorganisiertes Sprechen oder Verhalten, Affektverflachung und Avolition gekennzeichnet ist.
• Chorea Huntington: Eine progressive neurodegenerative Erkrankung mit autosomal-dominanter Vererbung, die durch vervielfältigte CAG-Triplett-Wiederholungen im Huntingtin-Gen (HTT) verursacht wird. Das klinische Erscheinungsbild umfasst eine Bewegungsstörung, die als Chorea bezeichnet wird.
• Tetanus: Das Tetanustoxin verhindert die Freisetzung des hemmenden Neurotransmitters GABA, was zu Muskelkrämpfen führt, insbesondere der Kiefermuskulatur (Kieferklemme).
• Botulismus: Das Botulinumtoxin verhindert die Freisetzung von Acetylcholin, was zu Muskellähmung führt.

Medikamentöse Beeinflussung der synaptischen Übertragung

Viele Medikamente wirken, indem sie die synaptische Übertragung beeinflussen. Sie können beispielsweise die Freisetzung von Neurotransmittern erhöhen oder verringern, die Rezeptoren blockieren oder aktivieren oder den Abbau von Neurotransmittern hemmen.

Einige Beispiele sind:

• Nikotin: Aktiviert postsynaptische Rezeptoren, die auch durch Acetylcholin aktiviert werden.
• Atropin: Hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.

Synaptische Vesikel

Die synaptischen 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. Eine Gruppe dieser Proteine, die Neurotransmitter-Transporter, ist dafür verantwortlich, die Botenstoffe aus dem Zellplasma in die Vesikel hineinzupumpen und dort anzureichern. Dazu ist viel Energie erforderlich. Diese wird von einem weiteren Proteinmolekül bereitgestellt, einer Protonen-ATPase (V-ATPase), die unter Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) Protonen in die Vesikel hineinpumpt. Neben diesen für das „Auftanken“ erforderlichen Proteinen enthalten die Membranen synaptischer Vesikel weitere Komponenten, die dafür sorgen, dass die Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen können (darunter das SNARE-Protein Synaptobrevin und den Calcium-Sensor Synaptotagmin) und nach der Membranfusion wieder in das Nervenende zurücktransportiert werden. Die synaptische Vesikel werden anschließend im Nervenende über einige Zwischenschritte wieder recycelt und neu mit Botenstoffen befüllt.

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