Unser Nervensystem, ein komplexes Netzwerk aus Milliarden von Nervenzellen (Neuronen), ermöglicht die Signalübertragung und Informationsweiterleitung im gesamten Körper. Synapsen, die Kontaktstellen zwischen diesen Zellen, spielen dabei eine zentrale Rolle. Sie sind die elementaren Schaltelemente, die die Kommunikation zwischen Neuronen und zwischen Neuronen und anderen Zellen (z.B. Muskelzellen) ermöglichen. Diese Informationsübertragung ist die Grundlage für alle unsere Körperfunktionen, von einfachen Reflexen bis hin zu komplexen Denkprozessen.
Die Grundlagen der Synapse
Als Synapse bezeichnet man die Kontaktstelle zwischen zwei Zellen. Sie stellt das zentrale Kommunikationsorgan zwischen einem präsynaptischen Neuron, das ein Signal überträgt, und einer postsynaptischen Zelle dar, die dieses empfängt. Eine Synapse besteht aus drei wesentlichen Bereichen:
Präsynapse: Dies ist das Ende des Axons der sendenden Nervenzelle, auch synaptischer Endknöpfchen genannt. Sie enthält Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Außerdem befinden sich noch Ca+ Kanäle und Ionenpumpen im synaptischen Endknöpfchen.
Synaptischer Spalt: Dies ist der Raum zwischen der präsynaptischen Membran des Axonendes und der postsynaptischen Membran des Folgedendriten.
Postsynapse: Dies ist der Teil der empfangenden Zelle (Neuron oder andere Zelle), die Rezeptoren für die Neurotransmitter besitzt. In der Membran befinden sich Rezeptoren an denen die Neurotransmitter binden können.
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Synapsen sind Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, die Informationen (Reize/Erregungen) weiterleiten. Innerhalb jeder Nervenzelle werden die Reize dann als elektrische Signale weitergeleitet. Obwohl Synapsen grundsätzlich ähnlich aufgebaut sind, gibt es verschiedene Synapsentypen.
Funktionelle Klassifizierung: Chemische und elektrische Synapsen
In Abhängigkeit vom Mechanismus der Erregungsweiterleitung lassen sich Synapsen funktionell in zwei Haupttypen einteilen: chemische und elektrische Synapsen.
Chemische Synapsen
Chemische Synapsen sind die bei Weitem häufigste Form im menschlichen Nervensystem. Die Signalübertragung erfolgt hier über chemische Botenstoffe, sogenannte Neurotransmitter, die aus Vesikeln in der präsynaptischen Endigung freigesetzt und über den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran übertragen werden. Die allgemeine Funktion einer Synapse besteht darin, die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten zu gewährleisten.
Damit das Aktionspotential an der chemischen Synapse übertragen werden kann, sind einige Abläufe nötig.
- Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen (Synapse) → Spannungsänderung!
- Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
- Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen → Positivierung → Depolarisation der Membran!
- Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel bewegen sich darauf hin zur Präsynapse, und verschmelzen dort mit ihr. Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
- Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
- Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran. Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Na+).
- Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten.
Die freigesetzten Moleküle binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen (oder manchmal auch präsynaptischen) Membran und führen zur Öffnung oder Schließung von Ionenkanälen. Je nach Art des Neurotransmitters und der beteiligten Ionen entsteht entweder ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) - eine Depolarisation, bei der das Zellinnere positiver wird, oder ein inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP) - eine Hyperpolarisation, bei der das Zellinnere negativer wird.
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Die Kanäle sind also nicht spannungsgesteuert, sondern ligandengesteuert. Das bedeutet: Die Ionenkanäle öffnen sich, sobald ein Transmitter (= Ligand) an den entsprechenden Rezeptor gebunden hat. Dieser Ein- und Ausstrom hat eine positive oder negative Veränderung der Spannung zur Folge (= postsynaptisches Potential). Die Erregung / Hemmung findet solange statt, wie die Neurotransmitter an den Rezeptoren gebunden sind. Dann können sie wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen und erneut verwendet werden.
Die Frequenz und Stärke des Aktionspotenzials hängt von der Konzentration des Neurotransmitters, im synaptischen Spalt, ab. Durch eine hohe Frequenz, die bei der Membran des synaptischen Endknöpfchen ankommt, wird auch eine hohe Transmitterkonzentration im synaptischen Spalt erreicht und es kommt zu einer entsprechend höheren Frequenz von Aktionspotenzialen auf der postsynaptischen Membran.
Damit eine Synapse ordnungsgemäß funktionieren kann, muss das übertragene Signal nach seiner Wirkung beendet werden. Nur so kann die postsynaptische Zelle in ihren Ruhezustand zurückkehren und neue Reize empfangen.
Elektrische Synapsen
Elektrische Synapsen hingegen vermitteln die Erregung direkt über sogenannte Gap junctions - spezialisierte Zell-Zell-Kanäle, die die Zytoplasmen benachbarter Nervenzellen direkt miteinander verbinden und so eine schnelle und bidirektionale Erregungsleitung ermöglichen. Elektrische Synapsen ermöglichen eine direkte Weiterleitung elektrischer Signale zwischen benachbarten Nervenzellen.
Gap junctions: Dies sind spezialisierte Proteinverbindungen, die die Zellmembranen zweier benachbarter Neuronen unmittelbar miteinander verbinden.
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Connexone: Diese Kanäle bestehen aus sechs Untereinheiten, den Connexinmolekülen, und bilden die eigentlichen Poren innerhalb der Gap junctions.
Da bei elektrischen Synapsen kein Neurotransmitter ausgeschüttet wird, erfolgt die Signalübertragung besonders schnell und erlaubt eine hochgradig synchronisierte Aktivität zwischen mehreren Neuronen. Zudem kann die Übertragung bidirektional verlaufen - das heißt, Ionenströme können in beide Richtungen fließen, je nachdem, wo das Aktionspotential ursprünglich entstanden ist. Auf diese Weise wird die klassische Unterscheidung zwischen prä- und postsynaptischer Zelle relativiert.
Elektrische Synapsen kommen in unserem Körper eher selten vor. Du findest sie dort, wo eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist.
Neurotransmitter: Botenstoffe der Kommunikation
Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die die Signalübertragung zwischen zwei Zellen vermitteln. Abhängig von ihrer Wirkung auf die postsynaptische Zelle unterscheidet man exzitatorische Neurotransmitter (z. B. Glutamat), die die Wahrscheinlichkeit eines Aktionspotentials erhöhen, und inhibitorische Neurotransmitter (z. B. GABA), die diese Wahrscheinlichkeit verringern.
Die postsynaptische Membran trägt spezifische Rezeptorproteine, an die die Neurotransmitter binden. Erreicht ein Aktionspotential die präsynaptische Endigung, öffnen sich spannungsabhängige Ca²⁺-Kanäle, was zu einem Einstrom von Calciumionen führt. Dadurch verschmelzen die Vesikel mit der präsynaptischen Membran und setzen die Neurotransmitter durch Exozytose in den synaptischen Spalt frei.
Einige Stoffe bewirken beispielsweise, dass die Neurotransmitter länger im synaptischen Spalt bleiben (indem ihr Abbau oder die Wiederaufnahme in die Senderzelle gehemmt werden). Das ist bei manchen Krankheiten, wie zum Beispiel bei Depressionen, erwünscht, da dort die Konzentration bestimmter Neurotransmitter zu niedrig ist.
Die Rolle der Synapsen beim Lernen und Gedächtnis
Eine der vielleicht wichtigsten Funktionen der Nervenzellen für unser Selbstverständnis ist die Fähigkeit zu lernen. Auch dabei spielen die Synapsen eine entscheidende Rolle. Unser Gedächtnis wird einem bestimmten Hirnareal zugeschrieben, dem Hippocampus. Bei Lernvorgängen kommt es hier zu funktionellen Veränderungen an bestimmten Synapsen, die dazu führen, dass die elektrischen Antworten in den Empfängerzellen stärker werden. Man kann sich das wie einen Trampelpfad durch den Wald vorstellen: Je häufiger er benutzt wird, desto leichter zugänglich wird er - man kann ihn leichter wiederfinden und sich immer besser auf ihm fortbewegen. Genauso kann er aber wieder zuwuchern, wenn er nicht gebraucht wird. Das passiert auch im Gehirn - Neues lernen lässt neue Verbindungen entstehen, werden sie nicht gebraucht, werden sie auch wieder abgebaut.
Einfluss von Substanzen auf die Synapsenfunktion
Ein System, das so komplex ist wie die Vorgänge an der Synapse, ist natürlich empfindlich gegenüber Einflüssen von außen. Psychoaktive Substanzen können an unterschiedlichen Stellen des Ablaufs eingreifen. Dazu gehören diverse Rauschmittel (Kokain, Ecstasy) und Medikamente (Antidepressiva, Beruhigungsmittel), aber auch Kaffee und Zigaretten.
Es gibt auch Stoffe, die die Reizweiterleitung an chemischen Synapsen stören oder verhindern können. Sie hemmen dann die Informationsübertragung an Synapsen an unterschiedlichen Stellen. Atropin beispielsweise hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.
Lokalisation: Klassifizierung nach Kontaktstelle
Neben der funktionellen Einteilung können Synapsen auch anhand der Kontaktstelle zwischen den beteiligten Zellen klassifiziert werden - also danach, welche Abschnitte der Nervenzellen miteinander in Verbindung treten (Lokalisation).
Reizweiterleitung im Nervensystem
Die Reizweiterleitung im Nervensystem ist ein komplexer Vorgang, bei dem elektrische sowie chemische Potenziale angewandt werden - und das im Bruchteil einer Sekunde. Denn nur so können wir schnell reagieren, beispielsweise im Straßenverkehr, wenn wir einem Auto ausweichen müssen. Ganz allgemein kann ein Reiz unterschiedlicher Natur sein: zum Beispiel das Wahrnehmen einer Temperaturveränderung, ein visueller Reiz oder Schmerz. Die Reizaufnahme im Nervensystem geschieht über die Dendriten, dünne Fortsätze der Neuronen. Der Axonhügel sammelt die bei den Dendriten eingehenden elektrischen Potenziale. Nur wenn eine bestimmte Potenzialschwelle überschritten wird, gibt der Axonhügel das elektrische Potenzial an das Axon weiter. Dies ist eine Art Schutzmaßnahme des Nervensystems, um eine Reizüberflutung, die nicht verarbeitet werden kann, zu verhindern.
Viele Axone im peripheren Nervensystem (der Teil des Nervensystems, der nicht zu Gehirn und Rückenmark gehört) werden durch einen Mantel aus speziellen Zellen (Schwann-Zellen = Hüll- und Stützzellen) elektrisch isoliert. Dabei entsteht keine durchgängige Umhüllung. Die Abschnitte, an denen das Axon frei liegt, werden Ranviersche Schnürringe genannt und dienen einer schnelleren Übertragung von Nervensignalen - die Erregung wird hierbei in Sprüngen von einem Schnürring zum nächsten weitergegeben (saltatorische Erregungsleitung).
Wenn kein Reiz weitergegeben werden muss, zeigt das Neuron folgende Verteilung elektrischer Ladung: Im Zellinneren herrscht eine hohe Konzentration an Kaliumionen (K+) und organischen Anionen (zum Beispiel Eiweiß), während außerhalb überwiegend Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl-) anzutreffen sind. Im Ruhezustand besteht ein Gleichgewicht zwischen der Zellinnen und -außenseite, das durch verschiedene Transportmechanismen (Kaliumkanäle und Natrium-Kalium-Pumpen) aufrechterhalten wird (Ruhepotential). Auf der Innenseite der Zellmembrane ist die Ladung zunächst negativ. Im Falle eines elektrischen Impulses, der durch einen Reiz ausgelöst wurde, öffnen sich unter anderem die Natrium-Kanäle der Zellmembran und Natriumionen strömen vermehrt ins Zellinnere. Dies bedeutet, dass abschnittsweise die Ladung an der Innen- und Außenseite des Neurons umgekehrt wird. Durch diese lokale Ladungsänderung wird der elektrische Impuls entlang des Axons bis zum Ende weitertransportiert.
Am synaptischen Endknöpfchen, was dem Ende des Axons entspricht, wird der elektrische Impuls in ein chemisches Signal umgewandelt. Das elektrische Potenzial, das dort ankommt, löst die Ausschüttung chemischer Botenstoffe (sogenannte Neurotransmitter) aus. Dort löst der Neurotransmitter erneut einen elektrischen Impuls aus, der wieder am Axon entlangwandert und so von Zelle zu Zelle weitergegeben wird.
Die Nervenzelle (Neuron): Baustein des Nervensystems
Die Nervenzelle (Neuron) ist der grundlegende Baustein des Nervensystems. Ihre Struktur ist perfekt an ihre Funktion der Reizaufnahme und -weiterleitung angepasst. Die Dendriten sind verzweigte Fortsätze, die vom Zellkörper ausgehen und für die Informationsaufnahme und Weiterleitung der Nervenimpulse zuständig sind. Der Zellkörper (Soma) enthält den Zellkern, der als Schaltzentrale der Zelle fungiert, sowie weitere wichtige Zellorganellen. Der Axonhügel ist der Bereich, an dem die im Zellkörper verarbeiteten Informationen weitergeleitet werden. Das Axon ist von einer Myelinscheide umgeben, die als Isolationsschicht dient und den Austausch von Wasser und Ionen verhindert. Am Ende des Axons befinden sich die Synapsen, die Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen oder zwischen Nervenzellen und Muskelzellen. Diese detaillierte Struktur der Nervenzelle ermöglicht eine effiziente Aufnahme, Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen im Nervensystem.