Eine Synapse ist ein spezialisierter Bereich, der die Kommunikation zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und einer anderen Zelle ermöglicht. Hier wird die Weiterleitung eines Signals ermöglicht. Sie sind essenziell für die Informationsübertragung im Nervensystem und spielen eine entscheidende Rolle bei zahlreichen physiologischen Prozessen und Erkrankungen.
Aufbau und Funktion einer Synapse
Zur Synapse gehören die Membranen der Nervenzellen. Meistens befindet sich die Synapse zwischen dem synaptischen Knopf eines präsynaptischen Neurons und dem Dendriten oder Zellkörper eines postsynaptischen Neurons. Die Synapse ermöglicht den Informationsfluss von einem Neuron zu einem anderen oder von einem Neuron zu einer Effektorzelle. Effektorzellen sind beispielsweise Muskel- oder Drüsenzellen.
Man unterscheidet grundsätzlich zwei Haupttypen von Synapsen: elektrische und chemische Synapsen.
Elektrische Synapsen
Elektrische Synapsen kommen am seltensten vor. Durch Proteinkanäle, die die Zytoplasmen miteinander verbinden (kommunizierende Übergänge), gelangen Ionen. Die Änderung des Membranpotenzials führt zu einer Depolarisation. Bei elektrischen Synapsen sind Prä- und Postsynapse über die sogenannten Gap Junctions verbunden. Das sind Zell-Zell-Kontakte, über die ein Austausch von Ionenströmen zwischen den zwei Zellen möglich ist.
Chemische Synapsen
An chemischen Synapsen sind Moleküle beteiligt, die Neurotransmitter genannt werden. Präsynaptische und postsynaptische Neuronen sind durch den synaptischen Spalt voneinander getrennt. Wenn der Nervenimpuls das Ende des präsynaptischen Neurons erreicht, wird der Neurotransmitter, der sich in den synaptischen Vesikeln im Zytoplasma befindet, durch Exozytose freigesetzt. Exozytose ist der Prozess, bei dem Stoffe aus einer Zelle herausgeschleust werden. Der Neurotransmitter bindet an Rezeptoren auf der Membran des postsynaptischen Neurons, wodurch die Öffnung von Kanälen und die Änderung des Membranpotentials ausgelöst werden. Die chemischen Synapsen findet man beim Menschen vor allem im Nervensystem und machen den Großteil der synaptischen Verbindungen aus. Ihre Übermittlung von Informationen findet über den Austausch chemischer Moleküle statt.
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Die chemische Synapse kann sich zwischen zwei Neuronen oder einem Neuron und einer anderen Zelle ausbilden. Im ersten Fall besteht damit eine Verbindung des Axonendes der einen mit den Dendriten der anderen Nervenzelle. Zwischen den beiden Strukturen befindet sich ein kleiner Spalt, der als synaptischer Spalt bezeichnet wird. Im Zytoplasma des Axonendes befinden sich Vesikel, in denen Neurotransmitter gespeichert werden. Diese werden im Zellkörper des Neurons (Perikaryon) produziert und anterograd entlang des Axons transportiert um zur Synapse zu gelangen. Wenn die Erregung nun das Axonende erreicht öffnen sich durch das Aktionspotential spannungsabhängige Calcium-Kanäle und sorgen für einen Einstrom von Calcium-Ionen in die Zelle hinein. Das SNARE-Protein Synaptotagmin registriert die erhöhte Calcium-Konzentration und aktiviert die restlichen SNARE-Proteine. Daraufhin interagiert das Protein Synaptobrevin der Vesikelmembran mit dem target-Protein der Zellmembran des Neurons.
Im synaptischen Spalt können die Transmitter nichts erreichen. Sie binden an ihre Zielrezeptoren, die sich auf der Membran der Postsynapse befinden. Diese aktivierten Rezeptoren lösen dann eine Reaktion in der Zielzelle aus.
Der synaptische Spalt
Im synaptischen Spalt passiert der entscheidende Austausch von Signalen zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einem Neuron und einer Zielzelle. Der synaptische Spalt ist der schmale Raum zwischen der präsynaptischen Membran und der postsynaptischen Membran.
Präsynaptische und postsynaptische Membran
Die präsynaptische Membran ist die Membran der sendenden Nervenzelle. Sie enthält Vesikel mit Neurotransmittern, die bei einem elektrischen Signal in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Die postsynaptische Membran befindet sich auf der empfangenden Zelle und enthält Rezeptoren, die die freigesetzten Neurotransmitter binden. Diese Bindung löst ein Signal in der empfänglichen Zelle aus, was zu einer Erregung oder Hemmung führen kann.
Beendigung des Signals an der Synapse
Ein Signal an der Synapse wird beendet, indem die freigesetzten Neurotransmitter auf verschiedene Weise inaktiviert werden.
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Neurotransmitter und ihre Funktion
Je nach Transmitter, den eine chemische Synapse freisetzt, erfüllt sie unterschiedliche Aufgaben. Auch der Rezeptor auf der postsynaptischen Membran spielt eine wichtige Rolle bei der Unterscheidung der Funktion.
Inhibitorische Synapsen hemmen die Erregung auf die nachfolgende Zelle. Die quartäre Ammoniumverbindung Acetylcholin hat häufig erregende Eigenschaften und spielt vor allem bei Synapsen im Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark eine Rolle. Im Perikaryon wird seine Bildung aus Cholin und Acety-CoA von der Cholinacetyltransferase katalysiert. Auf der postsynaptischen Membran bindet Acetylcholin entweder an muscarinerge oder nicotinerge Rezeptoren. Erstere sind vor allem im Zusammenhang mit dem vegetativen Nervensystem von Bedeutung.
Bedeutende Vertreter der Monoamine sind Adrenalin und Noradrenalin. Aber auch Dopamin, Histamin und Serotonin gehören zu ihnen. Noradrenerge Synapsen findet man vor allem im Hirnstamm und in vegetativen, sympathischen Fasern. Histamin ist in Synapsen zu finden, die an der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus beteiligt sind. Das Katecholamin Dopamin befindet sich in den Basalganglien und in Teilen des limbischen Systems. Auch Serotonin ist ein Neurotransmitter des limbischen Systems.
GABA gehört zu den Aminosäuren und wirkt in vielen Bereichen des zentralen Nervensystems. Dort hat es eine hemmende Wirkung, wenn es an die verschiedenen Rezeptoren bindet.
Viele Neuropeptide fungieren als Neurotransmitter. Neuropeptide binden an spezifische Rezeptoren, meist G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, und beeinflussen vielfältige Prozesse wie Schmerzempfinden, Appetit, Schlaf, Stimmung oder Stressreaktionen.
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Im ZNS findet man cholinerge, noradrenerge, dopaminerge, serotonerge, GABA-erge, glutaminerge, histaminerge und peptiderge (Neuropeptid Y) Synapsen. Im VNS überwiegen im sympathischen Teil cholinerge (v.a. nikotinerge) präganglionär und an Schweißdrüsen sowie α2-adrenerge Synapsen postganglionär. Im parasympathischen System dominieren cholinerge Synapsen vom nicotinergen und muscarinergen Typ. (Anatomie des vegetativen Nervensystems)
Die motorische Endplatte stellt als Sonderform die informative Verbindung von Nerv zu quergestreifter bzw. Skelett-Muskulatur und anderen Muskelzellen dar. An glatter Muskulatur findet man Natrium-Kalzium-Kanäle, adrenerge (α1, β-Rezeptoren), cholinerge (muscarinerge Rezeptoren vom Typ M1-5) und peptiderge bzw. Y1-Rezeptoren (Transmitter hier Neuropeptid Y). Am Magen-Darm-Trakt sind es v.a. muskarinerge Rezeptoren von Typ M3.
Synaptische Plastizität und Lernen
Dauerhafte Veränderungen in der synaptischen Stärke korrelieren dabei mit einer veränderten Größe dendritischer Dornfortsätze, den Spines. Doch wie die Neuronen diese Stärkeänderungen über mehrere, nahe beieinanderliegende und gleichzeitig aktive Synapsen hinweg umsetzen, war bislang unklar. Forschende des Universitätsklinikums Bonn (UKB), der Universität Bonn, der Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) und dem RIKEN Center for Brain Science (CBS) gehen davon aus, dass der Wettbewerb zwischen Spines um molekulare Ressourcen und der räumliche Abstand zwischen gleichzeitig stimulierten Spines sich auf deren resultierende Dynamik auswirkt.
Neuronen sind die Recheneinheiten des Gehirns. Sie empfangen Tausende von synaptischen Signalen über ihre Dendriten, wobei einzelne Synapsen einer aktivitätsabhängigen Plastizität unterliegen. Diese synaptische Plastizität ist der Mechanismus, der unserem Gedächtnis und unserem Denken zugrunde liegt und spiegelt langanhaltende Veränderungen in der synaptischen Stärke wider. Beim Erlernen neuer Erinnerungen verstärken besonders aktive Synapsen ihre Verbindungen in einem Prozess, der als „Langzeitpotenzierung“ (LTP) bekannt ist. Wie Nervenzellen jedoch die Ressourcen für die Umsetzung synaptischer Stärkeänderungen durch Raum und Zeit unter benachbarten Synapsen umsetzen, war jedoch bisher unklar. Eine aktuelle Studie legt eine neue Sichtweite nahe, wie benachbarte Synapsen ihre Reaktion auf Plastizitätssignale koordinieren.
Forschende aus Bonn und Japan haben herausgefunden, dass die gemeinsame Nutzung von Proteinen und Calcium die synaptische Plastizität zu einer kollektiven Aktion macht, bei der das Verhalten einer Synapse beeinflusst, wie die anderen reagieren können. „Wenn mehrere Synapsen gleichzeitig potenzieren möchten und nahe beieinanderliegen, konkurrieren sie miteinander, sodass jede Synapse weniger stark potenziert, als wenn sie alleine wäre. Andererseits kann die gleichzeitige Potenzierung weniger Synapsen durch den Überlauf aktivierter Ressourcen die Plastizität anderer Synapsen erleichtern“, sagt Prof. Tatjana Tchumatchenko, vom Institut für Experimentelle Epileptologie und Kognitionsforschung am UKB und Mitglied im Transdisziplinären Forschungsbereich (TRA) „Modelling“ der Universität Bonn. Zusammen mit Prof.
Die Forschenden aus Bonn und Japan setzten die Freisetzung von Glutamat, einem wichtigen erregenden Botenstoff im Gehirn, in Verbindung mit computergestützten Modellen ein, um die molekularen Prozesse der Plastizität mehrerer Spines zu untersuchen. Spines, pilzförmige Vorwölbungen von Nervenzellen, finden sich im Gehirns und können synaptische Verknüpfungen verstärken. „Die Glutamat-Freigabe ermöglicht eine präzise Manipulation ausgewählter Synapsen, was uns erlaubt hat, genau zu beobachten, wie viele Synapsen sich potenzieren und in welchem Ausmaß“, erklärt Dr. Thomas Chater, der die Forschung am RIKEN Center for Brain Science in Japan durchführte. „Diese Daten ermöglichten uns, ein Modell zu entwerfen und seine Parameter an einem Set von drei stimulierten Dornfortsätzen, also Spines, anzupassen, um dann vorherzusagen, wie sich sieben oder fünfzehn Dornfortsätze verhalten würden“, erläutert Dr. Maximilian Eggl, der bis vor kurzem als Postdoc der Universität Bonn am UKB forschte.
Die Studienleiterinnen Prof. Tchumatchenko und Prof. Goda waren besonders überrascht von dem Ausmaß der Konkurrenz unter benachbarten Dornfortsätzen, die in den ersten zwei bis drei Minuten nach der Auslösung der Plastizität am stärksten war und die Richtung und das Ausmaß der Plastizität beeinflusste. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die räumliche Anordnung gleichzeitig stimulierter Synapsen die Dynamik des Wachstums oder Schrumpfens von Spines erheblich beeinflusst, was darauf hindeutet, dass mehrere auf demselben Dendriten gespeicherte Erinnerungen einander beeinflussen könnten“, erklärt Prof. Goda.
Synapsen und Erkrankungen
Synapsen können von Erkrankungen betroffen sein. Aber auch Gifte oder Toxine von Krankheitserrregern können diese Strukturen gezielt ausschalten.
Bei Depressionen spielen Störungen der synaptischen Signalübertragung eine zentrale Rolle. Besonders betroffen sind die Botenstoffe Serotonin, Noradrenalin und Dopamin, die an bestimmten Synapsen im Gehirn für die Regulation von Stimmung, Antrieb, Schlaf und emotionalem Erleben verantwortlich sind.
Das Lambert-Eaton-Syndrom ist eine seltene Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Normalerweise wird an dieser Synapse der Neurotransmitter Acetylcholin aus der präsynaptischen Nervenzelle freigesetzt, um einen Muskelreiz auszulösen. Bei dem Lambert-Eaton-Rooke-Syndrom bildet das Immunsystem jedoch Antikörper gegen spannungsabhängige Calciumkanäle auf der präsynaptischen Membran. Diese Kanäle sind notwendig, damit Calcium in die Nervenzelle einströmt und die Freisetzung von Acetylcholin auslöst.
Myasthenia gravis ist eine chronische Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Dabei bildet das Immunsystem Autoantikörper gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Muskelzelle. Normalerweise bindet der Neurotransmitter Acetylcholin, der von der Nervenzelle freigesetzt wird, an diese Rezeptoren, um eine Muskelkontraktion auszulösen. Bei Myasthenia gravis blockieren oder zerstören die Autoantikörper jedoch die Rezeptoren, was die Signalweiterleitung stark beeinträchtigt.
Vergiftungen mit dem Phosphorsäureester Parathion (E 605) führen zu einer irreversiblen Hemmung des Enzyms Acetylcholinesterase, das den Abbau von Acetylcholin am Rezeptor katalysiert. Die Folge ist eine Daueraktivierung der Neurone und Muskelzellen, was zum Tod führen kann.
Das Gift des Bakteriums Clostridium botulinum ist das Botolinumtoxin. Es hindert die Synapsen an der Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Endplatte und führt so zur Lähmung der betroffenen Muskulatur. Ein weiteres bakterielles Toxin ist das Gift von Clostridium tetani, welches als Tetanustoxin bekannt ist. Das Tetanustoxin verhindert die Freisetzung von Neurotransmittern in bestimmten Neuronen, da es Synaptobrevin proteolytisch abbaut und damit die Vesikelfusion verhindert.
Botulinumtoxin (umgangssprachlich: „Botox“) wird in der Medizin gezielt eingesetzt, um übermäßige Muskelaktivität oder Drüsentätigkeit zu hemmen. Es wirkt an der neuromuskulären Synapse, indem es die Freisetzung von Acetylcholin aus der präsynaptischen Nervenzelle blockiert - dadurch wird die Signalübertragung unterbrochen, und der Muskel entspannt sich. Klinisch wird es z. B.
Einige Medikamente entfalten ihre Wirkung auf unterschiedliche Art und Weise an Synapsen. Zu diesen gehören auch gewisse Antidepressiva, die die Wiederaufnahme von Noradrenalin oder Serotonin in die Präsynapse verhindern.
Rezeptoren und Signalübertragung
Rezeptoren sind allosterische Zell(wand)proteinkomplexe zur Aufnahme, Transformation und Weiterleitung von Informationen aus der extrazellulären Matrix bzw. von einer Zelle in eine andere Zelle. Sie verfügen über spezifische molekulare Eigenschaften und Fähigkeiten zur physikochemischen Änderung und damit Auslösung einer elektrischen Aktion über Ionen (Rezeptoren und Synapsen) oder chemischen Reaktionen über second messenger (Rezeptoren und Nozizeptoren).
Physiologische Grundlagen
Elektrische Signale können durch Membran dringen oder über Liganden bzw. Ionen die Konfiguration der Rezeptoren, welche als Kanäle bzw. Poren aufgebaut sind, ändern bzw. chemische Reaktion auslösen (ionotrope Rezeptoren bzw. ligandengesteuerte Ionenkanäle). Boten- bzw. Signalstoffe sind meist zu groß für Poren, so dass Rezeptoren auf der Zelloberfläche als Bestandteil der Zellmembran fungieren (metabotrope u.a. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren). Weiterhin sind auch Zell-Kern-Rezeptoren bekannt.
G-Protein gekoppelter Rezeptor (GPCR)
Es handelt sich hierbei um transmembranös angeordnete Proteinketten aus 7 Helices, welche zahlreiche Untereinheiten und pharmakologische Effekte vorweisen, dar. Man unterscheidet große heterotrimere, kleine monomere und mittelgroße G-Proteine, wobei die großen über o.g. transmembranöse Helices oder Guaninnucleotid-Austausch-Faktoren (GEF) aktiviert werden. Eine freie Untereinheit ist immer innen an die Membran gebunden und aktiv. Je nach dem Effekt unterteilt man weiter in stimulierende G-Proteine (s), inhibierende (i) und in die unspezifischen Effekten (q). Gαq steht für einen extrazellulären Reiz durch Acetylcholin oder α-Adrenergica und wirkt hemmend auf Adenylat-Cyclase (Ca-Einstrom) bzw. Phosphodiesterase sowie aktivierend auf K-Kanäle (K-Einstrom).
Second Messenger
Neben dem eigentlichen membranösen Rezeptor sind sekundäre Botenstoffe bzw. second messenger als Kopplungselemente nötig, um die Information nach der Änderung der Konfiguration des Rezeptorproteins umzusetzen. Die intrazelluläre Signalkette verwirklicht somit die eigentliche Hormonwirkung.
Das zyklische Adenosin-Mono-Phosphat (cAMP) wird meist über ein G-Protein aktiviert und steuert dann einen Kinase-Effekt (z.B. ie Phosphorylierung durch Proteinkinase A). Das trifft für Rezeptoren von GnRH, Gonadotropin, SST, ACTH, MSH, Vasopressin (nur V2-Rezeptor), Katecholaminen (nur α2, β-und Dopamin1,2-Rezeptor), PTH, Kalzitonin, Insulin, Glucagon, Gastrin, Sekretin, Histamin (H2-4-Rezeptor), Serotonin (HT1, 4-7) u.a. Kinine zu.
Die Inositolphospholipid-Metabolite werden auch meist über ein G-Protein aktiviert und durch die Phospholipase C (z.B. PIP2 in Diacerylglycerol (DAG) und Inositolphosphat (IP3)) gespalten. IP3 aktiviert über Ca-Ionen aus dem endoplasmatischen Retikulum Calmodulin als tertiären Botenstoff zur Enzymaktivierung und DAG stimuliert die Proteinkinase C. Beispiele sind Rezeptoren für TRH, TSH, Oxytocin, Vasopressin (V1,3), Katecholamine (nur α1), Gastrin, Histamin (nur H1), Serotonin (nur HT3), Kinine und Angiotensin II.
Zyklisches Guanosin-Mono-Phosphat (cGMP) vermittelt Reize durch andere selterne Boten wie Atriopeptin (ANP) und NO, wobei letzters direkt nach Permeation der Membran auch die Proteinkinase G aktiviert.
Eine besondere Form sind die Tyrosin-Kinase-Rezeptoren. Hier ist kein second messenger nötig, da es zur Autophosphorylierung kommt.
Funktionell-anatomische Einteilung
- Telerezeptoren bzw. Sinnesorgane
- Exterozeptoren: Sie nehmen chemische und mechanische Signale aus der unmittelbaren Umwelt auf und liegen v.a. in der Haut (Hautrezeptoren).
- Formenfreie Nervenendigungen
- Eingekapselte Endorgane
- Merkel-Tastscheiben (menisci tactus, v.a. in Fingerbeere, registrieren Berührung und Druck)
- Haarfollikel (registrieren Berührung)
- Meissner-Tastkörperchen (corpuscula tactus, v.a. an unbehaarter Haut wie Hohlhand, Fußsohle, Lippen, Zunge und Genitalien, registrieren Berührung und Druck)
- Vater-Paccini-Lamellenkörperchen (corpuscula lamellosa, v.a. Subkutis, registrieren Druck)
- Krauss-Endkolben (corpuscula bulboidea, registrieren thermische Reize?)
- Ruffini-Körperchen (registrieren thermische Reize?)
- Propriozeptoren: Sie registrieren die Stellung des Körpers im Raum und liegen in tieferen Schichten v.a. als Muskelspindel, Sehnenspindel bzw. Golgi-Organ.
- Enterozeptoren: Sie nehmen chemische und mechanische Signale aus dem Körperinneren auf und reagieren auf Dehnungsreize. Eine besondere Rolle spielen hier die Barorezeptoren der großen Gefäße.
Nozizeptoren
Dieser spezielle Rezeptor reagiert auf unterschiedliche Schmerz-Reize. Meist liegt er als freie Nervenendigung vor und ist über marklose (Gruppe IV)- oder dünn markhaltige (Gruppe III)- Fasern mit dem ZNS verbunden. Alle Nozizeptoren haben eine unterschiedliche Reizschwelle und kommen in Haut, Muskeln, Sehnen und Kapseln sowie in Lymph- und Gefäßwänden, im Endoneurium und in der extrazellulären Matrix des Bindegewebes vor. Sie sind nicht im Gehirn lokalisiert und schon unterm Einfluß von nerv growth factor (NGF) bereits vor der Geburt gebildet.
Beim akuten Ereignis werden sie direkt durch mechanische, thermische bzw. chemische Einflüsse oder indirekt über Kinine, Histamin, H+- und K+-Ionen sowie zyklische Endoperoxide u.a. gereizt. Daraufhin setzen sie Mediatoren (Substanz P, Calcitonin gene-related-Peptide bzw. CGRP) selbst frei (neurogene Entzündung), wodurch eine (Peri)Vaskulitis entsteht. Nach Traumen treten vermehrt perivaskuläre Sympathikusfasern auf, welche sensible Afferenzen (Nozizeption) nach Triggerung durch NGF modulieren.
Je nach Chronizität der Reizung kommt es zur Umwandlung in echte Rezeptoren mit weiterer Erniedrigung der jeweilige Reizschwelle, was man als primäre Hyperalgesie bezeichnet. Je nach Verlauf erfolgt die Sensibilisierung über Mg+-Ionen-abhängige NMDA(N-Methyl-D-Aspartat)-Rezeptoren durch vermehrten Einstrom von Ca++-Ionen und Aktivierung von second-messenger-Systemen (v.a. über Freisetzung von DAG und IP3) sowie Potenzierung („wind up“) weiterer Rezeptoren (z.B. AMPA(Aminohydroxy-Methylisoxazole-Propion-Säure)-Rezeptor) mit zusätzlich vermehrtem Einstrom von Na+-Ionen, was man als sekundäre Hyperalgesie bezeichnet.
Forschungsergebnisse zur synaptischen Signalübertragung
Forschende des Carl-Ludwig-Instituts der Universität Leipzig haben herausgefunden, dass innerhalb der Großhirnrinde die synaptische Signalübertragung zwischen Gehirnzellen bereits bei geringen Mengen von Kalzium-Ionen sehr zuverlässig funktioniert, anders als im hinteren Hirnbereich. Die Erkenntnisse sind ein weiterer Baustein für das Verständnis des gesunden Gehirns, könnten sich aber auch als nützlich für die Computerindustrie erweisen, wenn es etwa um die Entwicklung neuronaler Netzwerke geht.
Denken, Lernen, Fühlen - Sinneswahrnehmungen werden alle im Gehirn verarbeitet. Dort sind beim Menschen etwa 100 Milliarden Nervenzellen vernetzt. Die blitzschnelle Kommunikation zwischen diesen Gehirnzellen, auch Neuronen genannt, ereignet sich maßgeblich als Signalübertragung an den Kontaktstellen, den Synapsen. Dies ist ein komplexes Zusammenspiel elektro-chemischer Prozesse, bei denen die winzigen Zwischenräume zwischen einer sendenden Zelle und der Empfänger-Zelle überbrückt werden. Der zugrundeliegende Mechanismus ist bekannt: Sehr vereinfacht gesagt, wird eine synaptische Signalübertragung ausgelöst, wenn sich in der Sender-Nervenzelle befindliche Kalzium-Ionen an spezifische Sensorproteine binden und infolge dessen Botenstoffe, sogenannte Neurotransmitter, aus der Zelle ausgeschüttet werden. Die Empfängerzelle reagiert mit einem messbaren elektrischen Signal.
Unterschiede in der Signalübertragung
Dennoch gibt es in verschiedenen Bereichen des Gehirns wesentliche Unterschiede, die sich auf die Signalübertragung auswirken können: etwa die Größe der Nervenzellen, Anzahl der Synapsen und auch die Beschaffenheit der kalziumbindenden Sensorproteine innerhalb der Zellen.
„Wir wissen schon länger, dass die Übertragung in der Großhirnrinde, also dem Kortex, sehr viel zuverlässiger erfolgt als in anderen Regionen des Gehirns“, sagt Prof. Dr. Hartmut Schmidt vom Carl-Ludwig-Institut (CLI) der Medizinischen Fakultät, Leiter der vorliegenden Studie. Der Kortex ist auch als graue Hirnmasse bekannt, der Verarbeitungszentren für verschiedene Funktionen beinhaltet, wie beispielsweise den somatosensorischen Kortex. Das ist der Bereich, in dem Sinneseindrücke vom Körper vor-verarbeitet werden, bevor sie an andere Bereiche des Kortex weitergegeben werden.
Sensorprotein entscheidend
„In unserer aktuellen Arbeit haben wir herausgefunden, dass das Sensorprotein dort, Synaptotagmin 1 genannt, bereits auf eine viel geringere Kalziumkonzentration in der Synapse reagiert und die Signalübertragung anstößt als beispielsweise das bereits seit 25 Jahren erforschte Sensorprotein in Zellen im hinteren Bereich des Gehirns, das Synaptotagmin 2“, so der Biologe. „Die Eigenschaften von Synaptotagmin 1 scheinen dazu beizutragen, dass die von uns untersuchten kortikalen Synapsen nicht nur zuverlässiger, sondern auch plastischer sind - eine Grundvoraussetzung dafür, dass sich das Gehirn innerhalb des Lebens an neue Anforderungen anpassen kann.“
Die genaue Kenntnis dieser Faktoren im gesunden Gehirn legt die Basis dafür, gestörte Prozesse etwa bei Hirnerkrankungen zu erkennen und Therapieansätze zu entwickeln. „Aber auch für die Weiterentwicklung neuronaler Netzwerke in der Computerindustrie könnten diese Erkenntnisse relevant sein“, sagt Schmidt.
Aufspüren aktiver Synpasen
Untersucht wurden die Zellen im primären somatosensorischen Kortex im Gehirngewebe von Mäusen. Für ihre Versuchsreihe kombinierten die Forscher:innen mehrere Methoden: Sie maßen die elektrischen Signale von miteinander verbundenen Pärchen von Nervenzellen per Patch-Clamp-Technik. Zeitgleich kontrollierten und maßen sie die Kalziumkonzentration in den Synapsen - und zwar mittels eines UV-Lasers und eines Zwei-Photonen-Laser-Mikroskops.
Zudem entwickelten sie ein eigenes Verfahren, das sie „axon walking“ nennen. Dieses ermöglicht, entlang der Nervenzellfortsätze, die als Axone bezeichnet werden, die jeweils gerade aktiven vier bis fünf Synapsen aufzuspüren. Diese sind nur etwa eintausendstel Millimeter groß.
Anhand der Daten entwickelten die Wissenschaftler:innen für das untersuchte Sensorprotein ein detailliertes mathematisches Modell, das auch für andere Forschungsgruppen nutzbar ist.