Synapsen sind essenzielle Verbindungsstellen im Nervensystem, die die Kommunikation zwischen Nervenzellen (Neuronen) oder zwischen Neuronen und anderen Zellen wie Muskel- oder Drüsenzellen ermöglichen. Diese Verbindungen sind entscheidend für die Informationsübertragung im Körper und spielen eine zentrale Rolle bei zahlreichen physiologischen Prozessen.
Was sind Synapsen?
Synapsen sind spezialisierte Kontaktpunkte, an denen Informationen in Form von elektrischen oder chemischen Signalen von einer Zelle zur nächsten weitergeleitet werden. Innerhalb einer Nervenzelle werden Reize als elektrische Signale weitergeleitet. Es gibt verschiedene Arten von Synapsen, die sich in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise unterscheiden.
Aufbau einer Synapse
Eine typische Synapse besteht aus drei Hauptbereichen:
Präsynapse: Der Bereich der sendenden Zelle, von dem das Signal ausgeht. Hier befinden sich synaptische Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Die präsynaptische Membran befindet sich am Axonende eines Neurons, genauer gesagt am synaptischen Endknöpfchen.
Synaptischer Spalt: Der schmale Raum zwischen der präsynaptischen und der postsynaptischen Zelle. Durch diesen Spalt diffundieren die Neurotransmitter, um die nächste Zelle zu erreichen.
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Postsynapse: Der Bereich der empfangenden Zelle, der das Signal empfängt. Hier befinden sich Rezeptoren, die spezifisch an die Neurotransmitter binden und eine Reaktion in der Zelle auslösen. Die postsynaptische Membran gehört zum Dendriten der nachfolgenden Nervenzelle.
Arten von Synapsen
Synapsen lassen sich in zwei Haupttypen unterteilen: chemische und elektrische Synapsen.
Chemische Synapsen
Chemische Synapsen sind die häufigste Form von Synapsen im Nervensystem von Menschen und anderen Tieren. Bei dieser Art der Synapse wird ein elektrisches Signal in ein chemisches Signal umgewandelt. Wenn ein Aktionspotential das Axonende (synaptisches Endknöpfchen) erreicht, öffnen sich spannungsabhängige Calciumkanäle, was zu einem Einstrom von Calciumionen in die Zelle führt. Dieser Calciumionen-Einstrom löst die Verschmelzung von Vesikeln, die Neurotransmitter enthalten, mit der präsynaptischen Membran aus. Die Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt und diffundieren zur postsynaptischen Membran, wo sie an spezifische Rezeptoren binden.
Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren führt zur Öffnung von Ionenkanälen in der postsynaptischen Membran. Dies kann entweder zu einer Depolarisation (Erregung) oder Hyperpolarisation (Hemmung) der postsynaptischen Zelle führen, abhängig vom jeweiligen Neurotransmitter und Rezeptortyp. Die Erregung oder Hemmung findet so lange statt, wie die Neurotransmitter an die Rezeptoren gebunden sind. Anschließend werden die Neurotransmitter entweder wieder in die präsynaptische Zelle aufgenommen und erneut verwendet, im synaptischen Spalt abgebaut oder diffundieren aus dem Spalt.
Neurotransmitter und ihre Funktionen
Je nach freigesetztem Neurotransmitter und dem Rezeptor auf der postsynaptischen Membran können chemische Synapsen unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Einige wichtige Neurotransmitter sind:
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Acetylcholin: Wirkt häufig erregend und spielt eine Rolle bei Synapsen im Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark. Es bindet an muskarinerge oder nikotinerge Rezeptoren.
Noradrenalin und Adrenalin: Gehören zu den Monoaminen und sind vor allem im Hirnstamm und in vegetativen, sympathischen Fasern zu finden.
Dopamin: Ein Katecholamin, das in den Basalganglien und in Teilen des limbischen Systems vorkommt.
Histamin: Beteiligt an der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus.
Serotonin: Ein Neurotransmitter des limbischen Systems, der eine wichtige Rolle bei der Stimmungsregulation spielt.
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GABA (Gamma-Aminobuttersäure): Wirkt hemmend in vielen Bereichen des zentralen Nervensystems.
Neuropeptide: Beeinflussen vielfältige Prozesse wie Schmerzempfinden, Appetit, Schlaf, Stimmung oder Stressreaktionen.
Elektrische Synapsen
Elektrische Synapsen sind seltener als chemische Synapsen und verbinden zwei Nervenzellen direkt miteinander. An elektrischen Synapsen sind Prä- und Postsynapse über sogenannte Gap Junctions verbunden. Gap Junctions sind Zell-Zell-Kontakte, die einen direkten Austausch von Ionenströmen zwischen den zwei Zellen ermöglichen. Das elektrische Signal kann somit ohne Umweg von einer Zelle zur nächsten fließen. Diese Art der Signalübertragung ist sehr schnell und bidirektional. Elektrische Synapsen kommen vor allem dort vor, wo eine schnelle und synchronisierte Aktivität von Nervenzellen erforderlich ist, beispielsweise bei bestimmten Reflexen oder in Herzmuskelzellen.
Funktion der Synapsen
Die Hauptfunktion der Synapsen besteht darin, die Übertragung von Informationen zwischen Nervenzellen oder zwischen Nervenzellen und anderen Zellen zu ermöglichen. Diese Informationsübertragung ist entscheidend für alle neurologischen Prozesse, einschließlich Wahrnehmung, Bewegung, Denken, Lernen und Gedächtnis.
Informationsübertragung: Synapsen ermöglichen die Weiterleitung von elektrischen oder chemischen Signalen von einer Nervenzelle zu ihrer Nachbarzelle.
Signalverstärkung: An chemischen Synapsen können die freigesetzten Neurotransmitter das Signal verstärken, indem sie eine Kaskade von Ereignissen in der postsynaptischen Zelle auslösen.
Signalhemmung: Einige Synapsen wirken hemmend, indem sie die Erregung der nachfolgenden Zelle reduzieren oder verhindern.
Plastizität: Synapsen sind in der Lage, ihre Struktur und Funktion im Laufe der Zeit zu verändern. Diese synaptische Plastizität ist die Grundlage für Lernen und Gedächtnis.
Synaptische Plastizität und Lernen
Synaptische Plastizität bezieht sich auf die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke im Laufe der Zeit zu verändern. Diese Veränderung kann sowohl eine Verstärkung (Langzeitpotenzierung, LTP) als auch eine Abschwächung (Langzeitdepression, LTD) der synaptischen Übertragung umfassen. Synaptische Plastizität ist ein grundlegender Mechanismus für Lernen und Gedächtnis. Durch die Veränderung der synaptischen Stärke können Nervenzellen ihre Verbindungen anpassen und somit neue Informationen speichern und abrufen.
Bedeutung von Synapsen für die Gesundheit
Synapsen spielen eine entscheidende Rolle für die Gesundheit und das reibungslose Funktionieren des Nervensystems. Störungen der synaptischen Funktion können zu einer Vielzahl von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen.
Erkrankungen im Zusammenhang mit Synapsen
Depressionen: Störungen der synaptischen Signalübertragung, insbesondere der Neurotransmitter Serotonin, Noradrenalin und Dopamin, spielen eine zentrale Rolle bei Depressionen.
Lambert-Eaton-Syndrom: Eine Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört, indem Antikörper gegen spannungsabhängige Calciumkanäle gebildet werden.
Myasthenia gravis: Eine Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört, indem Autoantikörper gegen Acetylcholinrezeptoren gebildet werden.
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 sich wiederholende Verhaltensweisen gekennzeichnet ist.
Schizophrenie: Eine schwere chronische psychische Störung, die durch psychotische Symptome, desorganisiertes Sprechen oder Verhalten, Affektverflachung und andere Symptome gekennzeichnet ist.
Chorea Huntington: Eine progressive neurodegenerative Erkrankung, die durch eine Bewegungsstörung (Chorea) gekennzeichnet ist.
Einfluss von Giften und Medikamenten auf Synapsen
Synapsen können auch durch Gifte und Medikamente beeinflusst werden. Einige Beispiele sind:
Parathion (E 605): Ein Phosphorsäureester, der zu einer irreversiblen Hemmung des Enzyms Acetylcholinesterase führt, was zu einer Daueraktivierung der Neurone und Muskelzellen führen kann.
Botulinumtoxin: Das Gift des Bakteriums Clostridium botulinum, das die Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Endplatte verhindert und so zur Lähmung der betroffenen Muskulatur führt.
Tetanustoxin: Das Gift von Clostridium tetani, das die Freisetzung von Neurotransmittern in bestimmten Neuronen verhindert und zu Muskelkrämpfen und Lähmungen führen kann.
Botox (Botulinumtoxin): Wird in der Medizin gezielt eingesetzt, um übermäßige Muskelaktivität oder Drüsentätigkeit zu hemmen, indem es die Freisetzung von Acetylcholin blockiert.
Antidepressiva: Einige Antidepressiva verhindern die Wiederaufnahme von Noradrenalin oder Serotonin in die Präsynapse und erhöhen somit die Konzentration dieser Neurotransmitter im synaptischen Spalt.
Forschung zu Synapsen
Die Erforschung von Synapsen ist ein aktives Gebiet der Neurowissenschaften. Wissenschaftler untersuchen die Struktur, Funktion und Plastizität von Synapsen, um ein besseres Verständnis der neuronalen Kommunikation und der Entstehung von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen zu gewinnen. Neue Technologien wie die hochauflösende Mikroskopie und die Optogenetik ermöglichen es, Synapsen in immer größerem Detail zu untersuchen und ihre Aktivität gezielt zu beeinflussen.
Ein wichtiger Forschungsbereich ist die Untersuchung elektrischer Synapsen. Georg Ammer und seine Kollegen haben beispielsweise einen wichtigen Protein-Baustein elektrischer Synapsen markiert, um deren Funktionen auf die Spur zu kommen. Durch das gezielte Ausschalten elektrischer Synapsen im Areal der visuellen Verarbeitung konnten sie zeigen, dass die betroffenen Nervenzellen auf bestimmte Reize stark abgeschwächt reagieren.