Synaptische Verbindungen: Grundlagen, Funktion und Bedeutung für das Gehirn

Synaptische Verbindungen sind die fundamentalen Kontaktstellen zwischen Nervenzellen (Neuronen), über die Informationen und Erregungen im Nervensystem weitergeleitet werden. Diese Verbindungen ermöglichen die komplexe Kommunikation, die allen Funktionen des Gehirns zugrunde liegt, vom einfachen Reflex bis hin zu komplexen Denkprozessen, Lernen und Gedächtnis.

Definition und Grundlagen synaptischer Verbindungen

Synaptische Verbindungen ermöglichen die Kommunikation zwischen Nervenzellen, indem sie chemische oder elektrische Impulse übertragen. Es gibt zwei Haupttypen von Synapsen: chemische und elektrische Synapsen.

Chemische Synapsen

Chemische Synapsen nutzen Neurotransmitter, um Signale über den synaptischen Spalt weiterzuleiten. Die elektrische Erregung in der präsynaptischen Zelle führt zur Freisetzung von Neurotransmittern, die an Rezeptoren der postsynaptischen Zelle binden.

Elektrische Synapsen

Elektrische Synapsen leiten Signale direkt über Ionenkanäle weiter, die direkte Kanäle zwischen benachbarten Zellen bilden. Dies ermöglicht eine schnellere Übertragung als bei chemischen Synapsen. Elektrische Synapsen sind effizienter in der Geschwindigkeit der Signalübertragung, während chemische Synapsen grössere Flexibilität und Anpassbarkeit bieten.

Elektrische Synapsen sind deutlich seltener und mit den gängigen Methoden schwer zu erkennen. Daher sind sie bisher wenig erforscht. Eine elektrische Synapse verbindet zwei Nervenzellen direkt miteinander, sodass das elektrische Signal ohne Umweg von einer Zelle zur nächsten fließen kann. Außer bei Stachelhäutern kommt diese besondere Synapsenart im Gehirn jeder darauf untersuchten Tierart vor.

Lesen Sie auch: Die Rolle der Synapsen im Lernprozess

Funktionsweise im Alltag: Stell Dir vor, Du berührst eine heiße Oberfläche. Die Informationen darüber werden blitzschnell durch Dein Nervensystem mittels synaptischer Verbindungen weitergeleitet, sodass Du Deine Hand rasch zurückziehst.

Elektrische Synapsen sind seltener als chemische Synapsen, aber sie sind extrem wichtig in Netzwerken, die schnelle und synchrone Kommunikationen erfordern, wie das Herz. Die elektrische Kopplung durch Gap Junctions trägt entscheidend zur Synchronisation neuronaler Netzwerke bei. Diese Schnellverbindungen bestehen aus Connexin-Proteinen, die Poren bilden, durch welche Ionenströme direkt zwischen benachbarten Zellen fliessen können. Diese Mechanik ermöglicht eine nahezu sofortige Anpassung der Membranpotenziale und damit eine gleichzeitige neuronale Aktivierung, wie sie beispielsweise in Herzmuskelzellen essentiell ist.

Funktionaler Aufbau synaptischer Verbindungen

Der funktionale Aufbau synaptischer Verbindungen besteht aus mehreren Komponenten, die jeweils eine wichtige Rolle im Übertragungsprozess spielen. Hier ein paar wesentliche Bestandteile:

• Präsynaptische Membran: Diese befindet sich am Ende des sendenden Neurons und enthält Vesikel mit Neurotransmittern. 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.
• Synaptischer Spalt: Der Raum zwischen der prä- und postsynaptischen Membran, durch den die Neurotransmitter diffundieren. Nervensystem: Histologie ist der sogenannte synaptische Spalt.
• Postsynaptische Membran: Diese Membran des empfangenden Neurons besitzt Rezeptoren, die auf die Neurotransmitter reagieren.

Während des synaptischen Übertragungsvorgangs: Wenn das Aktionspotential die präsynaptische Endigung erreicht, öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle. Calciumionen strömen ein und bewirken die Kontraktion der synaptischen Vesikel mit der präsynaptischen Membran, was die Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt einleitet.

Nach der Freisetzung diffundieren die Neurotransmitter durch den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran. Dies kann entweder zur Depolarisation oder Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran führen, abhängig davon, welcher Neurotransmitter und welche Rezeptoren beteiligt sind. Die Erregung / Hemmung findet solange statt, wie die Neurotransmitter an den Rezeptoren gebunden sind.

Lesen Sie auch: Faszination Nesseltiere: Wie sie ohne Gehirn leben

Die Neurotransmitter werden schließlich enzymatisch abgebaut oder durch Aufnahmeprozesse in die präsynaptische oder benachbarte Gliazellen zurückgeholt, um eine erneute Signalübertragung zu ermöglichen. Dann können sie wieder von der präsynaptischen Zelle aufgenommen und erneut verwendet werden.

Biophysik der Synaptischen Verbindung

Die Biophysik der synaptischen Verbindungen beleuchtet die physikalischen und biologischen Mechanismen, die die Übertragung von Signalen zwischen Neuronen ermöglichen. Diese Prozesse sind essenziell für die Kommunikation im Gehirn.

Mechanismen der Signalübertragung

Die Signalübertragung an Synapsen beruht auf einer Reihe komplexer Prozesse, die zwischen der Freisetzung und dem Empfang von Neurotransmittern stattfinden. Einige der wesentlichen Mechanismen sind:

• Aktionspotenzial: Dies ist das elektrische Signal, das sich entlang des Axons des Neurons bewegt und den Beginn der synaptischen Übertragung markiert. Ein Aktionspotenzial ist eine schnelle Depolarisation und anschließende Repolarisation einer Neuronenmembran, die durch den Einstrom von Natriumionen und den Ausstrom von Kaliumionen verursacht wird.
• Calciumioneneinstrom: Bei Eintreffen des Aktionspotentials öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle, die Calciumionen in das präsynaptische Neuron einströmen lassen.
• Neurotransmitterfreisetzung: Das Vorhandensein von Calciumionen bewirkt die Verschmelzung von Vesikeln mit der präsynaptischen Membran, was zur Freisetzung von Neurotransmittern führt.

Ein tieferes Verständnis der Synapsen kann durch Betrachtung der Ionendynamik erreicht werden. Die Gleichung von Hodgkin und Huxley kann verwendet werden, um die Stromstärke durch Ionenkanäle zu beschreiben:

I = g_{Na}(V - E_{Na}) + g_{K}(V - E_{K}) + g_{L}(V - E_{L})

Hierbei ist I der Gesamtstrom, gNa, gK und gL die Leitfähigkeiten für Natrium, Kalium und Leckströme und ENa, EK und EL die Umkehrpotentiale. Die Spannung V beschreibt den Membranpotentialunterschied. Diese Gleichung ist grundlegend für das Verständnis der elektrischen Eigenschaften von Neuronen.

Lesen Sie auch: Lesen Sie mehr über die neuesten Fortschritte in der Neurowissenschaft.

Die Geschwindigkeit der Signalübertragung kann durch myelinisierte Nervenfasern deutlich erhöht werden, da sie die Leitfähigkeit des elektrischen Signals verbessern.

Einfluss von Ionen auf synaptische Verbindungen

Ionen spielen eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung in synaptischen Verbindungen. Verschiedene Ionenarten beeinflussen die Funktionsweise der Synapsen.

• Natriumionen (Na+): Wichtig für die Depolarisation während des Aktionspotenzials.
• Kaliumionen (K+): Verantwortlich für die Repolarisation und Wiederherstellung des Ruhepotentials.
• Calciumionen (Ca2+): Notwendig für die Vesikelfusion und Freisetzung von Neurotransmittern an der präsynaptischen Membran. Der Anstieg der Calciumionenkonzentration löst die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der Membran aus.

Ein Anstieg von Calciumionen beim Eintritt in das Neuron äußert sich durch die Erhöhung der Neurotransmitterfreisetzung, was die Stärke der synaptischen Übertragung verbessert.

Die Funktion und Regulation von Ionenkanälen kann mit der Nernst-Gleichung modelliert werden, die das Umkehrpotential für ein Ion Vorhersagt:

E_{ion} = \frac{RT}{zF} \ln \left(\frac{[ion]_{außen}}{[ion]_{innen}}\right)

Hierbei ist Eion das Umkehrpotential, R die universelle Gaskonstante, T die Temperatur, die in Kelvin gemessen wird, z die Ladung des Ions und F die Faraday-Konstante. Diese mathematische Beschreibung ist essenziell, um die Elektrophysiologie von Neuronen genauer zu verstehen.

Neuronale Netze und Synaptische Verbindungen

Neuronale Netze, ob biologisch im Gehirn oder künstlich in Computermodellen, basieren auf der Funktionsweise von synaptischen Verbindungen. Diese Netzwerke sind die Grundlage für komplexe Rechenprozesse und das Lernen.

Rolle der Synapsen in neuronalen Netzwerken

In biologischen neuronalen Netzwerken spielen Synapsen eine entscheidende Rolle bei der synaptischen Plastizität, die für das Lernen und das Gedächtnis verantwortlich ist. Ein grundlegendes Prinzip der synaptischen Verstärkung.

Es wurde festgestellt, dass im menschlichen Gehirn während des Lernens die synaptische Dichte zunimmt, was die Stärkung bestehender Synapsen sowie die Bildung neuer Verbindungen umfasst. Manchmal bilden sich beim Lernen neue Synapsen oder nicht mehr gebrauchte Synpasen werden abgebaut.

In künstlichen neuronalen Netzwerken können Synapsen durch Anpassung der Gewichtungen zwischen verschiedenen Knoten (Neuronen) während des Trainingsprozesses simuliert werden. Synaptische Verbindungen in künstlichen neuronalen Netzen bestimmen die Stärke der Signalübertragung zwischen Neuronen, ähnlich wie in biologischen Gehirnen. Durch Anpassung dieser Gewichte während des Trainingsprozesses lernen die Netzwerke Muster zu erkennen und Entscheidungen zu treffen. Synaptische Verbindungen beeinflussen das Lernverhalten von neuronalen Netzwerken durch Anpassung der Gewichtungen. Diese Gewichtungen bestimmen die Signalstärke zwischen Neuronen, wodurch Mustererkennung und Entscheidungsfähigkeit optimiert werden. Verbesserungen in den Gewichtungen führen zu effizienterem Lernen und genauerer Verarbeitung von Daten.

Vergleich biologischer und künstlicher Netzwerke

Sowohl biologische als auch künstliche neuronale Netzwerke haben das Ziel, Informationen effizient zu verarbeiten, aber die Ansätze und Strukturen unterscheiden sich.

Eigenschaften	Biologische Netzwerke	Künstliche Netzwerke
Anzahl der Neuronen	Milliarden	Möglichkeit, Millionen zu simulieren
Synaptische Übertragungsart	Chemisch und elektrisch	Mathematische Gewichtungen
Lernmechanismen	Biochemische Prozesse (Langzeitpotenzierung und synaptische Plastizität)	Backpropagation, Gradientenabstieg
Verarbeitungsgeschwindigkeit	Millisekunden	Mikrosekunden bis Millisekunden

Ein Vergleich der Architektur von biologischen und künstlichen Netzwerken zeigt interessante Unterschiede und Ähnlichkeiten. In biologischen Systemen ist die Verzweigung und Vielseitigkeit extrem hoch. Zum Beispiel kann ein Neuron tausende von Dendriten und Synapsen haben. Dies bietet eine äußerst dynamische Kommunikationsstruktur, die sich ständig durch Lernen und Erfahrung verändert.

In künstlichen Netzwerken sind die Neuronen auf Layer festgelegt, wobei die Anzahl der Verbindungen viel geringer, aber präzise kontrollierbar ist. Algorithmen wie Backpropagation helfen dabei, die Gewichtungen anzupassen, um das beste Modell für die Daten zu erstellen. Das ermöglicht Netzwerken, Muster zu lernen und Entscheidungen zu treffen, die denen in biologischen Netzwerken ähneln, wenngleich mit anderen technischen Grundlagen. In der Informatik werden synaptische Verbindungen häufig durch künstliche neuronale Netze modelliert, bei denen Gewichte zwischen Neuronen synaptische Stärken simulieren. Zur Simulation synaptischer Verbindungen in neuronalen Netzwerken werden Technologien wie künstliche neuronale Netze, insbesondere Deep Learning mit Frameworks wie TensorFlow oder PyTorch, verwendet. Synaptische Verbindungen verbessern die Effizienz neuronaler Netzwerke, indem sie die Signalstärke bei der Datenübertragung optimieren und adaptiv auf Lernprozesse reagieren.

Arten synaptischer Verbindung zwischen Neuronen

Synaptische Verbindungen sind entscheidend für den neuronalen Informationsaustausch und die Verarbeitung im Gehirn. Die beiden primären Arten solcher Verbindungen sind chemische und elektrische Synapsen, die jeweils einzigartige Merkmale und Funktionen aufweisen.

Chemische und elektrische Synapsen

Chemische Synapsen sind weit verbreitet und nutzen Neurotransmitter, um Signale von einem Neuron zum nächsten zu übertragen. Diese Synapsen bestehen aus folgenden Komponenten:

• Präsynaptische Endigung: Enthält Vesikel mit Neurotransmittern.
• Synaptischer Spalt: Ein schmaler Raum, in den Neurotransmitter freigesetzt werden.
• Postsynaptische Membran: Weist Rezeptoren auf, die Neurotransmitter binden.

Auf der anderen Seite rufen chemische Synapsen komplexere Prozesse hervor. Sie nutzen verschiedene Neurotransmitter wie etwa Acetylcholin oder Glutamat, um Signale zu modulieren, was zu vielfältigen Wirkungen auf das postsynaptische Neuron führt. Dadurch können chemische Synapsen beispielsweise hemmende oder auch erregende Effekte auslösen. Beim Menschen wurden mehr als 500 verschiedene Neurotransmitter identifiziert.

Elektrische Synapsen hingegen sind direkter, da sie Ionen nutzen, um schnelle und synchrone Übertragungen durch Kanäle wie Gap Junctions zu gewährleisten. Eine Gap Junction ist eine Zellverbindung, die eine direkte elektrische Kopplung zwischen zwei Zellen ermöglicht und damit die ionische Interaktion erleichtert.

Funktionsweise im Alltag: Während einer Fluchtreaktion sind elektrische Synapsen entscheidend, um schnelle Muskelreaktionen auszulösen. Chemische Synapsen hingegen modifizieren das Verhalten über längere Zeitperioden und unterstützen Lernprozesse.

Synaptische Plastizität und Anpassung

Synaptische Plastizität beschreibt die Fähigkeit synaptischer Verbindungen, sich im Laufe der Zeit zu verstärken oder abzuschwächen, was eine Grundlage für Lernen und Gedächtnis bildet. Beide Mechanismen sind entscheidend für die Präzision von Gedächtnisprozessen und Lernvermögen. Plastische Synapsen verändern hierbei ihre Struktur und ihre Übertragungseigenschaften, was die Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse ist.

Funktionsweise im Alltag: Wenn Du ein neues Klavierstück lernst, verstärken sich Deine synaptischen Verbindungen in den Hirnregionen, die mit motorischer Koordination und Klangverständnis verbunden sind. Diese Verstärkung durch LTP unterstützt Dein Lernvermögen. Wie gut wir lernen und uns etwas merken können, ist dabei von Faktoren wie Aufmerksamkeit, Motivation und Belohnung abhängig. Dabei werden wichtige von unwichtigen Informationen getrennt.

Synaptische Anpassungen spielen eine essentielle Rolle in der neuronalen Anpassungsfähigkeit. Der Einfluss von Calciumionen ist hierbei besonders relevant. Während der LTP erhöhen einströmende Calciumionen die Aktivität von Enzymen wie CaMKII, die Veränderungen in der postsynaptischen Membran initiieren.

Ein bemerkenswerter Aspekt der synaptischen Plastizität ist die Fähigkeit von Neuronen, ihre Genexpression anzupassen, um langfristige strukturelle und funktionelle Veränderungen zu fördern.

Synaptische Verbindungen und Krankheiten

Störungen der synaptischen Funktion können zu einer Vielzahl neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen führen. Hier sind einige Beispiele:

• Myasthenia gravis: Autoimmunerkrankung, die durch eine Produktion von Autoantikörpern gegen Acetylcholinrezeptoren auf der postsynaptischen Membran gekennzeichnet ist. Rezeptoren blockiert sind, wird die Muskelkontraktion gehemmt. Betroffene berichten von Erschöpfung und Müdigkeit am Ende des Tages.
• Parkinson-Krankheit: Neurodegenerative Erkrankung, bei der die Produktion von Dopamin durch Zerstörung der produzierenden Zellen in der Substantia nigra vermindert ist.
• Tetanus: Tetanustoxin verhindert die Freisetzung des hemmenden Neurotransmitters GABA. Muskelphysiologie der Skelettmuskulatur, die sich durch Krämpfe zeigt. Besonders betroffen ist die Kiefermuskulatur. Dadurch entsteht das klassische Zeichen der Kieferklemme. Im Verlauf wird zudem die Atemmuskulatur gelähmt.
• Botulismus: Botulinumtoxin gehört zu den giftigsten bekannten Proteinen. Clostridien produziert. Wenn Botulinumtoxin an die synaptischen Vesikelproteine und Ganglioside bindet, verhindert es die Freisetzung von Acetylcholin, einem stimulierenden Neurotransmitter.
• Autismus-Spektrum-Störung: Neurologische Entwicklungsstörung, die durch reduzierte soziale Fähigkeiten, eingeschränkte Interessen und soziale Interaktionen sowie sich wiederholende und stereotype Verhaltensweisen gekennzeichnet ist. Diese Störung wird aufgrund der großen Variabilität in der Ausprägung und Symptomatik als „Spektrum“ bezeichnet. Autismus-Spektrum-Störung leiden unter schweren Beeinträchtigungen der Sprachfähigkeit und des Intellekts, während andere einen normalen oder sogar fortgeschrittenen Intellekt aufweisen.
• Chorea Huntington: Progressive neurodegenerative Erkrankung mit autosomal-dominanter Vererbung. Sie wird durch vervielfältigte CAG-Triplett-Wiederholungen (Cytosin-Adenin-Guanin) im Huntingtin-Gen (HTT) verursacht. Zum klinischen Erscheinungsbild im Erwachsenenalter gehören eine Bewegungsstörung, die als Chorea bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um abrupte, unwillkürliche Bewegungen des Gesichts, des Rumpfes und der Extremitäten.
• Schizophrenie: Schwere chronische psychische Störung. Schizophrenie ist gekennzeichnet durch das Vorhandensein psychotischer Symptome, desorganisierten Sprechens oder Verhaltens, Affektverflachung, Avolition, Anhedonie, verminderte Aufmerksamkeitsfähigkeit und Alogie.

Die Entstehung von Synapsen

Synapsen stellen Kontaktstellen zwischen axonalen Nervenendigungen (die Präsynapse) und postsynaptischen Neuronen dar. An diesen Synapsen wird das elektrische Signal in chemische Botenstoffe umgewandelt, die dann von den Postsynapsen anderer Nervenzellen empfangen werden. Neben der Übertragung von Erregung können Synapsen auch Informationen speichern.

Um die Entstehung von Präsynapsen von Anfang an nachverfolgen zu können, haben die Forschenden in humanen Stammzellen per Genschere CRISPR ein leuchtendes Protein eingebaut und aus den so modifizierten Stammzellen Nervenzellen generiert. Synaptische Vesikel sind jene Membranbläschen, welche die Botenstoffe enthalten und die jede Synapse auf Vorrat anlegt, damit sie elektrische Signale in chemische umwandeln kann.

„Die synaptischen Vesikelproteine und die Proteine der sogenannten aktiven Zone ebenso wie die Adhäsionsproteine, die die Synapse zusammenkleben nehmen alle den gleichen Bus“, beschreibt Forschungsgruppenleiter Prof. Dr. Volker Haucke den überraschenden Befund. In der Arbeit konnten die Forschenden zum einen darlegen, dass für den axonalen Transport eine Maschinerie aus Motorproteinen angeworfen wird. Der Haupttreiber ist demnach das sogenannte Kinesin „KIF1A“. Dieses Motorprotein ist vor allem im Zusammenhang mit neurologischen Störungen im peripheren Nervensystem und im Gehirn bekannt. „Wir vermuten, dass Mutationen in KIF1A den axonalen Transport präsynaptischer Proteine behindern und es so zu neurologischen Symptomen wie Bewegungsstörungen, Ataxie oder geistigen Behinderungen kommt", erläutert Volker Haucke.

Während die allermeisten sekretorischen Vesikel aus dem sogenannten Golgi-Apparat stammen, haben diese axonalen Transportvesikel keine Golgi-Markierung, sondern teilen sich Markierungen mit dem endolysosomalen System, das in anderen Zellen den Abbau von defekten Proteinen bewirkt. „Unsere Arbeit legt nahe, dass Neuronen eine Art neue Organelle erfunden haben, eine Transportorganelle, die es wahrscheinlich in dieser Form nur in Nervenzellen gibt“, erläutert Dr. Sila Rizalar.

Bedeutung für Forschung und Therapie

Die neuen Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung könnten eines Tages auch für die Klinik nützlich sein. Denn wenn die Kontakte zwischen den Nervenzellen kaputtgehen, sei es durch eine Krankheit, einen Unfall oder schlicht durch den Alterungsprozess, ist es wichtig, den Mechanismus des axonalen Transports und die beteiligten Schlüsselproteine zu kennen, um therapeutisch eingreifen zu können. „Im Idealfall wird man in der Lage sein, diesen axonalen Transport wiederzubeleben oder zu verstärken, um damit Regeneration von Nervenzellen zu befördern oder Alterungsprozessen entgegenzuwirken“, sagt Volker Haucke.

Obwohl die Forschenden nun einen entscheidenden Mechanismus der Synapsenentstehung entschlüsselt haben, sind noch viele Fragen offen. Zum Beispiel, wie die neu entdeckten Transportorganellen eigentlich entstehen, aus was sie gebaut sind oder wie sie ihre Fracht, die Synapsenmoleküle, am Ort ihrer Bestimmung abliefern. Auch steht die Frage im Raum, ob lebenslange Erinnerungen nicht möglicherweise über den gleichen axonalen Transportmechanismus abgespeichert werden, der für die Bildung von Synapsen verantwortlich ist. All diese Fragen will das Team um Volker Haucke nun weiterverfolgen.

tags: #synaptische #Verbindungen #Gehirn #Funktion