Transmitteraustausch zwischen Nervenzellen: Ein Schlüsselmechanismus für die Hirnfunktion

Die Kommunikation zwischen Nervenzellen im Gehirn ist ein komplexer Prozess, der für unsere Wahrnehmung, unser Verhalten und unsere kognitiven Fähigkeiten unerlässlich ist. Dieser Austausch erfolgt über spezialisierte Strukturen, die als Synapsen bezeichnet werden, wo elektrische Signale in chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, umgewandelt werden. Diese Neurotransmitter überqueren den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der Empfängerzelle, wodurch ein neues elektrisches Signal ausgelöst wird.

Die Bedeutung der hemmenden Signalübertragung

Während ein Großteil der Synapsen im Gehirn erregend wirkt und die Aktivität der Empfängerzelle steigert, ist ein ebenso wichtiges System für die hemmende Signalübertragung verantwortlich. Diese hemmenden Synapsen kontrollieren die Erregbarkeit des Gehirns, stimmen Hirnbereiche aufeinander ab und beeinflussen maßgeblich die Informationsverarbeitung. Eine Störung der hemmenden Signalübertragung kann schwerwiegende Folgen haben, wie Epilepsie, Angsterkrankungen und Schizophrenie.

Die Entdeckung eines Schlüsselmechanismus

Eine Forschungsgruppe um Prof. Dr. Weiqi Zhang von der Universität Münster hat zusammen mit Hirnforschern aus Göttingen und Frankfurt einen Schlüsselmechanismus entdeckt, der für die korrekte Ausstattung von hemmenden Synapsen mit den passenden Rezeptorproteinen für die Neurotransmitter GABA und Glycin verantwortlich ist. Die Wissenschaftler entdeckten einen Schlüsselmechanismus, der für die passende Ausstattung von GABA- und Glycin-Rezeptoren an hemmenden Synapsen verantwortlich ist.

Die Rolle von Neuroligin-2, Collybistin und Gephyrin

Die Forscher fanden heraus, dass das Protein Neuroligin-2 eine entscheidende Rolle bei der Entstehung hemmender Synapsen spielt. Neuroligin-2 fungiert wie ein Klettverschluss, der den sendenden und empfangenden Teil der Synapse miteinander verbindet. Innerhalb des Empfängerteils bindet sich Neuroligin-2 an die Gerüstproteine Collybistin und Gephyrin, die wiederum die Verankerung von GABA- und Glycin-Rezeptoren übernehmen. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass alle drei Proteine - Neuroligin-2, Collybistin und Gephyrin - für die Entstehung funktionstüchtiger hemmender Synapsen unerlässlich sind.

Auswirkungen auf Angstverhalten und Erregbarkeit des Gehirns

Um die Bedeutung dieser Proteine zu untersuchen, veränderten die Forscher Mäuse genetisch, sodass ihnen die Fähigkeit zur Erzeugung von Neuroligin-2 oder Collybistin fehlte. Hierdurch waren auch die hemmenden Synapsen in verschiedenen Hirnbereichen der Tiere nicht mehr korrekt mit den passenden GABA- und Glycin-Rezeptoren ausgestattet. "Die Folgen sind eine stark erhöhte Neigung zu Angstverhalten und eine extrem gesteigerte Erregbarkeit des Gehirns“.

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Medizinische Bedeutung und therapeutische Perspektiven

Die Entdeckung dieses Schlüsselmechanismus hat nicht nur eine fundamentale Frage der neurowissenschaftlichen Grundlagenforschung geklärt, sondern auch wichtige medizinische Implikationen. Studien deuten darauf hin, dass eine genetisch verursachte Störung dieses Proteinnetzwerks beim Menschen zu Epilepsie führen kann. Daher sind die Forscher davon überzeugt, dass ihre Entdeckung neue Möglichkeiten für die Therapie verschiedener neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen eröffnen könnte, darunter Epilepsie, Angststörungen und Schizophrenie.

Die synaptische Übertragung im Detail

Der Austausch von Informationen zwischen Nervenzellen erfolgt über Synapsen, mikroskopisch kleine Zellstrukturen, an denen sendende und empfangende Zellen miteinander in Kontakt treten. Die Funktionsweise der meisten Synapsen beruht auf biochemischer Signalübertragung mittels Neurotransmittern. Die Neurotransmitter werden präsynaptisch ausgeschüttet und docken postsynaptisch an spezifische Rezeptoren anderer Neuronen an, wo sie erregend oder hemmend wirken.

Neurotransmitter: Die Botenstoffe des Gehirns

Neurotransmitter wandern in der Regel von der Synapse des sendenden Neurons über einen synaptischen Spalt zu einer postsynaptischen Membran, die auf Axon, Dendriten oder Zellkörper einer weiteren empfangenden Nervenzelle sitzen kann. Sie werden auf der Ausgangsseite, also in der Synapse, auf Vorrat gebildet und in kleinen Bläschen, den Vesikeln, gespeichert. Läuft ein Aktionspotenzial ein, entleeren sich die Vesikel in den synaptischen Spalt. An der postsynaptischen Membran passen die Transmittermoleküle zu bestimmten Rezeptor-​Proteinen wie der Schlüssel ins Schloss. Dort können sie erregend oder hemmend wirken - das hängt jeweils vom Transmitter selbst und in vielen Fällen auch vom speziellen Rezeptortyp ab. Auf jeden Fall entsteht ein Input, den das postsynaptische Neuron zusammen mit den von anderswo einlaufenden Signalen weiterverarbeiten kann. Nach der Signalübertragung heißt es aufräumen: Damit die Synapse wieder neu funktionsfähig wird, müssen die Transmittermoleküle aus dem Spalt verschwinden. Zumindest bei denjenigen Substanzen, die für schnelle Kommunikation zuständig sind, hilft die präsynaptische Membran mit: Transportproteine sorgen für die Wiederaufnahme des Transmitters im Neuron. Dort wird er entweder wiederverwertet oder abgebaut. Jeder Transmitter braucht also eine speziell auf ihn abgestimmte Maschinerie, damit Synthese, Freisetzung, Wirkung und Wiederaufnahme reibungslos funktionieren. Da Nervenzellen jeweils auf einen oder wenige Transmitter spezialisiert sind, lassen sich jedem Botenstoff konkrete Neuronennetzwerke zuordnen. Besonders bekannte und bedeutsame Beispiele solcher Neurotransmittersysteme sind das cholinerge System rund um den Transmitter Acetylcholin, das serotonerge System mit dem Botenstoff Serotonin und analog das dopaminerge System mit den Neurotransmitter Dopamin.

Die Vielfalt der Neurotransmitter

Die heute bekannten Neurotransmitter lassen sich großteils in drei Substanzklassen einordnen. Die drei häufigsten Transmitter Glutamat, GABA und Glycin sind Aminosäuren - kleine Bausteine von Eiweißmolekülen, wie sie im Körper überall vorhanden sind. Serotonin, Dopamin und weitere Transmitter gehören zu den Aminen, die durch enzymatische Reaktionen aus Aminosäuren gebildet werden. Die dritte Gruppe bilden die Neuropeptide, von denen bis heute mehr als 50 entdeckt wurden. Peptide sind kurze Kettenmoleküle aus Aminosäuren und können von der Zelle genau wie Proteine (lange Aminosäureketten) entsprechend genetisch codierter Baupläne synthetisiert werden.

Rezeptoren: Die Empfänger der Botschaften

Jeder Neurotransmitter hat seine eigenen, spezifischen Rezeptoren - und in der Regel viele verschiedene davon, die sogenannten Subtypen. Unterscheiden lassen sie sich in Laboruntersuchungen beispielsweise dadurch, wie sie auf andere chemische Verbindungen reagieren. Im Gegensatz dazu stehen die Antagonisten, die einen Rezeptor blockieren statt aktivieren. Unterscheiden lassen sich Rezeptoren auch noch durch ihren Wirkmechanismus. Alle Glutamatrezeptoren etwa, ob nun AMPA-, NMDA- und Kainat-Rezeptor, öffnen bei Aktivierung direkt einen Ionenkanal in der postsynaptischen Membran (ionotrope Rezeptoren).

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Die elektrische Signalübertragung innerhalb von Neuronen

Innerhalb eines Neurons wird ein einkommendes Signal elektrisch weitergeleitet. Die elektrische Weiterleitung funktioniert nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip: Erst wenn die Stärke des Signals einen Schwellenwert übersteigt, wird im Axon das Aktionspotenzial generiert. Dabei helfen die Synapsen, die das elektrische Signal des Aktionspotenzials in ein chemisches “übersetzen”: Sie setzen Botenstoffe, Neurotransmitter, in den Spalt zwischen Sender- und Empfängerzelle frei. Die Empfängerzelle kann die Neurotransmitter über Rezeptoren aufnehmen und in ein elektrisches Signal, das postsynaptische Signal, übersetzen. Die Botschaft und Dringlichkeit eines Signals zeigt sich an der Anzahl und der Frequenz der Aktionspotenziale.

Das Aktionspotenzial: Der elektrische Impuls

Solange ein Neuron nicht „feuert“, befindet es sich im Ruhezustand. In dieser Phase herrscht an der Außenhaut der Zelle, der Membran, eine bestimmte Spannung, das Ruhepotenzial vor. Wird das Neuron entsprechend gereizt, etwa durch eine andere Nervenzelle oder einen sensorischen Input, entsteht an der Membran des Axons eine veränderte elektrische Spannung, die sich bis zu den Synapsen fortpflanzt. Man spricht vom Aktionspotenzial, das beim Menschen etwa eine Millisekunde andauert. In der synaptischen Endigung löst das Aktionspotenzial die Freisetzung von chemischen Botenstoffen (Neurotransmittern) aus, die den synaptischen Spalt überbrücken und in der nächsten (postsynaptischen) Nervenzelle ein Aktionspotenzial auslösen können.

Die Rolle von Ionenkanälen

Der Wechsel vom Ruhe- zum Aktionspotenzial erfolgt, indem bestimmte Ionen über die Zellmembran des Axons ein- und ausströmen. Im Ruhezustand sind mehr Kalium-Ionen im Inneren des Axons, während sich außerhalb mehr Natrium-Ionen befinden. Dadurch entsteht eine Spannung über der Membran, die bei etwa -70 Millivolt liegt. Kommt ein geeigneter Reiz, öffnen sich in der Membran kurzzeitig Ionen-Kanäle, über die sehr schnell positiv geladene Natrium-Ionen einströmen. Nun wird das Potenzial im Inneren positiver, mehr Kanäle öffnen sich, man spricht von einer Depolarisation. Nur wenn diese stark genug ist, sie also einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, tritt das Aktionspotenzial als eine Art explosionsartige Umpolarisierung der Membran auf („Alles-oder-Nichts-Prinzip“).

Synapsen als zentrale Schaltstellen der Informationsübertragung

Die Synapsen sind die zentralen Schaltstellen der Informationsübertragung im Gehirn. Jede Nervenzelle hat bis zu 10.000 davon, im Extremfall sogar mehr als 100.000. Weil aber die synaptischen Endigungen der Senderzelle die Empfängerzelle nicht direkt berühren, bleibt ein winziger Spalt von 20 bis 50 Nanometern zwischen beiden. Um diese Barriere zu überwinden, nutzen die meisten Synapsen chemische Botenstoffe.

Die Bedeutung der Frequenz von Aktionspotenzialen

Die Information über die Stärke einer Erregung ist in der Anzahl der Aktionspotenziale und ihrem zeitlichen Abstand zueinander, der Frequenz, codiert. Besonders starke Reize lösen besonders viele und dicht aufeinanderfolgende Aktionspotenziale aus. Pro Sekunde kann eine Nervenzelle bis zu 500mal feuern.

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Dynamische Veränderungen an Synapsen

Sowohl die Sender- als auch die Empfängerzelle können die Übertragungsleistung dynamisch verändern. So kann die Effektivität der Kopplung von Aktionspotenzial und der Freisetzung von Neurotransmittern variieren. Auch die Empfängerzelle kann die Übertragungsleistung dynamisch verändern: „Je mehr Rezeptoren sich auf der empfangenden Seite befinden, umso sensitiver ist sie. Das heißt: Bei der gleichen Menge ausgeschütteter Transmitter kann die Empfängerseite trotzdem unterschiedlich stark erregt werden“, sagt Brose. Forscher gehen davon aus, dass bei Lernprozessen etwa die Postsynapse langfristig sensitiver werde.

Die Rolle von Gliazellen

Neben Neuronen spielen auch Gliazellen eine wichtige Rolle im Gehirn. Sie bilden häufig dichte, spiralförmige Hüllen um das Axon, die wie Perlen auf der Kette aufgereiht und von kleinen Aussparungen unterbrochen werden. Die Hüllen nennt man Myelin-​Scheiden, die Lücken dazwischen Ranvier´sche Schnürringe. Die Myelin-​Scheiden funktionieren wie die Isolierung eines Kabels. An diesen Stellen kann kein Aktionspotenzial entstehen - was dazu führt, dass sich der elektrische Impuls nicht kontinuierlich fortsetzt, sondern die Isolier-​Bereiche einfach überspringt.

Die Bedeutung der synaptischen Vesikel

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. Wenn ein elektrisches Signal im Nervenende eintrifft, werden Calcium-Kanäle in der Plasmamembran aktiviert, durch die Calcium-Ionen vom Außenraum in das Innere der Synapse strömen. Sie treffen auf eine molekulare Maschine, die sich zwischen der Membran der Vesikel und der Plasmamembran befindet und die durch die hereinströmenden Calcium-Ionen aktiviert wird. Diese Maschine bewirkt, dass die Membran der Vesikel, die sich in der Startposition befinden, mit der Plasmamembran verschmilzt.

Recycling der synaptischen 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. Die synaptische Vesikel werden anschließend im Nervenende über einige Zwischenschritte wieder recycelt und neu mit Botenstoffen befüllt.

"Hinter vorgehaltener Hand" Kommunikation zwischen Nervenzellen

Eine Studie unter Beteiligung der Universität Bonn hat herausgefunden, dass auch Nervenzellen im Gehirn „hinter vorgehaltener Hand“ miteinander kommunizieren. Spezialisierte Zellen im Gehirn, die Astrozyten, nehmen nämlich das ausgeschüttete Glutamat schnell wieder auf. So schirmen sie die Kommunikation gewissermaßen ab. PAPs verfügen über spezialisierte Transporter, die wie kleine Staubsauger das Glutamat um die Synapsen entfernen. Wie effektiv der Mechanismus funktioniert, wird offenbar streng reguliert: Die Wissenschaftler lösten durch mehrfach wiederholte elektrische Reizung eine Art „zelluläres Lernen“ aus. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass sich die PAPs bei diesem Lernprozess zurückziehen. So steige die Wahrscheinlichkeit, dass benachbarte Zellen ebenfalls durch die Glutamat-Ausschüttung angeregt würden.

Neue Erkenntnisse zur Dopamin-Freisetzung

Nun haben Forschende aus Boston und Bethesda (USA), Leipzig sowie Peking einen neuen Mechanismus für die Freisetzung von Dopamin im Gehirn identifiziert. Beim entdeckten Mechanismus entsteht das zur Dopamin-Freisetzung führende Aktionspotenzial direkt im sendenden Axon, hervorgerufen durch die Wirkung eines zweiten Botenstoffs namens Acetylcholin. Diese Acetylcholin-freisetzenden Zellen können sich in unmittelbarer Nähe zu Dopamin-freisetzenden Axonen befinden. Die Autoren konnten in ihrer Arbeit nun zeigen, dass Acetylcholin Dopamin-freisetzende Nervenfasern direkt erregt. Der „Sender“ wird gleichzeitig zum „Empfänger“.

Neurotransmitter und ihre Funktionen im Überblick

• Acetylcholin (ACh): Wichtiger Neurotransmitter im zentralen und peripheren Nervensystem, spielt eine Schlüsselrolle bei der Übertragung von Signalen an den Synapsen zwischen Neuronen und Muskeln, was Bewegungskoordination und Muskelkontraktion ermöglicht. Es ist auch an kognitiven Prozessen wie Lernen und Gedächtnis beteiligt.
• Gamma-Aminobuttersäure (GABA): Einer der wichtigsten Neurotransmitter mit hemmender Wirkung im zentralen Nervensystem. Es beeinflusst die neuronale Aktivität und trägt zur Regulation von Angst, Stressreaktionen, Schlaf und Bewegungskoordination bei.
• Glutamat: Der wichtigste erregende Neurotransmitter im Gehirn und spielt eine zentrale Rolle bei der synaptischen Plastizität, Lernen und Gedächtnis sowie bei der Regulation von Bewegung und sensorischen Funktionen.
• Dopamin: Mit Belohnung, Motivation, Bewegungskoordination und zahlreichen anderen Aufgaben verbunden. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulation von Emotionen und der Verarbeitung von Belohnungssignalen im Gehirn.
• Serotonin: Mit der Regulation von Stimmung, Schlaf-Wach-Zyklus, Appetit, Angst und vielen anderen Funktionen verbunden. Es spielt auch eine Rolle bei der Regulation von Schmerzwahrnehmung und Entzündungsprozessen.
• Noradrenalin (Norepinephrin): Ein Transmitter und ein Hormon, das mit der Regulation von Aufmerksamkeit, Wachsamkeit, Stimmung und Stressreaktionen verbunden ist. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Aktivierung des Kampf-oder-Flucht-Reaktionssystems.

Auswirkungen von Neurotransmittermangel

Das Fehlen bestimmter Transmitter im Hirn und die Nichtbesetzung der jeweiligen Rezeptoren kann zu einer Vielzahl von neurologischen und psychischen Symptomen und Störungen führen:

• Beeinträchtigte Signalübertragung: Ein Mangel an einem bestimmten Nervenbotenstoff kann dazu führen, dass die Signalübertragung zwischen Neuronen gestört ist.
• Neurologische Symptome: Einige Neurotransmittermängel können spezifische neurologische Symptome verursachen, wie Bewegungsstörungen bei Dopaminmangel oder Gedächtnisprobleme bei Acetylcholinmangel.
• Psychische Symptome: Transmitter spielen auch eine wichtige Rolle bei der Regulation von Stimmung und Emotionen. Ein Mangel an Serotonin, Dopamin oder Noradrenalin kann Stimmungsstörungen wie Depressionen, Angstzustände oder bipolare Störungen verursachen.
• Andere Symptome: Einige Transmitterstoffe können auch andere Symptome und Störungen verursachen, wie Schlafstörungen, Appetitveränderungen, Schmerzempfindlichkeit und mehr.

Neurotransmitter und Schokoladenkonsum

Der Verzehr von Schokolade kann verschiedene Transmitter freisetzen, die dazu beitragen, die Stimmung zu beeinflussen und angenehme Empfindungen zu erzeugen:

• Dopamin: Schokolade enthält Bestandteile wie Zucker und Kakao, die zur Freisetzung von Dopamin beitragen können.
• Serotonin: Kakao enthält auch Vorläufermoleküle für die Produktion dieses Transmitters.
• Endorphine: Der Genuss von Schokolade kann die Freisetzung von Endorphinen stimulieren, die Schmerzen lindern und ein Gefühl des Wohlbefindens erzeugen können.
• Phenylethylamin: Schokolade enthält auch Phenylethylamin, eine Substanz, die auch als "Liebeschemikalie" bezeichnet wird, da sie mit Verliebtheit und Romantik in Verbindung gebracht wird.

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