Die komplexe Verknüpfung von Nervenzellen: Funktion, Mechanismen und Bedeutung

Damit der Mensch fühlen, handeln und denken kann, ist eine ständige Kommunikation zwischen den rund 86 Milliarden Neuronen im Gehirn unerlässlich. Diese komplexe Interaktion ermöglicht es uns, kleinste Handlungen auszuführen und Emotionen zu erleben. Die Nervenzellen sind Meister der Kommunikation und dazu regelrechte Multi-Tasker. Inmitten einer Informationsflut, die mittels tausender hemmender und erregender Synapsen innerhalb von Millisekunden auf sie einströmt, bewahren sie den Überblick und leiten die integrierten Impulse über große Netzwerke weiter - immer in Teamarbeit mit anderen Zellen.

Grundlagen der neuronalen Kommunikation

Aufbau einer Nervenzelle

Um die Verknüpfung zwischen Nervenzellen zu verstehen, ist es wichtig, sich den Aufbau einer Nervenzelle (Neuron) vor Augen zu führen. Vereinfacht gesagt besteht ein Neuron in der Regel aus dem Zellkörper (Soma) und mehreren Verästelungen, die mit anderen Nervenzellen in Kontakt stehen und über die Informationen empfangen oder gesendet werden. Der Zellkörper enthält den Zellkern sowie alle Zellorganellen, die für die Funktionsfähigkeit der Zelle wichtig sind.

Die empfangenden Fortsätze werden als Dendriten bezeichnet. Sie empfangen Signale von anderen Nervenzellen über Synapsen und leiten diese zum Zellkörper weiter. Dendriten stellen somit die Antennenregion der Nervenzelle dar. Ein Neuron kann mit 100.000 bis 200.000 Fasern anderer Nervenzellen in Austausch treten.

Der sendende Fortsatz heißt Axon (auch Neurit). Er entspringt am Axonhügel und leitet elektrische Impulse vom Zellkörper zum Ende der Nervenzelle. Im Gegensatz zu den kürzeren Dendriten kann das Axon je nach Funktion und Lokalisation der Nervenzelle bis zu einem Meter lang sein. Der Axonhügel sammelt und verrechnet die einkommenden elektrischen Impulse, bis sie einen bestimmten Schwellenwert überschreiten.

Gliazellen: Unterschätzte Helfer

Neben den Neuronen spielen auch Gliazellen eine wichtige Rolle im Nervensystem. Sie bilden häufig dichte, spiralförmige Hüllen um das Axon, die Myelin-Scheiden. Diese wirken wie die Isolierung eines Kabels und sorgen dafür, dass sich der elektrische Impuls nicht kontinuierlich fortsetzt, sondern die Isolierbereiche einfach überspringt. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Erregungsleitung erhöht. Im Gehirn und Rückenmark sind Oligodendrozyten für die Myelinisierung zuständig, im peripheren Nervensystem übernehmen diese Aufgabe die Schwannzellen.

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Gliazellen befinden sich zwischen den Neuronen und ummanteln die Synapsen. Manche Forscher spekulieren, dass die Gliazellen ein zweites Netzwerk neben den Neuronen bilden, über das die Bildung von Synapsen in bestimmten Regionen des Gehirns gefördert wird, wenn in anderen Regionen eine verstärkte Aktivität auftritt.

Das Aktionspotenzial: Die Grundlage der elektrischen Signalübertragung

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.

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. Da Kalium-Ionen im Ruhezustand besser durch die Membran nach außen wandern können als Natrium-Ionen in die umgekehrte Richtung, herrscht an der Außenseite der Membran ein positiv geladenes Milieu, im Inneren der Zelle ein negatives. 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“). Während das Aktionspotenzial wie eine Welle das Axon entlangschießt, beginnt am Axonhügel nahe dem Zellkörper bereits die Repolarisation: Kalium-Ionen treten über sich jetzt öffnende eigene Kanäle nach außen, während sich die Natrium-Kanäle wieder schließen. Das Ungleichgewicht der Ladungen verringert sich, bis der Ruhezustand wieder erreicht ist. Im Folgenden sorgen dann aktive Natrium-Kalium-Pumpen dafür, dass die eingeströmten Natrium-Ionen wieder nach außen und die Kalium-Ionen nach innen transportiert werden.

Synapsen: Die Schaltstellen der neuronalen Kommunikation

Das Aktionspotenzial erreicht schließlich das Ende des Axons, das synaptische Endknöpfchen. Dies ist die Kontaktstelle zu einer anderen Nervenzelle. 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 - wenngleich es auch einige gibt, die rein elektrisch arbeiten.

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Arten von Synapsen

Chemische Synapsen

Bei chemischen Synapsen fusionieren nach der Ankunft eines Aktionspotenzials die so genannten synaptischen Vesikel - etwa 40 Nanometer kleine Bläschen - mit der Zellmembran und schütten Botenstoffe in den Spalt aus. Diese so genannten Neurotransmitter können den Spalt überqueren, der die präsynaptische von der postsynaptischen Zelle trennt. Am postsynaptischen Neuron gibt es kompetente Annahmestellen für die Information: die Rezeptormoleküle. Jeder Rezeptor ist auf einen bestimmten Neurotransmitter spezialisiert wie ein Schlüssel und ein passendes Schloss. Die Neurotransmitter erzeugen in der Empfängerzelle das so genannte postsynaptische Potenzial, eine Veränderung im Membranpotenzial des Neurons: Das chemische Signal wird also wieder in ein elektrisches zurückübersetzt.

Die Wirkung der Neurotransmitter ist nicht immer exzitatorisch, also erregend. Sie können auch inhibitorisch, hemmend agieren und so die Entstehung eines neuen Aktionspotenzials verhindern (Alles-oder-Nichts-Prinzip). 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.

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. Und auch das werde im Gehirn dynamisch verändert: Forscher gehen davon aus, dass bei Lernprozessen etwa die Postsynapse langfristig sensitiver werde.

Elektrische Synapsen

Neben chemischen Synapsen wurden auch elektrische Synapsen entdeckt. Bei dieser elektrischen Kommunikation zweier Zellen spielen so genannte ‚gap junctions‘ eine Rolle - aus Proteinen bestehende Kanäle, die die Zellflüssigkeiten von zwei Neuronen verbinden. So können elektrische Signale Ionenströme durch diese Kanäle ohne Umwege direkt von Zelle zu Zelle weitergeben. „Mit gap junctions kann man viele Zellen über eine größere Entfernung miteinander synchronisieren“, sagt Nils Brose, Direktor der Abteilung für Molekulare Neurobiologie am Max-Planck-Institut für Experimentelle Medizin. „Wenn eine Zelle ein Signal erhält, dann geht das gleich auf die anderen Zellen über, da sie wie Stecker und Steckdose miteinander verbunden sind.“ Das mobilisiert in kürzester Zeit größere Nervenzellgruppen. Obwohl das sehr effizient klingt, kommt diese rein elektrische Form der Weiterleitung eher bei einfacher entwickelten Tieren wie Krebsen vor, wo sie zum Beispiel schnelle Fluchtreaktionen steuern.

Neurotransmitter: Die Botenstoffe des Gehirns

Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an den Synapsen freigesetzt werden und die Signalübertragung zwischen Nervenzellen ermöglichen. Es gibt eine Vielzahl von Neurotransmittern, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Zu den wichtigsten gehören:

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• Acetylcholin: Spielt eine Rolle bei der Muskelkontraktion, Aufmerksamkeit und Gedächtnis.
• Noradrenalin: Beteiligt an der Steuerung von Stimmung, Aufmerksamkeit und Stressreaktionen.
• Dopamin: Wichtig für die Steuerung von Bewegung, Motivation und Belohnung.
• Serotonin: Reguliert Stimmung, Schlaf und Appetit.
• GABA: Wichtigster inhibitorischer Neurotransmitter im Gehirn.
• Glutamat: Wichtigster exzitatorischer Neurotransmitter im Gehirn.

Bedeutung der synaptischen Verknüpfung

Die synaptische Verknüpfung ist die Grundlage für alle Funktionen des Gehirns, einschließlich Wahrnehmung, Denken, Lernen, Gedächtnis und Verhalten. Störungen der synaptischen Funktion können zu einer Vielzahl von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen.

Synapsen und Erkrankungen

Synapsen können von Erkrankungen betroffen sein. Aber auch Gifte oder Toxine von Krankheitserregern können diese Strukturen gezielt ausschalten.

• Depressionen: 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.
• Lambert-Eaton-Syndrom: Das Lambert-Eaton-Syndrom ist eine seltene Autoimmunerkrankung, die die Signalübertragung an der neuromuskulären Synapse stört. Dabei bildet das Immunsystem Antikörper gegen spannungsabhängige Calciumkanäle auf der präsynaptischen Membran.
• Myasthenia gravis: 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.
• Vergiftungen: 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.
• Autismus-Spektrum-Störung: neurologische Entwicklungsstörung, die durch reduzierte soziale Fähigkeiten, eingeschränkte Interessen und soziale Interaktionen sowie sich wiederholende und stereotype Verhaltensweisen gekennzeichnet ist.
• 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.
• Parkinson-Krankheit: neurodegenerative Erkrankung, bei der die Produktion von Dopamin durch Zerstörung der produzierenden Zellen in der Substantia nigra vermindert ist.
• Tetanustoxin: Verhinderung der 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.

Medikamente und Synapsen

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.

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.

Entstehung und Dynamik von Synapsen

Synaptogenese: Die Bildung von Synapsen

Wie entstehen eigentlich Synapsen, also jene Kontaktstellen, die die Erregungsübertragung von einer Nervenzelle zur anderen ermöglichen? Forschende vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) haben jetzt zusammen mit einem internationalen Team einen entscheidenden Mechanismus aufgedeckt und die Identität der axonalen Transportvesikel aufgeklärt. Die Erkenntnisse liefern wichtige Grundlagen, um künftig die Regeneration von Nervenzellen zu befördern oder auch Alterungsprozessen entgegenzuwirken.

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. Die synaptischen Vesikelproteine und die Proteine der sogenannten aktiven Zone ebenso wie die Adhäsionsproteine, die die Synapse zusammenkleben nehmen alle den gleichen Bus. 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. Die Forschenden konnten darlegen, dass für den axonalen Transport eine Maschinerie aus Motorproteinen angeworfen wird.

Rolle der Gliazellen bei der Synapsenbildung

Woher wissen eigentlich unsere Nervenzellen, mit welchen ihrer Nachbarn sie sich verknüpfen müssen? Wie entstehen diese Verknüpfungen und was erhält sie? Von den zugrunde liegenden Mechanismen hängt ab, wie wir denken, wie wir lernen und an was wir uns erinnern. Deshalb hat Dr. Karl Nägler die Rolle der im Gehirn zahlreich vorhandenen Gliazellen bei der Bildung der Synapsen untersucht.

Es zeigte sich, dass die Neurone in Abwesenheit von Gliazellen nur wenige und ineffiziente Synapsen bilden. Wurden die Neurone aber zusammen mit Gliazellen kultiviert, verzehnfachte sich die Zahl der Synapsen. Das Geheimnis der Gliazellen, das die Anzahl und Effizienz der Synapsenfunktion so positiv beeinflusst, ist Cholesterol.

Einfluss von Proteinen auf die Nervenfaserverbindungen

Bei der Ausbildung von Verbindungen zwischen den Nervenzellen spielen Proteine, insbesondere das SIP1 genannte Protein, eine entscheidende Rolle. Ist es abwesend, verzögern sich Wachstum und Verzweigung der Nervenfasern. Den Forschern um Prof. Dr. Zur Ausbildung von Nervenfaserverbindungen benötigt es Zellbausteine, die Mikrotubuli. In Neuronen aktiviert das Protein SIP1 die Bildung eines weiteren Proteins namens Ninein. Das Protein Ninein wiederum bindet Mikrotubuli innerhalb der Axone und stabilisiert diese Strukturen.

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