Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das Informationen empfängt, verarbeitet und weiterleitet. Die Grundlage dieser Informationsverarbeitung bilden die Neuronen, die über Synapsen miteinander verbunden sind. An diesen Synapsen findet eine Verrechnung der eingehenden Signale statt, die entscheidend für die Funktion des Nervensystems ist.
Die Grundlagen der synaptischen Übertragung
Eine einzelne Nervenzelle kann mit Hunderten oder sogar Tausenden anderer Nervenzellen verbunden sein. Auf den Dendriten und dem Soma einer Nervenzelle befinden sich zahlreiche synaptische Endigungen anderer Nervenzellen. Diese Synapsen können erregend oder hemmend auf die Nervenzelle wirken.
- Erregende Synapsen (EPSP): Depolarisieren die Membran der postsynaptischen Zelle und erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird.
- Hemmende Synapsen (IPSP): Hyperpolarisieren die Membran der postsynaptischen Zelle und verringern die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird.
Die Intensität der Depolarisierung oder Hyperpolarisation hängt von der Menge des freigesetzten Neurotransmitters und der Anzahl der geöffneten Ionenkanäle ab.
Räumliche Summation
Von einer räumlichen Summation spricht man, wenn eine Nervenzelle gleichzeitig von mehreren präsynaptischen Zellen beeinflusst wird. In diesem Fall werden die von den verschiedenen Synapsen gebildeten EPSPs und IPSPs am Zellkörper verrechnet. Synapsen, die nahe am Axonhügel liegen, haben dabei einen größeren Einfluss als weit vom Axonhügel entfernte Synapsen.
Beispiele für räumliche Summation:
- Zwei erregende Synapsen: Wenn die Empfängerzelle gleichzeitig von zwei Senderzellen erregt wird, die jeweils 100 Aktionspotentiale pro Sekunde (APs/s) senden, depolarisieren beide Stellen der postsynaptischen Membran auf -30 mV. Die beiden 40 mV-EPSPs summieren sich zu einem stärkeren EPSP von vielleicht 60 mV, das dann den Axonhügel erreicht und die Membran von -70 mV auf -10 mV depolarisiert. Damit wird der Schwellenwert für Aktionspotentiale deutlich überschritten.
- Zwei schwächere erregende Synapsen: Wenn die Empfängerzelle gleichzeitig von zwei Senderzellen erregt wird, die jeweils nur 50 APs/s senden, entstehen EPSPs von ca. 20 mV. Diese summieren sich zu einem EPSP von 40 mV, was möglicherweise nicht ausreicht, um den Schwellenwert am Axonhügel zu erreichen.
- Erregende und hemmende Synapse: Wenn die Empfängerzelle gleichzeitig von einer erregenden und einer hemmenden Senderzelle beeinflusst wird, entsteht ein EPSP von 40 mV und ein IPSP von -20 mV. In der Summe ergibt sich ein EPSP von 10 mV, das den Axonhügel wahrscheinlich nicht erreicht.
Die Rolle der Chlorid-Ionen
Die Neurotransmitter hemmender Synapsen setzen sich in Chlorid-Kanäle der postsynaptischen Membran und öffnen diese, so dass Chlorid-Ionen in die Zelle einströmen können. Das Gleichgewichtspotenzial für Chlorid-Ionen liegt bei -65 mV, also in der Nähe des Ruhepotenzials. Wenn die postsynaptische Membran bereits durch erregende Synapsen depolarisiert ist, zum Beispiel auf -30 mV, hat der Ausstrom der Chlorid-Ionen Folgen für das Membranpotenzial: Es nimmt wieder ab in Richtung Gleichgewichtspotenzial der Chlorid-Ionen (-65 mV).
Lesen Sie auch: Einführung in die Impulsverrechnung
Die Bedeutung der räumlichen Lage
Bei der Summation der von den einzelnen Synapsen ausgelösten EPSPs und IPSPs spielt auch die räumliche Lage der jeweiligen Synapse eine wichtige Rolle. Je weiter die Synapse vom Axonhügel der Empfängerzelle entfernt ist, desto stärker schwächt sich das EPSP bzw. IPSP ab. Inhibitorische Synapsen kommen auf den Dendriten eines Neurons vor, etwas häufiger auf dem Soma, und besonders oft auf dem Axonhügel. Der Axonhügel ist eine strategisch wichtige Position für hemmende Synapsen, da eine geringe AP-Frequenz hier schon ausreicht, um die erregenden Impulse vieler anderer Synapsen zu hemmen.
Zeitliche Summation
Die zeitliche Summation tritt auf, wenn ein Aktionspotential am synaptischen Endknöpfchen ankommt und eine bestimmte Menge von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt ausgeschüttet wird. Diese Neurotransmitter setzen sich an entsprechende Rezeptoren der postsynaptischen Membran und führen zum Öffnen von Ionenkanälen. Nach kurzer Zeit lösen sich die Neurotransmitter aus den Rezeptoren und gelangen wieder in den synaptischen Spalt. Ein Teil der Neurotransmitter-Moleküle setzt sich erneut in die Rezeptoren (Ping-Pong-Prinzip), ein anderer Teil wird durch bestimmte Enzyme im synaptischen Spalt abgebaut oder von Gliazellen aufgenommen, so dass die Neurotransmitter unwirksam werden. Auf diese Weise dauert das erregende oder hemmende postsynaptische Potenzial (EPSP bzw. IPSP) nur wenige Millisekunden.
Wenn aber in dieser Zeit weitere Aktionspotentiale am gleichen synaptischen Endknöpfchen ankommen, werden weitere Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt. Die Rezeptoren der postsynaptischen Membran werden also weiterhin durch Neurotransmitter besetzt, und bei einer erregenden Synapse fließen weitere Natrium-Ionen in die postsynaptische Zelle ein. Die ausgelösten EPSPs summieren sich zu einem größeren Summenpotenzial, das am Axonhügel den Schwellenwert für Aktionspotentiale überschreitet.
Präsynaptische Hemmung
Neben der postsynaptischen Hemmung gibt es auch die präsynaptische Hemmung. Hier findet die Hemmung vor der Synapse statt, das heißt, dass eine hemmende Synapse am Ende des Axons einer Nervenzelle andockt. So kann das Aktionspotential, welches über dieses Neuron geleitet wird, durch die Beeinflussung der hemmenden Synapse gestoppt werden.
Die Bedeutung der Verrechnung an Synapsen
Die Verrechnung an Synapsen ist ein fundamentaler Prozess in der Funktionsweise des Nervensystems. Sie ermöglicht es den Neuronen, Informationen zu integrieren und zu verarbeiten. Die Kombination aus räumlicher und zeitlicher Summation sowie das Zusammenwirken erregender und hemmender Synapsen bilden die Grundlage für die komplexe Informationsverarbeitung im Nervensystem.
Lesen Sie auch: Animation zur Synaptic Verrechnung
Weitere Aspekte der neuronalen Informationsverarbeitung
Rezeptorpotential
Sinneszellen oder Rezeptorzellen können den Kontakt zur Außenwelt herstellen und eine Aktivität im NS auslösen. Sie bilden ein Rezeptorpotential, das sich als Folge der Öffnung von Natriumporen in der Rezeptorzelle bildet. Das Rezeptorpotential wächst mit der Stärke des Reizes. Bei Erreichen/Überschreiten eines bestimmten Schwellenwertes erfolgt dann ein Aktionspotential, welches dem Alles-oder-Nichts-Gesetz folgt.
Neurotransmitter und ihre Wirkung
Es existieren hemmende und erregende Synapsen mit unterschiedlichen Transmittern. Erregende Synapsen bewirken exzitatorische postsynaptische Potentiale (EPSP) und hemmende Synapsen hemmende (inhibitorische) postsynaptische Potentiale durch Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran.
Neuronale Verschaltung und Verrechnung
Ein Neuron empfängt mehrere tausend Signale von Synapsen, die erregend oder hemmend sein können. Führt der Gesamteffekt zu einer Depolarisation, die höher liegt als der Schwellenwert, kommt es zur Auslösung eines Aktionspotentials am Axonhügel. Das integrierende Zentrum am Neuron ist der Axonhügel.
Lesen Sie auch: Mehr zur Informationsverarbeitung
tags: #verrechnung #an #synapsen #arbeitsblatt