Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das für die Steuerung und Koordination aller Körperfunktionen verantwortlich ist. Um diese Funktionen zu erfüllen, nutzen Nervenzellen (Neuronen) spezielle Verbindungsstellen, die Synapsen, um miteinander zu kommunizieren. Die Verrechnung von Signalen an diesen Synapsen ist ein fundamentaler Prozess, der bestimmt, wie Informationen im Nervensystem verarbeitet und weitergeleitet werden.
Grundlagen des Nervensystems
Das Nervensystem wird in zwei Hauptbereiche unterteilt:
- Peripheres Nervensystem (PNS): Umfasst alle Nerven und Nervenzellen, die außerhalb des zentralen Nervensystems liegen.
- Zentrales Nervensystem (ZNS): Besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark.
Neben Nervenzellen gibt es im Gehirn auch Gliazellen, die verschiedene unterstützende Funktionen übernehmen. Dazu gehören:
- Stütz- und Haltefunktion: Gliazellen geben dem Gehirn Struktur und Halt.
- Immunabwehr: Sie schützen das Gehirn vor Krankheitserregern.
- Blut-Hirn-Schranke: Sie bilden eine Barriere, die das Gehirn vor schädlichen Substanzen schützt.
- Signalweiterleitung: Sie sind an der Signalübertragung zwischen Nervenzellen beteiligt.
- Elektrische Isolation: Sie isolieren Nervenzellen elektrisch, um eine effiziente Signalübertragung zu gewährleisten.
Neuronentypen und Signalübertragung
Nervenzellen gibt es in verschiedenen Formen, darunter:
- Rezeptorzellen: Nehmen Signale aus der Umgebung auf (z.B. Licht, Schall, Geruch, Geschmack, Berührung, Schmerz, Temperatur, Körperlage).
- Interneurone: Verbinden Nervenzellen, die sich am selben Ort befinden (lokale Verknüpfung).
- Projektionsneurone: Verbinden Nervenzellen, die an verschiedenen Orten liegen (überbrücken weite Strecken oder verbinden Gehirnareale).
Die Signalübertragung im Nervensystem erfolgt in der Regel von Rezeptorzellen zu Motorneuronen, die Muskelbewegungen steuern. Die Richtung der Signalübertragung ist immer gleich.
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Bestandteile einer Nervenzelle
Eine typische Nervenzelle besteht aus folgenden Teilen:
- Dendriten: Baumartige Zellfortsätze, die erregende Synapsen empfangen.
- Soma (Zellkörper): Enthält den Zellkern und integriert die eingehenden Signale aller Dendriten.
- Axonhügel: Bereich, in dem das erregende postsynaptische Potential (EPSP) in Aktionspotentiale umgewandelt wird, wenn es stark genug ist.
- Axon: Transportiert das Signal in Form von Aktionspotentialen bis zur Präsynapse.
- Präsynapse: Endbereich des Axons, wo das Signal an die nächste Nervenzelle übertragen wird.
Die Synapse: Schaltstelle der neuronalen Kommunikation
Synapsen sind spezielle Kontaktstellen, über die Nervenzellen miteinander kommunizieren. Es gibt zwei Arten von Synapsen:
- Elektrische Synapsen: Übertragen Signale direkt über Ionenströme.
- Chemische Synapsen: Übertragen Signale indirekt über chemische Botenstoffe (Neurotransmitter).
Die meisten Neuronen sind über chemische Synapsen miteinander verbunden. Eine chemische Synapse besteht aus drei Teilen:
- Präsynapse: Sendet das Signal.
- Synaptischer Spalt: Raum zwischen Prä- und Postsynapse.
- Postsynapse: Empfängt das Signal.
Ablauf der Signalübertragung an der chemischen Synapse
- Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen (Synapse) und führt zu einer Spannungsänderung.
- Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
- Calcium-Ionen (Ca2+) strömen in das Endknöpfchen und depolarisieren die Membran.
- Mit Neurotransmittern gefüllte Vesikel bewegen sich zur Präsynapse und verschmelzen mit ihr.
- Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
- Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
- Neurotransmitter binden an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran.
- Die Kanäle öffnen sich, und Ionen (z.B. Na+) strömen ein, was zu einer Depolarisation der Membran führt.
- Ein Enzym baut den Neurotransmitter ab (z.B. Acetylcholin durch Cholinesterase).
- Die Abbauprodukte werden zurück zur präsynaptischen Membran transportiert und wieder aufgenommen.
- Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential.
Das postsynaptische Potential (PSP)
Die Bindung von Neurotransmittern an Rezeptoren der Postsynapse löst ein elektrisches Signal aus, das als postsynaptisches Potential (PSP) bezeichnet wird. Es gibt zwei Arten von PSPs:
- Erregendes postsynaptisches Potential (EPSP): Erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die postsynaptische Zelle ein Aktionspotential auslöst.
- Hemmendes postsynaptisches Potential (IPSP): Verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die postsynaptische Zelle ein Aktionspotential auslöst.
EPSPs entstehen durch erregende Synapsen, die eine Depolarisation der postsynaptischen Membran verursachen. Ein Beispiel ist die acetylcholinerge Synapse, die Acetylcholin in den synaptischen Spalt ausschüttet. IPSPs entstehen durch hemmende Synapsen, die eine Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran verursachen. Ein Beispiel ist die GABA ausschüttende Synapse, die Gamma-Amino-Buttersäure (GABA) freisetzt.
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Verrechnung von Signalen an der Synapse
Die eigentliche Verrechnung von Signalen findet in der Nervenzelle mit Hilfe von EPSPs statt. Die Höhe des Wellenberges (Amplitude) bestimmt die Stärke des Signals auf dem Weg von der Postsynapse zum Axonhügel. Wenn das EPSP am Axonhügel den Schwellenwert erreicht, wird ein Aktionspotential ausgelöst. Die Stärke des Signals wird nach dem Axonhügel nicht mehr in der Größe der Amplitude, sondern in der Anzahl der Aktionspotentiale pro Zeit ausgedrückt. Mehrere eintreffende Aktionspotentiale setzen mehr Neurotransmitter frei als ein einzelnes Aktionspotential.
Analoge und digitale Codierung
Informationen über die Lautstärke von Tönen und Geräuschen werden zwischen den Nervenzellen des Nervensystems weitergeleitet, wobei ein ständiger Wechsel zwischen analoger und digitaler Codierung stattfindet.
- Analoge Codierung: Die Reizstärke wird in Form der Amplitude der Potenzialverschiebung codiert. Dies geschieht in den Dendriten und dem Zellkörper der Nervenzelle.
- Digitale Codierung: Die Reizstärke wird in Form der Frequenz der Aktionspotentiale codiert. Dies geschieht im Axon.
Die Umcodierung zwischen analogen und digitalen Signalen kombiniert die Vorteile beider Systeme und ermöglicht eine präzise neuronale Kommunikation.
Räumliche und zeitliche Summation
An den Dendriten einer Nervenzelle können mehrere Synapsen aktiv sein, oder eine Synapse kann in sehr kurzen Abständen immer wieder Impulse senden. Mehrere schwache Signale können zusammen ein Aktionspotential auslösen.
- Räumliche Summation: Mehrere Synapsen senden gleichzeitig schwache Signale, die im Soma aufgerechnet werden.
- Zeitliche Summation: Eine Synapse sendet in kurzen Abständen schwache Signale, die addiert werden.
Durch räumliche und zeitliche Summation können auch sehr leise Töne wahrgenommen werden.
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Hemmende und erregende Synapsen im Zusammenspiel
Die Verrechnung von Signalen an der Synapse ist ein komplexer Prozess, bei dem erregende und hemmende Signale integriert werden. Je mehr erregende Synapsen an der verrechnenden Nervenzelle anliegen, desto mehr EPSPs können gebildet werden. Diese EPSPs kommen in der Zelle zusammen und werden summiert. Je mehr hemmende Synapsen an der verrechnenden Nervenzelle anliegen, umso mehr IPSPs werden gebildet, und umso schwieriger ist es für die erregenden Nervenzellen, die Zielzelle stark genug zu erregen, um die Reizschwelle am Axonhügel zu überschreiten und ein Aktionspotential zu erzeugen.
Präsynaptische Hemmung
Eine Hemmung kann auch bereits vor dem synaptischen Spalt stattfinden. Dabei liegt eine hemmende Synapse am Endknöpfchen eines Neurons an. Der von ihr ausgeschüttete Neurotransmitter hemmt die weitere Ausbreitung des Aktionspotentials, das über eben dieses Neuron geleitet wird. An den Endknöpfchen werden somit keine Neurotransmitter ausgeschüttet.
Plastizität der Synapsen
Die Werte der Signalumwandlungen an den Synapsen sind für jedes Neuron verschieden und können sich im Laufe der Zeit für ein einzelnes Neuron ändern, abhängig davon, wie aktiv das Neuron war. Diese Änderungen nennt man Plastizität und sie bildet die Grundlage für Lernprozesse. Die Rolle der Signalübertragungsänderung an der Synapse ist für Lernen und Gedächtnisbildung gut belegt und untersucht.
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