Die Verrechnung von Impulsen an Synapsen ist ein fundamentaler Prozess im Nervensystem, der es uns ermöglicht, Informationen zu verarbeiten und auf Reize zu reagieren. Dieser Artikel erklärt auf einfache Weise, wie dieser Prozess funktioniert, indem er die verschiedenen Arten von postsynaptischen Potentialen (EPSP und IPSP), die synaptische Integration und die Rolle der räumlichen und zeitlichen Summation erläutert.
Was ist eine Synapse?
Eine Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen zwei Nervenzellen (Neuronen), an der Informationen in Form von elektrischen oder chemischen Signalen übertragen werden. In den meisten Fällen sind die Signale, die an der präsynaptischen Membran erzeugt werden, Aktionspotentiale. Diese führen zur Öffnung von spannungsgesteuerten Kanälen, durch die Kalzium-Ionen in die Nervenzelle strömen. Kalzium führt zur Freisetzung der Neurotransmitter, die wiederum die Postsynaptischen Potentiale auslösen.
Postsynaptische Potentiale (PSP): EPSP und IPSP
Postsynaptische Potentiale sind Änderungen des elektrischen Potentials an der postsynaptischen Membran einer Synapse. Sie entstehen als Antwort auf die Freisetzung von Neurotransmittern durch die präsynaptische Membran und können entweder erregend (EPSP) oder hemmend (IPSP) wirken.
Erregende Postsynaptische Potentiale (EPSP)
Exzitatorische postsynaptische Potentiale (EPSPs) sind Veränderungen des elektrischen Potentials in einer Nervenzelle, die dazu neigen, die Zelle erregbarer zu machen. Sie erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass die Zelle ein Aktionspotential auslöst. EPSPs erzeugen ein erregendes Signal, indem sie die Konzentration von positiv geladenen Natrium-Ionen (Na+) in der Zelle erhöhen. Dies führt zu einer geringeren elektrischen Differenz zwischen dem Inneren und Äußeren der Zelle (Depolarisation). Dadurch wird die Zelle eher dazu gebracht, ein Aktionspotential auszulösen. Stell dir einen Muskel vor, der sich zusammenzieht. Diese Kontraktion wird gesteuert durch Nervenzellen, die EPSPs an ihre synaptisch daran anschließenden Zellen senden. Ohne diese erregenden Signale würde der Muskel nicht auf die entsprechenden Befehle reagieren können.
Hemmende Postsynaptische Potentiale (IPSP)
Inhibitorische postsynaptische Potentiale (IPSPs) sind Veränderungen des elektrischen Potentials in einer Nervenzelle, die dazu neigen, die Zelle weniger erregbar zu machen. Sie vermindern die Wahrscheinlichkeit, dass die Zelle ein Aktionspotential auslöst. IPSPs arbeiten, indem sie den Fluss von negativ geladenen Chlorid-Ionen (Cl-) in eine Zelle oder von positiv geladenen Kalium-Ionen (K+) aus einer Zelle erhöhen. Dies führt dazu, dass die elektrische Ladung innerhalb der Zelle negativer wird (Hyperpolarisation), was es schwieriger macht, ein Aktionspotential zu erzeugen. Stell dir vor, eine Zelle bekommt ständig exzitatorische Signale und feuert deshalb unkontrolliert Aktionspotentiale ab. Inhibitorische Potentiale können hier ausgleichend wirken, indem sie die Schwelle, ab wann ein Aktionspotential gefeuert wird, erhöhen. So verhindern sie, dass die Zelle zu erregbar wird und das Gleichgewicht des Systems gestört wird.
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Das Zusammenspiel von EPSP und IPSP
Sowohl erregende als auch hemmende Postsynaptische Potentiale spielen eine entscheidende Rolle bei der Informationsübermittlung im Nervensystem. Sie stellen ein System dar, das auf Balance ausgerichtet ist: Während EPSPs die Zelle dazu bringen, Aktionspotentiale auszusenden und so Informationen weiterzuleiten, sorgen IPSPs dafür, dass die Signalübertragung kontrolliert und moduliert wird, um eine Übererregung der Zellen zu verhindern. Diese Balance wird auch elektrotonische Integration genannt. Es ist wichtig zu beachten, dass die tatsächliche Reaktion einer spezifischen Nervenzelle auf einen Neurotransmitter von vielen Faktoren abhängt, darunter die Art des Neurotransmitters, die Art des Rezeptors, der Zustand der Zelle und die Menge an Neurotransmitter, die freigesetzt wird. Dies ermöglicht eine fein abgestimmte Kontrolle der Informationsübermittlung und -verarbeitung im Nervensystem.
Neurotransmitter und ihre Rolle
Neurotransmitter sind Chemikalien, die für die Übertragung von Signalen im Nervensystem verantwortlich sind. Sie können entweder die Erzeugung von Aktionspotentialen fördern oder hemmen, je nachdem, ob sie an Rezeptoren binden, die exzitatorische oder inhibitorische Postsynaptische Potentiale erzeugen.
Synaptische Übertragung
Die Übertragung von Informationen von einem Neuron zum nächsten wird als synaptische Übertragung bezeichnet. Es handelt sich um einen komplexen Prozess, der mehrere Schritte umfasst. Während der synaptischen Übertragung wird ein Aktionspotential, das die präsynaptische Membran erreicht, in ein chemisches Signal umgewandelt, indem es die Freisetzung von Neurotransmittern ausführt. Diese Neurotransmitter wandern durch den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren an der postsynaptischen Membran, was eine Veränderung des elektrischen Potentials innerhalb dieser Zelle auslöst - das Postsynaptische Potential.
Der Einfluss von Calcium-Ionen
Dabei wird durch das Eintreffen eines Aktionspotentials an der präsynaptischen Membran der Einfluss von Calcium-Ionen in die Zelle ermöglicht, was zur Freisetzung der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt führt. Nach der Freisetzung suchen die Neurotransmitter Bindungsstellen an den spezifischen Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran auf, was das Öffnen von Ionenkanälen und somit die Modulation des Membranpotentials zur Folge hat.
Exzitatorische und inhibitorische Rezeptoren
Neurotransmitter spielen eine entscheidende Rolle bei der Modulation von Postsynaptischen Potentialen. Ihre Fähigkeit, entweder exzitatorische oder inhibitorische Reaktionen zu erzeugen, hängt davon ab, an welchen Rezeptortyp sie binden. Exzitatorische Rezeptoren sind Ionenkanäle, die, wenn sie von einem Neurotransmitter aktiviert werden, eine erhöhte Durchlässigkeit für Na+ Ionen ermöglichen. Dies führt dazu, dass das Innere der Zelle positiver wird (Depolarisation), was die Wahrscheinlichkeit für das Auslösen eines Aktionspotentials erhöht. Für den Fall, dass du dir eine Szene vorstellst, in der du zur Bewegung aufgefordert wirst, wie beispielsweise das Laufen. In diesem Fall würden exzitatorische Neurotransmitter an die Rezeptoren der Motoneuronen in den Muskeln binden und ein EPSP auslösen, um die Muskelkontraktion zu initiieren.
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Inhibitorische Rezeptoren sind dagegen Ionenkanäle, die, wenn sie von einem Neurotransmitter aktiviert werden, eine erhöhte Durchlässigkeit für Cl- Ionen oder K+ Ionen bewirken. Um ein Beispiel für die Aktivität von inhibitorischen Neurotransmittern zu geben: Wenn du versuchst, vor dem Einschlafen zur Ruhe zu kommen, spielen inhibitorische Neurotransmitter eine Schlüsselrolle, indem sie IPSPs in den Neuronen in deinem Gehirn auslösen, um deren Aktivität zu reduzieren und dir zu helfen, dich zu entspannen und einzuschlafen.
Integration von Postsynaptischen Potentialen: Räumliche und zeitliche Summation
In Neuronen findet eine ständige Verrechnung und Integration von verschiedenen postsynaptischen Potentialen statt. Durch diesen komplexen Prozess wird entschieden, wann und wie ein Aktionspotential ausgelöst wird. Die Integration von Postsynaptischen Potentialen ist ein wichtiger Prozess, der in den Zellen des Nervensystems stattfindet. Zum einen entscheidet sie darüber, ob genügend exzitatorische Signale vorhanden sind, um die Schwelle für das Feuern eines Aktionspotentials zu erreichen. Zum anderen bestimmt sie, wie inhibitorische Signale das Feuern eines Aktionspotentials beeinflussen können. Als Integration von Postsynaptischen Potentialen versteht man den Prozess, bei dem ein Neuron die Summe aller erregenden und hemmenden Signale berechnet, die es zu einem bestimmten Zeitpunkt erhält. Synaptische Integration kann auf zwei Arten stattfinden: räumliche und zeitliche Integration.
Räumliche Summation
Bei der räumlichen Summation werden die Postsynaptischen Potentiale, die an unterschiedlichen Stellen der Membran eines Neurons erzeugt werden, summiert. Hierbei addieren sich die Potentiale auf, je nachdem, ob sie exzitatorisch oder inhibitorisch wirken. Räumliche Summation ist das Phänomen, bei dem mehrere Postsynaptische Potentiale, die an verschiedenen Orten innerhalb des gleichen Neurons erzeugt werden, gleichzeitig aufsummieren, um die Membranentladung positiv zu beeinflussen und somit die Schwelle für das Auslösen eines Aktionspotentials zu erreichen. Das heißt, ob ein Aktionspotential ausgelöst wird oder nicht, hängt davon ab, wie viele exzitatorische und inhibitorische Potentiale gleichzeitig vorhanden sind und wie diese sich in ihrer Summe verhalten. Mit anderen Worten, von einer räumlichen Summation spricht man, wenn eine Nervenzelle gleichzeitig von mehreren präsynaptischen Zellen beeinflusst wird.
Zeitliche Summation
Die zeitliche Summation entsteht, wenn an einem einzigen Dendriten in kurzen Abständen EPSPs ausgelöst werden. In der Zeitspanne b (genauso lang wie a) werden mehrere EPSPs am Dendriten ausgelöst.
Die Rolle des Axonhügels
Die Verrechnung dieser Potenziale erfolgt am sogenannten Generator, oft dem Axonhügel der Nervenzelle. Die durch die Endknöpfchen der Synapsen ankommenden Aktionspotenziale beeinflussen die EPSPs der Dendriten und des Somas sowie das Membranpotenzial am Axonhügel der Nervenzelle. Ein einzelnes Aktionspotenzial kann keine überschwellige Depolarisation und daraus folgende Aktionspotentiale am Axonhügel erzeugen. Deshalb kommt es zur Summation der Aktionspotenziale, welche an den Dendriten der Nervenzelle ankommen. Summation entspricht hier der Verrechnung der postsynaptischen Potentiale.
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Die Bedeutung der Schwelle
Ein entscheidender Aspekt bei der Integration von Postsynaptischen Potentialen ist das Konzept der Schwelle. Ein Neuron feuert ein Aktionspotential nur ab, wenn die Summe aller eingehenden exzitatorischen und inhibitorischen Potentiale einen bestimmten Schwellenwert erreicht. Die Schwelle eines Neurons ist das minimale Membranpotential, das erreicht werden muss, um ein Aktionspotential auszulösen. Es handelt sich also um das Level der Depolarisation, das benötigt wird, um die spannungsabhängigen Natriumkanäle zu öffnen und die Aktivierungsphase des Aktionspotentials einzuleiten. Je höher das Membranpotential eines Neurons durch EPSPs ansteigt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es ein Aktionspotential auslöst. Auf der anderen Seite kann eine hohe Anzahl von IPSPs das Membranpotential eines Neurons absenken und dadurch die Schwelle für das Auslösen eines Aktionspotentials erhöhen. Dadurch tragen inhibitorische Potentiale dazu bei, das neuronale Feuern zu regulieren und eine übermäßige neuronale Aktivität zu verhindern.
Verrechnung von Postsynaptischen Potentialen im Alltag
Wenn du an einer lauten, belebten Straße stehst und versuchst, das Hupen eines herankommenden Autos zu hören, führt dein Gehirn eine Verrechnung von Postsynaptischen Potentialen durch. Die lauten Hintergrundgeräusche erzeugen eine Reihe von hemmenden Potenzialen, die versuchen, das Signal des hupenden Autos zu übertönen. Gleichzeitig erzeugt das Hupen des Autos erregende Potenziale. Dein Gehirn muss diese Signale entsprechend verrechnen und integrieren, um zu bestimmen, ob du das Hupen hören kannst oder nicht.