Synapsen sind essenzielle Strukturen im Nervensystem, die die Kommunikation zwischen Neuronen und Effektorzellen ermöglichen. Diese Verbindungsstellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung und -verarbeitung im Gehirn. Die korrekte Funktion von Synapsen, insbesondere der hemmenden Synapsen, ist für die Aufrechterhaltung der neuronalen Balance und die Vermeidung von Übererregungen unerlässlich.
Grundlagen der Synapse
Im Nervensystem, genauer gesagt in der Histologie, wird die Synapse als die Struktur bezeichnet, die es einem Neuron ermöglicht, ein elektrisches oder chemisches Signal an ein anderes Neuron oder eine Effektorzelle weiterzuleiten. Das Neuron, das das Signal sendet, wird als präsynaptisches Neuron bezeichnet, während das Neuron, das das Signal empfängt, als postsynaptisches Neuron bezeichnet wird. Zwischen diesen Neuronen befindet sich ein schmaler Raum, der als synaptischer Spalt bezeichnet wird. Die Interaktion zwischen den Zellen und die Übertragung der Signale werden durch Neurotransmitter vermittelt.
Neurotransmission an der Synapse
Die Neurotransmission an der Synapse ist ein komplexer Prozess. Ein Aktionspotenzial, ein schneller Anstieg des Membranpotenzials, führt dazu, dass synaptische Bläschen, sogenannte Vesikel, zur präsynaptischen Membran wandern. Dort docken die Transmitter an Rezeptoren der postsynaptischen Membran an. Diese Rezeptoren sind mit Ionenkanälen verbunden, durch deren Öffnung Ionen in das Innere der Postsynapse strömen und dort zu einer Änderung des Membranpotenzials führen.
Erregende und hemmende Synapsen
Synapsen können entweder erregend oder hemmend wirken. Erregende Synapsen erzeugen eine Depolarisation der postsynaptischen Membran, was zu einem exzitatorischen postsynaptischen Potential (EPSP) führt. Im Gegensatz dazu erzeugen hemmende Synapsen eine Hyperpolarisation, was zu einem inhibitorischen postsynaptischen Potential (IPSP) führt.
Erregende Synapsen
Erregende Synapsen haben die Funktion, eine Depolarisation weiterzuleiten. Ein Beispiel hierfür ist die acetylcholinerge Synapse, die als Antwort auf eine Erregung den Neurotransmitter Acetylcholin in den synaptischen Spalt ausschüttet. Glutamat ist ein weiterer wichtiger Neurotransmitter, der an erregenden Synapsen eine Depolarisation erzeugt.
Lesen Sie auch: Was verursacht Demenz?
Hemmende Synapsen
Die grundlegenden Prinzipien einer hemmenden Synapse sind beinahe identisch zu denen einer erregenden Synapse. Ein Aktionspotenzial führt über einen Calciumioneneinstrom an der Präsynapse zur Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt. Transmitter von hemmenden Synapsen sind Stoffe, die an der postsynaptischen Membran zu einem Einstrom von negativ geladenen Chloridionen und/oder dem Ausstrom von positiv geladenen Kaliumionen führen.
Ein Beispiel für eine hemmende Synapse ist die GABA ausschüttende Synapse. GABA (Gamma-Amino-Buttersäure) schwächt erregende Signale im Zentralnervensystem ab und verhindert so Übererregungen, die im Extremfall zu Starrkrämpfen führen können.
Funktionsweise hemmender Synapsen
Hemmende Synapsen verhindern Übererregungen im Nervensystem. Ein Aktionspotenzial wird in der Regel nicht durch eine Erregung von einer einzigen Synapse erzeugt. Vielmehr werden in einer Zelle immer mehrere EPSP und IPSPS verrechnet. Je mehr erregende Synapsen an der verrechnenden Nervenzelle anliegen, umso mehr EPSP können gebildet werden. Diese EPSP kommen in der Zelle zusammen und werden summiert. So wird die Reizschwelle am Axonhügel schneller überschritten und ein Aktionspotenzial kann gebildet werden.
Wenn an den Dendriten nicht nur erregende, sondern auch hemmende Synapsen anliegen, erzeugen diese hemmenden Synapsen IPSP, die die EPSP abschwächen. Je mehr hemmende Synapsen an der verrechnenden Nervenzelle anliegen, umso mehr IPSP 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 Aktionspotenzial zu erzeugen.
Räumliche und zeitliche Summation
Die Signale der erregenden und hemmenden Synapsen werden in Form der räumlichen und zeitlichen Summation verrechnet. Bei der räumlichen Summation werden die Signale verschiedener Synapsen, die gleichzeitig aktiviert werden, summiert. Bei der zeitlichen Summation werden die Signale einer einzelnen Synapse, die in schneller Folge aktiviert wird, summiert.
Lesen Sie auch: Walnüsse: Ein Superfood für Ihr Gehirn
Neurotransmitter hemmender Synapsen
Beim Menschen wurden mehr als 500 verschiedene Neurotransmitter identifiziert. Zu den wichtigsten Neurotransmittern, die an hemmenden Synapsen wirken, gehören:
- GABA (Gamma-Amino-Buttersäure): Der wichtigste hemmende Neurotransmitter im Gehirn. GABA führt zu einem Einstrom von Chloridionen oder einem Ausstrom von Kaliumionen, was zu einer Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran führt.
- Glycin: Ein weiterer wichtiger hemmender Neurotransmitter, der hauptsächlich im Rückenmark und im Hirnstamm vorkommt. Glycin wirkt ähnlich wie GABA, indem es Chloridionenkanäle öffnet.
Bedeutung hemmender Synapsen
Hemmende Synapsen spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation der neuronalen Aktivität und der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Erregung und Hemmung im Gehirn. Sie sind an einer Vielzahl von Funktionen beteiligt, darunter:
- Motorische Kontrolle: Hemmende Synapsen im Kleinhirn sind wichtig für die Feinsteuerung von Bewegungen.
- Kognitive Funktionen: Hemmende Synapsen im Hippocampus spielen eine Rolle bei Lern- und Gedächtnisprozessen.
- Angstregulation: Hemmende Synapsen in der Amygdala sind an der Regulation von Angstzuständen beteiligt.
- Schlafregulation: GABAerge Neuronen im Hypothalamus fördern den Schlaf.
Erkrankungen im Zusammenhang mit hemmenden Synapsen
Eine Fehlfunktion von hemmenden Synapsen kann zu einer Vielzahl von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen, darunter:
- Epilepsie: Eine übermäßige Erregung im Gehirn, die durch eine verminderte Hemmung verursacht wird.
- Angststörungen: Eine überaktive Amygdala, die durch eine verminderte Hemmung verursacht wird.
- Schizophrenie: Eine Störung der Signalübertragung im Gehirn, bei der hemmende Synapsen eine Rolle spielen könnten.
- 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.
Pharmakologische Beeinflussung hemmender Synapsen
Viele Medikamente wirken auf hemmende Synapsen, um die neuronale Aktivität zu beeinflussen. Beispielsweise verstärken Benzodiazepine die Wirkung von GABA, was zu einer beruhigenden und angstlösenden Wirkung führt. Barbiturate sind eine weitere Klasse von Medikamenten, die die Wirkung von GABA verstärken, aber sie haben ein höheres Risiko für Nebenwirkungen und werden daher seltener eingesetzt.
Forschung zu hemmenden Synapsen
Die Erforschung hemmender Synapsen ist ein aktives Gebiet der Neurowissenschaften. Wissenschaftler untersuchen die molekularen Mechanismen, die der Funktion hemmender Synapsen zugrunde liegen, sowie die Rolle hemmender Synapsen bei verschiedenen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen.
Lesen Sie auch: Wadenkrämpfe effektiv vorbeugen
Aktuelle Studien
Eine aktuelle Studie des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) hat einige der zentralen Mechanismen in den Synapsen des Kleinhirns entschlüsselt. Die Forscher untersuchten eine bestimmte Art von Synapse, welche die Aktivität der Purkinje-Zellen hemmt und eine entscheidende Rolle bei der Steuerung ihrer Ausgangssignale spielt.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried konnten in Mäusen zeigen, dass selbst einzelne hemmende Synapsen die Signalverarbeitung maßgeblich beeinflussen können. Die Neurobiologen untersuchten den Einfluss der dendritischen Hemmung auf Nervenzellen im Hippocampus, einem Gehirnbereich, in dem unter anderem Kurzzeit- in Langzeiterinnerungen umgewandelt werden.
Zukünftige Richtungen
Zukünftige Forschungsarbeiten könnten sich auf die Entwicklung neuer Medikamente konzentrieren, die gezielt auf hemmende Synapsen wirken, um neurologische und psychiatrische Erkrankungen zu behandeln. Darüber hinaus könnten neue bildgebende Verfahren entwickelt werden, um die Funktion hemmender Synapsen im lebenden Gehirn besser zu verstehen.