Im menschlichen Körper erfolgt eine ständige Weiterleitung und Verarbeitung von Reizen. Diese Reize, auch Erregungen genannt, entstehen beispielsweise durch Sinneseindrücke wie Sehen, Riechen, Fühlen, Schmecken und Hören. Vom Entstehungsort, wie beispielsweise dem Finger, werden diese Informationen bis zum Gehirn transportiert. Der Körper nutzt hierfür Nervenzellen, die an ihren Enden Synapsen aufweisen. Diesen Synapsen kommt die spezielle Aufgabe zu, den jeweiligen Reiz an die nächste Zelle zu übergeben.
Was ist eine Synapse?
Die Synapse ist das Verbindungsstück einer Nervenzelle zu einer anderen Zelle. Dies kann wiederum eine Nervenzelle sein, aber auch eine ganz andere Zelle wie beispielsweise eine Muskel- oder Sinneszelle. Synapsen sind Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, die Informationen (Reize/Erregungen) weiterleiten. Innerhalb jeder Nervenzelle werden die Reize dann als elektrische Signale weitergeleitet.
Synapsen sind keine starren Verbindungen wie Kabelverbindungen, sondern hochdynamische, spezialisierte Bereiche, die Reize gezielt weiterleiten, filtern, verstärken oder hemmen. Ob beim Lernen, Erinnern oder beim Steuern eines Muskels - ohne Synapsen gäbe es keine Kommunikation im Nervensystem.
Aufbau einer Synapse
Eine typische Synapse besteht aus drei Hauptteilen:
- Präsynapse: Sie bildet das Endknöpfchen des sendenden Neurons. Hier werden die Neurotransmitter in kleinen Bläschen (Vesikeln) gespeichert. Das präsynaptische Element enthält Vesikel mit Neurotransmittern und spannungsabhängige Calciumkanäle. Die präsynaptischen Nervenenden enthalten die als Neurotransmitter bezeichneten Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Jedes Nervenende im zentralen Nervensystem enthält durchschnittlich mehrere 100 synaptische Vesikel.
- Synaptischer Spalt: Der winzige Zwischenraum (etwa 20-50 Nanometer breit) trennt das Endknöpfchen von der nächsten Zelle.
- Postsynapse: Die postsynaptische Membran gehört zur empfangenden Zelle.
Neben diesen Hauptbestandteilen existiert noch eine Vielzahl regulierender Proteine, Enzyme und Transportmechanismen, die für Präzision und Selektivität in der Signalübertragung sorgen.
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Arten von Synapsen
Synapse ist nicht gleich Synapse. Unterschiedliche Anforderungen im Nervensystem haben zur Ausbildung verschiedener Synapsentypen geführt. Grundsätzlich lassen sich Synapsen in chemische und elektrische Synapsen einteilen.
Chemische Synapsen
Bei der chemischen Synapse erfolgt die Signalübertragung indirekt mittels Neurotransmittern. Sie ist im menschlichen Nervensystem am häufigsten und ermöglicht komplexe Regulation, Verstärkung und Hemmung. Die Übertragung der Erregung wird mittels chemischer Botenstoffe, den sogenannten Neurotransmittern, realisiert. Dabei läuft die Weiterleitung der Reize immer nur in eine Richtung ab. Chemische Synapsen kommen im Nervensystem von Säugetieren vor und damit auch beim Menschen.
Elektrische Synapsen
Diese seltenere Form findet man z.B. im Herzmuskel oder bei gewissen Reflexbahnen. Hier übertragen spezielle Kanäle (Gap Junctions) elektrisch geladene Teilchen (Ionen) direkt von Zelle zu Zelle. Der Signalfluss ist dabei extrem schnell, aber weniger regulierbar als bei der chemischen Synapse. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Die Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist. In einer elektrischen Synapse (auch Gap Junction genannt) wird das Aktionspotenzial direkt in elektrischer Form an die nächste Nervenzelle weitergeleitet, ohne einen Neurotransmitter als Botenstoff zu verwenden.
Die chemische Synapse im Detail: Ablauf der Signalübertragung
Die chemische Synapse wandelt ein elektrisches Signal in ein chemisches um. Der Auslöser für die Reaktionen der Synapse ist ein Aktionspotenzial, das vom Axon kommt und die Membran des synaptischen Endknöpfchen depolarisiert.
- Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen (Synapse), was zu einer Spannungsänderung führt.
- Öffnung der Calcium-Kanäle: Spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen sich.
- Calcium-Einstrom: Calcium(Ca2+)-Ionen strömen in das Endknöpfchen, was zu einer Positivierung und Depolarisation der Membran führt. Die Zunahme der Calciumionen sorgt wiederum dafür, dass die Vesikel mit den Botenstoffen mit der präsynaptischen Membran verschmelzen - je höher die Calciumionenkonzentration, desto mehr Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.
- Vesikelverschmelzung und Neurotransmitter-Freisetzung: Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel bewegen sich daraufhin zur Präsynapse und verschmelzen dort mit ihr. Die Neurotransmitter werden dadurch in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.
- Diffusion der Neurotransmitter: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
- Bindung an Rezeptoren: Der Neurotransmitter (Ligand) bindet an ligandengesteuerte Kanäle in der postsynaptischen Membran.
- Ionen-Einstrom und postsynaptisches Potential: Diese öffnen sich daraufhin (Ioneneinstrom, z.B. Natrium). Je nach Ionenstrom wird ein aktivierendes oder hemmendes Signal in der postsynaptischen Zelle ausgelöst. Durch die geöffneten Ionenkanäle strömen nun beispielsweise Natrium-Ionen (Na+) ein und es kommt zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran. Ein Aktionspotenzial entsteht und wird weitergeleitet. Die Frequenz und Stärke des Aktionspotenzials hängt von der Konzentration des Neurotransmitters, im synaptischen Spalt, ab. Durch eine hohe Frequenz, die bei der Membran des synaptischen Endknöpfchen ankommt, wird auch eine hohe Transmitterkonzentration im synaptischen Spalt erreicht und es kommt zu einer entsprechend höheren Frequenz von Aktionspotenzialen auf der postsynaptischen Membran.
- Inaktivierung des Neurotransmitters: Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten. Solange Acetylcholin im synaptischen Spalt vorhanden ist, findet die Reizweitergabe statt. Das Enzym Cholinesterase baut den Neurotransmitter ab, indem es ihn in seine Bestandteile Acetat und Cholin spaltet, und stoppt so die Weitergabe der Erregung.
- Wiederaufnahme und Regeneration: Acetat und Cholin diffundieren zurück zur präsynaptischen Membran und werden dort aktiv aufgenommen. Im Endknöpfchen werden Acetat und Cholin wieder zu Acetylcholin regeneriert. Regeneration der Neurotransmittervesikel für das nächste Aktionspotential: Acetat und Cholin → Acetylcholin.
Erregende vs. hemmende Synapsen
Erregende Synapsen sorgen für eine Depolarisation (Erregung) der Zielzelle - typisches Beispiel: Glutamat wirkt stimulierend im Gehirn. Hemmende Synapsen dagegen hyperpolarisieren ihre Zielzelle, bremsen also den Signalfluss - wie GABA oder Glycin. Es ist ein Missverständnis, dass Synapsen immer Signale weiterleiten.
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Neurotransmitter: Die Botenstoffe der Synapse
Die Übertragung der Erregung wird mittels chemischer Botenstoffe, den sogenannten Neurotransmittern, realisiert. Neurotransmitter sind Signalmoleküle, die in kleinen membranumschlossenen Vesikeln gespeichert sind. Es gibt verschiedene Arten von Neurotransmittern, wie z.B. Acetylcholin, Dopamin, Glutamat und GABA.
Acetylcholin
Acetylcholin führt zur Öffnung von acetylenabhängigen Kanälen an der Postsynapse, die zu einem Natriumeinstrom und einer Depolarisation dort führen. Bei einer neuromuskulären Synapse führt der Transmitter zur Erregung der verbundenen motorischen Endplatte und damit zu einer Muskelkontraktion.
Abbau und Wiederaufnahme von Neurotransmittern
Damit Signale nicht "hängenbleiben", werden Neurotransmitter nach ihrem Einsatz rasch abgebaut oder zurück in die Präsynapse aufgenommen (Reuptake).
Synapsengifte: Störung der Signalübertragung
Es gibt verschiedene Synapsengifte, die, je nach Art des Gifts, in allen Teilen der Synapse (Präsynapse, synaptischer Spalt, Postsynapse) wirken können. Sie beeinflussen die Erregungsübertragung also auf unterschiedliche Weise.
- Nikotin: Aktiviert postsynaptische Rezeptoren und öffnet dadurch Natriumkanäle. Dies hat eine erregende Wirkung auf den Körper und selbst schwächere Signale können bereits eine Depolarisation auslösen.
- Kokain: Bewirkt, dass der Botenstoff Dopamin ohne ein elektrisches Signal in den synaptischen Spalt gelangt. Dopamin spielt eine Rolle bei der Motivations- und Emotionsregulation und ist auch als Botenstoff des Glücks bekannt. Die Wiederaufnahme in den präsynaptischen Teil wird außerdem verhindert. Dadurch ist ein Vielfaches der normalen Botenstoffmenge im synaptischen Spalt vorhanden und die nachfolgende Zelle wird dauergereizt.
- Atropin: Hemmt Acetylcholin-Rezeptoren, indem es die Bindung von Acetylcholin verhindert.
Synaptische Plastizität: Die Anpassungsfähigkeit der Synapsen
Synaptische Plastizität ist die Fähigkeit von Synapsen, ihre Stärke und Effizienz zu verändern - je nachdem, wie oft und wie stark sie benutzt werden. Sie ermöglicht es dem Gehirn, auf Erfahrungen zu reagieren und sich anzupassen. Eine berühmte Form ist die Langzeitpotenzierung (LTP): Werden Synapsen über längere Zeit wiederholt aktiviert, werden sie besonders leistungsfähig. Diese Anpassungsfähigkeit ist die physikalische Grundlage für nahezu alle Lern- und Anpassungsprozesse im Nervensystem - von kindlicher Sprachentwicklung über das Erlernen eines Musikinstruments bis hin zur Regeneration nach einer Gehirnverletzung. Gehirnforscherinnen und -forscher sprechen deshalb oft vom "Gedächtnis der Synapsen".
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Bedeutung der Synapsen für das Leben
Synapsen bilden das Fundament für alle Funktionen des Nervensystems: Sie verknüpfen Milliarden von Nervenzellen zu Netzwerken und ermöglichen Wahrnehmung, Bewegung, Denken und Lernen. Sie bestimmen, wie Informationen im Gehirn fließen und verarbeitet werden.