Einführung
Das menschliche Gehirn, ein komplexes Netzwerk aus Milliarden von Nervenzellen, ist für die Steuerung unserer Gedanken, Emotionen, Bewegungen und Verhaltensweisen verantwortlich. Die Kommunikation zwischen diesen Nervenzellen erfolgt über spezialisierte Verbindungsstellen, die Synapsen. Störungen in den Synapsen können zu einer Vielzahl von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen führen, die das Leben der Betroffenen erheblich beeinträchtigen. Dieser Artikel beleuchtet die Ursachen von Synapsenstörungen und ihre Auswirkungen auf verschiedene Erkrankungen.
Grundlagen der synaptischen Funktion
Neurotransmission: Die chemische Signalübertragung
Jedes Gefühl, jede Stimmung, jeder Gedanke, jede Wahrnehmung und jedes Verhalten gehen mit einem besonderen Aktivitätsmuster der Nervenzellen im Gehirn einher. Die innerhalb einer Nervenzelle entstehende Aktivität wird über Axone, das sind Ausläufer der Nervenzelle, wie bei einem Kabel, zu vielen anderen Nervenzellen weitergeleitet. Zwischen den Nervenzellen besteht jedoch keine direkte Verbindung. Um den Reiz zur nächsten Nervenzelle weiterzuleiten, werden über unzählige Synapsen, das sind meist knopfartige Ausstülpungen an den Enden der Nervenzellausläufer, sogenannte Botenstoffe (Neurotransmitter) in den synaptischen Spalt (den Raum zwischen zwei Nervenzellen) ausgeschüttet werden. Die vorgeschaltete Zelle leitet so die Aktivität an die nachgeschaltete Zelle weiter. Diese freigegebenen Botenstoffe aktivieren Kontaktstellen (Rezeptoren) an den nachgeschalteten Zellen.
Neurotransmitter: Botenstoffe des Gehirns
Ein Neurotransmitter ist definiert als chemische Substanz, die in einem Neuron synthetisiert und von ihm als Antwort auf einen elektrischen Impuls freigesetzt wird. Er wirkt an einem anderen Neuron, indem er dessen elektrische Eigenschaften verändert (de- oder hyperpolarisiert). Die Neurotransmission wird demnach durch folgende wesentliche Faktoren charakterisiert: Synthese des Neurotransmitters in der Zelle, Speicherung, Freisetzung, Rezeptorwirkung, Entfernung aus dem synaptischen Spalt durch Wiederaufnahme bzw. Abbau. Zu den wichtigsten und häufigsten Neurotransmittern des ZNS zählen Aminosäuren wie Glutamat (depolarisierend-exzitatorisch) oder Glyzin und GABA (Gammaaminobuttersäure, hyperpolarisierend-inhibitorisch).
Rezeptoren: Empfänger der Botschaften
Ein Rezeptor ist definiert als ein Protein, das die Wirkung eines spezifischen Neurotransmitters auf das Zielneuron vermittelt. Neurotransmitter binden spezifisch an bestimmte Stellen des Rezeptorproteins. Diese Bindung führt zu einer Veränderung der physikalischen Eigenschaften des Rezeptors. Das Resultat ist die Umwandlung des ursprünglich extrazellulären Signals (Neurotransmitterbindung) in ein intrazelluläres Signal, das seinerseits wiederum zu Veränderungen des funktionellen Zustands des Zielneurons führt.
Ursachen von Synapsenstörungen
Fehlfunktionen von Gehirn und Nervensystem können durch eine ganze Reihe von Faktoren verursacht werden. Durch äußere Einwirkung, Vererbung oder einer Kombination von beidem kann das komplexe Geflecht geschädigt werden und zu neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen führen. Allerdings sind die genauen Ursachen und Zusammenhänge bei vielen Krankheiten bislang noch unbekannt.
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Genetische Faktoren
Bei zahlreichen Störungen des Gehirns und Nervensystems spielen genetische Faktoren eine wichtige Rolle. So zeigten Studien bei schizophrenen und manisch-depressiven Patienten, dass zumindest eine Veranlagung für diese Erkrankungen vererbt werden kann. Allerdings scheint ein Ausbruch dieser Erkrankungen durch Umwelteinflüsse begünstigt zu werden. Erbliche Faktoren und die Umwelt der Patienten wirken hier offenbar zusammen. Reine Erbkrankheiten weisen häufig Defekte im Stoffwechsel der Nervenzellen auf.
- Collybistin und Glyzintransporter 2: Durch die Analyse gentechnisch veränderter Mäuse wurden zwei neue Genorte, das Collybistin- und das Glyzintransporter 2-Gen, als an diesen Krankheiten beteiligt identifiziert. Genetische Untersuchungen an Patienten belegen, dass beide Genorte in der Tat Krankheitsgene beim Menschen darstellen.
- DISC1: Im Jahr 2000 wurde das verantwortliche Gen beschrieben: „Disrupted in schizophrenia 1“ oder DISC1 war in der Familie nicht nur mit Psychosen verbunden. Auffällig viele Familienmitglieder litten auch unter einer bipolaren Störung, einer Major-Depression oder unter Autismus.
Umweltfaktoren
Störungen der Hirnfunktion können auch durch äußere Einflüsse verursacht werden.
- Infektionen: Ein Beispiel dafür sind Infektionen durch Bakterien und Viren. Sie können bei den Patienten zum Beispiel zu einer Entzündung der Hirnhäute führen. Solche Entzündungen schädigen das Gehirn und können sogar tödlich enden. Das Virus, das die Kinderlähmung verursacht, greift Nervenzellen vor allem im Rückenmark an, die an der Steuerung der Körperbewegung beteiligt sind. Andere Viren, wie beispielsweise Herpes-zoster-Viren der Gürtelrose, können jahrelang unbemerkt bleiben, bevor sie Schädigungen verursachen.
- Giftstoffe: Auch Giftstoffe können zu schweren Beeinträchtigungen von Gehirn und Nervensystem führen. Die Folgen einer Quecksilbervergiftung sind Gedächtnisschwund und Muskelzittern. Blei kann Verhaltensstörungen und Lernschwierigkeiten hervorrufen.
Autoimmunerkrankungen
Neuronale Funktionsstörungen können auch durch das körpereigene Immunsystem ausgelöst werden. Dabei werden bestimmte Zellen im Gehirn und Nervensystem paradoxerweise als fremd eingestuft und von den Immunzellen geschädigt.
Durchblutungsstörungen
Die häufigste Ursache für eine Schädigung von Gehirn und Nervensystem ist eine mangelnde Durchblutung. Durch seine große Aktivität hat das Gehirn den größten Energiebedarf aller Organe. Es benötigt etwa 20% der gesamten Blutmenge, die vom Herzen in den Körperkreislauf gepumpt wird, und durch die Sauerstoff und Nährstoffe zu den Nervenzellen im Gehirn gelangen. Eine Unterbrechung dieser Versorgung, z.B. durch Aussetzen des Herzens, Ersticken oder Blutunterzuckerung führt zu einer Schädigung oder sogar zum Absterben der Nervenzellen. Auch Gehirntumoren, krankhafte Veränderungen von Blutgefäßen, mechanische Verletzungen durch Unfälle, Blutungen ins Gehirn und Entzündungen können die Ursache für Funktionsstörungen sein.
Auswirkungen von Synapsenstörungen auf verschiedene Erkrankungen
ADHS (Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung)
Das wissenschaftlich begründete Erklärungsmodell für die Entstehung der ADHS legt eine fehlerhafte Informationsverarbeitung zwischen bestimmten Hirnabschnitten zugrunde, welche für die Konzentration, Wahrnehmung und Impulskontrolle zuständig sind. Diese Störung ist wiederum durch ein Ungleichgewicht der Botenstoffe (Neurotransmitter) in diesen Hirnbereichen - vor allem von Dopamin und Noradrenalin - bedingt, die eine wichtige Rolle bei der Signalübertragung von einer Nervenzelle zur anderen spielen. Man geht u.a. davon aus, dass bei ADHS-Patienten Dopamin im Raum zwischen zwei Nervenzellen, dem so genannten synaptischen Spalt, nicht in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Die Unterversorgung mit diesem Botenstoff führt zu einer gestörten Informationsweiterleitung zwischen den Nervenzellen. Reize werden nur schlecht und unzureichend gefiltert.
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Depressionen
Neben psychosozialen Auslösern gibt es auch immer körperliche Ursachen für das Entstehen einer Depression, d.h. Veränderungen im Körper und insbesondere neurobiologische Veränderungen im Gehirn. Hierzu zählen z.B. vererbte Faktoren, die das Risiko zu erkranken beeinflussen. Durch eine medikamentöse Behandlung mit Antidepressiva kann direkt auf diese neurobiologischen Ungleichgewichte eingewirkt werden. Da die meisten Antidepressiva die Wirkung des Serotonins beeinflussen, ist eine Annahme, dass eine Störung im Serotoninsystem eine Rolle bei der Depressionsentstehung spielt.
Schizophrenie
Hirnforscher vermuten seit längerem, dass eine Entwicklungsstörung der Synapsen eine mögliche Ursache für schwere mentale Erkrankungen wie die Schizophrenie ist.
Autismus
Mausmodelle für Erkrankungen des autistischen Formenkreises (ASD) weisen jedoch Phänotypen mit Beeinträchtigung synaptischer Funktionen auf: Elektrophysiologisch werden diese häufig durch Erhöhung oder Verminderung der Freisetzungswahrscheinlichkeiten von exzitatorischen und/oder inhibitorischen Terminalen verursacht, die auf Systemebene zu einer Abweichung der normalen Aktivitätslevel führen, wofür der Ausdruck excitatory-inhibitory dysbalance geprägt wurde.
Parkinson-Krankheit
Viele dieser Symptome werden auf eine Störung der Verbindungen verschiedener Nervenzellen zurückgeführt: die Nervenzellen kommunizieren über Schaltstellen und chemische Botenstoffe miteinander (Synapsen und Neurotransmitter). Einer der wichtigsten Botenstoffe für die Steuerung unserer Bewegungen ist Dopamin. Dopamin ist an den unterschiedlichsten psychischen Reaktionen beteiligt, Motivation, Konzentration und Belohnung. Aber Dopamin ist auch von großer Bedeutung für körperliche Bewegung, denn ein Mangel an Dopamin führt eben zu den typischen Symptomen der Parkinson-Krankheit („Schüttellähmung“).
Autoimmun-Gehirnentzündungen
Bei den Autoimmun-Gehirnentzündungen produziert das Immunsystem Antikörper, die im zentralen Nervensystem Neurotransmitter-Rezeptoren angreifen. Dadurch wird die Signalübertragung an den Kontaktstellen der Nervenzellen, den Synapsen, gestört.
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Multiple Sklerose (MS)
Die Zerstörung der Myelinschicht führt dazu, dass die Signalweiterleitung entlang der Axone nicht mehr korrekt erfolgt, was letztendlich zu den Symptomen der MS führt.
Schlaganfall
Beim Schlaganfall kommt es zu einer plötzlich auftretenden Störung des Blutflusses im Gehirn und dadurch zur Unterversorgung des Gewebes mit Sauerstoff und Nährstoffen. Das Gehirn wird lokal geschädigt und es kommt zu einem Verlust von Neuronen.
Hyperekplexie
Mutationen im GlyT2-Gen neben Mutationen in den Glyzinrezeptor-Genen heute zu den häufigsten genetischen Ursachen für Hyperekplexie gezählt werden.
Therapeutische Ansätze
Die moderne biologische Psychiatrie als Grundlagenwissenschaft hat von der Untersuchung synaptischer Prozesse ihren Ausgang genommen und über die Entwicklung modifizierender Substanzen - Psychopharmaka - erheblichen Einfluss auf die klinisch-psychiatrische Praxis genommen. Derzeit jedoch erweitert sich das Spektrum der Forschungsbemühungen, in das Zentrum des Interesses rücken immer mehr auch intrazelluläre Signaltransduktionsmechanismen diesseits und jenseits der Synapse.
- Psychopharmaka: Tatsächlich nutzen verschiedene Psychopharmaka diese Modulationsmöglichkeiten des Neurotransmitterstoffwechsels in unterschiedlicher Weise. Durch Gabe von Aminpräkursoren kann beispielsweise die Neurotransmittersynthese gesteigert werden.
- Gezielte Therapien: „Mit unserem translationalen Forschungsprogramm wollen wir neue und zielspezifische Therapieansätze entwickeln“, erklärt Professor Christian Geis.