So funktionieren Synapsen: Aufbau, Funktionsweise und Verknüpfung
Beim Untersuchen der Psyche sollten auch biologische Prozesse nicht außer Acht gelassen werden. Unser Nervensystem ist indirekt dafür zuständig, dass wir die Reize aus unserer Umgebung aufnehmen, wahrnehmen und verarbeiten können. Daran beteiligt ist eine riesige Vielzahl von Neuronen. Das sind Nervenzellen und die Bausteine unseres eng verzweigten Nervensystems sowie unseres Gehirns.
Damit die eingehenden Impulse bis zum Gehirn gelangen, müssen sie von einem Neuron zum nächsten übertragen werden. Für diese Weitergabe sind die Schnittstellen zwischen den Nervenzellen entscheidend. Dabei handelt es sich um die sogenannten Synapsen. Wie diese aufgebaut sind und welche Funktionen sie übernehmen, das erläutern wir in diesem Artikel.
Inhalt
Wie sprechen Neuronen miteinander
Ein Neuron ist eine Nervenzelle mit einem spezifischen Aufbau. Nervenzellen bestehen aus einem Soma beziehungsweise einem Zellkörper, einem Axon und Dendriten. Über die Dendriten gehen elektrische Impulse ein. Über das Axon werden sie an die nächste Nervenzelle weitergeleitet. Am Ende des Axons befinden sich axonale Endigungen. Diese bilden bereits einen Teil einer Synapse. Diese bestehen nämlich aus der axonalen Endigung der präsynaptischen Nervenzelle, dem Dendriten oder Zellkörper des postsynaptischen Neurons und dem synaptischen Spalt dazwischen.
Prä- und postsynaptisch bedeutet nichts anderes als dass eine Nervenzelle VOR beziehungsweise HINTER dem synaptischen Spalt liegt. Dieser Spalt ist ein mikroskopisch kleiner Zwischenraum zwischen den beiden Endpunkten zweier Neuronen.
Früher ging man davon aus, dass Nervenzellen direkt miteinander verbunden sind. Diese Annahme stand allerdings im Widerspruch zu der relativ langsamen Übertragungsgeschwindigkeit. Der britische Physiologe Sir Charles Sherrington entdeckte diese Ungereimtheit und gleichzeitig die kleinen Unterbrechungen zwischen den einzelnen Nervenzellen in Form von Synapsen.
Wie läuft die Impulsübertragung innerhalb der Synapse ab?
Mittlerweile weiß man auch, was innerhalb des synaptischen Spalts passiert. Nachdem ein Neuron aufgrund eines eingehenden Aktionspotenzials (das ist ein elektrischer Impuls) „feuert“, werden chemische Botenstoffe an den axonalen Endigungen des präsynaptischen Neurons ausgeschüttet.
Bei diesen Botenstoffen handelt es sich um Neurotransmitter, welche in weniger als dem Bruchteil einer Sekunde den synaptischen Spalt durchqueren. Beim Dendriten des postsynaptischen Neurons angekommen, docken sie sofort an dessen Rezeptoren an. Ein Rezeptor ist eine auf bestimmte Reize spezialisierte Zelle oder in diesem Fall eine Nervenfaser. Sie können Moleküle beziehungsweise Neurotransmitter an sich binden und damit Prozesse im Zellinneren auslösen.
Je nachdem welche Transmitter an der postsynaptischen Zelle andocken, können diese deren Reaktion hemmen oder verstärken. Hemmende oder inhibitorische Transmitter sind zum Beispiel GABA (Gamma-Amino-Buttersäure) oder Glycin. Ein Beispiel für erregende oder exzitatorische Transmitter ist Glutamat. Eigentlich handelt es sich dabei sogar um den wichtigsten erregenden Neurotransmitter im zentralen Nervensystem. Doch auch bei Acetylcholin handelt es sich um einen erregenden Botenstoff.
Die restlichen Transmitter – die nicht an den Rezeptoren angedockt haben – werden von dem präsynaptischen Neuron wieder aufgenommen. Diese Wiederaufnahme wird auch als Reuptake bezeichnet.
Arten von Synapsen
Es gibt im Nervensystem sowohl elektrische als auch chemische Synapsen.
Chemische Synapsen
Bei der gerade erläuterten Variante handelt es sich um eine chemische Synapse. Diese Synapsen teilen sich einen grundsätzlichen Aufbau: Prä- und Postsynapse, synaptischer Spalt, Neurotransmitter (jedoch auch Ionen, -kanäle und Enzyme) und Rezeptoren. Zwar ist die Informationsübertragung bei diesen nur in eine Richtung möglich (bei elektrischen Synapsen findet eine Übertragung in beide Richtungen statt). Dennoch spielen sie eine überaus wichtige Rolle bei der Kommunikation innerhalb des zentralen Nervensystems. Das Prinzip der Impulsübertragung ist an allen chemischen Synapsen dasselbe:
Durch ein eingehendes Aktionspotenzial kommt es zu einer Depolarisierung der präsynaptischen Zellmembran. „Neuron 1“ feuert also und öffnet seine Kalium-Kanäle. Durch diese strömen positive Kalium-Ionen in das Zellinnere. Dieser Vorgang setzt einen weiteren in Gang: Mit Transmittern gefüllte Vesikel (sozusagen Neurotransmitter-Päckchen) wandern zur Zellmembran.
Hier angekommen, gelangen die Neurotransmitter durch die Membran in den synaptischen Spalt und docken an den entsprechenden Rezeptoren von „Neuron 2“ an. Anschließend kehren die Zellen in ihren Ausgangszustand zurück. Dafür sind zwei Faktoren verantwortlich. Zum einen sorgen Enzyme im synaptischen Spalt für die Aufspaltung der freigesetzten Transmitter. Dadurch kehrt die Transmitterkonzentration zu ihrem Normalwert zurück und die Ionen-Kanäle schließen sich wieder.
Gleichzeitig sorgt die Natrium-Kalium-Pumpe in der Zellmembran von „Neuron 2“ dafür, dass überschüssiges Natrium aus der postsynaptischen Zelle herausbefördert wird.
Elektrische Synapsen
Wie bereits erwähnt, gibt es neben den chemischen Synapsen noch elektrische. Diese sind für einen direkten Austausch von Ionen in beide Richtungen zuständig. Es werden also nicht nur Ionen von Zelle A zu Zelle B transportiert, sondern auch andersherum anhand von sogenannten Konnexonen. Dabei handelt es sich um Proteinkomplexe, welche kleine Kanäle zwischen den benachbarten Zellen bilden und sie so miteinander verbinden. Das ermöglicht eine schnelle Signalübertragung.
Diese sind vor allem im Herzen wichtig, denn sie stellen Verknüpfungen zwischen den Herzmuskelzellen dar. Mit ihrer Hilfe werden die elektrischen Impulse schnell und zielführend übertragen. Tritt eine Blockade dieser Synapsen ein, kommt es zum Herzstillstand. Ihnen wird außerdem eine Beteiligung an Erinnerungsvorgängen und bei motorischen Handlungen zugeschrieben. Denn sie sind an der Synchronisation von Netzwerken beteiligt. Daher spielen sie auch bei der Wahrnehmung komplexer Sinneseindrücke eine Rolle.
Allerdings sind sie ebenso an weniger erfreulichen Dingen beteiligt, zum Beispiel bei Schlag- und epileptischen Anfällen sowie bei multipler Sklerose. Anders als bei chemischen Synapsen herrscht bei elektrischen stets der gleiche Erregungszustand vor. Hemmung oder Erregung dieser Synapsen beziehungsweise den entsprechenden Zellen sind daher nicht möglich.
Zusammenfassung
- Unser Denken und Handeln funktioniert mit Hilfe von neuronaler Kommunikation. Nervenzellen „sprechen“ untereinander, indem sie elektrische Impulse austauschen. Dies kann in eine Richtung funktionieren (wie bei chemischen Synapsen) oder in beide Richtungen. Letzteres ist bei elektrischen Synapsen der Fall.
- Eine chemische Synapse besteht aus verschiedenen Elementen: Prä- und Postsynapse, synaptischer Spalt, Neurotransmitter, Ionen/-kanäle, Enzyme und Rezeptoren.
- Die Präsynapse ist das axonale Ende des vorgeschalteten Neurons. Bei der Postsynapse handelt es sich um das Endstück eines Dendriten der nachgeschalteten Nervenzelle. Zwischen den beiden Verbindungsstücken liegt ein winziger Spalt. Sie sind also nicht direkt miteinander verbunden. Die Lücke wird als synaptischer Spalt bezeichnet.
- Kommt bei der Präsynapse ein Aktionspotenzial an, werden verschiedene Prozesse in Gang gesetzt. Im Zellinneren befinden sich Vesikel. Das sind mit Neurotransmitter gefüllte „Pakete“, welche sich nach dem Eingang eines elektrischen Impulses in Richtung Zellmembran bewegen. Grund für diese Bewegung sind die einströmenden Kalium-Ionen.
- Die Neurotransmitter gelangen durch die Zellmembran der Präsynapse in den synaptischen Spalt. Dann docken sie an den Rezeptoren der Postsynapse an. Hier lösen sie ein hemmendes oder erregendes Signal aus – abhängig von dem jeweiligen Transmitter. GABA beispielsweise hemmt, während Glutamat erregt.
- Anschließend gelangen die Synapsen durch zwei Prozesse wieder in den Ausgangszustand. Einerseits bauen spezielle Enzyme die Transmitter im synaptischen Spalt wieder an. Andererseits sorgen Natrium-Kalium-Pumpen in der Zellmembran der Postsynapse wieder für eine ausgeglichene Verteilung der Ionen.
- Im Gegensatz zu chemischen Synapsen verbinden elektrische Synapsen Zellen direkt miteinander. Sie sind beispielsweise in den Zellen der Herzmuskulatur zu finden – chemische Synapsen eher im zentralen Nervensystem.
- Bei elektrischen Synapsen herrscht immer dieselbe Spannung vor. Eine Erregung oder Hemmung findet hier dementsprechend nicht statt.
Über den Autor
