Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
Vorgänge
an Synapsen, Kon- und Divergenz 
© H. Hinghofer-Szalkay
Dendrit: δένδρον = Baum
De-, Hyperpolarisation: de = von..weg, ὑπέρ = über..hinaus, πολος = Achse(npunkt)
Gephyrin: γἑφυϱα = Brücke
Glia: γλία = Leim, Kitt
Glyzin: γλυκύς = süß
SNARE: für soluble N-ethylmaleimide-sensitive-factor attachment receptor
Synapse: σύν = zusammen, ἅπτειν = fassen, ergreifen, συναψις = Verbindung
Für die Kommunikation zwischen Nervenzellen verfügt ein erwachsener Mensch über etwa
hundert Billionen (≈1014) Synapsen. Ihre
primäre Wirkung ist eine Veränderung des Zustands der nachgeschalteten (postsynaptischen, "empfangenden") Zelle im Sinne einer Verstärkung (inhibitorisches postsynaptisches Potential, IPSP) oder Abschwächung (exzitatorisches postsynaptisches Potential, EPSP) des Membranpotentials: IPSPs erschweren, EPSPs erleichtern die Entstehung eines Aktionspotentials am postsynaptischen Neuron.
Das präsynaptische
("sendende") Neuron synthetisiert Neurotransmitter in der Nähe des Zellkerns, transportiert den Transmitter durch den Neurit, speichert ihn in Vesikeln und
sezerniert ihn schließlich über Exozytose. Die Exozytose erfolgt mittels vesikulärer Proteinkomplexe des
SNARE-Mechanismus (soluble N-ethylmaleimide- sensitive- factor attachment receptor).
Transmitter
diffundieren über den synaptischen Spaltraum (≈20 nm) und binden an
postsynaptische Rezeptoren. Dies löst rezeptortypische Folgereaktionen (z.B.
Natriumeinstrom und Depolarisation) aus, welche postsynaptische Auswirkungen haben.
Je nach Transmitter erfolgt rasche (Millisekundenbereich: Glutamat, GABA, Glyzin, Azetylcholin nikotinerg..) oder langsame Übertragung (Sekundenbereich: Katecholamine, Azetylcholin muskarinerg).
Kotransmitter bewirken zusätzlich Fazilitation oder Depression (Sekunden- bis Minutenbereich oder länger) sowie Modulation des synaptischen Effekts (Sekunden bis Tage: Neuropeptide).
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>Abbildung: Synaptische Verschaltungen
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Das
Aktionspotential entsteht am Axonhügel des Neurons. Die Dendriten
dienen dem "Auffangen" synaptischer Signale von anderen Nervenzellen.
Über das Axon werden Aktionspotentiale des Neurons in dessen Peripherie
geleitet
Die Gesamtzahl der Nervenzellen (Neuronen) im Körper eines Erwachsenen wird auf ≈1011 geschätzt, davon je ein Drittel in der Großhirn- und Kleinhirnrinde. (Das Gehirn einer Fliege hat 105, das einer Maus 107 Neuronen.) Die Neuronen können als fundamentale Recheneinheiten des Nervensystems gesehen werden. Sie sind über Synapsen 
miteinander verknüpft (Gesamtzahl im Körper ≈1014).
Synapsen ermöglichen neuronale Kommunikation in Millisekunden - über
einen synaptischen Spaltraum hinweg, der durchschnittlich 20 nm weit
ist (die Zellmembran hat einen Durchmesser von ≈8 nm).
Indem er als junger Forscher ein Kapitel für ein Physiologie-Lehrbuch verfasste, führte der Brite Charles S. Sherrington den
Begriff "Synapse" in die Neurowissenschaften ein. Sherrington, der
später als "Philosoph des Nervensystems" galt, erhielt zusammen mit
Edgar D. Adrian
1932 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin "für ihre Entdeckungen
auf dem Gebiet der Funktion der Neuronen". Adrian erforschte vor allem
die Elektrophysiologie von Sinnesorganen.
Synapsen bestehen aus einem präsynaptischen (Sender-) und postsynaptischen (Empfänger-) Teil. An der präsynaptischen Membran werden bei Erregung
(Aktionspotential) und Kalzium-Einstrom Transmitterstoffe freigesetzt
(mehr als 40 kommen beim Menschen vor; Glutamat ist am häufigsten, die
Synapsen heißen dann glutamaterg).
Transmitter wirken auf Rezeptormoleküle
in der "nachgeschalteten" Zelle. Viele dieser Rezeptoren befinden sich
auf Dendritenfortsätzen (eine Purkinje-Zelle in der Kleinhirnrinde hat
z.B. über 2000 Dendriten), und an jedem Dendrit wirken typischerweise mehr
als 100 Synapsen.
Über Dendriten s. dort
Transmittermoleküle werden nach ihrer Freisetzung vom präsynaptischen
Apparat
teils an Rezeptoren gebunden,
dann endozytiert und abgebaut;
teils werden sie präsynaptisch gebunden (können dort auch negativ
rückkoppelnd wirken) und
wieder aufgenommen (recycling);
teils
diffundieren sie in den Extrazellulärraum weiter und werden z.T. dort
enzymatisch inaktiviert,
oder mit dem Kreislauf weitertransportiert und
können so - auf größere Distanz - auch neuroendokrin aktiv werden.
Neurotransmitter können
chemisch in die Kategorien Aminosäuren, Amine und Neuropeptide
eingeteilt werden. Dazu kommen Kotransmitter wie Purine, NO, und
Eikosanoide.
Die wichtigsten Neurotransmitter sind Glutamat (der führende exzitatorische Transmitter) und Aspartat, GABA und Glyzin (inhibitorisch), Azetylcholin, Katecholamine, Serotonin und Histamin, Peptide, Cannabinoide, Purine (Adenosin, ATP u.a.).
<Abbildung: Synapsen im ZNS
Nach einer Vorlage in Bear / Connors / Paradiso, Neuroscience - Exploring the Brain, 4th ed 2016
Präsynaptische Apparate sind durch Vesikel (Transmitterfreisetzung),
postsynaptische durch Verdichtungszonen
(postsynaptic densities)
mit Rezeptoren gekennzeichnet.
Ist an einer Synapse die Dicke der prä-
und postsynaptischen Zone gleich groß, spricht man von einer
symmetrischen Synapse (diese ist meist inhibitorisch), ist der postsynaptische Apparat dicker, spricht man von einer
asymmetrischen
Synapse (diese ist meist exzitatorisch). Die Ausprägung der Synapsen
kann je nach spezieller Funktion sehr unterschiedliche Form annehmen:
Links oben: Axospinale Synapse (es gibt auch dendrodendritische Synapsen)
Rechts oben: Axonaufzweigung, zwei unterschiedlich große präsynaptische Endigungen auf postsynaptischem Soma
Links unten: Große präsynaptische Endigung umfasst postsynaptisches Soma
Rechts unten: Große präsynaptische Endigung
wirkt gleichzeitig auf mehrere postsynaptische Kontakte
Je
länger die biologische Halbwertszeit, desto deutlicher tritt die
endokrine Komponente eines Transmitters in Erscheinung (z.B.
Noradrenalin, Vasopressin).
Unterschiedliche Transmittersysteme wirken in unterschiedlichen Zeitdomänen:
Rasche Transmission im
Millisekundenbereich - Beispiel Aminosäuren (Glutamat, GABA, Glyzin), Azetylcholin (nikotinerg)
Langsame Transmission im
Sekundenbereich - Beispiel Katecholamine, Azetylcholin (muskarinerg)
Fazilitation / Depression im
Sekunden- bis Minutenbereich (auch bis zu Tagen) - trifft auf viele Transmitter zu
Modulation im Bereich
mehrere Sekunden bis Tage (Peptide)
Fazilitation bedeutet eine kurzfristige (10-100 Millisekunden) Erhöhung, Depression
eine Erniedrigung der synaptischen Wirkung nach hochfrequenter Reizung
des betreffenden Synapsensystems. Diese Phänomene erklären sich durch
Verstärkung oder Abschwächung der Transmitterfreisetzung und der
Rezeptoransprechbarkeit mit jeder folgenden Erregung. Fazilitation und
Depression sind Mechanismen der synaptischen Plastizität: Der Abhängigkeit der Übertragungseffizienz in Abhängigkeit von der Vorgeschichte an der Synapse.
>Abbildung: Synaptische Molekülnetze
Nach: Feng W & Zhang M, Organization and dynamics of PDZ-domain-related supramodules in the postsynaptic density. Nature Rev Neurosci 2009; 10: 87-99
Prä-
und postsynaptische Membran sind vielfach miteinander verknüpft. Außer
Rezeptormolekülen und Ionenkanälen finden sich auf der postsynaptischen
Seite auch verschiedene Adapter- und Signalproteine.
Präsynaptisch gibt
es neben der Exozytose des Transmitters auch kalziumabhängige Kinasen.
Die beiden Membranen sind über Adhäsionsmoeküle (Cadhaerin, Neuroligin,
Neurexin, Ephrin, Ephrinrezeptor) miteinander verbunden. Diese
Verbindungen werden beständig auf- und abgebaut, je nach
Benutzungsintensität der Synapse (vgl. synaptische Plastizität).
AKAP, Adenylate-kinase anchoring protein, hilft bei der Anordnung von Signalproteinen
BAR, hochkonservierte Proteindomäne
CaCh, Ca++-Kanal
CaMKII, calcium/calmodulin-dependent protein kinase II; an Lern- und Gedächtnisprozessen beteiligte serin / threoninspezifische Kinase
CRIPT, cysteine-rich PDZ-binding protein; interagiert mit Synapsenproteine EphR, Adrenalinrezeptor
GKAP, guanylate kinase-associated protein; an der Errichtung postsynaptischer Verbindungen beteiligt
GRASP, GRIP-associated protein
GRIP, glutamate receptor interacting protein, Adaptermolekül für zellulären Transport
IP3R, Inositol-1,4,5-trisphosphat-Rezeptor
KCh, K+-Kanal
MAP1A, microtubule-associated protein 1A, wichtig für Neurogenese
L27, Protein-Bindedomäne
mGluR, metabotroper Glutamatrezeptor
nNOS, neuronale NO-Synthase
NMDAR, N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptor (Glutamatrezeptor)
PDZ, PDZ-Bindemotiv, mit anderen Proteinen interagierender Proteinteil (Proteininteraktionsdomäne)
PICK1, protein interacting with PRKCA1, Adapterprotein
SER, glattes endoplasmastisches Retikulum
SH3, Interaktionen vermittelnde Proteindomäne SPAR, spine-associated RAPGA SV, synaptisches Vesikel
SYNGAP, synaptic Ras GTPase-activating protein, an synaptischer Plastizität beteiligt
TIAM1, T-cell lymphoma invasion and metastasis -inducing protein 1, verknüpft extrazelluläre Signale mit Aktivitäten im Zytoskelett
TRAP, C-terminal receptor-binding region
Postsynaptische Potentiale, Summation
<Abbildung: Erregende und hemmende Neurotransmission
Nach einer Vorlage bei Hilal-Dandan / Brunton, Goodman
& Gilman's Manual of Pharmacology and Therapeutics, 2nd ed., McGraw
Hill Education 2014
Ein Aktionspotential (1. AP)
trifft über eine präsynaptische Afferenz an der Synapse ein. Dies führt
zur Freisetzung eines Transmitters, der exzitatorisch (oben) oder inhibitorisch (unten) wirkt: Postsynaptisch kommt es zu einer lokalen Depolarisation (2. EPSP) oder Hyperpolarisation (2. IPSP).
Der Effekt ist entweder - bei überschwelliger Summation - ein postsynaptisches Aktionspotential (3. Ap) oder ein inhibierter Zustand.
Gezeigt ist auch der Anlagerungskomplex, der die Exozytose des
Transmitters ermöglicht (Mitte oben) sowie ein postsynaptischer
spannungssensitiver Natriumkanal (Mitte unten)
Die Ankunft von Aktionspotentialen an
axonalen Enden löst Vorgänge aus, die auf das folgende Neuron
exzitatorisch (depolarisierend) oder inhibitorisch (hyperpolarisierend)
wirken.
Kleine
Nichtpeptide als Neurotransmitter werden großteils in
der Nähe des Synapse synthetisiert, vesikulär gespeichert und bei präsynaptischer
Erregung - unter Vermittlung von Ca
++-Ionen - in den synaptischen Spaltraum exozytotisch freigesetzt. Dabei entsteht ein
docking complex
aus verschiedenen Proteinen - Neurexin, Syntaxin, Rab3, Synaptobrevin,
Synaptotagmin und ein Transmitter-Transporter (<Abbildung).
Peptide werden hingegen im Zellsoma gebildet (
Translation) und per axonalem Transport in die Peripherie gebracht (>Abbildung unten).
Bei ausreichender
Depolarisation
(über das Schwellenpotential hinaus)
wird das postsynaptische Neuron erregt und bildet (mehr) Aktionspotentiale. Um das
Schwellenpotential zu erreichen, bedarf die Nervenzelle multipler
depolarisierender Einflüsse aufgeschalteter Neuritenendigungen. Setzen
diese depolarisierenden Transmitter frei, so erzeugt das postsynaptisch
(also auf der betreffenden Nervenzelle) pro Impuls je eine kleine
Ladungsverringerung, ein
exzitatorisches postsynaptisches Potential (
EPSP).
Einzelne EPSPs haben eine kleine Amplitude (0,01-1 mV) und bleiben
einzeln daher im Allgemeinen unterschwellig. Summierung mehrerer EPSPs
kann die Zelle bis über ihr Schwellenpotenial
hinaus
depolarisieren und so ein Aktionspotential hervorrufen. Die
Summierung (
Summation) kann
zeitlich (d.h. nacheinander) oder
räumlich (d.h. gleichzeitig von mehreren Synapsen) erfolgen.
Synaptische Bahnung: Treffen
präsynaptisch mehrere Erregungen knapp hintereinander ein, sind die auf
den ersten Impuls folgenden Effekte (Transmitterfreisetzung) verstärkt:
Die terminale [Ca++] (im präsynaptischen
Zytoplasma) ist nach der ersten Erregung noch erhöht ("Restkalzium"),
und es wird beim nächsten Engagement der spannungsgesueuerten
Kalziumkanäle der präsynaptischen Membran mehr Neurotransmitter
freigesetzt. Das verstärkt postsynaptisch den EPSP-Effekt. Dieses
Phänomen wird als eine der Grundlagen für synaptische Plastizität und Kurzzeitgedächtnis gesehen.
Ein zweites kurz nach einem vorangehenden EPSP ist größer als das erste, weil die präsynaptisch-zytoplasmatische Ca++-Konzentration noch erhöht ist.
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Durch
Hyperpolarisation
hingegen wird die betreffende Nervenzelle (oder glatte Muskelzelle) gehemmt und bildet weniger
oder
keine Aktionspotentiale. Inhibierende Synapsen setzen einen Transmitter
frei, der postsynaptisch zu jeweils einem inhibitorischen
postsynaptischen Potential (IPSP)
führt. Diese Hyperpolarisierung erfolgt meist durch erhöhte Durchlässigkeit für Chloridionen (Einstrom von Anionen), oder auch durch einen Anstieg der Kaliumdurchlässigkeit der Membran (Ausstrom von Kationen). Jedes IPSP
trägt dazu bei, das Membranpotential der Nervenzelle zu stabilisieren
bzw. zu erhöhen, und sie so gegenüber anregenden Reizen weniger
empfänglich zu machen.
>Abbildung: Ablauf der Vorgänge an einer Synapse
Nach einer Vorlage bei oxfordscholarship.com
Beispiel peptiderge
Synapse: Die Synthese von Neuropeptiden erfolgt durch
post-translationale Prozessierung von Vorstufen im Golgi-Apparat;
daraus knospen Vesikel mit dem Transmitter, der axonal in die
Peripherie gebracht (Transport) und vesikulär gespeichert wird
(Speicherung).
Aktionspotentiale (Depolarisierung) öffnen Ca++-Kanäle,
Kalziumionen lösen die Exozytose (Priming - Docking - Fusion) des
Transmitters aus. Dieser diffundiert in den synaptischen Spalt und kann
postsynaptisch auf G-Protein-gekoppelte Rezepotoren wirken (links) oder
auf ionotrope Rezeptoren (rechts). Er kann dann abgebaut (Hydrolyse)
oder präsynaptisch wiederaufgenommen werden (Reuptake), oder auch an
Autorezeptoren präsynaptisch wirksam werden.
Andere Transmitter werden in den Nervenendigungen aus Vorstufen direkt
neu gebildet (Syntheseenzyme) und vesikulär
gespeichert oder wieder abgebaut. Neuromodulation beeinflusst diese
Vorgänge
An der postsynaptischen Membran
verändert sich als Folge der Durchtritt von Ionen und die elektrische
Spannung (depolarisierende und hyperpolarisierende , also erregende und hemmende Wirkung).
Neurotransmitter
sind von Nervenzellen - üblicherweise aus Speichervesikeln -
freigesetzte Signalstoffe. Sie treffen auf spezifische Rezeptoren (an
umgebenden Zellen - parakrine Wirkung, aber auch am freisetzenden Axon
- "Autorezeptoren", autokrine Wirkung) und werden nach ihrer
Freisetzung abgebaut, zellulär aufgenommen, oder gelangen in die
Blutbahn (und sind dort u.U. nachweisbar). Sie fallen in mehrere
Stoffklassen:
Von diesen Transmittern werden Neuropeptide - zuerst als (Prä-) Propeptide - im Soma
der Nervenzelle gebildet (DNS → Transkription → Translation →
posttranlationale Modifikation), als Vorläuferpeptide über das Axon peripherwärts
transportiert (langsamer anterograder Transport), in Vesikeln (LDCV: Large dense core vesicles) gespeichert und durch Endopeptidasen gespalten. Man kennt mehr als 50 Neuropeptide ( Neuromediatoren s. unten).
<Abbildung: Freisetzung, Wirkung und Inaktivierung von Neurotransmittern
Nach einer Vorlage bei Hilal-Dandan / Brunton, Goodman
& Gilman's Manual of Pharmacology and Therapeutics, 2nd ed., McGraw
Hill Education 2014
Depolarisierung der präsynaptischen Zelle (Eintreffen eines Aktionspotentials) führt zu Ca++-Einstrom
und dieser zu Exozytose des Transmitters. Dieser bindet postsynaptisch
an G-Protein-gekoppelte oder an Ionenkanal-Rezeptoren, was
entsprechende Effekte am postsynaptischen Neuron hervorruft.
Präsynaptisch bindet der Neurotransmitter an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, die dann die Transmitterfreisetzung modifizieren (hemmen oder fördern); oder an Na+-Symporter, die ihn wiederaufnehmen.
Gliazellen können Transmitter ebenfalls aufnahmen, falls sie entsprechende Transporter exprimieren
Neurotransmitter
werden hingegen nicht nur aus Vorstufen im Soma gebildet (z.B. Dopamin
aus Tyrosin) und ebenfalls axonal transportiert, sondern auch nach
synaptischer Freisetzung peripher wiederaufgenommen (reuptake),
oder hier aus Vorstufen (z.B. Glutamin für Glutamat, Cholin für
Azetylcholin) zusammengesetzt. Weiters können extrazellulär
auftauchende Neurotransmitter von Gliazellen aufgenommen werden
(<Abbildung).
Sowohl klassische Neurotransmitter wie Neuropeptide werden vesikulär gespeichert (storage pool);
Peptide müssen aber nach ihrer Freisetzung vollständig neu
synthetisiert (und axonal transportiert) werden.
Präsynaptische Vesikel entstehen zunächst aus Abschnürungen aus dem Golgi-Apparat. Sie haben in ihrer Wand Protonenpumpen (aktiver Transport), die den pH-Wert auf ≈5,4 einstellen. Der Protonengradient zum Zytoplasma (pH 7,2) treibt Antiporter
an, die Transmitter im Vesikel konzentrieren (sekundär aktiver
Transport). Auch der elektrische Gradient kann für den
Transmittertransport in die Speichervesikel genutzt werden.
Präsynaptische Vesikel sind sie Angriffspunkt für negative
Rückkopplung: Bei starker Freisetzung des Transmitters nimmt seine
Synthese zu, bei geringer präsynaptischer Aktivität hingegen ab.
Neurotransmitter treffen postsynaptisch auf mehr als einen Rezeptortyp; man spricht von Rezeptor-Subtypen:
Für
Glutamat (ionotrop) NMDA, AMPA, Kainat, (metabotrop) mGluR
1 bis mGluR
6
Für
GABA GABA
A und GABA
B
Für
Azetylcholin muskarinerge (M
1 bis M
5) und nikotinerge (Muskel, neuronal: α-Bungarotoxin-insensitiv)
Für
Dopamin D
1 bis D
5
Für
Adrenalin / Noradrenalin α
1A bis α
1C, α
2A bis α
2D, ß
1 bis ß
3
Für
Serotonin 5-HT
1A bis 5-HT
1F, 5-HT
2A bis 5-HT
2C, 5-HT
3 bis 5-HT
7
Für
Histamin H
1 bis H
4
Für
Opioide µ
1 bis µ
3, δ
1, δ
2, κ
1 bis κ
3
Für
Endocannabinoide CB1 (Gehirn) und CB2 (Körperperipherie)
Zellen können so auf ein und denselben Signalstoff auf verschiedene Art
und Weise reagieren, die Antworten können sogar entgegengesetzt sein
(z.B. führt Reizung von D1-Rezeptoren zu erhöhter cAMP-Bildung, eine von D2-Rezeptoren
hemmt die cAMP-Synthese).
Genaue Kenntnis der Rezeptorverteilungen hat
große pharmakologische Bedeutung, da spezifisches Ansprechen bestimmter
Rezeptor-Subtypen wesentlich verfeinerte therapeutische Effekte
ermöglicht.
Speicherung und Freisetzung von Neurotransmittern
Bevor
sie präsynaptisch freigesetzt werden können, werden sie synthetisiert
und in Vesikeln (für Nichtpeptide ≈50 nm, für Peptide ≈90 nm
Durchmesser) gespeichert (außer Gase). Diese Speicherung hat mehrere Vorteile:
Anreicherung bis zum 105-fachen der Konzentration im
Zytoplasma,
Schutz vor Abbau,
Reserve für die synaptische
Aktivität.
Die Aufnahme des Transmitters durch vesikuläre Transmittertransporter wird durch einen niedrigen vesikulären pH-Wert angetrieben, der durch H+-Pumpen aufrechterhalten wird.
Die Freisetzung aus den Vesikeln erfolgt nach einem generellen Schema: Depolarisierung (Na+-Einstrom) öffnet spannungsgesteuerte Ca++-Kanäle (vor allem vom N-Typ),
Kalziumionen bewirken Exozytose (elektro-sekretorische Kopplung). Simultan aktivieren Ca++-Ionen über Calmodulin und eine Proteinkinase
Synapsine - mit dem Zytoskelett
verbundene Membranproteine, welche die Stabilität der Vesikel steuern
-, was weitere Vesikel für die Transmitterfreigabe vorbereitet. Der Kalziumeinstrom kann durch präsynaptisch wirkende Neuromodulatoren beeinflusst werden.
>Abbildung: Modell des SNARE-Mechanismus bei synaptischer Vesikelfusion
Nach Südhof TC, A molecular machine for neurotransmitter release: synaptotagmin and beyond. Nature Med 2013; 19: 1227-31
1: Dieser Schritt involviert Syntaxin und Chaperone. R-SNAREs wirken als v-SNAREs, Q-SNAREs als t-SNAREs (s. Text)
2: SNARE-Komplexe komplett, es kommt zur Fusion der Vesikel- und präsynaptischen Membran und zur Öffnung von Fusionsporen
3: Trans- werden zu Cis-SNARE-Komplexen
4: Vesikel werden recycelt
Die präsynaptische Freisetzung von Azetylcholin wird durch Botulinumtoxin spezifisch gehemmt.
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Dabei wirken spezielle Proteine wie Synaptotagmin (wahrscheinlich der intrazelluläre Ca++-Sensor - Synaptotagmin wird durch Kalziumionen aktiviert), Synaptobrevin, Syntaxin, SNAP-25 (SNARE-Proteine, Soluble NSF Attachment Protein Receptor - >Abbildung).
Man unterscheidet v-SNAREs in der Wand von Vesikeln (v = vesicle) und t-SNAREs (t = target) in der präsynaptischen Membran.
An der Fusion transmitterspeichernder Vesikel mit der präsynaptischen Membran sind SNARE-Komplexe beteiligt.
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Die
Zusammenarbeit dieser SNAREs ermöglicht das "Andocken" von Vesikeln an
die präsynaptische Membran und die Ausbildung von Poren in der
Vesikelwand
im Rahmen der Fusion von Vesikel- und Axonmembran - sie "entsperren"
den Transmitter, der in Vesikeln gespeichert vorliegt.
Einige Vesikel können sich nach ihrer Entleerung - statt mit der
präsynaptischen Membran zu fusionieren - auch wieder rekonfigurieren
und in das präsynaptische Zellinnere zurückziehen ("kiss and run"-Mechanismus).
Dies spart Stoffwechselenergie, weil das Vesikel mehrfach
hintereinander zum Einsatz kommt, ohne remodifiziert zu werden.
Neurotoxine hemmen die Exozytose (vor allem an der motorischen Endplatte) durch Spaltung von SNARE-Proteinen (Botulinumtoxine A und E → SNAP-25, Botulinumtoxin B → Synaptobrevin). Das Clostridiengift Botulinumtoxin (Botox) kann therapeutisch verwendet werden, z.B. um Muskelkrämpfen gegenzuwirken (i.m. Injektion bei Spasmen).
Auch Tetanustoxin
spaltet SNAREs - genauer: Synaptobrevin - und verhindert dadurch die
Freisetzung von inhibitorischen Neurotransmittern (Glyzin und GABA).
Das betrifft die Selbsthemmung der motorischen Vorderhornzellen durch
Renshaw-Zellen, und sie werden überererregbar - es treten Muskelkrämpfe
auf.
Tetanustoxin spaltet Synaptobrevin und verhindert die Glyzin-Freisetzung an Renshaw-Zellen.
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Jedes
Aktionspotential führt zur Entleerung von einigen hundert Vesikeln, was
die Freisetzung von einigen zehntausend Transmittermolekülen bedeutet.
Der freigesetzte Transmitter wird anschließend z.T. wiederaufgenommen,
z.T. wird neu synthetisierter aus dem Soma nachgeliefert (axonaler Transport).
Der
freigesetzte Transmitter diffundiert in den synaptischen Spalt und erreicht
postsynaptische (oder auch präsynaptische Auto-) Rezeptoren.
Diese können
metabotrop, d.h. G-Protein-gekoppelt sein - etwa 80% aller Neurotransmitter und Neurohormone wirken über G-Proteine auf intrazelluläre second-messenger-Mechanismen - und etwas
langsamer funktionieren (Sekunden),
oder sie sind ionotrop und damit
rasch wirksam (Millisekunden, z.B. nikotinartige cholinerge Rezeptoren).
Der Transmitter kann dann abgebaut
oder präsynaptisch wiederaufgenommen werden: Die Zellmembran unterliegt einem steten Recycling. Drei Mechanismen ermöglichen die rasche Beendigung der synaptischen Signalübertragung:
Diffusion und damit das Absinken der Transmitterkonzentration
Enzymatischer
Abbau im Bereich des synaptischen Spalts
Na
+-Gradient-abhängige
Aufnahme in den präsynaptischen Neuritenfortsatz
(reuptake, recycling) bzw. in benachbarte Gliazellen
(>Abbildung unten).
Praktisch alle Stufen des synaptischen Wirkmechanismus können chemisch beeinflusst werden (Neuropharmaka, Neurotoxine):
Aufnahmesysteme der Zellmembran (Aufnahme von Transmittervorstufen, Wiederaufnahme fertigen Transmitters)
Natriumkanäle (die Erregbarkeit der Nervenzelle kann durch
Lokalanästhetika - oder, spezifischer auf Na
+-Kanäle, durch Tetrodotoxin - unterbrochen werden)
Kalziumkanäle (Angriffspunkt z.B. von
Tetanus- und
Botulinus-Toxin)
Synthese- und Abbauenzyme
posttranslationale Reifung, axonaler Transport
vesikuläre Speicherung
Rezeptoren (präsynaptisch, postsynaptisch, unterschiedliche Rezeptortypen)
Plastizität: Rezeptoren
verändern ihre Ansprechbarkeit gegenüber Signalstoffen - das gilt auch
für Neurotransmitter. Das beruht auf mehreren Mechanismen: Up- oder
Downregulation; Phosphorylierung / Dephosphorylierung; Verschiebung von
rezeptorbeladenen Membranabschnitten zwischen "außen" und "innen".
Aminosäuren sind die im Zentralnervensystem am häufigsten verwendeten Neurotransmitter:
Glutamat ist der führende (exzitatorische) Transmitter des Gehirns - man schätzt, dass jede zweite Synapse im Gehirn glutamaterg ist. Glutamat ist nicht nur Transmitter, sondern (zusammen mit Asparagin) auch wichtiger Baustein zerebraler Proteine. Es ist über α-Ketoglutarat mit dem Zitratzyklus verknüpft und kann zu Glutamin amidiert werden (auf diese Weise wird aus dem Gehirn Ammoniak entfernt).
NMDA = N-Methyl-D-Aspartat, Agonist für den Glutamatrezeptor, der danach benannt ist. Extrazelluläre Magnesiumionen (auch andere zweiwertige Kationen) blockieren den Ionenkanal, verlassen ihn aber bei Bindung von Glutamat(agonisten).
Ligandengesteuerte Koaktivierung des NMDA-Glutamatrezeptors benötigt zusätzlich zu Glutamat oder Aspartat auch
Glyzin oder Serin.
Der Rezeptorkanal gestattet den Einstrom von Natrium- und den Ausstrom von Kaliumionen. Der Einstrom von Kalziumionen ist bedeutsam für synaptische Plastizität, Lernen und Gedächtnis.
Der
Zustand des Rezeptors wird durch eine Vielzahl
psychoaktiver Drogen beeinflusst, Antagonisten können z.B. halluzinogen
wirken (MK 801 = Dizocilpin, PCP = Phencyclidin - beides
NMDA-Blocker)
Glutamat wirkt auf verschiedene (rasche und langsame) postsynaptische Mechanismen (Divergenz), und zwar über vier Klassen von Rezeptoren (eine metabotrope: mGluR, drei ionotrope: AMPA-, NMDA-, Kainat-R):
G-Protein-gekoppelte metabotrope Rezeptoren (mGluR) werden aufgrund von
Struktur, pharmakologischen Eigenschaften und
second-messenger-Signalwegen eingeteilt in
Gruppe I: Diese aktivieren die Kette Phospholipase C → IP3 → Ca
++-Freisetzung, DAG → Proteinkinase C
Gruppe II und
III: Sie hemmen die Adenylatzyklase → cAMP sinkt.
Ionotrope
Glutamatrezeptoren, die nach Rezeptor-Agonisten - AMPA, NMDA und Kainat
- bezeichnet sind. Diese kommen im Körper nicht vor, werden aber
experimentell zur spezifischen Aktivierung von Glutamatrezeptoren
eingesetzt:
AMPA-Rezeptoren (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid) sind durchgängig für Na+ und K+, eventuell auch Ca++ - sie wirken in ≈Millisekunden und finden sich an den meisten exzitatorischen Synapsen. AMPA-Rezeptoren steuern die rasche Komponente des Glutamateffekts bei. Da sie sowohl für Na+ als auch K+ durchgängig sind, liegt ihr Gleichgewichtspotential nahe beim Spannungs-Nullpunkt, d.h. es kommt vom Ruhepotential aus zu Depolarisation: Exzitatorische postsynaptische Potentiale, EPSP
NMDA-Rezeptoren (N-methyl-D-aspartic acid) bestehen aus 4 Untereinheiten und sind für Kationen (Ca++, Na+, auch K+) permeabel.
Für ihre Öffnung reicht die Bindung von Glutamat nicht aus:
Magnesiumionen blockieren den Ionenkanal und müssen durch
Depolarisation der
Membran entfernt werden (NMDA-Rezeptoren sind voltage gated). Dies kann durch Aktivierung von AMPA- oder
Kainat-Rezeptoren
erfolgen.
NMDA-Rezeptoren sind ionotrope Glutamatrezeptoren.
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Weiters werden als Kofaktoren Glyzin oder Serin benötigt,
sowie die Anwesenheit von Zinkionen
(<Abbildung). Zinkionen werden zusammen mit Glutamat in
präsynaptischen Vesikeln gespeichert und von dort freigesetzt; Serin
stammt aus Astrozyten, seine verstärkende Wirkung auf die
NMDA-Rezeptoren (über die Bindungsstellen für Glyzin) könnte zur
Festigung von Engrammen beitragen.
Zur langsamen Komponente des Glutamateffekts siehe synaptische Plastizität und Langzeitpotenzierung
Kainat-Rezeptoren (für Kainsäure, ein pflanzliches Strukturanalog der Glutaminsäure) sind durchgängig für Na+ und K+. Kainatrezeptoren kontrollieren wahrscheinlich bei Bindung von Glutamat die Entstehung von EPSPs.
>Abbildung: Lokales Glutamin-Glutamat-System und "tripartite" Synapse
Nach einer Vorlage in T. Williams: Autism spectrum disorders - from genes to environment, Intech 2011
Prä-
und postsynaptische Membranen können in unmittelbarer Nähe zu
Gliazellen positioniert sein (dreiteilige Synapse), welche den
Transmitter (Glutamat) aufnehmen und über Endfüßchen an das
präsynaptische Neuron recyceln
Dieser komplizierte Kopplungsmechanismus stellt sicher, dass Glutamat
fast vollständig aus dem synaptischen Spaltraum entfernt wird. Das ist
wegen der potentiellen Gefahr einer Glutamat-Exzitotoxizität wesentlich: Extrazelluläre [Glutamat]-Werte von ≈1 µM/l führen bereits zu Übererregung der Nervenzellen durch erhöhten Ca++-Einstrom. Die Entfernung von Glutamat aus dem synaptischen Spaltraum reguliert den Erregungspegel des Nervengewebes.
Zerebrale Ischämie / Hypoxie
reduziert die Aktivität der Na/K-ATPasen, senkt den extrazellulären
Natrium- und den intrazellulären Kaliumspiegel. Damit nimmt auch die
Triebkraft für den Glutamat-Import ab, das von Nervenzellen
freigesetzte Glutamat reichert sich in der extrazellulären Flüssigkeit
an und wirkt exzitotoxisch.
Die Umwandlung
Glutamat → Glutamin erfolgt vor allem
in Gliazellen durch die Glutaminsynthetase; die Umwandlung Glutamin → Glutamat hauptsächlich in Nervenzellen, durch Wirkung der
Glutaminase (dabei entsteht Ammoniak).
Glutaminzyklus: Freigesetztes
Glutamat wird von Gliazellen zu Glutamin verwandelt und von
der Nervenzelle wieder aufgenommen (>Abbildung).
Es gibt mehrere Glutamat-Transporter, die dich - z.B. durch Neuropharmaka - unterschiedlich beeinflussen lassen:
VGLUTs: vesicular glutamate transporters
EAATs: excitatory amino acid transporters
Glutamat-Cystein-Austauscher
Über Azetylcholin, Katecholamine, Serotonin, Histamin, ATP, Opioide und Prostaglandine s. dort
Über zentralnervöse noradrenerge, serotoninerge, dopaminerge und cholinerge Systeme s. dort
Inhibierende Neurotransmitter
>Abbildung: Wiederverwertung von GABA (transmitter uptake & release)
Nach einer Vorlage bei what-when-how.com/neuroscience
Die Neurotransmitter GABA (γ-Amino-Buttersäure) wird durch Glutamat-Dekarboxylase
aus Glutamat hergestellt; beide werden präsynaptisch vesikulär
gespeichert.
Gliazellen (Astrozyten) nehmen freigesetztes GABA auf
und stellen dem präsynaptischen Neuron Glutamin für die
Transmittersynthese zur Verfügung. Auch freigesetztes Glutamat wird in
Gliazellen aufgenommen, zu Glutamin verwandelt und von der Nervenzelle wieder aufgenommen (Glutaminzyklus).
Die Umwandlung Glutamat → Glutamin erfolgt durch die Glutaminsynthetase (hauptsächlich in der Gliazelle); die Umwandlung Glutamin → Glutamat durch die Glutaminase (hauptsächlich in der Nervenzelle)
Wie auch andere Transmitter, wird GABA nach seiner Freisetzung wieder in die präsynaptischen Zellen aufgenommen (reuptake) und z.T. abgebaut, z.T. wiederverwendet ("GABA-shunt", <Abbildung).
GABA (γ-Aminobuttersäure)
wird durch Glutamat-Dekarboxylase aus Glutamat gebildet (<Abbildung).
GABA ist der führende inhibitorische Transmitter
im Zentralnervensystem (Blockade der GABA-Synthese bewirkt
Krampfanfälle), vor allem an Interneuronen. Etwa 30% aller zerebralen
Synapsen arbeiten GABAerg; viele davon haben Peptid-Kotransmitter.
Über GABA-Rezeptoren wirken auch Tranquilizer, Anästhetika, Barbiturate (Barbiturate regen sowohl inhibitorische GABAA-Rezeptoren als auch exzitatorische Kainatrezeptoren an, daher ihr allgemein suppressiver Effekt auf das Gehirn) sowie Alkohol.
>Abbildung: GABAA-Rezeptor (schematisch)
Nach einer Vorlage bei Jerrold S. Meyer / Linda F.
Quenzer, Psychopharmacology: Drugs, the Brain, and Behavior, 2nd Ed,
Sinauer Associates 2013
Der
Rezeptor verfügt über Bindungsstellen für den Transmitter
(Gamma-Aminobuttersäure) sowie Pharmaka wie Barbiturate, Benzodiazepine
oder neuroaktive Steroide (Geschlechtshormone)
GABA
wirkt über drei Rezeptor-Haupttypen:
Ionotrope Rezeptoren (GABAA - an die z.B. Barbiturate binden, >Abbildung), diese öffnen Chloridkanäle
(IPSP). Es sind 19 Untereinheiten bekannt, die in die Familien α, β, γ,
δ, ε, θ, π und ρ eingeteilt werden und von denen je 5 einen GABAA-Rezeptor
bilden (enorm viele Kombinationsmöglichkeiten). Präsynaptisch wirken
sie als Autorezeptoren und hemmen die Transmitterfreisetzung. GABAA sind die am häufigsten vorkommenden GABA-Rezeptoren
GABAA-Rezeptoren öffnen Chloridkanäle und reduzieren die postsynaptische Erregbarkeit.
|
Metabotrope Rezeptoren (GABAB) - diese hemmen die Adenylatzyklase und steigern cAMP. Sie öffnen K+- und schließen Ca++-Kanäle, beides stabilisiert das Membranpotential
Transmittergesteuerte Chloridkanäle (GABAC-Rezeptoren), die zwar weniger häufig vorkommen (Retina, Rückenmark, colliculi superiores, Hypophyse), aber intensiv auf GABA reagieren.
<Abbildung: Glyzinrezeptor
Nach einer Vorlage bei biochem.uni-erlangen.de
Das an inhibitorischen Synapsen essentielle Protein Gephyrin
vermittelt Clustering, Stabilisierung (für Interaktion mit dem
Zytoskelett) und Verfügbarkeit (Plastizität) von Glyzin- und GABA-
Rezeptoren an der postsynaptischen Membran
Glyzin
wirkt über Glyzinrezeptoren - z.B. an motorischen Vorderhornzellen
(Renshaw-Selbsthemmung), aber auch im Hirnstamm - meist inhibitorisch, indem es (wie GABAA-Rezeptoren) Chloridkanäle öffnet (<Abbildung).
Glyzin-Rezeptoren öffnen Chloridkanäle und reduzieren die postsynaptische Erregbarkeit.
|
Der Effekt ist abhängig vom Ausgangswert des Membranpotentials: das Gleichgewichtspotential der Chloridkanäle liegt bei ≈-70 mV, d.h. ihre Öffnung führt bei Membranpotentialen unter diesem Wert zu Hyperpolarisation (IPSP's, inhibitorische postsynaptische Potentiale), bei Werten darüber hingegen zu Depolarisation.
Glyzin bindet als Ko-Agonist des Glutamats auch an eine spezielle Sequenz des NMDA-Rezeptors und verstärkt so die exzitatorische Neurotransmission.
Die Freisetzung von Glyzin (wie auch von GABA) wird durch Tetanustoxin gehemmt. Das Krampfgift Strychnin hemmt selektiv den Glyzinrezeptor. Glyzin wird nach seiner Freisetzung wieder in umgebende Zellen aufgenommen.
Chloridabhängigkeit der Synapsenwirkung:
Der hyperpolarisierende (inhibitorische) Effekt der GABA- und
Glyzin-Rezeptoren hängt vor allem von der Öffnung von Chloridkanälen
ab. Die intrazelluläre Chloridkonzentration ist allerdings ziemlich
variabel; steigt sie in der Nervenzelle an, kann sich der Chloridstrom
durch die Cl--Kanäle umkehren (Ausstrom statt Einstrom), und
die Aktivierung des Chloridkanals depolarisiert die Zelle statt sie zu
hyperpolarisieren. Deshalb ist die Aktivität von K+/Cl--Kotransportern (KCC) wichtig: Sie nutzen den Kaliumgradienten für die Entfernung von Chloridionen aus den Neuriten.
Die Öffnung von Ionenkanälen (wie GABA- oder Glyzin-betriebenen Chloridkanälen) senkt auch den Membranwiderstand und damit die Längskonstante der Membran. Das verringert die Reichweite der elektrotonischen Übertragung örtlicher Depolarisationen (EPSPs)
und damit deren Effektivität für die Bildung von Aktionspotentialen.
Mit anderen Worten, offenstehende Ionenkanäle verringern die
Erregbarkeit der betreffenden Membranstelle; die Öffnung von Glyzin-
oder GABA-Kanälen wirkt auch auf diese Weise erregungsdämpfend (shunting inhibition).
Weitere inhibitorische Neurotransmitter sind ß-Alanin und Taurin.
Präsynaptische Hemmung
>Abbildung: Präsynaptische Hemmung
Nach einer Vorlage bei Pearson Education 2004
Aktivität des Neurons
A (einem Interneuron) verringert die Größe des synaptischen Effekts von B auf C: In diesem
Beispiel durch Inaktivierung von Kalziumkanälen, was den Effekt eines
Aktionspotentials (an B) auf die postsynaptische Zelle (C) reduziert
Die Größe eines synaptischen Effekts kann dadurch reduziert werden, dass die
Freisetzung von Transmitter an der präsynaptischen Zelle verringert wird. Das erfolgt durch "Vorbeeinflussung" des präsynaptischen Axons durch ein diesem aufgeschaltetes weiteres Axon (
axono-axonale Synapse) eines Interneurons ("A"). Verschiedene Mechanismen kommen in Frage:
So
kann dieses Interneuron einen Transmitter freisetzen, der das
Membranpotential der axonalen Endigung von "B" senkt. Trifft auf "B"
ein Aktionspotential ein, ist es durch die Vordepolarisierung
verkleinert, die Transmitterfreisetzung und damit der synaptische
Effekt auf "C" herabsetzt. In diesem Fall wird die Inhibition durch das
Zusammenwirken exzitatorischer Mechanismen aufgebaut.
Oder der vom Interneuron "A" sezernierte Transmitter inaktiviert auf
"B" Kalziumkanäle und sorgt auf diesem Wege für geringere
Transmitterfreisetzung an der zu beeinflussenden Synapse zwischen "B"
und "C" (>Abbildung).
Das Verschaltungsprinzip der präsynaptischen Inhibition findet sich insbesondere im Rückenmark.
...und noch einige Grundlagen
Neuromodulation
ist die prä- oder postsynaptische, "indirekte" Beeinflussung der
Freisetzung oder Wirkung von Transmittern (die im Millisekundenbereich
wirken). Der Mechanismus läuft meist über veränderte Permeabilität von
Kalium- oder Kalziumkanälen über Beeinflussung von
second-messenger-Mechanismen. Neuromodulation wirkt längerfristig
(Sekunden bis Tage) und ist auch bei Gedächtnisprozessen involviert.
Neuromodulatoren werden gemeinsam mit "klassischen" Transmittern freigesetzt (Kotransmission).
Bei einer synaptischen Bahnung
nimmt der postsynaptische Effekt bei wiederholter Reizung (z.B. bei
einer Frequenz von 20/s) zu (Anwachsen des postsynaptischen
Potentials). Dem Effekt liegt eine Steigerung des Ca++-Einstroms in die präsynaptischen Endigungen - durch spannungs- oder ligandengesteuerte Kalziumkanäle oder aus dem endoplasmatischen Retikulum - zu Grunde. Erhöhtes [Ca++] vermehrt die Freisetzung von Transmitter aus Vesikeln. Hört die Reizung auf, wird Ca++ innerhalb von Sekunden wieder aus dem Zytosol entfernt (mittels Ca++-ATPase in das Retikulum, mittels Na+/Ca++-Austauscher in den Extrazellulärraum).
Im Gegensatz dazu können postsynaptische Potenzierungen über längere Zeit anhalten (vgl. dort).
Viele Kotransmitter
wirken als Neuromodulatoren und sind meist Neuropeptide (Somatostatin,
Substanz P, Angiotensin II, Enkephaline..), aber auch ATP, NO u.a. - s.
oben. Ihre Aufgabe ist die Veränderung der
Intensität und Dauer des postsynaptischen Effekts des "klassischen"
Transmitterstoffs. Für ihre (Ca++-getriggerte)
Freisetzung aus Speichervesikeln braucht es eine intensivere
Depolarisierung der (präsynaptischen) Nervenzelle als für die
Freisetzung des "primären" (niedermolekularen) Transmitters alleine.
Die Aktivierung von Rezeptormolekülen löst komplexe Reaktionen an der Zellmembran aus:
Ionotrope
Rezeptoren: Direkte Veränderung der Durchlässigkeit von Permeasen, von
Ionenströmen und des Membranpotentials. So funktionieren z.B. die
meisten Glutamat-Rezeptoren (NMDA, AMPA) im Gehirn.
Metabotrope
Rezeptoren: Aktivierung von G-Proteinen und Auslösung von Folgereaktionen
(Effektormechanismen), z.B. ein veränderter Zustand von Permeasen. Das
am Rezeptor “empfangene” Signal wird dabei verstärkt. Viele Transmitter
im Gehirn benutzen diesen Mechanismus, der auch von zahlreichen
Medikamenten beeinflussbar ist.
<Abbildung: Struktur und Funktion einer Nervenzelle
Konvergenz: Zu einer Zelle läuft Information von mehreren anderen Zellen zusammen
Divergenz: Eine Zelle
sendet Information an mehrere andere Zellen
Auf eine
Nervenzelle können bis zu mehrere Tausend synaptische Endigungen
zusammenwirken (konvergieren), die von verschiedenen anderen Neuronen stammen. Andererseits divergieren
synaptische Einflüsse einer gebenenen Nervenzelle auf mehrere andere.
Die logischen Verschaltungen zwischen den Zellen erfolgen über
Synapsen. Nervenzellen funktionieren wie
Rechenmaschinen, die nach der Logik der Summation (räumlich und zeitlich) synaptischer Einflüsse
funktionieren.
Konvergenz und Divergenz
sind Verschaltungsprinzipien, welche Grundlage komplexer
Funktionsmuster sind. Man findet sie auf unterschiedlichen Ebenen (Abbildungen). So
können Neurotransmitter einerseits auf verschiedene Rezeptoren (und deren Folgemechanismen) zugreifen (Divergenz),
andererseits können unterschiedliche Transmitter über ihre jeweiligen
Rezeptoren denselben Mechanismus (G-Protein, second messender,
zellulären Effekt) anregen (Konvergenz).
Beispiele:
Divergenz: Noradrenalin wirkt auf α
1-Rezeptoren (über
G-Protein, PLC, PKC), α
2-Rezeptoren
(über G-Proteine und z.T. PLC, PKC), und ß-Rezeptoren (über G-Protein,
Adenylatzyklase, cAMP) ganz unterschiedlich auf diverse Ionenkanäle und
damit auf das Membranpotential
Konvergenz: Kaliumkanäle werden über Gα-Protein
von Rezeptoren für Adenosin, Azetylcholin, Dopamin, Enkephalin, GABA,
Noradrenalin, Serotonin und Somatostatin beeinflusst
Konvergenz und Divergenz spielen weiters für die sinnesphysiologische Analyse
von Umweltreizen eine wichtige Rolle. So werden über afferente Bahnen
heranströmende Sinnesmeldungen im ZNS abstrahiert, Kontraste
verstärkt, Muster erkannt und Merkmale zugeordnet.
Aktionspotentiale von mehreren Rezeptorzellen in einem Sinnesorgan
konvergieren auf einzelne nachgeschaltete Nervenzellen, gleichzeitig
divergiert Information von einer Rezeptorzelle auf mehrere Neuronen.
Diese Verschaltungen unterliegen modifizierenden Einflüssen durch
Interneurone und deszendierende Impulse. Auf diese Weise können aus der
anflutenden sensorischen Information Gestalten herausgearbeitet werden,
die in der jeweiligen Situation besonders bedeutsam sind.
>Abbildung: Konvergenz- und Divergenzprinzip neuronaler Verschaltung
Nach: Silverthorn, Human Physiology, an integrated approach, 4th Int'l ed. 2007, Pearson / Benjamin Cummings
Konvergenz: Nervenzellen
empfangen Impulse von mehreren anderen Neuronen. Dadurch können z.B.
schwache Impulse summiert und überschwellig, oder Assoziationen
verfestigt werden (Koinzidenz).
Divergenz:
Nervenzellen
senden über ihre Kollateralen Impulse an mehrere andere. Dies
ermöglicht breite Streuung neuronaler Information und z.B.
Bahnungseffekte in Nachbarneuronen
Das Gebiet, das jeweils zu
einer zentralen Nervenzelle konvergiert, heißt rezeptives Feld.
Rezeptive Felder überschneiden sich, weil Rezeptorzellen mehreren
rezeptiven Feldern zugeordnet sind (Divergenz).
Chemische Synapsen haben “Einbahnwirkung” (Ausnahme gap junctions), sofern sie
nur Einfluss in eine Richtung - prä- auf subsynaptisch - zulassen. Sie
haben Bahnungs- oder Hemmfunktion durch Herabsetzung oder Steigerung
des subsynaptischen Membranpotentials.
Gedächtnisfunktion entsteht, wenn wiederholte Aktivierung von Synapsen ihre Wirkung abschwächt
(Gewöhnung, Habituation) oder verstärkt (synaptische Potenzierung). Dies ist bei GABAergen Synapsen der Fall.
Nervenzellen
wirken zusammen (Kooperation, Assoziation; "Langzeitpotenzierung” über viele Stunden).
Die Tatsache, dass sich die Stärke von Synapsenwirkungen
funktionsabhängig ändert, nennt man synaptische Plastizität; sie ist
eine Grundlage für Lernprozesse.
Zur Physiologie der Glia s. dort
SNARE-Proteine
(s. oben)
können durch Proteasen beschädigt werden, die von pathogenen
Bakterien (Clostridium tetani → Tetanospasmin, Wundstarrkrampf; Clostridium botulinum →
Botulinumtoxin, Lebensmittelvergiftung - lat. botulus = Wurst) erzeugt werden. Dadurch wird der Mechanismus der
Transmitterfreisetzung gestört und es treten
Wundstarrkrampf (Tetanus
im pathologischen Sinn: Hemmung inhibierender Synapsen - GABA, Glyzin - an Renshaw-Zellen) oder
Lähmungen (Azetylcholin an exzitatorischen Synapsen bzw. der motorischen Endplatte
wird nicht freigesetzt) auf (Botulismus).
Schutz bietet eine Impfung gegen
Wundstarrkrampf (evt. simultan: Aktiv und passiv gleichzeitig).
Personen, welche die Kontrolle über ihre Atemmuskeln verlieren, müssen künstlich beatmet werden.
Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen:
Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie
sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und
Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.
SNARE-Proteine 
