5) Synapsen

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1 Funktion der Synapsen

Synapsen dienen der Informationsüberleitung von Zelle zu Zelle und zwar chemisch oder elektrisch. Weiters bieten sich Synapsen als Ort möglicher Informationsmodulation an und sie bewirken außerdem, dass sich AP nur in eine Richtung ausbreiten können. Schematisch läuft die chemische synaptische Übertragung ungefähr so ab:
Ein AP bewirkt an der präsynaptischen Membran über einen Ca++-Einstrom die quantenweise Freisetzung eines Transmitters aus den Vesikeln in den synaptischen Spalt; diese Überträgersubsanzen binden an einen Membranreceptor der postsynaptischen Membran, der nun die Membrankanäle beeinflußt; es kommt zu einer Änderung von g Ion (Na+, Ca++, K+) und es folgt eine De- oder Hyperpolarisation an der postsynaptischen Membran. Es entsteht also ein IPSP (inhibiting postsynaptic potential) oder ein EPSP (erregendes postsynaptisches Potential) oder aber auch ein Endplattenpotential (überschwelliges EPSP) an der motorischen Endplatte.

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2 Ausbreitung eines EPSP bzw. eines IPSP

Ein EPSP (auch für IPSPs gültig) breitet sich nur elektrotonisch – eine andere Möglichkeit gibt es unterhalb des „firing levels“ nicht – aus. Auch eine lokale Antwort (keine Fortleitung) breitet sich elektrotonisch, mit t (5 bis50 ms) und l (0,1 bis 5 mm) aus. Wobei es zu einer Entladung des Membrankondensators kommt; (exponentieller Potentialverlauf mit dem Exponenten -t / t). Für den Abstand vom Reizort gilt die exponentiellen Verkleinerung der Amplitude mit dem Exponenten -t /l. D.h. in einer Entfernung von einem l ist das EPSP bzw. das IPSP auf 37% der ursprünglichen Amplitude abgefallen. Ein EPSP kann daher höchstens bis „cm“ vom Ursprung entfernt meßbar sein; ein passives Verhalten der Membran ist vorausgesetzt. Die NaK-Pumpe wirkt gegen EPSP und IPSP; sie versucht ja über die Transportrate das EM konstant zu halten. Das EPSP (IPSP) breitet sich also elektrotonisch von der depolarisierten Stelle an der postsynaptischen Membran eines Dendriten oder Nervenzellkörpers zum Axonhügel hin aus.
Dort kann durch räumliche und zeitliche Summation wiederum ein AP generiert werden. Auch das Receptorpotential (Generatorpotential breitet sich elektrotonisch vom Receptor zum 1. Schnürring eines Axons aus und kann dort wiederum für die Generierung eines AP verantwortlich sein.
Bei sekundären Receptoren (Sensoren) liegt eine Synapse dazwischen (siehe Receptorphysiologie).
An der motorischen Endplatte wird im Unterschied zu anderen Synapsen immer ein AP ausgelöst; man kann in diesem Fall von Erregungsübertragung sprechen (Alles-oder-Nichts-Gesetz). An der postsynaptischen Membran entsteht hier also kein EPSP wie an anderen Synapsen, sondern immer ein überschwelliges Endplattenpotential
Im Zusammenhang mit der elektrotonischen Ausbreitung wird auch der Begriff current-sink gebraucht. Dazu ist zu sagen, dass current-sink definiert ist als:
Abzug positiver Ladungen (Strom-Senke).
Leider gibt es bezüglich der Verbindung EPSP – AP mittels elektronischer Ausbreitung und dem Begriff current-sink recht irreführende Darstellungen.
Ich habe daher ein anderes Schema gewählt, welches die Verhältnisse verdeutlichen soll:
Die kleinen, roten Pfeile symbolisieren die elektrotonische Ausbreitung mit Verlust und Verzögerung, bestimmt durch t und l. Die Dichte der Ladungen sollen die Potentialveränderungen symbolisieren. An der Stelle t kann durch räumliche und zeitliche Summation ein AP generiert werden. Das einzelne EPSP ist am Axonhgel, wenn es z.B. 0,1 mm von der Synapse entfernt ist, etwas kleiner als am Ursprungsort.

Abbildung 1 Bez. Skizze 14 Elektrotonus

Es nimmt durch den Ausstrom von K+-Ladungen (erhöhte g K+ wegen positiverem EM nach dem geringen Na+-Einstrom) entlang der Membran ab (Verlust der elektrotonischen Ausbreitung).
Die NaK-Pumpe vermag, wie gesagt, das EPSP ebenfalls zu verkleinern.
Synaptische Ionenkanäle können über erregend wirkende Transmitter depolarisierend auf die postsynaptische Membran wirken (Erhöhung von g Na+), oder sie bewirken eine Hemmung (Erhöhung von g K+ und g Cl- – abhängig von Transmitter- und Receptorart). Die Ionenleitfähigkeit an der postsynaptischen Membran wird also geändert, weil sich Überträgerstoffe oder Agonisten an ein Receptormolekül anlagern und diese dann kurze Einzelöffnungen der Kanäle bewirken. Die Einzelströme (bursts) summieren sich zu einem EPSC, welcher das EPSP bedingt.
Das EPSP ist abhängig von der Anzahl der Agonistenmoleküle, die an den Membranreceptor binden. Außerdem natürlich auch von [Ion]a bzw. i, da eine Änderung der Leitfähigkeit wenig nützt, wenn nichts da ist, was geleitet werden könnte.
Die Größenordnung von EPSP liegt zwischen 1 mV und 30 mV; die Dauer zwischen 1 ms und 25 ms, aber s- (slow) EPSP oder ss-EPSP können bis zu Stunden andauern.

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3 Transmitter

Eine ganze Reihe verschiedener Stoffe können als synaptische Überträgerstoffe dienen:
Das Ach wirkt einmal an der motorischen Endplatte erregend, indem es die g Na+ erhöht. An der Skelettmuskulatur (mot. Endplatte) wirkt es in mittleren Konzentrationen wegen der nikotinempfindlichen Receptoren erregend und erst in hohen Konzentrationen hemmend (nikotinempfindliche Rec., nikotinische Rec. des veg. Systems).
Teilweise wirkt Ach an glatten Muskeln durch Erhöhung von g Ca++ ebenfalls erregend.
Als Transmitter des Parasympathicus kann es sowohl erregend als auch hemmend wirken – entscheidend sind die Receptorarten der Zielorgane; siehe nikotinische und muskarinische Receptoren unter „Receptorenwirkung – Receptorenkonzept“.
GABA (g-butric-acid) wirkt z.B. im ZNS und Glycin h.s. an den Motoneuronen hemmend, und zwar durch Erhöhung der g Cl und g K+.
Noradrenalin (NA) und Serotonin können sowohl erregend als auch hemmend wirken, je nach Receptor an der postsynaptischen Membran und je nach Konzentration.
An der glatten Muskulatur der Gefäße sind z.B. a-Receptoren für die Vasconstriction und b-Receptoren für die Vasodilatation verantwortlich.
Weiters wirken die Cotransmitter Met-Enkephalin (Schmerz), Angiotensin II (Gefäße), Somatostatin, VIP (vasoaktives intestinales Peptid) modulierend, oder RH z.B. bewirkt in präganglionären vegetativen Synapsen die langandauernden Depolarisationen, welche den Effekt der „schnellen Synapsen“ erhöhen.

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4 Einfluss auf die Wirkungsdauer der Überträgerstoffe

Ein EPSP dauert durchschnittlich ca. 15 bis 20 ms (modulierte auch wesentlich länger); der Transmitter wirkt z.B. an der motorischen Endplatte ca. 1 ms lang; die Cholinesterase spaltet Ach in Acetyl + Cholin;
Cholinesterasehemmer vergrößern daher das EPSP.
Reversibel wirken dabei tertiäre oder quartäre N-Verbindungen wie Eserin (Prostigmin…).
Irreversibel wirken Alkylphosphate wie z.B. das Insecticid E 605 (Nervengase). Der Esterasehemmer E 605 führt auch an glatten Muskeln z.B. in den Bronchien zu Dauerkontraktionen.
Die reversiblen competitiven Esterasehemmer werden u.a. bei Myasthenia gravis oder zur Aufhebung von Anaesthetica eingesetzt.
Ein competitiver Antagonist (Stabilistationsblocker) zu Ach ist z.B. Curare (Pfeilgift), es senkt bzw. stabilisiert das Endplattenpotential und führt über nikotinempfindliche Receptoren zur Lähmung.
Depolarisationsblocker wie Succinylbischolin verhindern durch Depolarisation eine Erregung der Muskelfaser.
Beide werden zu Muskelrelaxierung (Narkose) eingesetzt.
(An muskarinischen Receptoren wirkt hingegen Atropin (Tollkirschengift) blockierend und somit hemmend am Herzen und teilw. an der glatten Muskulatur.)
Weiters ist für die Wirkungsdauer der Abtransport der Überträgerstoffe wesentlich, bes. bei NA, A, GABA und Glutamat.
NA und A werden auch durch MAO (mono-amino-oxydase) neuronal, und durch COMT (Catechol-O-methyltransferase) in anderen Zellen abgebaut.
Durch kooperative Bindung der Überträgerstoffe an den Receptoren kommt es zu einer steilen Abhängigkeit der EPSC von den an den Receptor bindenden Agonisten, wodurch geringe Störpegel (z.B. Stoffwechselprodukte) unwirksam werden.
Nach Denervation kommt es zu einer Hypersensitivität gegenüber Transmitter. Dieses Phänomen tritt auch bei der glatten Muskulatur auf, welche nach Denervation im Gegensatz zur Skelettmuskulatur nicht atrophiert; ebenso ist es bei Drüsen (außer Schweißdrüsen) zu bemerken.

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5 Synaptische Hemmung

An vielen Synapsen entstehen postsynaptisch nur kleine EPSP, oft nur etwa 1 mV groß und ebenso häufig kommt es zu IPSP durch K+-Ausstrom (bzw. Erhöhung der g K+), also einem IPSC. Die Resultierende bei einer Summation ist kleiner, als die arithmetische Summe der IPSP und EPSP. Trifft ein IPSP (g K+ und g Cl ist erhöht) mit einem positiven elektrotonischen Potential zusammen, so kommt es zu einer Verkleinerung des elektrotonischen Potentials, da der Membranwiderstand abnimmt (wegen g erhöht) und daher depolarisierende Ströme kurzgeschlossen werden. Z.B. wird durch den N. vagus am Herz (Sinusknoten, AV-Knoten, Vorhofmyokard) eine Hemmung bewirkt welche ber eine Erhöhung der g K+ erreicht wird, wodurch eine erregende Depolarisation vermindert wird und wodurch das Ruhepotential – soweit eines vorhanden ist – stabilisiert, wenn dieses in der Nähe des EK liegt.
Zur postsynaptischen Hemmung (direkte Hemmung) kommt es durch IPSP.
Als indirekte Hemmung bezeichnet man, wenn die postsynaptische Zelle refraktär gegen Erregung ist. Die postsynaptische Hemmung ist z.B. verwirklicht bei den inhibitierenden Interneuronen der Antagonistenhemmung (siehe „Reflexe“).
Die präsynaptische Hemmung hingegen geschieht über axo-axonale Synapsen, z.B. von zentral über ein inhibitorisches, GABAerges Interneuron an Ia-Fasern, vor der Synapse am Motoneuron. Es handelt sich in diesem Fall um einen Kontrollmechanismus für die Motorik des Rückenmarks. Es können so gezielte Eingänge gehemmt werden, ohne dass dabei die Gesamterregbarkeit des Motoneurons beeinflußt wird.
Zur Bedeutung hemmender Synapsen ist anzuführen, dass z.B. glycinerge Synapsen eine ungehemmte Erregungsausbreitung verhindern;
die g K+ und g Cl- wird dabei erhöht. Wichtig sind auch die Rückkopplungshemmungen zur Einstellung der Verstärkung sensorischer Bahnen. Descendierende Hemmung ist weiters wesentlich zur Fokussierung der Aufmerksamkeit; laterale Hemmung zur Kontrastverschärfung, z.B. im visuellen System oder bei der Mechanoreception der Haut seien noch erwähnt.

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6 Synaptische Summation; Bahnung:

Von räumlicher Summation spricht man, wenn sich von verschiedenen Synapsen ausgehend, EPSP zum Axonhügel hin ausbreiten und sich dort summieren. Zeitliche Summation: Da sich der Membrankondensator mit der Zeitkonstante t entlädt, dauert das EPSP (z.B. 5 ms) länger als der EPSC (z.B. 2 ms); beginnt nun vor völligem Abfall des EPSP ein neuerlicher Strom, so kommt es zu einer zeitlichen Summation. Die räumliche und zeitliche Bahnung, ein synaptischer Eingang (gleichartige Synapsen) ermöglicht einen anderen Eingang die AP-Auslösung ist ein Spezialfall der Summation.
Die komplexe Summe der IPSP und EPSP bestimmt die Frequenz der AP.
Die echte Bahnung ist aber ein präsynaptischer Prozess
Präsynaptische Bahnung kommt auch als Mechanismus für kurzzeitige Lernprozesse in Frage. Mittelfristiges Lernen ist möglich durch Coaktivierung zweier synaptischen Eingänge, wobei einer den anderen bahnt bzw. moduliert. So eine heterosynaptische Bahnung kommt typischerweise in sympathischen Ganglien vor; es gibt dort s-EPSP ( Ach vermittelt) weiters ss-EPSP (mehrere Minuten) ber peptiderge Synapsen, sowie Synapsen von dopaminergen Neuronen, die zwar g Ion nicht verändern, aber über Stunden hinweg die Amplitude der s-EPSP verändern können. Eine weitere Bahnung, die „synaptische Bahnung“ entsteht durch erhöhte Frequenz. Zusätzlich zur Summation werden EPSP immer größer durch einen präsynaptischen Prozess der durch Restcalcium bewirkt wird und die [Ca++]i erhöht. Die synaptische Bahnung ist wahrscheinlich die erste Stufe des Kurzzeitgedächtnisses. Eine Bahnung durch längere AP-Serien wird auch Potenzierung genannt. Das Anwachsen des EPSP wird als tetanische Potenzierung bezeichnet. Längere Serien können aber durch Erschöpfung der Vesikel auch Depressionen auslösen. Auch dieDepression kann als Habituation Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse sein. Das Langzeitgedächtnis beruht eher auf Konsolidierung der Engramme (Gedächtnisspuren), wobei eine Proteinsynthese dazu erforderlich ist. (Unterscheide: genetisches, immunologisches, neuronales Gedächtnis).

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7 Elektrisch-synaptische Übertragung

Elektrische Synapsen sind vielleicht ebenso häufig wie chemische Synapsen, doch bieten sie keine guten pharmakologischen Eingriffsmöglichkeiten. Strom z.B. Na+ fließt in eine Zelle und anschließend über eine noch unerregte Zelle wieder heraus. Dabei kann in der zweiten Zelle ein AP ausgelöst werden. Bei den chemischen Synapsen wird der Strom durch den Membrankanal von den Ionengradienten an der postsynaptischen Membran selbst angetrieben.
Bei der elektrischen Übertragung hingegen liegt die Stromquelle in der präsynaptischen Zelle; ein Überträgerstoff fehlt. Der Strom fließt dabei über gap junctions, die aus Connexonen gebildet sind. Außerhalb des Nervensystems kommen solche Nexus beim Herzen und bei der glatten Muskulatur vor. Die Nexus schließen, wenn der PH-Wert abfällt, oder die [Ca++] ansteigt; z.B. bei verletzten Zellen oder durch Stoffwechselstörungen kann es zur Demarkierung kommen.

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8 Synapsen en passage, Synapsen par distance

Als Synapsen en passage bezeichnet man Parallelkontakte zwischen parallel verlaufenden Axonen und Dendriten. Oft findet man an Dendriten kleine Vorsprnge, denen dann ein terminales Bouton aufsitzt, man spricht in diesem Fall von Dornensysnapsen. Nach Gray findet man eine weitere Unterscheidungsmöglichkeit: Synapsen Typ 1 – breiterer synaptischer Spalt und eine postsynaptische Membran, welche sich im Gegensatz zum Typ 2 über die ganze Kontaktfläche ausdehnt.
Synapsen par distance – als solch werden die perlschnurarig angeordneten Varikositäten an terminalen, vegetativen, efferenten, postganglionären Axonendigungen bezeichnet, obwohl es sich hier um keine echten Synapsen handelt. Eine echte Synapse ist durch genau eine prä- und eine postsynaptische Membran und den synaptischen Spalt sowie durch den Transmitter gekennzeichnet.
In der Adventitia eines Gefäßes hingegen wird z.B. NA aus einer Vielzahl von Varikositäten gleichzeitig freigesetzt, und wirkt dabei weniger auf einzelne glatte Muskelzellen, sondern vielmehr auf den glatten Muskelzellenverband. Einzelne Zellen sind durch Nexus verbunden. Einige wenige Zellen werden direkt innerviert (echte Synapsen) und deren Erregung genügt um über die gap junctions zu einer einheitlichen Kontraktion zu führen.
Es ist noch anzumerken, dass es auch eine ephaptische Übertragung gibt. Dabei sind aber keine Synapsen beteiligt, sondern es handelt sich um ein Übersprechen in parallelen Fasern, deren Myelinscheide beschädigt oder degeneriert ist. Es kann dabei zu anormalen Empfindungen, Neuralgien, Kausalgien usw. kommen.
Einige weitere Begriffe, die sich durch verschiedene Klassifikationskriterien ergeben: elektrisch-chemisch gemischte Synapsen, reziproke Verbindungen, synaptische Nester, axo-axonale Synapsen, axosomatische Synapsen, axodendritische Synapsen; cholinerge, glycinerge, hemmende oder erregende Synapsen…
Abgesehen von der peripher möglichen Wiederinnervation von Muskeln weisen auch zentrale Axone nach Durchtrennung die Fähigkeit auf, neu auszusprossen. Daraufhin kommt es zu einer Neubildung von Synapsen.
Nicht nur Lernprozesse und Gedächtnisleistungen sind an die Existenz und Funktion von Synapsen gebunden, sondern alle Leistungen des NS sind im hohen Ausmaß durch die Synapsentätigkeit bestimmt.

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9 Zwischenfragen

  • Wie funktioniert die AP-Weiterleitung?
  • Wie kommt es zu einer Informationsberleitung?
  • Was ist ausschlaggebend für die Amplitude eines AP und für die AP-Frequenz?
  • Was versteht man unter präsynaptischer Hemmung?
  • Wovon ist die Größe eines EPSP abhängig?
  • Was verbindet EPSPs und APs?
  • Wie erfolgt die Codierung der Information?
  • Wodurch wird die Zündschwelle erreicht?
  • Was versteht man unter current sink?
  • Was bedeutet Summation?
  • Welche Synapsenverschaltung ist Voraussetzung für dieräumliche Summation?
  • Was vermag ein EPSP zu verringern?

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Weiterführende Links:
Synapsen
Synapse
Grundlagen zum Angriffspunkt der Psychopharmaka
Nervenzelle Wikipedia
Synapse Wikipedia
Schlüssel zum Denken

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