Synapse – hemmende und erregende Synapsen

Erregende und hemmende Synapsen Biologie – Grundlagen

In diesem Text erklären wir dir den Unterschied zwischen einer hemmenden und einer erregenden Synapse und wie die Verrechnung von Signalen hemmender und erregender Synapsen an der darauffolgenden Nervenzelle funktioniert.

In diesem Video (Synapse – Aufbau und Funktion) hast du bereits gelernt, wie Synapsen aufgebaut sind und wie sie funktionieren. Im folgenden Abschnitt wiederholen wir den Ablauf der Erregungsübertragung an der Synapse noch einmal kurz.

Aufbau und Funktion einer Synapse – Wiederholung

Ein Aktionspotenzial ist ein schneller, durch Ionenflüsse verursachter Anstieg des negativen Ruhepotenzials einer Zelle zu einem positiven Membranpotenzial. Es wird über die langen Fortsätze der Nervenzelle, die Axone, auf Folgezellen übertragen.

Kommt ein Aktionspotenzial am Axonendknöpfchen an, das auch als Präsynapse bezeichnet wird, öffnen sich Calciumkanäle, sodass positiv geladene Calciumionen in das Innere der Präsynapse einströmen.
Dadurch wandern synaptische Bläschen, sogenannte Vesikel, zur präsynaptischen Membran. Die Vesikel sind gefüllt mit Botenstoffen, den Neurotransmittern, die aus den Vesikeln in den synaptischen Spalt freigesetzt werden.
Dort können die Transmitter an Rezeptoren der postsynaptischen Membran andocken. Diese Rezeptoren sind mit Ionenkanälen verbunden, durch deren Öffnung Natriumionen in das Innere der Postsynapse strömen und dort zu einer Änderung des Membranpotenzials führen. Da diese Potenzialänderungen durch die Bindung der Neurotransmitter an Rezeptoren entstehen, nennt man sie Rezeptorpotenziale.

Rezeptorpotenzial – Definition

Wie bereits beschrieben ist ein Rezeptorpotenzial eine Änderung des Membranpotenzials. Ein Rezeptorpotenzial funktioniert aber nicht wie ein Aktionspotenzial nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip, sondern es kann sowohl in seiner Stärke als auch in seiner Ausrichtung, die sowohl positiv als auch negativ sein kann, variieren.
Man unterscheidet daher zwischen erregenden Rezeptorpotenzialen an der Postsynapse, den erregenden postsynaptischen Potenzialen (EPSP), und hemmenden bzw. inhibitorischen postsynaptischen Potenzialen (IPSP). Sie entstehen durch hemmende oder erregende Synapsen. Was eine erregende oder hemmende Synapse ist und wie genau sie funktionieren, das erklären wir dir in den nächsten Abschnitten.

Erregende Synapse – Definition und Funktion

Erregende Synapsen haben immer die Funktion, eine Depolarisation weiterzuleiten. Das heißt, dass ihre erregenden Signale in einer Nervenzelle zur Auslösung eines Aktionspotenzials am Axonhügel oder in einer Zielzelle zu einer Reaktion auf die Erregung führen können. Transmitter von erregenden Synapsen sind stets Stoffe, die an der postsynaptischen Membran zu einem Einstrom von positiv geladenen Natriumionen, also einer Depolarisation und damit einem EPSP führen.
Je mehr Aktionspotenziale dabei durch die erregende Synapse geleitet werden, umso mehr Neurotransmitter schüttet sie aus und umso stärker ist das EPSP an der Postsynapse.

Ein Beispiel für eine erregende Synapse ist die acetylcholinerge Synapse, die als Antwort auf eine Erregung den Neurotransmitter Acetylcholin in den synaptischen Spalt ausschüttet. Eine Zielzelle für Acetylcholin kann beispielsweise eine Muskelfaser sein, die durch das sich ausbreitende EPSP kontrahiert.

Hemmende Synapse – Definition und Funktion

Die grundlegenden Prinzipien einer hemmenden Synapse sind beinahe identisch zu denen einer erregenden Synapse. Ein Aktionspotenzial führt über einen Calciumioneneinstrom an der Präsynapse zur Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt. Der Unterschied liegt lediglich darin, dass hemmende Synapsen die Stärke der Depolarisation vermindern und dadurch der Weiterleitung einer Depolarisation entgegenwirken.

Transmitter von hemmenden Synapsen sind Stoffe, die an der postsynaptischen Membran zu einem Einstrom von negativ geladenen Chloridionen und/oder dem Ausstrom von positiv geladenen Kaliumionen führen. Beides führt dazu, dass das Membranpotenzial der Postsynapse oder Zielzelle negativer wird, was als Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran oder als IPSP bezeichnet wird.
Wieder gilt: Je mehr Aktionspotenziale in der hemmenden Synapse ankommen, umso mehr Neurotransmitter schüttet sie aus und umso stärker ist die Hyperpolarisation und das IPSP an der Postsynapse.

Ein Beispiel für eine hemmende Synapse ist die GABA ausschüttende Synapse. GABA ist dabei die Abkürzung für den Neurotransmitter Gamma-Amino-Buttersäure, wobei das hintere A für das Wort acid (englisch für „Säure“) steht. Ihre Funktion ist hauptsächlich das Abschwächen von erregenden Signalen im Zentralnervensystem. Damit verhindern hemmende Synapsen Übererregungen, die im Extremfall zu Starrkrämpfen führen können. Doch sie hat auch einige spezielle Funktionen, wie zum Beispiel die Vermittlung von Schlaf im Gehirn.

Doch wie genau kann so eine Übererregung verhindert werden? Das Zusammenspiel von hemmenden und erregenden Synapsen und die Verrechnung von EPSP und IPSP erklären wir dir im nächsten Abschnitt.

Verrechnung von EPSP und IPSP

Wie du dich sicher erinnerst, kann ein Aktionspotenzial immer nur am Axonhügel erzeugt werden und nur nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip. Ein Aktionspotenzial wird aber in der Regel nicht durch eine Erregung von einer einzigen Synapse erzeugt. Vielmehr werden in einer Zelle immer mehrere EPSP und IPSPS verrechnet. Man unterscheidet zwischen der räumlichen Summation und der zeitlichen Summation

Räumliche Summation

Stell dir vor, dass an den Dendriten einer Nervenzelle die Synapsen vieler verschiedener Nervenzelle anliegen. Die an den Dendriten erzeugten EPSP müssen also die komplette Nervenzelle durchqueren, um am Axonhügel die Reizschwelle zu überschreiten, damit ein Aktionspotenzial nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip entstehen kann.
Je mehr erregende Synapsen also an der verrechnenden Nervenzelle anliegen, umso mehr EPSP können gebildet werden. Diese EPSP kommen in der Zelle zusammen und werden summiert. So wird die Reizschwelle am Axonhügel schneller überschritten und ein Aktionspotenzial kann gebildet werden. Diesen Prozess bezeichnet man als räumliche Summation.

Stell dir nun weiter vor, dass an den Dendriten nicht nur erregende, sondern auch hemmende Synapsen anliegen. Diese hemmenden Synapsen erzeugen IPSP, die die EPSP abschwächen. Je mehr hemmende Synapsen an der verrechnenden Nervenzelle anliegen, umso mehr IPSP werden gebildet und umso schwieriger ist es für die erregenden Nervenzellen, die Zielzelle stark genug zu erregen, um die Reizschwelle am Axonhügel zu überschreiten und ein Aktionspotenzial zu erzeugen. Räumliche Summation ist demnach nichts anderes als die Berechnung der Summe aus positiven und negativen Signalen.

Stell dir nun einmal ganz stark vereinfacht vor, dass an einer speziellen Nervenzelle genau drei EPSP einer bestimmten Stärke nötig sind, um die Reizschwelle zu überschreiten. Dann würde es ausreichen, wenn drei erregende Synapsen jeweils ein EPSP erzeugen, um ein Aktionspotenzial am Axonhügel nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip zu erzeugen. Die Reizschwelle legen wir in diesem Beispiel also auf den Wert $+3$ fest.

Erzeugt nun aber zusätzlich zu den drei erregenden Synapsen noch eine hemmende Synapse ein IPSP $(-1)$, dann verrechnet der Axonhügel: $(+3) + (-1) = +2$.

$+2$ reicht nicht für eine Überschreitung der Reizschwelle aus, sodass nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip kein Aktionspotenzial ausgelöst wird, obwohl wie im ersten Beispiel drei erregende Synapsen ein Signal von $+3$ erzeugt haben. Die hemmende Synapse hat die Weiterleitung des Signals verhindert.

Abgesehen von der räumlichen Summation gibt es auch noch die zeitliche Summation, die wir dir nachfolgend erklären.

Zeitliche Summation

Unter der zeitlichen Summation versteht man die Verrechnung einzelner EPSP oder IPSP, die sehr kurz hintereinander durch die jeweils gleiche Synapse an einer Nervenzelle ankommen und zu einem Gesamtpotenzial verrechnet werden.

Da das etwas komplex klingt, möchten wir nun, dass du dir zur Veranschaulichung der zeitlichen Summation einmal Folgendes vorstellst:

• Szenario 1: Jemand klingelt an deiner Tür. Deine normale Reaktion wäre, die Tür zu öffnen – es handelt sich also um ein positives Signal, was zu einer Reaktion führt.
• Szenario 2: Jemand klingelt an deiner Tür, während du unter der Dusche stehst. In diesem Fall wirst du die Tür vermutlich nicht öffnen. Das Duschen ist damit ein negatives Signal, das die Reaktion verhindert.
• Szenario 3: Die Person fängt an, ununterbrochen zu klingeln, bis du dich entscheidest, die Dusche abzustellen, dir ein Handtuch umzuwickeln und sofort die Tür zu öffnen. Die Hintereinanderschaltung vieler positiver Signale haben also das negative Signal überlagert und zu einer Reaktion geführt.

So funktioniert die zeitliche Summation. Wenn mehrere EPSP in schnellen Abständen durch die erregenden Synapsen erzeugt werden, dann reicht das eine IPSP der hemmenden Synapse nicht mehr aus, um die Weiterleitung zu verhindern. Überträgt man dies auf unser vorheriges Rechenbeispiel, dann senden die drei erregenden Synapsen diesmal in kurzem Abstand zwei positive Signale $(+2+2+2)$, während die eine hemmende Synapse nur ihr eines $-1$ sendet. Der Axonhügel der verrechnenden Synapse folgert demnach:

$(+2) + (+2) + (+2) + (-1) = (+6) + (-1) = +5$

Nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip kann diesmal ein Aktionspotenzial zur Weiterleitung des Reizes erzeugt werden, obwohl ebenfalls ein hemmendes Signal ausgesendet wurde.
Diese Rechnung war natürlich wieder stark vereinfacht dargestellt, um dir das Prinzip der zeitlichen Summation zu erklären.

Erregende und hemmende Synapsen – Zusammenfassung

In diesem Text haben wir dir einfach erklärt, was hemmende Synapsen und erregende Synapsen sind, wie sie funktionieren und wie ihre Signale in Form der räumlichen und zeitlichen Summation verrechnet werden. Im Anschluss an das Video und den Text kannst du dein Wissen in interaktiven Übungen überprüfen.