„Die Synapse ist lebenswichtig“, sagt Mendell Rimer, PhD, ein außerordentlicher Professor in der Abteilung für Neurowissenschaften und experimentelle Therapeutika am Texas A&M College of Medicine. Er untersucht eine bestimmte Synapse, die neuromuskuläre Verbindung, die – wie der Name schon sagt – ein motorisches Neuron mit einer Skelettmuskelfaser verbindet. Hier erklärt er, wie Synapsen funktionieren und was wir über diese wichtigen Verbindungen wissen – und was nicht.
Synapsen sind Teil des Schaltkreises, der Sinnesorgane im peripheren Nervensystem mit dem Gehirn verbindet, z. B. solche, die Schmerz oder Berührung wahrnehmen. Synapsen verbinden Neuronen im Gehirn mit Neuronen im Rest des Körpers und von diesen Neuronen mit den Muskeln. Auf diese Weise wird zum Beispiel die Absicht, den Arm zu bewegen, in die Muskeln des Arms übersetzt, die sich dann tatsächlich bewegen. Synapsen sind auch innerhalb des Gehirns wichtig und spielen beispielsweise bei der Gedächtnisbildung eine entscheidende Rolle.
„Die Informationsübertragung innerhalb des Nervensystems erfolgt in Schaltkreisen, die Informationen aufnehmen können, z. B. die Tatsache, dass ein Ball auf uns zukommt, oder eine Ausgabe erzeugen, z. B. den Arm hochheben, um den Ball zu fangen“, so Rimer. „Jeder dieser Schaltkreise hat eine Reihe von Synapsen, die die Neuronen, die die sensorischen Informationen über den sich nähernden Ball an das Gehirn weiterleiten, mit den Neuronen verbinden, die die motorischen Befehle des Gehirns zur Bewegung des Arms ausführen.“
Gleichzeitig müssen alle diese Übertragungen sehr schnell erfolgen, in Millisekunden, so dass alles gleichzeitig zu geschehen scheint – und wir nicht vom Ball ins Gesicht getroffen werden.
Es gibt zwei verschiedene Arten von Synapsen, die elektrischen und die chemischen, und sie funktionieren sehr unterschiedlich. Der einfachere Typ ist die elektrische Synapse, bei der es im Wesentlichen keine Lücken zwischen den Zellen gibt. Stattdessen wandern Ionen durch so genannte Gap Junctions und übertragen eine elektrische Ladung auf das nächste Neuron.
Wie fördere ich die Gehirnentwicklung meines Babys?
„Wir wissen sehr wenig darüber, wie diese Synapsen reguliert werden“, sagte Rimer. „
Diese Gap Junctions könnten in anderen Bereichen des Körpers besser verstanden werden, da sie nicht nur in Neuronen vorkommen. Es gibt auch andere Zellen, wie z.B. im Herzen, die Gap Junctions haben, die elektrische Signale übertragen.
An chemischen Synapsen hingegen wird das elektrische Signal innerhalb der Neuronen, das so genannte Aktionspotential, in ein chemisches Signal umgewandelt, das über die Synapse zum nächsten Neuron im Schaltkreis gelangen kann. „Synapsen kann man sich als Relaisstation zwischen den Zellen vorstellen, an der ein Signal umgewandelt werden muss“, so Rimer. Dies geschieht durch die Freisetzung von Chemikalien, den so genannten Neurotransmittern, die in Paketen, den so genannten Vesikeln, freigesetzt werden, sobald ein Aktionspotenzial an der Synapse ankommt. Wenn der Neurotransmitter das nächste Neuron in der Kette erreicht, wird das chemische Signal wieder in ein Aktionspotenzial umgewandelt, das dieses Neuron hinunter zur nächsten Synapse wandert, und so weiter.
„Im Gehirn funktioniert das System so, dass es tatsächlich besser wird – das ist es, was Lernen und Gedächtnis ausmacht“, so Rimer. „Wir denken, dass die Neuronen im Schaltkreis mehr Neurotransmitter freisetzen oder mehr Rezeptoren ausbilden, so dass die synaptische Übertragung potenziert und effizienter wird, wenn wir etwas Neues lernen und neue Erinnerungen bilden.“
Gedächtnis kann auch die Bildung neuer Synapsen beinhalten. „Wir denken, dass die Anzahl und die Art der Synapsen im Gehirn sehr dynamisch sind“, so Rimer. „Es gibt viele Möglichkeiten, wie sie das Verhalten verbessern oder in manchen Fällen sogar verschlechtern können. Mit anderen Worten: Der Verlust von Synapsen im Gehirn aufgrund einer degenerativen Krankheit wie Alzheimer oder Parkinson führt zu einem entsprechenden Funktionsverlust in Bezug auf das, was diese Synapsen getan haben. Jüngste Forschungsergebnisse deuten sogar darauf hin, dass es die Synapsen und nicht die Neuronen selbst sind, die als erste die Auswirkungen dieser Krankheiten zeigen.
Synapsen im übrigen Körper scheinen nicht ganz so anfällig zu sein. „In der neuromuskulären Verbindung reichen einige wenige Neurotransmittermoleküle aus, um eine Reaktion in der Muskelzelle auszulösen“, so Rimer. „Das System dort ist so eingerichtet, dass es nie versagt. Das soll nicht heißen, dass es nie Probleme gibt – Rimers Forschung konzentriert sich auf genetische und immunologische Krankheiten, die die Rezeptoren in diesen neuromuskulären Verbindungen beeinträchtigen und Probleme verursachen, die von relativ geringfügigen, wie hängende Augenlider, bis hin zu sehr viel schwerwiegenderen, wie Probleme mit dem Zwerchfell und anderen Muskeln, die an der Atmung beteiligt sind, reichen.
„Die Tatsache, dass Probleme mit Synapsen dazu führen können, dass jemand aufhört zu atmen, zeigt, wie lebenswichtig Synapsen für unser Überleben sind“, so Rimer. „Die Menschen konzentrieren sich oft auf die Neuronen oder Muskelzellen, aber die Verbindungen zwischen ihnen sind genauso wichtig.“
Diese Geschichte von Christina Sumners erschien ursprünglich in Vital Record.