Synaptische Übertragung

Erreicht ein Aktionspotenzial das Ende eines Axons, springt es nicht zum nächsten Neuron — Axone und Dendriten berühren sich nicht. Zwischen ihnen liegt ein Spalt, der synaptische Spalt, rund 20 Nanometer breit. Otto Loewi träumte das Experiment, das den Mechanismus zeigte: 1921 wies er an isolierten Froschherzen nach, dass der Vagusnerv das Herz verlangsamt, indem er eine chemische Substanz freisetzt (sein Vagusstoff, später als Acetylcholin identifiziert) — Nobelpreis 1936, gemeinsam mit Henry Dale. Die synaptische Übertragung — die chemische Übersetzung eines elektrischen Signals über den Spalt hinweg — ist das grundlegende Signalereignis des Nervensystems, im menschlichen Gehirn in der Größenordnung von einer Billiarde Mal pro Sekunde wiederholt. Ein einzelnes Neuron trägt Tausende von Synapsen, und in ihrer unablässigen Rechnung aus Erregung und Hemmung werden Denken, Bewegung und Gedächtnis verrechnet.

Der Ablauf ist genau einstudiert und erstaunlich schnell. Ein Aktionspotenzial läuft in den präsynaptischen Endknopf ein und öffnet spannungsgesteuerte Calciumkanäle; der Calciumeinstrom bringt synaptische Vesikel mit Neurotransmittern dazu, mit der Membran zu verschmelzen und ihren Inhalt in den synaptischen Spalt zu entleeren. Die Moleküle diffundieren in Mikrosekunden hinüber und binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran, wo sie Ionenkanäle öffnen oder schließen und so ein erregendes oder hemmendes postsynaptisches Potenzial erzeugen. Ionotrope Rezeptoren sind selbst Ionenkanäle (schnell, direkt). Metabotrope Rezeptoren koppeln an G-Proteine und stoßen intrazelluläre Kaskaden an (langsamer, modulierend). Erregende Synapsen depolarisieren die Zielzelle und schieben sie näher ans Feuern; hemmende hyperpolarisieren sie und halten sie zurück. Glutamat dominiert die Erregung im Säugergehirn; GABA die Hemmung. Modulatorische Neurotransmitter — Dopamin, Serotonin, Noradrenalin, Acetylcholin — wirken meist metabotrop und auf langsameren Zeitskalen und stimmen ganze Schaltkreise ab, statt einzelne Botschaften zu übermitteln. Nicht jede Synapse ist chemisch: an elektrischen Synapsen sind die beiden Zellen durch Gap Junctions verbunden, die den Strom unmittelbar, nahezu verzögerungsfrei und in beide Richtungen weitergeben — schneller, aber weit weniger flexibel als ihr chemisches Gegenstück. Freigesetzter Neurotransmitter verschwindet wieder aus dem Spalt durch Wiederaufnahme (Transporter pumpen ihn zurück — genau das blockieren SSRI wie Fluoxetin für Serotonin), durch enzymatischen Abbau (Acetylcholinesterase, blockiert durch Sarin) oder durch Diffusion. Die synaptische Stärke ist nicht fest: wiederholte Aktivität kann sie verstärken (Langzeit-Potenzierung) oder abschwächen (Langzeit-Depression) auf Zeitskalen von Sekunden bis zu Lebenszeiten — diese synaptische Plastizität ist die zelluläre Grundlage von Lernen und Gedächtnis. Am genauesten ist der molekulare Hergang für die Langzeit-Potenzierung an Glutamat-Synapsen verstanden: der NMDA-Rezeptor öffnet nur, wenn die Zelle bereits depolarisiert ist und zugleich Glutamat anliegt, und wird so zum Koinzidenzdetektor, der genau jene Verbindungen stärkt, die gemeinsam aktiv sind — eine chemische Verwirklichung der Hebb-Regel, dass Neuronen, die zusammen feuern, sich zusammenschalten. Die meisten psychiatrischen Medikamente greifen an Synapsen an; die psychopharmakologische Revolution der 1950er und 60er — Chlorpromazin, Lithium, Imipramin, Benzodiazepine — war die klinische Aufarbeitung der synaptischen Chemie.