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.
Am präsynaptischen Endknopf öffnet das Aktionspotenzial spannungsgesteuerte Calciumkanäle; Calcium 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. 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; hemmende hyperpolarisieren sie. Glutamat dominiert die Erregung im Säugergehirn; GABA die Hemmung. Modulatorische Neurotransmitter — Dopamin, Serotonin, Noradrenalin, Acetylcholin — wirken meist metabotrop und auf langsameren Zeitskalen. 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: sie lässt sich verstärken (Langzeit-Potenzierung) oder abschwächen (Langzeit-Depression) auf Zeitskalen von Sekunden bis zu Lebenszeiten — diese synaptische Plastizität trägt Lernen und Gedächtnis. Die meisten psychiatrischen Medikamente greifen an Synapsen an: Antidepressiva an der Wiederaufnahme von Serotonin und Noradrenalin; Antipsychotika an Dopaminrezeptoren; Benzodiazepine an GABA; Opioide an Opioidrezeptoren; Stimulanzien an Dopamin und Noradrenalin. Die psychopharmakologische Revolution der 1950er und 60er — Chlorpromazin, Lithium, Imipramin, Benzodiazepine — war die klinische Aufarbeitung der synaptischen Chemie.
Optogenetische und chemogenetische Werkzeuge erlauben es heute, bestimmte Synapsen-Typen im wachen, sich verhaltenden Tier gezielt zu manipulieren — eine methodische Möglichkeit, die die Schaltkreis-Neurowissenschaft seit rund 2010 umgekrempelt hat. Die Konnektomik — der Katalog aller Synapsen — ist in Fliegen und kleinen Mausregionen weit genug fortgeschritten, um schaltkreis-basierte Computermodelle tragen zu können. Mehr als 20 % aller Medikamente im klinischen Einsatz wirken an synaptischen Zielen, und die nächste Generation psychiatrischer Wirkstoffe (Psychedelika — Psilocybin, MDMA, Ketamin) ist im Kern eine zweite Erkundung der synaptischen Chemie aus anderem Winkel. Hirn-Computer-Schnittstellen werden auf längere Sicht auf der synaptischen Ebene lesen und schreiben müssen, um wirklich bidirektional zu sein.