Synaptische Übertragung
- The 20-nanometre gap signals must crossnoch nicht geprüft
- Calcium, vesicles, and neurotransmitter releasenoch nicht geprüft
- Ionotropic vs. metabotropic, excite vs. inhibitnoch nicht geprüft
- Synaptic plasticity and the drugs that exploit itnoch nicht geprüft
Am Ende des Axons hört die Elektrizität auf. Ein Aktionspotenzial springt nicht auf die nächste Zelle über, denn Axon und Dendrit berühren einander gar nicht: Zwischen ihnen klafft ein Spalt, der synaptische Spalt, rund 20 Nanometer breit. Wie ein Signal ihn überquert, fiel Otto Loewi im Traum ein. 1921 zeigte er am isolierten Froschherzen, dass der Vagusnerv den Herzschlag verlangsamt, indem er einen chemischen Stoff abgibt — seinen Vagusstoff, später als Acetylcholin bestimmt; 1936 gab es dafür den Nobelpreis, geteilt mit Henry Dale. Diese Übersetzung von Strom in Chemie, die synaptische Übertragung, ist das Grundereignis aller neuronalen Signalgebung: Im menschlichen Gehirn läuft sie in der Größenordnung einer Billiarde Mal pro Sekunde ab. Jedes Neuron trägt Tausende solcher Kontakte, und aus ihrer unaufhörlichen Rechnung von Erregung und Hemmung entstehen Denken, Bewegung und Erinnerung.
Der Vorgang ist streng getaktet und erstaunlich schnell. Ein Aktionspotenzial läuft in den präsynaptischen Endknopf ein und öffnet dort spannungsgesteuerte Calciumkanäle; das einströmende Calcium bringt synaptische Vesikel voller Neurotransmittermoleküle dazu, mit der Membran zu verschmelzen und ihren Inhalt in den synaptischen Spalt zu entleeren. In Mikrosekunden sind die Moleküle hinüber, binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und öffnen oder schließen dort Ionenkanäle — es entsteht ein erregendes oder hemmendes postsynaptisches Potenzial. Ionotrope Rezeptoren sind selbst Ionenkanäle und wirken unmittelbar. Metabotrope Rezeptoren koppeln an G-Proteine und stoßen intrazelluläre Kaskaden an, langsamer und modulierend. Erregende Synapsen depolarisieren die nachgeschaltete Zelle und schieben sie näher ans Feuern, hemmende hyperpolarisieren sie und halten sie zurück. Im Säugergehirn trägt Glutamat die Erregung, GABA die Hemmung. Die modulatorischen Botenstoffe — Dopamin, Serotonin, Noradrenalin, Acetylcholin — arbeiten überwiegend metabotrop und auf längeren Zeitskalen; sie justieren ganze Schaltkreise, statt einzelne Nachrichten zu übermitteln. Chemisch ist allerdings nicht jede Synapse: An elektrischen Synapsen verbinden Gap Junctions die beiden Zellen direkt, der Strom fließt praktisch verzögerungsfrei und in beide Richtungen — schneller, aber weit starrer. Aus dem Spalt verschwindet der Botenstoff durch Wiederaufnahme (Transporter holen ihn zurück; genau das blockieren SSRI wie Fluoxetin für Serotonin), durch enzymatischen Abbau (Acetylcholinesterase, gehemmt durch Sarin) oder schlicht dadurch, dass er wegdiffundiert. Fest ist die synaptische Stärke dabei nie: Wiederholte Aktivität kann sie anheben (Langzeit-Potenzierung) oder absenken (Langzeit-Depression), auf Zeitskalen von Sekunden bis Lebenszeiten — diese synaptische Plastizität ist die zelluläre Grundlage von Lernen und Gedächtnis. Am genauesten verstanden ist der molekulare Hergang für die Langzeit-Potenzierung an Glutamat-Synapsen: Der NMDA-Rezeptor öffnet sich nur, wenn die Zelle bereits depolarisiert ist und zugleich Glutamat anliegt. Er ist damit ein Koinzidenzdetektor, der genau die gemeinsam aktiven Verbindungen stärkt — die chemische Einlösung der Hebb-Regel, dass zusammen feuernde Neuronen sich zusammenschalten. Die meisten Psychopharmaka greifen an Synapsen an; die psychopharmakologische Revolution der 1950er und 60er Jahre — Chlorpromazin, Lithium, Imipramin, Benzodiazepine — war nichts anderes als angewandte Synapsenchemie.