Synaptische Übertragung

Neuromuskuläre Endplatte

Die Neuromuskuläre Endplatte ist das Paradebeispiel einer chemischen synaptischen Übertragung. Jedes Endköpfchen der Synapse liegt über einer synaptischen Einfaltung. In der Synapse sind die Vesikel gegenüber der Einfaltung in Doppelreihen angeordnet.In dieser Einfaltung findet man eine hohe ACh-Rezeptordichte. Diesen Bereich nennt man auch aktive Zone.

Die Freisetzung von Transmittern führt zu einem Excitatoischen Postsynaptischen Potential (EPSP), das sich über den Muskel ausbreitet und zur Kontraktion führt. Die Freisetzung der Transmitter wird durch Calcium gesteuert. Da das EPSP sowohl von Natrium als auch von Kalium abhängig ist, liegt dieses Potential nicht beim Gleichgewicht von Natrium (+55 mV), sondern bei 0 mV.

Ein einzelner ACh-Kanal öffnet sich für ungefähre 1 ms uns lässt in dieser Zeit einen Strom von -2,7 pA durch den Kanal. Der Gesamtstrom ist abhängig von der Anzahl der Kanäle N, der Offenwahrscheinlichkeit p₀, der Leitfähigkeit $\gamma$ und der Triebkraft (V_m - E_EPSEP):

$I_{EPSP} = N \cdot p_0 \cdot \gamma \cdot (V_m - E_{EPSP})$

Durch einen Einstrom von Ca²⁺-Ionen und eine Depolarisation der präsynaptischen Membran erfolgt nach ca. 1 ms Verzögerung eine Ausschüttung des Transmitters.

Die Ausschüttung erfolgt in Quanten, wobei sich ein EPSP auch ca. 500 Quanten zusammensetzt. Die spontane Freisetzung einzelner Quanten wird als Miniturendplattenpotential bezeichnet.

Nach etwa 10 s beträgt die ACh-Konzentration im Spalt etwa 10 mmol/l. Am Rand der Einfaltungen befindet sich die ACh-Esterase, die für einen schnellen Abfall der konzentration sorgt, indem sie Acetylcholin spaltet. Die Cholinpumpe transportiert - durch den Natriumeinstrom angetrieben - das Cholin zurück.

Hemmende Übertragung

Bei der Hemmung durch hemmden Transmitter (siehe auch 3.1.1) wird an der Postsynapse ein inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP) erzeugt. Dies führt zu einer leichten Hyperpolarisation der Membran; vor allem anderen wird jedoch der Membranwiederstand erhöht, indem die Chloridkanäle geöffnet werden, deren Gleichgewichtspotential nahe dem Ruhepotential liegt.

Informationsverarbeitung

Es gibt mehrere Wege, wie sich Neurone gegenseitig beeinflussen können. Viele Mechanismen dienen der Verstärkung von synchronen Signalen:

Durch Doppelpulsbahnung tritt eine Vertärkung des Signals auf, wenn die Nervenendigung innerhalb von 2-100 ms zweifach depolarisiert wurde. Der zweiten Depolarisation folgt eine erhöhte Transmitterfreisetzung, die man auf die Addition der Calciumströme beider Depolarisationen zurückführt.

Neben dieser Bahnung ist ein Reiz auch nach einer tetanischen Bahnung für einige Sekunden gebahnt. Bei dieser Posttetanischen Potenzierung wird der Muskel durch die Calciumfreisetzung während des Tetanus sensitiviert.

Bei einer räumlichen Summation addieren sich mehrere an unterschiedlichen Stellen entstehende postsynaptische Potentiale (z.B. ein Signal aus den Dendriten mit dem Signal eines am Soma anliegenden Axons). Bei einer Zeitlichen Summation addieren sich zeitlich dicht hintereinander an der gleichen Stelle auftretende Potentiale.

Im Gegensatz zur Verstärkung von Signalen, kann es auch zu einr Abschwächung kommen - etwa als Schutz vor einer zu starken Aktivierung: Es kann auch sein, dass nach einer Impulsfolge eine Depression auftritt und ein folgender Reiz verkleinert wird. Der molekulare Mechanismus ist noch nicht geklärt, man nimmt jedoch an, dass es sich um eine Veränderung im Mechanismus der Freisetzung handelt.

Des weiteren kann die Transmitterfreisetzung direkt und gezielt durch eine axoaxonische Synapse moduliert werden: Bei einr heterosynaptischen Bahnung tritt eine Bahnung auf, d.h. das Neuron reagiert heftiger, wenn die axoaxonische Synapse ebenfalls feuert. Das Gegenteil ist die präsynaptische Hemmung, bei der die Aktionspotentiale durch eine GABAerge axoaxonische Synapse und die Öffnung von Chloridkanälen vermindert oder verhindert werden.

Langzeitpotenzierung und -depression

Langzeitpotenzierung (LTP)

Die Langzeitpotenzierung findet vor allem im Hippocampus statt und ist sehr wichtig für die Lernvorgänge (siehe auch 7.4).

Zellulär entsteht die LTP wie folgt:

Glutamaterge Synapsen am Dornfortsatz eine Dendriten setzen Glutatmat frei.
Durch AMPA- und Kainat-Rezeptoren kommt es zu einem EPSE von 20 mV; die NMDA-Rezeptoren bleiben jedoch blockiert.
Kommt nun eine Serie von Aktionspotentialen öffnen sich auch die NMDA-Kanäle.
Dadurch steigt die Ca²⁺-Konzentration im Dornfortsatz an und in Zukunft löst ein einzelnes AP breits eine heftige Antwort aus.
Durch den Calciumeinstrom kann es zu einer sich selbst verstärkenden Freisetzung von Calcium aus dem ER kommen.
Durch eine (z.B. kalmodulinabhängige) Veränderung der Enzymaktivität können auch Langzeiteffekte, wie ein Erhöhen der Kanaldichte erzielt werden.
Durch einen zusätzlichen retrograden Botenstoff wie NO kann präsynaptisch die Glutamatfresetzung gesteigert werden.

Langzeitdrepression (LTD)

Auch die LTD wird als Prototyp für Lernvorgänge gehandelt. Man findet sie vor allem bei den Purkinjezellen des Kleinhirns.

Werden die Parallel- und die Purkinjefasern synchron errecht, verringert sich die Übertragung. Man hat als zelluläre erklärung zwei Wege gefunden:

Eine Möglichkeit ist die direkte Kopplung von 2 Quasilat-Kanälen, die - von der Parallelfaser aktiviert - ein desensitivierendes EPSE auslösen.

Die andere Möglichkeit ist, dass über die Aktivität der Kletterfasern über einen IP3-Weg die Calciumfreisetzung erhöht wird, wodurch NO synthetisiert wird und dieses über cGMP für eine Desensitivierung des Glutamatrezeptors I sorgt.

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