Chemie

Signalmodulation und -integration


Postsynaptische Potenziale

Synapsen können die Reizweiterleitung entweder fördern oder behindern. Erregende oder excitatorische Synapsen sind durch eineDepolarisation der postsynaptischen Membran gekennzeichnet. Das dadurch entstehende postsynaptische Membranpotenzial wird alsexcitatorisches postsynaptisches Potenzial (EPSP) bezeichnet, da die verursachte Membrandepolarisationdie Entstehung neuer Aktionspotenziale begünstigt.

Im Gegensatz hierzu führen hemmende oder inhibitorische Synapsen zu einem inhibitorischen postsynaptischenPotenzial (IPSP), das durch eine Hyperpolarisierung der postsynaptischen Membran erzeugt wird. Es wurde langeangenommen, dass der Synapsentyp durch die Sekretion unterschiedlicher Neurotransmitter bestimmt wird, die entweder eineDepolarisation oder Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran zur Folge hat. Heute weiß man, dass dies allein von dem jeweilsvorherrschenden Typ Transmitter-gesteuerter Kanalproteine abhängt. So führt der ansonsten auf Muskeln (mit nicotinischenAcetylcholin-Rezeptoren) excitatorisch wirkende Neurotransmitter Acetylcholin (ACh) im Herzmuskel (mit muscarinischenAcetylcholin-Rezeptoren) zu einer Hyperpolarisation und damit Hemmung der Erregungsleitung. Typischerweise wirkt im ZNS derWirbeltiere der Neurotransmitter Glutamat auf excitatorische Rezeptoren ein, während γ-Aminobuttersäure (GABA) und Glycin inhibitorische Rezeptorenbeeinflussen.

Im Gegensatz zu den Alles-oder-Nichts-Signalen der Aktionspotenziale und in Analogie zu den Rezeptorpotenzialen derSinneszellen sind beide Typen postsynaptischer Potenziale graduiert und weisen keine Refraktärzeit auf. Dadurch können simultan oderasynchron an mehreren Synapsen erzeugte postsynaptische Potenziale vom Neuron verrechnet werden. Da ein postsynaptisches Potenzialim ZNS in der Regel nur eine Größenordnung von 0,2-0,4 mV erreicht und durch die Weiterleitung in den Dendriten und im Soma des Neurons weiter abgeschwächt wird, sind meist50 bis mehrere hundert einzelne EPSPs notwendig, um am Axonhügel ein Aktionspotenzial auszulösen. Wegen der Leitungsverluste sindnäher am Axonhügel gelegene Synapsen wirksamer als weiter entfernte. Bei der Übertragung neuronaler Signale auf den Muskel an dermotorischen Endplatte fallen EPSPs mit ca. 70 mV weitaus kräftiger als im ZNS aus und ermöglichen somit eine 1:1 Übertragung des Aktionspotenzials auf denMuskel.

Tab.1
Vergleich zwischen Aktionspotenzialen und exzitatorischen postsynaptischen potenzialen (EPSP)
AktionspotenzialEPSP
Stimulus für das Öffnen der IonenkanäleDepolarisationNeurotransmitter: Acetylcholin
unmittelbarer Effekt des StimulusNa+-Kanäle offenKationenkanäle offen
Wiederherstellung der PolarisierungÖffnen von K+-KanälenAbnahme der intrazellulären Kationen über Zeit und Raum
maximale Leitungsdistanzkeine Leitung - Neubildung des Signals über die Gesamtlänge des Axonsrein lokales Potenzial: 1-2 mm
Positive Rückkoppelung zwischen Depolarisation und Öffnen der Na+-Kanälevorhandennicht vorhanden
maximale Depolarisation+ 40 mV± 0 mV
Summation (Integration mehrerer Signale)Alles-oder-Nichts-Signal, keine Summationgraduiertes Signal, Summation möglich
Refraktärzeitvorhandennicht vorhanden
Wirksamkeit von NeurotoxinenHemmung durch Tetrodotoxin, aber nicht durch CurareHemmung durch Curare, aber nicht durch Tetrodotoxin

In der Regel konzentrieren sich excitatorische und inhibitorische Synapsen an verschiedenen Regionen eines Neurons.Axo-dendritische Synapsen (präsynaptische Terminale am Axon - postsynaptische Membran am Dendriten) sind meist excitatorisch,während axo-somatische Synapsen oft inhibitorisch wirken. Diese Verteilung wird durch die unterschiedliche Wirksamkeit der beidenSynapsentypen an den jeweiligen Orten verständlich. Weitab vom Axonhügel gelegene inhibitorische Synapsen wären kaum wirksam,während an den Dendriten gebildete EPSPs durch die hohe Dichte an axo-dendritischen Synapsen ausreichend verstärkt werdenkönnen.

In vielen Fällen zeigt sich auch ein Unterschied in der Ultrastruktur excitatorischer und inhibitorischer Synapsen. Synapsenvom Typ Gray I (nach E. G. Gray) sind oft glutaminerg und daher excitatorisch wirkend, während Synapsen vom Typ Gray II in denmeisten Fällen dem Neurotransmitter GABA zugeordnet werden können und damit inhibitorischer Natur sind.

IPSPs kontrollieren einerseits die Erregungsleitung, andererseits erfüllen sie wichtige Aufgaben in der Modulierung derFeuerraten spontan aktiver Neurone. Dieser Effekt wird als Skulpturierung (sculpturing) bezeichnet.