Aufbau und Funktion von Neurotransmittern

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Synapse

Synapse
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Bild von Wikimedia Commons, Public Domain

Die Nervenzellen bzw. Neuronen in unserem Gehirn kommunizieren miteinander über Kontaktstellen (sog. Synapsen). Über die Synapsen kann eine einzige Neurone mit Tausenden anderen Neuronen in Verbindung stehen. Für die Signalübertragung innerhalb und zwischen Neuronen werden zwei „Sprachen“ benutzt: eine elektrische Sprache innerhalb des Neurons bzw. des Axons entlang und eine biochemische Sprache zwischen Neuronen. Diese biochemischen Überträgersubstanzen werden unter dem Begriff Neurotransmitter zusammengefasst. Die Aufgabe der Neurotransmitter besteht also darin, Informationen zwischen Nervenzellen (Neuronen) zu übertragen. Der Ort des Geschehens sind dabei die Synapsen – spezielle Kontaktstellen, über die Neuronen miteinander in Verbindung stehen.

Diese Kontaktstelle ist aus drei Teilen gebaut:

  • Am Ende des Nervenzellfortsatzes (das Axonende) von der Signalsendenden Neuron findet der präsynaptische Endkopf
  • Die signalaufnehmende Neuron verfügt ihrerseits über eine sogenannte postsynaptische Membran
  • Zwischen diesen beiden Strukturen liegt der nur wenige Tausendstel Millimeter breite synaptische Spalt
Der elektrische Nervenimpuls kann diesen Spalt nicht überspringen, muss aber von einer Neuron zur Nächsten übermittelt werden und das ist die Aufgabe der Neurotransmitter. Neurotransmitter findet man als biochemische Überträgersubstanzen in winzigen „Bläschen“ (den Vesikeln) in den präsynaptischen Nervenendigungen. Sie werden durch das elektrische Signal (Aktionspotential) einer Neuron freigesetzt, das dazu führt, dass sich die Vesikel öffnen. Aus den offenen Vesikel ergießen sich die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt und wandern zur hinter dem Spalt liegenden Neuron.

Auf der postsynaptischen Membran der signalaufnehmenden Neuron befinden sich Andockstellen (Rezeptoren), die nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip funktionieren (Nur ein Typ Neurotransmitter kann an einem Typ Rezeptor andocken, d.h. die Form muss passen und es dürfen dürfen keine anderen Neurotransmittter bereits am Rezeptor angelagert sein). Bindet ein Neurotransmitter an seinen Rezeptor, verändert dies die Durchlässigkeit der Zellmembran von Neuron B für bestimmte elektrisch geladene Ionen, die in der Flüssigkeit außerhalb der Zelle befinden. Das chemische Signal wird somit wieder in ein elektrisches Signal übersetzt. Am Ende des Prozesses wird der Neurotransmitter entweder abgebaut oder zur Ausgangsneuron zurücktransportiert und von dieser durch spezielle Öffnungen in der Zellwand wieder aufgenommen. Letzteren Vorgang bezeichnet man als „Wiederaufnahme“.

Neurotransmitter können eine erregende (sog. exzitatorisch) oder hemmende (sog. hemmende) Wirkung haben. Eine erregende Wirkung begünstigt den Aufbau eines Aktionspotentials und eine hemmende Wirkung dient dazu ein solches Potential zu unterbinden. Das heißt, dass es die Möglichkeit besteht, dass gewisse Inputs einander verstärken, oder sogar, dass sie antagonistisch sind und sich gegenseitig schwächen oder einander überhaupt auslöschen. Überdies funktioniert das Neuron nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip: Um das Aktionspotential überhaupt auszulösen, benötigt das Neuron auch einen gewissen Schwellenwert an exzitatorischer Stimulation, d.h. wird dieser Stellenwert nicht erreicht dann wird kein Aktionspotenzial ausgelöst.

Es gibt auch verschiedene Arten von Neurotransmittern, d.h. verschiedene Botenstoffe, die für verschiedene Informationstypen vorgesehen sind:

Acetylcholin

Acetylcholin ist der wichtigste Neurotransmitter des peripheren Nervensystems. Dieser Botenstoff vermittelt die Erregungsübertragung von den Nerven zur Muskulatur. Darüber hinaus spielt Acetylcholin eine zentrale Rolle im vegetativen Nervensystem, über das lebenswichtige Funktionen wie Atmung, Blutdruck, Herzschlag, Verdauung und Stoffwechsel kontrolliert werden. Sie ist auch an verschiedensten kognitiven Prozessen entscheidend beteiligt, z.B. an Lernvorgängen und Gedächtnisbildung. Indizien dafür liefert die Alzheimer-Krankheit: Da im Gehirn der Betroffenen Nervenzellen absterben, kommt es zu einem Mangel an Acetylcholin, der für die nachlassende geistige Leistungsfähigkeit von Patienten mitverantwortlich ist.

Glutomat

Dieses Nervenbotenstoff findet man in erster Linie im Gehirn, wo er die häufigste erregende Neurotransmitter ist. Seine Rezeptoren finden sich in den verschiedensten Hirnarealen. Glutamat gilt nach dem derzeitigen Kenntnisstand für die Übermittlung von Sinneswahrnehmungen und für die Bewegungssteuerung als ebenso unabdingbar wie für das Lernen und das Gedächtnis. Bei Alzheimer-Patienten ist sowohl die Freisetzung als auch die Wiederaufnahme des Botenstoffs beeinträchtigt. Die Wiederaufnahme ist hier besonders wichtig, weil zuviel Glutamat die Neuronen zerstören kann.

GABA

GABA ist der wichtigste hemmende Neurotransmitter im Gehirn, man kann es als so etwas wie der Gegenspieler von Glutamat sehen. Medikamente (etwa Schlaf und Beruhigungsmittel wie Benzodiazepine oder Diazepam aba. Valium), die die Effekte von GABA an seiner Andockstelle imitieren oder verstärken, wirken deswegen typischerweise dämpfend. Über diesen Mechanismus haben sie auch angstlösende Effekte und können die neuronale Übererregbarkeit bei epileptischen Anfällen eindämmen.

Dopamin

Dopamin hat vielfältige Funktionen, z.B. Verhalten, Stimmung, Aufmerksamkeit, Schlaf, Lernen, motorische Aktivität, Milchproduktion. Im Gehirn von Parkinson-Patienten sterben dopaminerge Nervenzellen in einer Region des Gehirns, das für die Steuerung und Kontrolle von Bewegungen verantwortlich. Es resultiert daraus eine Dopamin-Mangel und Bewegungsimpulse können nicht mehr richtig weitergeleitet werden. Folge ist die erkrankungstypische Verlangsamung der gesamten Motorik. Durch die schwindende Dopamin-Produktion kommt es gleichzeitig zu einem relativen Überschuss anderer Neurotransmitter wie Acetylcholin und Glutamat. Dieses Ungleichgewicht führt zu den beiden anderen charakteristischen Symptomen des Morbus Parkinson, dem Zittern und der Muskelsteifheit. Psychosen und Schizophrenie gehen offen mit einem erhöhten Dopaminspiegel einher. So bessern Medikamente, die einen bestimmten Dopamin-Rezeptor blockieren, in vielen Fällen die Symptome. Kokain und Amphetamine vermitteln ihre berauschende und stimulierende Wirkung auch über einen Anstieg des Dopamin-Spiegels und können auch als Folge zu psychotischen Störungen führen.

Noradrenalin

Noradrenalin wird mithilfe eines Enzyms aus Dopamin hergestellt und ist vor allem für die Steuerung des Wachheitsgrades und der Aufmerksamkeit verantwortlich. So werden Patienten mit Aufmerksamkeitsdefizit-Syndrom (ADHS) mit Medikamenten behandelt, die den Noradrenalin- und den Dopamin-Spiegel im zentralen Nervensystem anheben.

Serotonin

Serotonin hat viele Effekte im Gehirn, etwa bei der Regulation des Appetits, des Sexualtriebs, beim Träumen, bei der Kontrolle des Verhaltens und des psychischen Wohlbefindens. Dieser Botenstoff gilt als einer der zentralen Stimmungsmacher. Wenn wir einen ausreichend hoher Serotonin-Spiegel haben, dann wird die Botschaft verbreitet, dass wir zufrieden, satt, ausgeglichen und entspannt sind. Bei Menschen mit Depressionen ist die Konzentration von Serotonin oftmals deutlich verringert. Medikamente gegen Depression wirken gegen dieser Problematik, indem sie die Wiederaufnahme des Neurotransmitters in die Nervenzellen hemmen und heben so den Serotoninspiegel an. Die Droge Ecstasy bewirkt ebenfalls einen starken Serotonin-Anstieg im Gehirn und löst so ein berauschendes Glücksgefühl aus. Sobald die Wirkung allerdings nachlässt, rauscht der Pegel in den Keller und mit ihm die Stimmung.