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Signalmodulation und -integration

Postsynaptische Potenziale

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

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

Abb.1
Leitfähigkeitsänderungen
Vergleich depolarisierender und hyperpolarisierender Leitfähigkeitsänderungen

Transmitter 1 erzeugt ein excitatorisches postsynaptisches Potenzial (EPSP), da er einen Nettoeinwärtsstrom (hauptsächlich Na+) verursacht, der positive Ladung ins Zellinnere bringt. Dagegen verursacht Transmitter 2 ein inhibitorisches synaptisches Potenzial (IPSP), da der von ihm bewirkte Leitfähigkeitsanstieg primär auf K+ und Cl--Ionen zurückgeht, die einen Nettoauswärtsstrom bewirken (d.h. negative Ladung ins Zellinnere bringen).

Im Gegensatz zu den Alles-oder-Nichts-Signalen der Aktionspotenziale und in Analogie zu den Rezeptorpotenzialen der Sinneszellen sind beide Typen postsynaptischer Potenziale graduiert und weisen keine Refraktärzeit auf. Dadurch können simultan oder asynchron an mehreren Synapsen erzeugte postsynaptische Potenziale vom Neuron verrechnet werden. Da ein postsynaptisches Potenzial im 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 meist 50 bis mehrere hundert einzelne EPSPs notwendig, um am Axonhügel ein Aktionspotenzial auszulösen. Wegen der Leitungsverluste sind näher am Axonhügel gelegene Synapsen wirksamer als weiter entfernte. Bei der Übertragung neuronaler Signale auf den Muskel an der motorischen Endplatte fallen EPSPs mit ca. 70 mV weitaus kräftiger als im ZNS aus und ermöglichen somit eine 1:1 Übertragung des Aktionspotenzials auf den Muskel.

Tab.1
Vergleich zwischen Aktionspotenzialen und exzitatorischen postsynaptischen potenzialen (EPSP)
AktionspotenzialEPSP
Stimulus für das Öffnen der Ionenkanäle Depolarisation Neurotransmitter: Acetylcholin
unmittelbarer Effekt des Stimulus Na+-Kanäle offen Kationenkanäle offen
Wiederherstellung der Polarisierung Öffnen von K+-Kanälen Abnahme der intrazellulären Kationen über Zeit und Raum
maximale Leitungsdistanz keine Leitung - Neubildung des Signals über die Gesamtlänge des Axons rein lokales Potenzial: 1-2 mm
Positive Rückkoppelung zwischen Depolarisation und Öffnen der Na+-Kanäle vorhanden nicht vorhanden
maximale Depolarisation + 40 mV ± 0 mV
Summation (Integration mehrerer Signale) Alles-oder-Nichts-Signal, keine Summation graduiertes Signal, Summation möglich
Refraktärzeit vorhanden nicht vorhanden
Wirksamkeit von Neurotoxinen Hemmung durch Tetrodotoxin, aber nicht durch Curare Hemmung 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 beiden Synapsentypen 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 werden können.

In vielen Fällen zeigt sich auch ein Unterschied in der Ultrastruktur excitatorischer und inhibitorischer Synapsen. Synapsen vom Typ Gray I (nach E. G. Gray) sind oft glutaminerg und daher excitatorisch wirkend, während Synapsen vom Typ Gray II in den meisten 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 der Feuerraten spontan aktiver Neurone. Dieser Effekt wird als Skulpturierung (sculpturing) bezeichnet.

Abb.2
© Wiley-VCH
Abb.3
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