Was sind Postsynaptische Potentiale: Eine Definition
Postsynaptische Potentiale sind Änderungen des elektrischen Potentials an der postsynaptischen Membran einer Synapse. Sie dienen als Antwort auf die Freisetzung von Neurotransmittern durch die präsynaptische Membran und können entweder erregend (EPSP) oder hemmend (IPSP) wirken.
Ein einfaches Beispiel für Postsynaptische Potentiale sind die Signale im menschlichen Nervensystem. Wenn eine Nervenzelle einen Impuls erhält und diesen weiterleitet, kommt es an der Synapse zur Ausschüttung von Neurotransmittern, welche das Postsynaptische Potential in der nächsten Zelle verändern können. Damit wird entweder das Feuern eines Aktionspotentials ausgelöst (EPSP) oder gehemmt (IPSP), je nach Art des Neurotransmitters.
Biologische Grundlagen von Postsynaptischen Potentialen
Fassen wir zuerst einmal zusammen, was unter dem Begriff Synapse zu verstehen ist. Eine Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen zwei Nervenzellen (Neuronen), an der Informationen in Form von elektrischen oder chemischen Signalen übertragen werden.
| Teil der Synapse | Funktion |
| Präsynaptische Membran | Schüttet bei Erregung Neurotransmitter aus |
| Synaptischer Spalt | Übertragungsraum für Neurotransmitter |
| Postsynaptische Membran | Aufnahme der Neurotransmitter und Veränderung des elektrischen Potentials |
In den meisten Fällen sind die Signale, die an der präsynaptischen Membran erzeugt werden, Aktionspotentiale. Diese führen zur Öffnung von spannungsgesteuerten Kanälen, durch die Kalzium-Ionen in die Nervenzelle strömen. Kalzium führt zur Freisetzung der Neurotransmitter, die wiederum die Postsynaptischen Potentiale auslösen.
Funktionsweise der Postsynaptischen Potentiale
Um zu verstehen, wie Postsynaptische Potentiale funktionieren, muss man sich zunächst klar machen, was genau ein elektrisches Potential ist.
Ein elektrisches Potential ist die Fähigkeit eines elektrischen Feldes, Arbeit zu verrichten, wenn sich Ladungen in ihm bewegen. In biologischen Systemen wie Nervenzellen entspricht das dem Potential, Ionen durch die Zellmembran zu bewegen.
Bei der Übertragung von Signalen durch die Nervenzellen können zwei Arten von Postsynaptischen Potentialen unterschieden werden.
- \(\text{{Erregende postsynaptische Potentiale (EPSP)}}\): Führen zu einer Depolarisation der Membran, das heißt, sie machen die Zelle erregbarer.
- \(\text{{Hemmende postsynaptische Potentiale (IPSP)}}\): Führen zu einer Hyperpolarisation der Membran, sie machen also die Zelle weniger erregbar.
Beide Arten von Potenzialen werden durch unterschiedliche Arten von Ionenkanälen erzeugt, die durch die Bindung der Neurotransmitter an spezifische Rezeptoren geöffnet werden.
Angenommen, du hörst ein lautes Geräusch. Die Sinneszellen in deinem Ohr wandeln diese Schallwellen in elektrische Signale um. Diese werden als Aktionspotential über die Nervenzellen an dein Gehirn weitergeleitet. An den Synapsen kommt es zur Freisetzung von Neurotransmittern, die entweder EPSP oder IPSP in den nachgeschalteten Zellen auslösen. Dies bestimmt, wie dein Gehirn letztendlich auf das Geräusch reagiert.
Unterschiedliche Typen von Postsynaptischen Potentialen
In biologischen Systemen wie dem menschlichen Nervensystem gibt es zwei Haupttypen von Postsynaptischen Potentialen, die dabei helfen, Signale zwischen Nervenzellen zu übertragen. Dabei handelt es sich um die sogenannten inhibitorischen postsynaptischen Potentiale (IPSPs) und die exzitatorischen postsynaptischen Potentiale (EPSPs). Beide Arten spielen eine zentrale Rolle in der Funktionsweise des Nervensystems und zeigen spezifische Eigenschaften auf, die sie für ihre jeweiligen Aufgaben ideal machen.
Inhibitorische Postsynaptische Potentiale
Inhibitorische postsynaptische Potentiale (IPSPs) sind Veränderungen des elektrischen Potentials in einer Nervenzelle, die dazu neigen, die Zelle weniger erregbar zu machen. Sie vermindern die Wahrscheinlichkeit, dass die Zelle ein Aktionspotential auslöst.
IPSPs arbeiten, indem sie den Fluss von \( \text{{negativ geladenen Chlorid-Ionen (Cl^-)}}\) in eine Zelle oder von \( \text{{positiv geladenen Kalium-Ionen (K^+)}}\) aus einer Zelle erhöhen. Dies führt dazu, dass die elektrische Ladung innerhalb der Zelle negativer wird (Hyperpolarisation), was es schwieriger macht, ein Aktionspotential zu erzeugen.
Stell dir vor, eine Zelle bekommt ständig exzitatorische Signale und feuert deshalb unkontrolliert Aktionspotentiale ab. Inhibitorische Potentiale können hier ausgleichend wirken, indem sie die Schwelle, ab wann ein Aktionspotential gefeuert wird, erhöhen. So verhindern sie, dass die Zelle zu erregbar wird und das Gleichgewicht des Systems gestört wird.
Exzitatorische Postsynaptische Potentiale
Exzitatorische postsynaptische Potentiale (EPSPs) sind Veränderungen des elektrischen Potentials in einer Nervenzelle, die dazu neigen, die Zelle erregbarer zu machen. Sie erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass die Zelle ein Aktionspotential auslöst.
EPSPs erzeugen ein erregendes Signal, indem sie die Konzentration von \( \text{{positiv geladenen Natrium-Ionen (Na^+)}}\) in der Zelle erhöhen. Dies führt zu einer geringeren elektrischen Differenz zwischen dem Inneren und Äußeren der Zelle (Depolarisation). Dadurch wird die Zelle eher dazu gebracht, ein Aktionspotential auszulösen.
Stell dir einen Muskel vor, der sich zusammenzieht. Diese Kontraktion wird gesteuert durch Nervenzellen, die EPSPs an ihre synaptisch daran anschließenden Zellen senden. Ohne diese erregenden Signale würde der Muskel nicht auf die entsprechenden Befehle reagieren können.
Erregende und Hemmende Postsynaptische Potentiale
Sowohl erregende als auch hemmende Postsynaptische Potentiale spielen eine entscheidende Rolle bei der Informationsübermittlung im Nervensystem. Sie stellen ein System dar, das auf Balance ausgerichtet ist: Während EPSPs die Zelle dazu bringen, Aktionspotentiale auszusenden und so Informationen weiterzuleiten, sorgen IPSPs dafür, dass die Signalübertragung kontrolliert und moduliert wird, um eine Übererregung der Zellen zu verhindern. Diese Balance wird auch elektrotonische Integration genannt.
| Type des Potentials | Wirkung | Ionen-Bewegung |
| Erregendes postsynaptisches Potential (EPSP) | Macht die Zelle erregbarer | Erhöht \( \text{{Na^+}}\) Konzentration in der Zelle |
| Hemmendes postsynaptisches Potential (IPSP) | Macht die Zelle weniger erregbar | Erhöht \( \text{{Cl^-}}\) Konzentration in der Zelle oder erhöht \( \text{{K^+}}\) Konzentration außerhalb der Zelle |
Es ist wichtig zu beachten, dass die tatsächliche Reaktion einer spezifischen Nervenzelle auf einen Neurotransmitter von vielen Faktoren abhängt, darunter die Art des Neurotransmitters, die Art des Rezeptors, der Zustand der Zelle und die Menge an Neurotransmitter, die freigesetzt wird. Dies ermöglicht eine fein abgestimmte Kontrolle der Informationsübermittlung und -verarbeitung im Nervensystem.
Wirkung von Neurotransmittern auf Postsynaptische Potentiale
Neurotransmitter sind Chemikalien, die für die Übertragung von Signalen im Nervensystem verantwortlich sind. Sie können entweder die Erzeugung von Aktionspotentialen fördern oder hemmen, je nachdem, ob sie an Rezeptoren binden, die exzitatorische oder inhibitorische Postsynaptische Potentiale erzeugen.
Synaptische Übertragung einfach erklärt
Die Übertragung von Informationen von einem Neuron zum nächsten wird als synaptische Übertragung bezeichnet. Es handelt sich um einen komplexen Prozess, der mehrere Schritte umfasst.
Während der synaptischen Übertragung wird ein Aktionspotential, das die präsynaptische Membran erreicht, in ein chemisches Signal umgewandelt, indem es die Freisetzung von Neurotransmittern ausführt. Diese Neurotransmitter wandern durch den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren an der postsynaptischen Membran, was eine Veränderung des elektrischen Potentials innerhalb dieser Zelle auslöst – das Postsynaptische Potential.
Jeder Schritt der synaptischen Übertragung hängt von bestimmten biologischen Strukturen und Prozessen ab. Beispielsweise sind die Membrane von Neuronen mit spezialisierten Molekülen, den sogenannten spannungsabhängigen Ionenkanälen, bestückt. Diese Ionenkanäle öffnen und schließen sich in Reaktion auf Veränderungen des elektrischen Potentials, wodurch Ionen in die Zelle ein- oder aus ihr austreten. Dieser Vorgang ist für die Erzeugung und Weiterleitung von Aktionspotentialen von entscheidender Bedeutung.
Dabei wird durch das Eintreffen eines Aktionspotentials an der präsynaptischen Membran der Einfluss von Calcium-Ionen in die Zelle ermöglicht, was zur Freisetzung der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt führt. Nach der Freisetzung suchen die Neurotransmitter Bindungsstellen an den spezifischen Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran auf, was das Öffnen von Ionenkanälen und somit die Modulation des Membranpotentials zur Folge hat.
Neurotransmission und Postsynaptische Potentiale
Neurotransmitter spielen eine entscheidende Rolle bei der Modulation von Postsynaptischen Potentialen. Ihre Fähigkeit, entweder exzitatorische oder inhibitorische Reaktionen zu erzeugen, hängt davon ab, an welchen Rezeptortyp sie binden.
Exzitatorische Rezeptoren sind Ionenkanäle, die, wenn sie von einem Neurotransmitter aktiviert werden, eine erhöhte Durchlässigkeit für \( \text{{Na^+ Ionen}}\) ermöglichen. Dies führt dazu, dass das Innere der Zelle positiver wird (Depolarisation), was die Wahrscheinlichkeit für das Auslösen eines Aktionspotentials erhöht.
Für den Fall, dass du dir eine Szene vorstellst, in der du zur Bewegung aufgefordert wirst, wie beispielsweise das Laufen. In diesem Fall würden exzitatorische Neurotransmitter an die Rezeptoren der Motoneuronen in den Muskeln binden und ein EPSP auslösen, um die Muskelkontraktion zu initiieren.
Inhibitorische Rezeptoren sind dagegen Ionenkanäle, die, wenn sie von einem Neurotransmitter aktiviert werden, eine erhöhte Durchlässigkeit für \( \text{{Cl^- Ionen}}\) oder \( \text{{K^+ Ionen}}\) bewirken. Dies führt zu einer Hyperpolarisation oder einer verstärkten Negativität des Innern der Zelle, die die Erregbarkeit der Zelle reduziert und so die Wahrscheinlichkeit für das Auslösen eines Aktionspotentials verringert.
Um ein Beispiel für die Aktivität von inhibitorischen Neurotransmittern zu geben: Wenn du versuchst, vor dem Einschlafen zur Ruhe zu kommen, spielen inhibitorische Neurotransmitter eine Schlüsselrolle, indem sie IPSPs in den Neuronen in deinem Gehirn auslösen, um deren Aktivität zu reduzieren und dir zu helfen, dich zu entspannen und einzuschlafen.
Beide Arten von Rezeptoren sind für das reibungslose Funktionieren des Nervensystems unerlässlich. Durch ihre spezifische Aktivierung durch Neurotransmitter wird ein komplexer Prozess gestartet, der letztendlich dazu dient, dass der Körper auf Umweltreize reagieren kann.
Integration und Verrechnung von Postsynaptischen Potentialen
In Neuronen findet eine ständige Verrechnung und Integration von verschiedenen postsynaptischen Potentialen statt. Durch diesen komplexen Prozess wird entschieden, wann und wie ein Aktionspotential ausgelöst wird.
Integration von Postsynaptischen Potentialen
Die Integration von Postsynaptischen Potentialen ist ein wichtiger Prozess, der in den Zellen des Nervensystems stattfindet. Zum einen entscheidet sie darüber, ob genügend exzitatorische Signale vorhanden sind, um die Schwelle für das Feuern eines Aktionspotentials zu erreichen. Zum anderen bestimmt sie, wie inhibitorische Signale das Feuern eines Aktionspotentials beeinflussen können.
Als Integration von Postsynaptischen Potentialen versteht man den Prozess, bei dem ein Neuron die Summe aller erregenden und hemmenden Signale berechnet, die es zu einem bestimmten Zeitpunkt erhält.
Synaptische Integration kann auf zwei Arten stattfinden: räumliche und zeitliche Integration.
- Räumliche Integration: Hierbei handelt es sich um den Prozess, bei dem ein Neuron die Beiträge von vielen verschiedenen Synapsen, die auf seiner Oberfläche verteilt sind, zusammenfasst.
- Zeitliche Integration: Dieser Prozess bezieht sich auf die Art und Weise, wie ein Neuron die Beiträge von Signalen erfasst, die es in schneller Abfolge oder gleichzeitig an der gleichen Synapse erhält.
Konzept der Schwelle und der Erregbarkeit
Ein entscheidender Aspekt bei der Integration von Postsynaptischen Potentialen ist das Konzept der Schwelle. Ein Neuron feuert ein Aktionspotential nur ab, wenn die Summe aller eingehenden exzitatorischen und inhibitorischen Potentiale einen bestimmten Schwellenwert erreicht.
Die Schwelle eines Neurons ist das minimale Membranpotential, das erreicht werden muss, um ein Aktionspotential auszulösen. Es handelt sich also um das Level der Depolarisation, das benötigt wird, um die spannungsabhängigen Natriumkanäle zu öffnen und die Aktivierungsphase des Aktionspotentials einzuleiten.
Je höher das Membranpotential eines Neurons durch EPSPs ansteigt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es ein Aktionspotential auslöst. Auf der anderen Seite kann eine hohe Anzahl von IPSPs das Membranpotential eines Neurons absenken und dadurch die Schwelle für das Auslösen eines Aktionspotentials erhöhen. Dadurch tragen inhibitorische Potentiale dazu bei, das neuronale Feuern zu regulieren und eine übermäßige neuronale Aktivität zu verhindern.
Verrechnung von Postsynaptischen Potentialen
Die Verrechnung von Postsynaptischen Potentialen ist ein weiterer zentraler Aspekt bei der Signalübertragung im Nervensystem. Hierbei wird bestimmt, wie die gleichzeitig eintreffenden erregenden und hemmenden Potentiale miteinander verrechnet werden.
Die Verrechnung von exzitatorischen und inhibitorischen Potenzialen erfolgt durch räumliche und zeitliche Summation. Dabei werden die Potentiale addiert, was schließlich darüber entscheidet, ob das gesamte Potential an einem bestimmten Punkt und zu einem bestimmten Zeitpunkt ausreicht, um das Neuron zum Feuern eines Aktionspotentials anzuregen.
In diesem Prozess spielt die Lokalisation der Synapsen eine entscheidende Rolle. Näher am Axonhügel lokalisierte Synapsen haben demnach einen stärkeren Einfluss auf das Auslösen eines Aktionspotentials als weiter entfernte Synapsen.
Wenn du an einer lauten, belebten Straße stehst und versuchst, das Hupen eines herankommenden Autos zu hören, führt dein Gehirn eine Verrechnung von Postsynaptischen Potentialen durch. Die lauten Hintergrundgeräusche erzeugen eine Reihe von hemmenden Potenzialen, die versuchen, das Signal des hupenden Autos zu übertönen. Gleichzeitig erzeugt das Hupen des Autos erregende Potenziale. Dein Gehirn muss diese Signale entsprechend verrechnen und integrieren, um zu bestimmen, ob du das Hupen hören kannst oder nicht.
Die Prozesse der Integration und Verrechnung von Postsynaptischen Potentialen sind somit unerlässlich, um die Informationsverarbeitung und Signalübertragung in neuronalen Netzwerken zu ermöglichen. Sie ermöglichen eine feinabgestimmte Reaktion auf eine Vielzahl von externen und internen Reizen.
Räumliche und Zeitliche Summation von Lokalen Postsynaptischen Potentialen
Die Integration von inhibitorischen und exzitatorischen Potenzialen in einem Neuron hängt sowohl von der Anzahl der Erregungen oder Hemmungen, die gleichzeitig auftreten, als auch von ihrer zeitlichen Verteilung ab. Dies ist ein zentrales Prinzip bei der Verarbeitung von Informationen in Neuronen und wird als räumliche und zeitliche Summation bezeichnet.
Räumliche Summation von Postsynaptischen Potentialen
Bei der räumlichen Summation werden die Postsynaptischen Potentiale, die an unterschiedlichen Stellen der Membran eines Neurons erzeugt werden, summiert. Hierbei addieren sich die Potentiale auf, je nachdem, ob sie exzitatorisch oder inhibitorisch wirken.
Räumliche Summation ist das Phänomen, bei dem mehrere Postsynaptische Potentiale, die an verschiedenen Orten innerhalb des gleichen Neurons erzeugt werden, gleichzeitig aufsummieren, um die Membranentladung positiv zu beeinflussen und somit die Schwelle für das Auslösen eines Aktionspotentials zu erreichen.
Im Gegensatz dazu führt die gleichzeitige Aktivation verschiedener inhibitorischer Synapsen zu einer Verstärkung der inhibitorischen Wirkung und somit zu einer Verringerung der Wahrscheinlichkeit für das Auslösen eines Aktionspotentials. Das heißt, ob ein Aktionspotential ausgelöst wird oder nicht, hängt davon ab, wie viele exzitatorische und inhibitorische Potentiale gleichzeitig vorhanden sind und wie diese sich in ihrer Summe verhalten.
Ein einfaches Beispiel zur Verdeutlichung der räumlichen Summation: Vergleiche es mit einem Fußballspiel, bei dem jeder Spieler eine Kraft auf den Ball ausübt. Jeder Spieler repräsentiert eine Synapse, und der Ball repräsentiert das Neuron. Angenommen, einige Spieler (Synapsen) drücken den Ball hoch (erregende Potentiale), während andere Spieler versuchen, den Ball nach unten zu drücken (inhibitorische Potentiale). Die Bewegung des Balls hängt ab von der Summe aller Kräfte, die auf ihn einwirken - ähnlich wie bei der räumlichen Summation in einem Neuron.
Zeitliche Summation von Postsynaptischen Potentialen
Während die räumliche Summation die gleichzeitige Addition von Signalen aus verschiedenen Synapsen beschreibt, bezieht sich die zeitliche Summation darauf, dass mehrere schnell hintereinander auftretende Signale an derselben Synapse addiert werden.
Zeitliche Summation ist das Phänomen, bei dem mehrere hintereinander eintreffende Postsynaptische Potentiale einer einzelnen präsynaptischen Nervenzelle, die schnell genug aufeinander folgen, summiert werden. Das kann dazu führen, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird, auch wenn ein einzelnes Signal für sich genommen nicht ausreichend wäre, um die Schwelle zu erreichen.
Der Schlüssel zur zeitlichen Summation liegt in der Tatsache, dass die Postsynaptischen Potentiale nicht sofort verschwinden, sondern eine gewisse Zeit anhalten, bevor sie abklingen. Daher können mehrere kurz hintereinander auftretende Potentiale eine kumulative Wirkung haben und ein Aktionspotential auslösen.
Ein Beispiel für die zeitliche Summation könnte das Klatschen deiner Hände sein. Wenn du einmal klatschst, machst du nur ein leises Geräusch. Aber wenn du schnell hintereinander klatschst, kann das Geräusch deutlich lauter werden. Jeder Klatscher (einzelnes potentielles Signal) trägt zum Gesamtgeräusch (die Summe der Potentiale) bei, wobei das Gesamtgeräusch lauter wird, je mehr du in kurzer Zeit hintereinander klatschst.
Postsynaptische Potentiale im Nervensystem
Postsynaptische Potentiale sind essentielle Komponenten bei der Informationsverarbeitung in Neuronen. Sie bilden die Grundlage für die neuronalen Funktionen aus Gedächtnisbildung und Lernen bis hin zur Motorik und Sinneswahrnehmung. Ohne sie wäre die komplexe Kommunikation zwischen Neuronen, die für fast alle biologischen Funktionen erforderlich ist, nicht möglich.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass erregende und hemmende Postsynaptische Potentiale und ihre Interaktion essentiell für die reibungslose Funktion des Nervensystems sind. Sie ermöglichen uns, auf Umweltreize zu reagieren, uns zu erinnern, zu lernen, zu denken und uns zu bewegen.
Interessanterweise sind Fehlfunktionen und Missbildungen in postsynaptischen Potentialen und synaptischer Übertragung mit mehreren neurologischen und psychischen Störungen verbunden, einschließlich Schizophrenie, Autismus und Alzheimer. Daher ist das Verständnis dieser physiologischen Prozesse nicht nur für den Grundlagenforscher, sondern auch für die Anwendung in der klinischen Praxis relevant.
Postsynaptische Potentiale - Das Wichtigste
- Zwei Haupttypen von Postsynaptischen Potentialen: Inhibitorische Postsynaptische Potentiale (IPSPs) und Exzitatorische Postsynaptische Potentiale (EPSPs)
- IPSPs machen eine Nervenzelle weniger erregbar, vermindern die Wahrscheinlichkeit für Aktionspotentiale
- EPSPs erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotential ausgelöst wird, sie machen die Nervenzelle erregbarer
- Rolle von Neurotransmittern bei der Übertragung von Signalen und Modulation von Postsynaptischen Potentialen
- Prozess der synaptischen Übertragung und dessen Abhängigkeit von biologischen Strukturen und Prozessen
- Integration und Verrechnung von Postsynaptischen Potentialen zur Entscheidung für das Auslösen von Aktionspotentialen
- Räumliche und Zeitliche Summation von Postsynaptischen Potentialen als zentrales Prinzip in der Informationsverarbeitung von Neuronen
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