Postsynaptische Leitwertänderungen und die damit einhergehenden Potentialänderungen verändern die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotential in der postsynaptischen Zelle entsteht. An der neuromuskulären Verbindungsstelle erhöht die synaptische Aktion die Wahrscheinlichkeit, dass in der postsynaptischen Muskelzelle ein Aktionspotential entsteht; die große Amplitude des EPP sorgt nämlich dafür, dass immer ein Aktionspotential ausgelöst wird. An vielen anderen Synapsen verringern PSPs tatsächlich die Wahrscheinlichkeit, dass die postsynaptische Zelle ein Aktionspotenzial erzeugt. PSPs werden exzitatorisch (oder EPSPs) genannt, wenn sie die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines postsynaptischen Aktionspotentials erhöhen, und inhibitorisch (oder IPSPs), wenn sie diese Wahrscheinlichkeit verringern. Da die meisten Neuronen Eingänge sowohl von erregenden als auch von hemmenden Synapsen erhalten, ist es wichtig, die Mechanismen genauer zu verstehen, die bestimmen, ob eine bestimmte Synapse ihren postsynaptischen Partner erregt oder hemmt.
Die Prinzipien der Erregung, die gerade für die neuromuskuläre Verbindung beschrieben wurden, sind für alle erregenden Synapsen relevant. Die Prinzipien der postsynaptischen Hemmung sind ähnlich wie die der Erregung und ebenfalls allgemein. In beiden Fällen öffnen oder schließen Neurotransmitter, die an Rezeptoren binden, Ionenkanäle in der postsynaptischen Zelle. Ob eine postsynaptische Reaktion ein EPSP oder ein IPSP ist, hängt von der Art des Kanals ab, der an den Rezeptor gekoppelt ist, sowie von der Konzentration der permeablen Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle. Tatsächlich ist der einzige Faktor, der postsynaptische Erregung von Hemmung unterscheidet, das Umkehrpotential des PSP im Verhältnis zur Schwellenspannung für die Erzeugung von Aktionspotentialen in der postsynaptischen Zelle.
Betrachten wir zum Beispiel eine neuronale Synapse, die Glutamat als Transmitter verwendet. Viele solcher Synapsen haben Rezeptoren, die, wie die ACh-Rezeptoren an neuromuskulären Synapsen, Ionenkanäle öffnen, die nicht selektiv für Kationen durchlässig sind. Wenn diese Glutamatrezeptoren aktiviert sind, fließen sowohl Na+ als auch K+ über die postsynaptische Membran. Das Umkehrpotential (Erev) für den postsynaptischen Strom liegt bei ca. 0 mV, während das Ruhepotential der Neuronen ca. -60 mV beträgt. Das resultierende EPSP depolarisiert das postsynaptische Membranpotential und bringt es in Richtung 0 mV. Für das in Abbildung 7.6A dargestellte Neuron liegt die Schwellenspannung des Aktionspotentials bei -40 mV. Somit erhöht das EPSP die Wahrscheinlichkeit, dass das postsynaptische Neuron ein Aktionspotential erzeugt und definiert diese Synapse als erregend.
Abbildung 7.6
Umkehrpotentiale und Schwellenpotentiale bestimmen postsynaptische Erregung und Hemmung. (A) Ist das Umkehrpotential für ein PSP (0 mV) positiver als die Aktionspotentialschwelle (-40 mV), ist die Wirkung eines Transmitters erregend, und (mehr…)
Als Beispiel für eine hemmende postsynaptische Wirkung betrachten wir eine neuronale Synapse, die GABA als Transmitter verwendet. An solchen Synapsen öffnen die GABA-Rezeptoren typischerweise Kanäle, die selektiv durchlässig für Cl- sind. Wenn sich diese Kanäle öffnen, können negativ geladene Chlorid-Ionen durch die Membran fließen. Nehmen Sie an, dass das postsynaptische Neuron ein Ruhepotential von -60 mV und eine Aktionspotentialschwelle von -40 mV hat, wie im vorherigen Beispiel. Wenn ECl -70 mV beträgt, wie es für viele Neuronen typisch ist, wird die Transmitterfreisetzung an dieser Synapse die postsynaptische Zelle hemmen (weil ECl negativer ist als die Aktionspotentialschwelle). In diesem Fall führt die elektrochemische Antriebskraft (Vm – Erev) dazu, dass Cl- in die Zelle fließt, was eine nach außen gerichtete PSC (weil Cl- negativ geladen ist) und folglich ein hyperpolarisierendes IPSP erzeugt (Abbildung 7.6B). Da ECl negativer als der Schwellenwert des Aktionspotentials ist, hält die Leitwertänderung, die durch die Bindung von GABA entsteht, das postsynaptische Membranpotential negativer als den Schwellenwert, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass die postsynaptische Zelle ein Aktionspotential auslöst.
Allerdings erzeugen nicht alle inhibitorischen Synapsen hyperpolarisierende IPSPs. Wäre ECl in dem gerade beschriebenen Neuron beispielsweise -50 mV statt -70 mV, dann wäre die Synapse immer noch inhibitorisch, weil das Umkehrpotential des IPSPs negativer bleibt als die Aktionspotentialschwelle (-40 mV). Da die elektrochemische Antriebskraft nun aber Cl- aus der Zelle fließen lässt, ist das IPSP tatsächlich depolarisierend (Abbildung 7.6C). Dennoch hemmt dieses depolarisierende IPSP die postsynaptische Zelle, weil das Membranpotential der Zelle negativer gehalten wird als das Schwellenpotential für die Aktionspotentialinitiierung. Eine andere Möglichkeit, sich diese Besonderheit vorzustellen, ist, dass, wenn ein anderer depolarisierender Eingang das Ruhepotential der Zelle auf -41 mV bringen würde, also knapp unter dem Schwellenwert für die Auslösung eines Aktionspotentials, die Öffnung dieser GABA-aktivierten Kanäle zu einem hyperpolarisierenden Strom führen würde, der das Membranpotential näher an -50 mV, das Umkehrpotential für diese Kanäle, bringt. Während EPSPs also die postsynaptische Zelle depolarisieren, können IPSPs hyperpolarisieren oder depolarisieren; eine hemmende Leitwertänderung kann sogar überhaupt keine Potenzialänderung hervorrufen und trotzdem eine hemmende Wirkung ausüben.
Obwohl die Einzelheiten der postsynaptischen Wirkung komplex sein können, gibt es eine einfache Regel, die postsynaptische Erregung von Hemmung unterscheidet: Ein EPSP hat ein Umkehrpotenzial, das positiver ist als die Schwelle des Aktionspotenzials, während ein IPSP ein Umkehrpotenzial hat, das negativer ist als die Schwelle (Abbildung 7.6D). Intuitiv lässt sich diese Regel so verstehen, dass ein EPSP dazu neigt, das Membranpotenzial so zu depolarisieren, dass es den Schwellenwert überschreitet, während ein IPSP immer dazu führt, dass das Membranpotenzial negativer als das Schwellenpotenzial bleibt.