Synapse

Eine Synapse ist die Stelle, an der eine Nervenzelle ihr Signal an eine andere Zelle weitergibt. Bei den meisten Synapsen berühren sich die beiden Zellen dabei nicht. Zwischen ihnen bleibt ein Spalt von etwa 20 Millionstel Millimetern. Über diesen Spalt springt kein Strom. Stattdessen werden Botenstoffe ausgeschüttet, die auf der anderen Seite andocken und dort ein neues Signal auslösen oder unterdrücken. Mehr als 100 Billionen solcher Kontaktstellen hat ein erwachsenes Gehirn, und alles, was wir lernen, verändert einige davon.

Das Wort hat der englische Physiologe Charles Sherrington 1897 geprägt. Es kommt aus dem Griechischen. "Syn" heißt zusammen und "haptein" greifen oder fassen. Zu der Zeit war noch umstritten, ob das Nervensystem ein durchgehendes Netz ist oder aus einzelnen Zellen besteht. Sherrington hat auf einzelne Zellen gesetzt, die sich an Kontaktstellen "zusammenfassen", und er hat recht behalten. Den Spalt selbst kann man im Lichtmikroskop kaum erkennen. Sichtbar wird er erst im Elektronenmikroskop.

Was in wenigen Tausendstelsekunden passiert

Die Übergabe an einer chemischen Synapse dauert nur wenige Millisekunden, und sie läuft immer nach demselben Schema. Auf der Senderseite, der präsynaptischen Endigung, warten kleine Bläschen, die mit Botenstoff gefüllt sind. Auf der Empfängerseite sitzen Rezeptoren. Das sind Eiweißmoleküle, die auf genau diesen Botenstoff passen wie ein Schloss auf den Schlüssel.

Eine Übergabe, Schritt für Schritt

Ob die Empfängerzelle danach selbst feuert, entscheidet sie nicht an einer Synapse, sondern an allen zusammen. Eine Nervenzelle kann Signale von bis zu 200.000 Synapsen empfangen, erregende und hemmende, und zählt sie zusammen. Erst wenn die Summe eine Schwelle überschreitet, feuert sie. Das neuronale Netz des Gehirns ist deshalb kein Netz aus Kabeln, sondern eines aus Abstimmungen.

Erregend, hemmend und die Botenstoffe

Welche Wirkung eine Synapse hat, bestimmt ihr Botenstoff. Zu den häufigsten gehören Glutamat, das die Empfängerzelle erregt, und GABA, das sie hemmt. Weitere bekannte Botenstoffe sind Dopamin, Serotonin, Acetylcholin und Noradrenalin. Wie viele es insgesamt gibt, weiß niemand genau. Bekannt sind mehr als 100.

Weil die meisten Synapsen chemisch arbeiten, setzen hier viele Medikamente, Drogen und Gifte an, die auf das Nervensystem wirken.

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Warum Synapsen sich verändern

Die wichtigste Eigenschaft einer Synapse ist, dass sie nicht bleibt, wie sie ist. Sie kann ihre Stärke ändern, also wie gut sie ein Signal weitergibt. Manche Änderungen halten nur Millisekunden bis Minuten, andere Stunden oder vielleicht ein Leben lang. Der kanadische Psychologe Donald Hebb hat 1949 beschrieben, dass eine Verbindung stärker wird, wenn eine Zelle eine andere immer wieder erregt. Später hat man das auf eine griffige Formel gebracht. Zellen, die zusammen feuern, verdrahten sich zusammen.

Diese Neuroplastizität ist eine Grundlage von Gedächtnis und Lernen, und sie ist der Grund, warum Üben funktioniert.

Genau dieses Prinzip haben die neuronalen Netze der Informatik übernommen, allerdings in einer sehr vereinfachten Form. Dort ist die Synapse eine Zahl.

Die Ähnlichkeit reicht für erstaunliche Ergebnisse, bis hin zur Frage nach einer allgemeinen künstlichen Intelligenz. Der Unterschied bleibt trotzdem groß. Ein Gehirn baut seine Synapsen ein Leben lang um, während ein künstliches Netz nach dem Training so bleibt, wie es ist.