Die Neurone unseres Gehirns leiten Informationen in Form elektrischer Impulse weiter. Diese Aktionspotenziale passieren eine Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen, die Synapse (von griechisch: sýnapsis = Verbindung). Sobald hier ein Aktionspotenzial eintrifft, schüttet die Zelle Neurotransmitter aus. Diese Botenstoffe wandern dann über den synaptischen Spalt zur benachbarten Zelle und docken an spezialisierte Rezeptorproteine in der Zellmembran an. Bei den Rezeptorproteinen handelt es sich in der Regel um Ionenkanäle, die sich durch die Bindung des Transmitters öffnen und somit elektrisch geladene Partikel in die Zelle ein- oder aus der Zelle ausströmen lassen. Das führt zur Spannungsänderung an der Zellmembran, wodurch wiederum Aktionspotenziale ausgelöst werden können.

Warum so kompliziert? Wäre es nicht viel einfacher, wenn die elektrischen Impulse direkt von Neuron zu Neuron springen würden? Tatsächlich gibt es elektrische Synapsen, bei denen genau das geschieht. Die meisten Synapsen arbeiten jedoch chemisch. Ihr Vorteil: Je nach Neurotransmitter kann die benachbarte Nervenzelle nicht nur erregt, sondern auch gehemmt werden.

Erregende oder exzitatorische (von lateinisch: excitare = heraustreiben, antreiben) Transmitter wie Azetylcholin oder Glutamat bewirken, dass positiv geladene Natriumionen in die nachgeschaltete Nervenzelle fließen und die negative Membranspannung etwas anheben. Treten mehrere solcher kleinen Spannungsänderungen nahezu gleichzeitig auf, wird die Zelle erregt: Sie feuert Aktionspotenziale.

Hemmende oder inhibitorische (von lateinisch: inhibere = hemmen, hindern) Transmitter wie Glycin oder γ-Aminobuttersäure (GABA, von englisch: gammaaminobutyric acid) bewirken das Gegenteil: Binden sie an ihren Rezeptor, so strömen beispielsweise negativ geladene Chloridionen in die Zelle und senken deren Membranspannung noch mehr ab. Das erschwert das Auslösen von Aktionspotenzialen.

Auf ein typisches Neuron prasseln nun die Informationen tausender anderer Nervenzellen ein. Je nachdem, ob mehr erregende oder mehr hemmende Botschaften einlaufen, feuert es oder bleibt stumm – die Gesamtinformation wird also verrechnet.

Kommen wir nun zu unserer Eingangsfrage: Sind die Neurone so spezialisiert, dass sie entweder nur erregende oder nur hemmende Neurotransmitter produzieren? Die Antwort lautet: Jein. Das nach dem britischen Biochemiker und Nobelpreisträger Henry Hallet Dale (1875–1968) benannte Prinzip, gemäß dem eine Nervenzelle nur einen einzigen Neurotransmitter produziert, gilt heute nur noch als Faustregel. Die große Mehrzahl der Neurone – weit über 90 Prozent – hält sich zwar an dieses Ordnungsprinzip; es gibt jedoch durchaus Nervenzellen, die mehrere verschiedene Transmitter ausschütten und damit sowohl hemmend als auch erregend wirken können.

Hinzu kommt, dass sich mitunter die Transmitterwirkung umkehrt, was bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen von Bedeutung sein kann. So entdeckte 2015 ein internationales Forscherteam um Anna Wedell vom Karolinska-Institut in Stockholm und Manju Kurian vom University College London eine Mutation in einem Chloridtransporter, die dazu führt, dass an »hemmenden« Synapsen Chloridionen nicht in die Zelle hineinfließen, sondern aus ihr heraus. Die Zelle wird dadurch erregt – mit fatalen Konsequenzen: Betroffene Kinder leiden unter schwerer Epilepsie.

Einen ähnlichen Mechanismus wiesen im selben Jahr italienische Forscher um Andrea Contestabile und Laura Cancedda vom Istituto Italiano di Tecnologia in Genua nach: Bei Mäusen mit einer genetischen Veränderung, die dem Down-Syndrom des Menschen nahekommt, ist der Fluss von Chloridionen ebenfalls gestört. Auch hier wird die Stromrichtung am GABA-Rezeptor umgekehrt, so dass er seine normale hemmende Wirkung nicht entfalten kann. Werden die gestörten Chloridtransportprozesse pharmakologisch behoben, bessern sich prompt die kognitiven Leistungen der Tiere.

Neuromodulatoren wie Endorphine rütteln ebenfalls am Dale-Prinzip: Diese körpereigenen Stoffe werden an vielen Synapsen zusätzlich zu den Transmittern freigesetzt – und tragen so dazu bei, dass sich die Natur nicht in ein starres Ja-Nein-Schema pressen lässt.