Brainstorming-Aktivitäten im Klassenzimmer

Alle Signale von außen werden von den Dendriten aufgenommen und zum Zellkern weitergeleitet. Wenn ein Reiz am Zellkern eines Neurons ankommt, der das Ruhepotenzial bis zu einem Schwellenwert (etwa -50 mV) verändern kann, wird ein Aktionspotenzial oder Nervenimpuls erzeugt, der sich entlang des Axons ausbreitet.

Die Entstehung des Aktionspotenzials ist mit dem Austausch von Ionen durch einige spannungsgesteuerte Kanäle für Natrium (Na+) und Kalium (K+) verbunden. Natriumkanäle öffnen sich zuerst, wenn das Potenzial den Schwellenwert erreicht, und lassen Ionen in die Zelle, die negativ ist, wodurch die Membran schnell depolarisiert wird. Der Einstrom von Natriumionen in die Membran verursacht eine Umkehrung der Polarität: innerhalb der Membran gibt es nun einen Überschuss an positiver Ladung und außerhalb einen Mangel an positiver Ladung. Auf diese Weise depolarisiert die Membran, bis sie ein Potenzial von +50 mV annimmt, den Maximalwert des Aktionspotenzials.

Der Zustand der Depolarisation dauert jedoch nur 1 bis 2 Millisekunden.

Danach schließen sich mit der Zeit die spannungsgesteuerten Natriumkanäle und die spannungsgesteuerten Kaliumkanäle öffnen sich. Letztere öffnen sich langsamer und bleiben länger geöffnet: Die K+-Ionen strömen aus der Membran heraus, die beginnt zu repolarisieren und das Potenzial wieder auf einen negativen Wert bringt. Der K+-Strom hält an und erzeugt eine Phase der Hyperpolarisation, wobei das Potenzial negativer wird als das Ruhepotenzial. Schließlich schließen sich alle spannungsgesteuerten Kanäle und die Aktivität der Natrium-Kalium-Pumpe wird wieder aufgenommen, wodurch das Ruhepotenzial der Plasmamembran wiederhergestellt wird. Die Amplitude (etwa +50 mV) und die Dauer (etwa 2 Millisekunden) des Aktionspotenzials sind festgelegt, d.h. sie hängen nicht von der Stärke der Erregung ab.

Das elektrische Signal, das sich durch das Neuron ausbreitet und dann an nachfolgende Neuronen übertragen wird, führt die folgende Abfolge äußerst schneller Ereignisse aus:

• Der elektrische Reiz, der vom Zellkern verarbeitet wird, bewirkt das Öffnen spannungsgesteuerter Natriumkanäle in einem Segment nahe dem Zellkern; wenn der Schwellenwert erreicht wird, wird das erste Aktionspotenzial erzeugt.
• Die Depolarisation breitet sich entlang des Axons aus und bewirkt das Öffnen spannungsgesteuerter Natriumkanäle in benachbarten Membranbereichen; folglich wird ein zweites Aktionspotenzial erzeugt, das wiederum ein drittes erzeugt und so weiter.
• Gleichzeitig öffnen sich in dem Bereich, der zuerst depolarisiert wurde, spannungsgesteuerte Kaliumkanäle und bringen die Membran wieder zum Ruhepotenzial zurück.
• Potenziale breiten sich nur in eine Richtung aus, da die spannungsgesteuerten Natriumkanäle nach dem Schließen eine Refraktärzeit durchlaufen, in der sie nicht erneut geöffnet werden können.

Ausbreitung des Aktionspotenzials entlang eines nicht myelinisierten Axons: Video unter: Ausbreitung des Aktionspotenzials in einem nicht myelinisierten Axon - Animierte medizinische Physiologie - YouTube

Nervenfasern, die mit einer Myelinscheide umgeben sind, sind wasserundurchlässiger, da die Scheide als elektrischer Isolator wirkt: Folglich erfolgt die Depolarisation und Ausbreitung des Aktionspotenzials nur in den Abschnitten, in denen sie nicht vorhanden ist, den sogenannten Ranvier'schen Schnürringen. Das Nervensignal „springt“ von einem Schnürring zum nächsten mit einer höheren Geschwindigkeit als bei nicht myelinisierten Fasern.

Denken wir gemeinsam darüber nach: Die Übertragung des elektrischen Signals zuerst in einem Neuron und später zu anderen Neuronen ist schnell und präzise. Die Übertragungsgeschwindigkeit und die Genauigkeit der Information sind entscheidende Faktoren, um alle menschlichen Aktivitäten korrekt auszuführen. Wenn etwas in diesem wunderbaren Mechanismus blockiert oder stoppt und eine neurologische Erkrankung verursacht, ist die Auswirkung auf die Lebensqualität der betroffenen Personen verheerend. Die Forschung zu den Funktionsprinzipien der neuronalen Signalübertragung ist die Grundlage der fortschrittlichsten Neurotechnologien, die elektrische Stimulation als Therapie nutzen. Hast du schon einmal gehört, dass Elektroden bei gelähmten Patienten angewendet wurden, die wieder laufen konnten?