Aktionspotential: die Botschaft der Neuronen

Das Aktionspotential ist ein kurzzeitiges elektrisches oder chemisches Phänomen, das in den Neuronen unseres Gehirns auftritt. Es kann gesagt werden, dass es die Nachricht ist, die an andere Neuronen übertragen wird.

Es wird im Körper der Zelle (Kern) produziert, auch Soma genannt. Es durchläuft das gesamte Axon (Verlängerung des Neurons, ähnlich einem Kabel), bis es sein Ende erreicht, das als Endknopf bezeichnet wird.

Die Aktionspotentiale in einem gegebenen Axon haben immer die gleiche Dauer und Intensität. Wenn sich das Axon in andere Extensionen verzweigt, wird das Aktionspotential geteilt, aber seine Intensität wird nicht verringert.

Wenn das Aktionspotential die Endknöpfe des Neurons erreicht, scheiden sie Chemikalien aus, die als Neurotransmitter bezeichnet werden. Diese Substanzen erregen oder hemmen das sie aufnehmende Neuron und können in diesem ein Aktionspotential erzeugen.

Vieles, was über das Aktionspotential von Neuronen bekannt ist, stammt aus Experimenten mit Riesenkalmar-Axonen. Aufgrund seiner Größe ist es leicht zu studieren, da es sich vom Kopf bis zum Schwanz erstreckt. Sie dienen dazu, dass sich das Tier bewegen kann.

Neuronales Membranpotential

Neuronen haben in sich andere elektrische Ladungen als außerhalb. Dieser Unterschied wird Membranpotential genannt .

Wenn sich ein Neuron im Ruhepotential befindet, bedeutet dies, dass seine elektrische Ladung nicht durch exzitatorische oder inhibitorische synaptische Potentiale verändert wird.

Im Gegensatz dazu kann das Membranpotential verringert werden, wenn andere Potentiale es beeinflussen. Dies ist als Depolarisation bekannt .

Oder im Gegensatz dazu tritt ein Phänomen auf, das als Hyperpolarisation bezeichnet wird, wenn das Membranpotential in Bezug auf sein Normalpotential ansteigt.

Wenn eine sehr schnelle Inversion des Membranpotentials plötzlich auftritt, ist ein Aktionspotential gegeben. Dies besteht aus einem kurzen elektrischen Impuls, der in die Botschaft übersetzt wird, die durch das Axon des Neurons wandert. Es beginnt im Zellkörper und erreicht die Terminalknöpfe.

Es ist wichtig zu beachten, dass elektrische Änderungen eine Schwelle erreichen müssen, die als Erregungsschwelle bezeichnet wird, damit ein Aktionspotenzial auftritt. Es ist der Wert des Membranpotentials, der unbedingt erreicht werden muss, damit das Aktionspotential auftritt.

Aktionspotentiale und Änderungen der Ionenspiegel

Unter normalen Bedingungen ist das Neuron darauf vorbereitet, Natrium (Na +) darin aufzunehmen. Seine Membran ist jedoch für dieses Ion nicht sehr durchlässig.

Darüber hinaus hat es die bekannten "Natrium-Kalium-Transporter", ein Protein in der Zellmembran, das für die Entfernung von Natriumionen und die Einführung von Kaliumionen verantwortlich ist. Geben Sie insbesondere für jeweils 3 extrahierte Natriumionen zwei Kaliumionen ein.

Diese Transporter halten einen niedrigen Natriumspiegel in der Zelle aufrecht. Wenn die Permeabilität der Zelle zunimmt und eine größere Menge Natrium plötzlich eintritt, ändert sich das Membranpotential radikal. Anscheinend löst dies ein Aktionspotential aus.

Insbesondere würde die Permeabilität der Membran für Natrium erhöht und diese in das Neuron eintreten. Gleichzeitig würde dies den Kaliumionen erlauben, die Zelle zu verlassen.

Wie kommt es zu diesen Permeabilitätsänderungen?

Die Zellen haben zahlreiche Proteine, sogenannte Ionenkanäle, in ihre Membran eingebettet. Diese haben Öffnungen, durch die die Ionen in die Zellen eintreten oder diese verlassen können, obwohl sie nicht immer offen sind. Die Kanäle werden je nach Ereignissen geschlossen oder geöffnet.

Es gibt mehrere Arten von Ionenkanälen, und jeder ist normalerweise darauf spezialisiert, ausschließlich bestimmte Arten von Ionen anzutreiben.

Zum Beispiel kann ein offener Natriumkanal mehr als 100 Millionen Ionen pro Sekunde passieren lassen.

Wie entstehen Aktionspotentiale?

Neuronen übertragen Informationen elektrochemisch. Dies bedeutet, dass Chemikalien elektrische Signale erzeugen.

Diese Chemikalien sind elektrisch geladen, weshalb sie als Ionen bezeichnet werden. Die wichtigsten im Nervensystem sind Natrium und Kalium, die eine positive Ladung haben. Neben Calcium (2 positive Ladungen) und Chlor (eine negative Ladung).

Änderungen im Membranpotential

Der erste Schritt für das Auftreten eines Aktionspotentials ist eine Änderung des Membranpotentials der Zelle. Diese Änderung muss die Erregungsschwelle überschreiten.

Insbesondere kommt es zu einer Verringerung des Membranpotentials, die als Depolarisation bezeichnet wird.

Öffnung von Natriumkanälen

In der Folge öffnen sich die in der Membran eingebetteten Natriumkanäle, so dass Natrium massiv in das Neuron eindringen kann. Diese werden durch Diffusions- und elektrostatische Druckkräfte angetrieben.

Da Natriumionen positiv geladen sind, bewirken sie eine schnelle Änderung des Membranpotentials.

Öffnung der Kaliumkanäle

Die Axonmembran hat sowohl Natrium- als auch Kaliumkanäle. Letztere öffnen sich jedoch später, weil sie weniger empfindlich sind. Das heißt, sie brauchen ein höheres Maß an Depolarisation, um sich zu öffnen, und deshalb öffnen sie sich später.

Verschluss von Natriumkanälen

Es kommt eine Zeit, in der das Aktionspotential seinen Maximalwert erreicht. Nach dieser Zeit sind die Natriumkanäle blockiert und geschlossen.

Sie können nicht mehr geöffnet werden, bis die Membran wieder das Ruhepotential erreicht. Infolgedessen kann kein Natrium mehr in das Neuron gelangen.

Verschluss von Kaliumkanälen

Die Kaliumkanäle bleiben jedoch offen. Dadurch können Kaliumionen durch die Zelle fließen.

Aufgrund der Diffusion und des elektrostatischen Drucks werden die Kaliumionen aus der Zelle gedrückt, da das Innere des Axons positiv geladen ist.

Damit gewinnt das Membranpotential seinen gewohnten Wert zurück. Nach und nach schließen sich die Kaliumkanäle.

Dieser Kationenausstoß bewirkt, dass das Membranpotential seinen normalen Wert wiedererlangt. In diesem Fall beginnen sich die Kaliumkanäle wieder zu schließen.

In dem Moment, in dem das Membranpotential seinen normalen Wert erreicht, schließen sich die Kaliumkanäle vollständig. Etwas später werden die Natriumkanäle reaktiviert und bereiten sich auf eine weitere Depolarisation vor, um sie zu öffnen.

Schließlich scheiden die Natrium-Kalium-Transporter das eingedrungene Natrium aus und gewinnen das zuvor verbliebene Kalium zurück.

Wie wird die Information vom Axon verbreitet?

Das Axon besteht aus einem Teil des Neurons, einer Verlängerung desselben ähnlich einem Kabel. Sie können sehr lang sein, damit sich weit entfernte Neuronen verbinden und Informationen senden können.

Das Aktionspotential breitet sich entlang des Axons aus und erreicht die Terminalknöpfe, um Nachrichten an die nächste Zelle zu senden.

Wenn wir die Intensität des Aktionspotentials aus verschiedenen Bereichen des Axons messen würden, würden wir feststellen, dass seine Intensität in allen Bereichen gleich bleibt.

Gesetz von allem oder nichts

Dies geschieht, weil die axonale Leitung einem Grundgesetz folgt: dem Gesetz von allem oder nichts. Das heißt, ein Aktionspotential ist gegeben oder nicht gegeben. Sobald es beginnt, wandert es durch das Axon bis zum Äußersten, wobei es immer die gleiche Größe beibehält, nicht zunimmt oder abnimmt. Wenn sich ein Axon verzweigt, wird das Aktionspotential geteilt, aber es behält seine Größe bei.

Die Aktionspotentiale beginnen am Ende des Axons, das an das Soma des Neurons gebunden ist. Normalerweise bewegen sie sich nur in eine Richtung.

Handlungs- und Verhaltenspotentiale

Möglicherweise fragen Sie sich an dieser Stelle: Wenn das Aktionspotenzial ein Alles-oder-Nichts-Prozess ist, wie kommt es zu bestimmten Verhaltensweisen wie Muskelkontraktionen, die zwischen verschiedenen Intensitätsstufen variieren können? Dies geschieht aufgrund des Frequenzgesetzes.

Gesetz der Frequenz

Was passiert ist, dass ein einzelnes Aktionspotential keine direkten Informationen liefert. Stattdessen wird die Information durch die Häufigkeit der Entladung oder die Feuerrate eines Axons bestimmt. Das heißt, die Häufigkeit, in der die Aktionspotentiale auftreten. Dies ist als "Gesetz der Frequenz" bekannt.

Eine hohe Frequenz von Aktionspotentialen würde daher zu einer sehr intensiven Muskelkontraktion führen.

Das gleiche passiert mit der Wahrnehmung. Beispielsweise muss ein sehr heller visueller Reiz, der erfasst werden soll, eine hohe "Feuerrate" in den Axonen erzeugen, die an den Augen haften. Auf diese Weise spiegelt die Frequenz der Aktionspotentiale die Intensität eines physikalischen Reizes wider.

Daher wird das Gesetz von allem oder nichts durch das Gesetz der Häufigkeit ergänzt.

Andere Formen des Informationsaustauschs

Aktionspotentiale sind nicht die einzigen Arten von elektrischen Signalen, die in Neuronen auftreten. Wenn Sie beispielsweise Informationen über eine Synapse senden, erhält die Membran des Neurons, das die Daten empfängt, einen kleinen elektrischen Impuls.

In bestimmten Fällen kann eine leichte Depolarisation, die zu schwach ist, um ein Aktionspotential zu erzeugen, das Membranpotential geringfügig verändern.

Diese Änderung wird jedoch auf dem Weg durch das Axon nach und nach verringert. Bei dieser Art der Informationsübertragung werden weder die Natrium- noch die Kaliumkanäle geöffnet oder geschlossen.

Somit wirkt das Axon als Unterwasserkabel. Wenn das Signal von ihm übertragen wird, nimmt seine Amplitude ab. Dies ist als abnehmende Leitung bekannt und tritt aufgrund der Eigenschaften des Axons auf.

Aktionspotentiale und Myelin

Die Axone fast aller Säugetiere sind mit Myelin bedeckt. Das heißt, sie haben Segmente, die von einer Substanz umgeben sind, die die Nervenleitung ermöglicht, wodurch sie schneller wird. Myelin wickelt sich um das Axon, ohne dass die extrazelluläre Flüssigkeit es erreicht.

Myelin wird im Zentralnervensystem von Zellen produziert, die als Oligodendrozyten bezeichnet werden. Während es im peripheren Nervensystem von Schwannschen Zellen produziert wird.

Die als Myelinscheiden bezeichneten Myelinsegmente werden durch unbedeckte Bereiche des Axons unterteilt. Diese Bereiche werden Ranvier-Knötchen genannt und stehen mit der extrazellulären Flüssigkeit in Kontakt.

Das Aktionspotential wird in einem nichtmyelinisierten Axon (das nicht von Myelin bedeckt ist) anders übertragen als in einem myelinisierten.

Das Aktionspotential kann sich aufgrund der Eigenschaften des Kabels durch die mit Myelin bedeckte axonale Membran bewegen. Das Axon leitet auf diese Weise die elektrische Änderung von dem Ort, an dem das Aktionspotential auftritt, zu dem nächsten Ranvier-Knoten.

Diese Änderung ist geringfügig reduziert, aber intensiv genug, um im nächsten Knoten ein Aktionspotential hervorzurufen. Dann wird dieses Potential in jedem Knoten von Ranvier erneut ausgelöst oder wiederholt und durch die myelinisierte Zone zum nächsten Knoten transportiert.

Diese Art der Weiterleitung von Aktionspotentialen nennt man Saltation Conduction. Sein Name kommt vom lateinischen "saltare", was "tanzen" bedeutet. Das Konzept ist, weil der Impuls von Knoten zu Knoten zu springen scheint.

Vorteile der Salzleitung zur Übertragung von Aktionspotentialen

Diese Art des Fahrens hat seine Vorteile. Erstens, um Energie zu sparen. Natrium-Kalium-Transporter verbrauchen viel Energie, um überschüssiges Natrium während der Aktionspotentiale aus dem Axon zu extrahieren.

Diese Natrium-Kalium-Transporter befinden sich in Bereichen des Axons, die nicht mit Myelin bedeckt sind. In einem myelinisierten Axon kann Natrium jedoch nur in Ranvier-Knötchen gelangen. Daher tritt viel weniger Natrium ein und aus diesem Grund muss weniger Natrium nach außen gepumpt werden. Die Natrium-Kalium-Transporter müssen also weniger arbeiten.

Ein weiterer Vorteil von Myelin ist, wie schnell. In einem myelinisierten Axon wird ein Aktionspotential schneller getrieben, da der Impuls von einem Knoten zum anderen "springt", ohne das gesamte Axon durchlaufen zu müssen.

Durch diese Geschwindigkeitssteigerung denken und reagieren die Tiere schneller. Andere Lebewesen wie der Tintenfisch haben Axone ohne Myelin, die durch eine Zunahme ihrer Größe an Geschwindigkeit gewinnen. Die Axone des Tintenfischs haben einen großen Durchmesser (ca. 500 μm), wodurch sie sich schneller fortbewegen können (ca. 35 Meter pro Sekunde).

Bei gleicher Geschwindigkeit bewegen sich jedoch die Aktionspotentiale in den Axonen von Katzen, obwohl sie einen Durchmesser von nur 6 µm haben. Was passiert ist, dass diese Axone Myelin enthalten.

Ein myelinisiertes Axon kann mit einer Geschwindigkeit von ca. 432 Stundenkilometern bei einem Durchmesser von 20 μm zu Aktionspotentialen führen.