Aktionspotential und Reizcodierung

Das Aktionspotential simpleclub und andere Lehrquellen erklären, wie Nervenzellen Reize kodieren und weiterleiten.

Entstehung und Ablauf des Aktionspotentials

Ein Aktionspotential entsteht in folgenden Schritten:

1. Ausgangszustand (Ruhepotential bei -70 mV):

   • Extrazellulär befinden sich hauptsächlich Na⁺- und Cl⁻-Ionen
   • Intrazellulär befinden sich K⁺-Ionen und organische Anionen
   • K⁺-Kanäle sind offen, spannungsabhängige Na⁺- und K⁺-Kanäle sind geschlossen

2. Reizaufnahme und Schwellenpotential:

   • Ein Reiz trifft am Axonhügel ein
   • Spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle öffnen sich
   • Na⁺-Ionen strömen ins Zellinnere
   • Bei Erreichen des Schwellenwerts (-50 mV) wird das Aktionspotential ausgelöst

3. Vollständige Depolarisation:

   • Mehr Na⁺-Kanäle öffnen sich (positive Rückkopplung)
   • Die Membran wird bis auf +30 mV depolarisiert
   • Na⁺-Kanäle werden nach etwa 1 ms inaktiviert
   • K⁺-Kanäle öffnen sich zeitverzögert

Wichtiges Merkmal: Das Aktionspotential folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip - entweder wird es vollständig ausgelöst oder gar nicht. Die Stärke eines Reizes wird nicht durch die Amplitude des Aktionspotentials, sondern durch die Frequenz der Aktionspotentiale kodiert.

Reizcodierung im Nervensystem

Die Reizcodierung erfolgt durch:

• Frequenzmodulation: Stärkere Reize erzeugen höhere Frequenzen von Aktionspotentialen
• Populationscode: Die Anzahl der aktivierten Nervenzellen kodiert die Reizintensität
• Zeitliche Präzision: Der exakte Zeitpunkt der Aktionspotentiale kann Information tragen

Diese Mechanismen ermöglichen es dem Nervensystem, eine enorme Bandbreite an sensorischen Informationen zu verarbeiten und weiterzuleiten.

Weitere Aspekte der synaptischen Übertragung

Die synaptische Übertragung ist ein komplexer Prozess mit vielen Facetten, die für die Funktion des Nervensystems entscheidend sind.

Proportionalität und Kodierung

Die synaptische Signalübertragung hat mehrere wichtige Eigenschaften:

• Das postsynaptische Potenzial (PSP) ist proportional zur ausgeschütteten Transmittermenge
• Bei Acetylcholin handelt es sich um ein erregendes (exzitatorisches) postsynaptisches Potenzial (EPSP)
• Eine überschwellige Depolarisation führt zur Bildung eines Aktionspotentials in der postsynaptischen Zelle
• Die Stärke eines Reizes wird durch die Frequenz der Aktionspotentiale und die Menge des ausgeschütteten Neurotransmitters kodiert

Verschiedene Arten von Synapsen

Es gibt verschiedene Arten von Synapsen im Nervensystem:

• Chemische Synapsen: Nutzen Neurotransmitter zur Signalübertragung (wie hier beschrieben)
• Elektrische Synapsen: Direkte Übertragung elektrischer Signale durch Gap Junctions
• Erregende (exzitatorische) Synapsen: Lösen Depolarisation in der Postsynapse aus
• Hemmende (inhibitorische) Synapsen: Bewirken Hyperpolarisation in der Postsynapse

Praktische Anwendung: Das Verständnis der synaptischen Übertragung hat zur Entwicklung zahlreicher Medikamente geführt, die bei neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen eingesetzt werden. Diese Medikamente greifen in verschiedene Phasen der synaptischen Übertragung ein, um die Neurotransmitterkonzentration oder -wirkung zu modifizieren.

Der synaptische Energiekreislauf

Die synaptische Übertragung ist ein energieaufwendiger Prozess:

• ATP wird für die Natrium-Kalium-Pumpe benötigt
• Energie wird für die Synthese von Neurotransmittern verbraucht
• Die Exocytose und das Recycling der Vesikel erfordern Energie

Dies erklärt, warum das Gehirn, obwohl es nur etwa 2% der Körpermasse ausmacht, etwa 20% des Gesamtenergieverbrauchs des Körpers beansprucht.

Räumliche und zeitliche Summation

Die Summation von Signalen ist ein grundlegender Mechanismus zur Integration von Informationen im Nervensystem.

Arten der Summation

Räumliche Summation

Die räumliche Summation beschreibt die Addition von Signalen, die gleichzeitig von verschiedenen Synapsen eintreffen:

• EPSPs und IPSPs von verschiedenen Synapsen werden am Axonhügel zusammengerechnet
• Bei überwiegend exzitatorischen Einflüssen kann das Schwellenpotential überschritten werden
• Dies führt zur Auslösung eines Aktionspotentials
• Die räumliche Summation ermöglicht die Integration von Signalen aus verschiedenen Quellen

Zeitliche Summation

Die zeitliche Summation beschreibt die Addition von Signalen, die kurz nacheinander an derselben Synapse eintreffen:

• Wenn ein einzelnes EPSP unterschwellig ist, löst es kein Aktionspotential aus
• Treffen jedoch mehrere EPSPs kurz nacheinander ein, können sie sich zu einem überschwelligen Potenzial addieren
• Dies ermöglicht die Erkennung von Signalmustern und -sequenzen

Praxisrelevanz: Die Kombination aus räumlicher und zeitlicher Summation erlaubt es dem Nervensystem, komplexe Informationsmuster zu erkennen und zu verarbeiten. Dies ist die Grundlage für höhere kognitive Funktionen wie Lernen und Gedächtnis.

Abschwächung von Aktionspotentialen

Ein wichtiger Aspekt der Signalverarbeitung ist die Abschwächung von Signalen mit zunehmender Entfernung:

• Je weiter eine Synapse vom Axonhügel entfernt ist, desto schwächer ist das dort ankommende Signal
• Dies liegt daran, dass das postsynaptische Potenzial passiv (ohne spannungsabhängige Ionenkanäle) weitergeleitet wird
• Die passive Weiterleitung führt zu einer Abschwächung des Signals mit zunehmender Distanz
• Dieses Phänomen sorgt dafür, dass näher am Axonhügel gelegene Synapsen einen stärkeren Einfluss haben als weiter entfernte

Diese Mechanismen ermöglichen eine differenzierte und kontextabhängige Verarbeitung von Informationen im Nervensystem.

Der Weg des Lichts durch das Auge

Der Weg des Lichts durch das Auge und die Verarbeitung visueller Informationen erfolgt in mehreren Schritten.

Lichtweg und Bildprojektion

Das Licht durchläuft folgende Stationen:

1. Eintritt durch die Hornhaut (erste Lichtbrechung)
2. Passage durch die Pupille (Lichtmengenregulation)
3. Brechung durch die Linse (Fokussierung)
4. Durchquerung des Glaskörpers
5. Projektion auf die Netzhaut mit dem lichtempfindlichen gelben Fleck

Räumliche und zeitliche Summation im visuellen System

Ähnlich wie bei anderen neuronalen Prozessen spielt die Summation auch im visuellen System eine wichtige Rolle:

• Räumliche Summation: Signale von mehreren Fotorezeptoren werden auf eine Ganglienzelle verschaltet

  • In der Peripherie der Netzhaut werden viele Fotorezeptoren auf eine Ganglienzelle verschaltet (hohe Lichtempfindlichkeit, geringe Auflösung)
  • Im gelben Fleck bestehen oft 1:1-Verschaltungen (geringe Lichtempfindlichkeit, hohe Auflösung)

• Zeitliche Summation: Mehrere schnell aufeinanderfolgende Lichtreize können zu einem stärkeren Signal summiert werden

  • Ermöglicht Sehen bei schlechten Lichtverhältnissen
  • Kann aber die zeitliche Auflösung verringern

Wichtiger Hinweis: Die räumliche und zeitliche Summation im visuellen System ermöglicht einerseits eine hohe Empfindlichkeit bei schlechten Lichtverhältnissen, andererseits eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung bei guten Lichtverhältnissen. Dies ist ein Beispiel für die adaptive Funktion des Nervensystems.

Augenbewegungen und Blickstabilisierung

Die Lederhaut dient als Ansatzstelle für die Augenmuskeln, die für die Bewegung des Augapfels und die Blickstabilisierung wichtig sind:

• Sechs Augenmuskeln kontrollieren die Bewegung jedes Auges
• Sie ermöglichen das Verfolgen bewegter Objekte und schnelle Blickwechsel (Sakkaden)
• Die Koordination beider Augen ist entscheidend für das dreidimensionale Sehen