Ruhepotential - Wenn Nervenzellen entspannt sind

Stell dir vor, deine Nervenzelle ist wie eine aufgeladene Batterie im Standby-Modus. Das Ruhepotential von etwa -70mV entsteht, weil innen und außen der Zelle unterschiedliche Ionen herrschen.

Im Zellinneren sammeln sich viele Kaliumionen $K+$, die gerne nach draußen wollen - wie Leute, die aus einem überfüllten Club rausdrängen. Wenn K+-Ionen rausströmen, nehmen sie positive Ladung mit und lassen negative Ionen zurück. Dadurch wird es innen negativ und außen positiv geladen.

Das Problem: Natriumionen $Na+$ sickern trotzdem rein und würden das ganze System durcheinanderbringen. Deshalb arbeitet die Natrium-Kalium-Pumpe wie ein Türsteher: Sie pumpt unter ATP-Verbrauch 3 Na+ raus und 2 K+ rein. So bleibt das Ruhepotential stabil bei -70mV.

Merktipp: Die Zelle ist wie ein VIP-Bereich - innen negativ geladen, und die Pumpe sorgt dafür, dass es so bleibt!

Aktionspotential - Wenn Nervenzellen durchdrehen

Ein Aktionspotential ist wie ein Blitz in der Nervenzelle - eine explosive Ladungsumkehr, die Signale weiterleitet. Innerhalb von wenigen Millisekunden springt die Spannung von -70mV auf +30mV hoch!

So läuft's ab: Bei einem Reiz öffnen sich spannungsgesteuerte Na+-Kanäle. Erst nur wenige, aber ab dem Schwellenwert von -50mV öffnen sich alle auf einmal - das ist das Alles-oder-Nichts-Prinzip. Entweder passiert gar nichts oder es knallt richtig!

Während der Depolarisation strömt massenhaft Na+ rein und macht das Zellinnere positiv. Dann beginnt die Repolarisation: K+-Kanäle öffnen sich verzögert, K+ strömt raus und die Spannung sinkt wieder. Bei der Hyperpolarisation wird es sogar noch negativer als normal, bevor die Natrium-Kalium-Pumpe alles wieder ins Gleichgewicht bringt.

Fun Fact: Nach einem Aktionspotential ist die Zelle 1-2ms "müde" (Refraktärzeit) - wie ein Handy-Akku, der sich kurz erholen muss!

Die Phasen des Aktionspotentials im Detail

Die verschiedenen Kanalzustände während eines Aktionspotentials funktionieren wie ein perfekt choreografierter Tanz. Jeder Ionenkanal weiß genau, wann er dran ist!

Ruhepotential: Alle spannungsgesteuerten Kanäle sind geschlossen, nur K+-Hintergrundkanäle bleiben offen. Die Na+-Kanäle haben zwei Tore - ein Aktivierungstor und ein Inaktivierungstor - beide sind im Ruhezustand bereit.

Depolarisation: Das Aktivierungstor der Na+-Kanäle öffnet sich, aber das Inaktivierungstor schließt sich verzögert wieder. Dadurch können Na+-Ionen nur kurz reinströmen. Die Natrium-Kalium-Pumpe arbeitet in 6 Schritten: 3 Na+ raus, 2 K+ rein, unter ATP-Verbrauch.

Repolarisation/Hyperpolarisation: Na+-Kanäle werden inaktiviert (refraktär), während K+-Kanäle sich öffnen und für den K+-Ausstrom sorgen.

Wichtig: Die Refraktärzeit verhindert, dass Aktionspotentiale rückwärts laufen - wie eine Einbahnstraße für Nervenimpulse!

Wie Reize zu Aktionspotentialen werden

Das Alles-oder-Nichts-Prinzip ist brutal einfach: Entweder dein Reiz schafft es über den Schwellenwert von -50mV oder es passiert absolut nichts. Wie ein Lichtschalter - an oder aus, kein Zwischending!

Schwache Reize $bis -60mV$ verpuffen einfach. Aber sobald der Schwellenwert erreicht ist, läuft immer das gleiche Programm ab - egal ob der Reiz minimal oder mega stark war. Die Intensität wird später über die Frequenz der Aktionspotentiale codiert.

Die Refraktärzeit ist wie eine Abklingzeit in einem Videospiel. Absolute Refraktärzeit: 1-2ms komplett blockiert, da Na+-Kanäle inaktiviert sind. Relative Refraktärzeit: Langsame Erholung, stärkere Reize können schon wieder ein AP auslösen.

Diese Refraktärzeit verhindert Dauererregung und sorgt dafür, dass Signale nur in eine Richtung laufen. Ohne sie würde dein Nervensystem komplett durchdrehen!

Eselsbrücke: Schwellenwert = VIP-Eingang. Entweder du kommst rein (AP) oder bleibst draußen (kein AP). Keine Verhandlungen!

Wie Aktionspotentiale durch den Körper rasen

Kontinuierliche Erregungsleitung funktioniert wie eine Dominokette: Ein Aktionspotential löst das nächste aus. Na+-Ionen strömen rein, depolarisieren den Nachbarbereich, der dann auch "umkippt" - und so weiter.

Das Signal läuft nur vorwärts, weil der gerade "abgefeuerte" Bereich in der Refraktärzeit ist und nicht nochmal auslösen kann. Dickere Axone leiten schneller - wie eine Autobahn mit mehr Spuren.

Saltatorische Erregungsleitung ist der Turbo-Modus! Bei myelinisierten Nervenfasern können Aktionspotentiale nur an den Ranvierschen Schnürringen entstehen. Das Signal "springt" von Schnürring zu Schnürring und überspringt die isolierten Bereiche dazwischen.

Das bringt drei mega Vorteile: Höhere Geschwindigkeit $bis zu 120 m/s!$, weniger Energieverbrauch $Natrium-Kalium-Pumpe muss nur an den Schnürringen arbeiten$ und geringerer Informationsverlust.

Vergleich: Kontinuierlich = zu Fuß gehen, Saltatorisch = mit dem ICE fahren!

Synapsen - Wo Nervenzellen miteinander quatschen

Synapsen sind wie Bluetooth-Verbindungen zwischen Nervenzellen - nur viel cooler! Es gibt verschiedene Typen: interneuronale Synapsen (Neuron zu Neuron), neuromuskuläre Synapsen (Neuron zu Muskel) und neuroglanduläre Synapsen (Neuron zu Drüse).

So funktioniert's: Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen und öffnet Ca²+-Kanäle. Calcium lässt synaptische Bläschen mit der Membran verschmelzen und Acetylcholin wird ausgeschüttet. Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt und bindet an Rezeptoren der Zielzelle.

Wenn Acetylcholin an ligandengesteuerte Na+-Kanäle bindet, strömt Na+ rein und erzeugt ein postsynaptisches Potential (PSP). Bei Überschreitung des Schwellenwerts entsteht ein neues Aktionspotential. Acetylcholinesterase baut den Transmitter ab, damit das Signal nicht ewig anhält.

Curare (ein Pfeilgift) blockiert Acetylcholin-Rezeptoren und führt zur Atemlähmung - deshalb ist es so gefährlich!

Wichtig: EPSP (erregend) bringt dich näher zum Schwellenwert, IPSP (hemmend) weiter weg davon!

EPSP und IPSP - Gaspedal und Bremse im Nervensystem

Dein Nervensystem hat sowohl Gaspedal (EPSP) als auch Bremse (IPSP) - und das ist genial! Erregende Synapsen produzieren EPSP (erregendes postsynaptisches Potential) und bringen dich näher zum Schwellenwert.

Bei EPSP: Der Transmitter Acetylcholin öffnet Na+-Kanäle, Na+ strömt rein und depolarisiert die Membran. Das Membranpotential wird weniger negativ und die Wahrscheinlichkeit für ein Aktionspotential steigt.

Bei IPSP: Transmitter wie GABA $Gamma-Aminobuttersäure$ öffnen Cl--Kanäle oder K+-Kanäle. Cl- strömt rein oder K+ raus, die Membran wird hyperpolarisiert (noch negativer) und ein Aktionspotential wird unwahrscheinlicher.

Chemische vs. elektrische Synapsen: Chemische sind langsamer (0,4ms) aber vielseitiger, elektrische über Gap Junctions sind blitzschnell (0,04ms) aber einfacher. Meist findest du beide Typen kombiniert am selben Neuron.

Merktipp: EPSP = Exciting (aufregend), IPSP = Inhibiting (hemmend). Wie Vollgas vs. Handbremse!

Informationscodierung - Wie dein Gehirn Nachrichten verschlüsselt

Dein Nervensystem ist wie ein Hochleistungscomputer, der ständig zwischen analoger und digitaler Codierung wechselt. An Dendriten und Zellkörper läuft alles analog ab - je stärker der Reiz, desto größere Amplitude, je länger der Reiz, desto länger die Potentialverschiebung.

Im Axon wird's digital! Aktionspotentiale sind reine Alles-oder-Nichts-Signale - alle gleich stark, alle gleich lang. Die Information steckt in der Frequenz: Starke Erregung = viele APs pro Sekunde, schwache Erregung = wenige APs pro Sekunde.

Divergenz bedeutet: Ein Neuron erregt viele andere $Info-Verteilung$. Konvergenz bedeutet: Viele Neuronen erregen eins $Info-Sammlung$. Dein Nervensystem nutzt beide Prinzipien geschickt für komplexe Berechnungen.

An der Synapse passiert wieder Umcodierung: Hohe AP-Frequenz → viel Transmitter-Ausschüttung → starkes postsynaptisches Potential. Die Präsynapse ist ein Digital-Analog-Wandler, der Axonhügel ein Analog-Digital-Wandler.

Fun Fact: Dein Gehirn wechselt millionenfach pro Sekunde zwischen analog und digital - besser als jeder Computer!

Summation - Wenn Synapsen zusammenarbeiten

Summation ist wie Teamwork im Nervensystem - mehrere Synapsen arbeiten zusammen, um zu entscheiden, ob ein Aktionspotential ausgelöst wird. Am Axonhügel werden alle eingehenden Signale "verrechnet".

Zeitliche Summation: Mehrere EPSPs oder IPSPs von derselben Synapse kommen kurz hintereinander an und addieren sich auf. Wie wenn du schnell mehrmals auf einen Lichtschalter drückst - irgendwann geht das Licht an!

Räumliche Summation: EPSPs und IPSPs von verschiedenen Synapsen treffen gleichzeitig am Axonhügel ein. Jetzt wird gerechnet: Überwiegen die EPSPs, gibt's ein Aktionspotential. Überwiegen die IPSPs, bleibt alles ruhig.

Das System ist mega intelligent: Eine einzige starke hemmende Synapse kann mehrere schwächere erregende Synapsen "überstimmen". So kann dein Gehirn fein dosieren, welche Signale weitergeleitet werden und welche nicht.

Eselsbrücke: Summation = Demokratie im Neuron. Die Mehrheit (EPSP vs. IPSP) entscheidet über das Aktionspotential!

Second Messenger - Signalverstärkung auf Zellebene

Second Messenger sind wie Megafone in der Zelle - sie verstärken schwache Signale zu kraftvollen Reaktionen! Ein Geruchsstoff (First Messenger) kann nicht durch die Zellmembran, also braucht er einen Übersetzer.

So läuft's ab: Der Geruchsstoff bindet an einen Membranrezeptor nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Das aktiviert ein G-Protein, welches GDP gegen GTP austauscht und sich vom Rezeptor löst. Das aktivierte G-Protein startet die Adenylatcyclase.

Diese macht aus ATP das wichtige cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat) - den eigentlichen Second Messenger. cAMP öffnet Ionenkanäle, Na+ oder Ca²+ strömen rein und lösen die gewünschte Zellantwort aus.

Der Verstärkereffekt ist krass: Ein einziges Neurotransmitter-Molekül kann hunderte von Ionenkanälen öffnen! Ein Rezeptor aktiviert mehrere G-Proteine, jedes G-Protein aktiviert mehrere Adenylatcyclasen, jede macht viele cAMP-Moleküle.

Wow-Faktor: Ein molekularer "Schneeball-Effekt" - aus einem schwachen Signal wird eine Lawine von Reaktionen!