Prinzip der Reizweiterleitung

Die Reizweiterleitung in Nervenzellen ist ein komplexer Prozess, der auf der Veränderung des elektrischen Potentials der Zellmembran basiert. Dieser Vorgang wird als Aktionspotential bezeichnet und folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip.

Der Ablauf der Reizweiterleitung lässt sich in mehrere Schritte unterteilen:

1. Ein Reiz depolarisiert die Membran.
2. Wenn das Membranpotential den Schwellenwert von -40mV erreicht, öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle.
3. Natriumionen strömen in die Zelle ein, was zu weiterer Depolarisation führt.
4. Die Natriumkanäle werden nach etwa 1ms refraktär $unerregbar$.
5. Die eingeströmten Natriumionen diffundieren im Zellinneren und depolarisieren die benachbarte Membran.

Definition: Depolarisation bezeichnet die Verringerung der negativen Ladung im Inneren der Nervenzelle im Vergleich zum Außenraum.

Es gibt zwei Arten der Erregungsleitung:

1. Kontinuierliche Erregungsleitung: Diese findet in Axonen ohne Gliazellen statt, wie beispielsweise beim Tintenfisch. Sie ist relativ langsam mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 m/s.
2. Saltatorische Erregungsleitung: Diese Art der Erregungsleitung kommt in Axonen mit Gliazellen vor, wie beim Menschen. Sie ist deutlich schneller und kann Geschwindigkeiten von bis zu 100 m/s erreichen.

Highlight: Die saltatorische Erregungsleitung ist wesentlich effizienter, da das Aktionspotential von einem Ranvier'schen Schnürring zum nächsten "springt", was die Geschwindigkeit der Reizweiterleitung erheblich erhöht.

Das Ruhepotential und das Aktionspotential

Das Ruhepotential

Das Ruhepotential ist der elektrische Zustand einer Nervenzelle, wenn sie nicht erregt ist. Es beträgt typischerweise -70mV und wird durch die ungleiche Verteilung von Ionen auf beiden Seiten der Zellmembran aufrechterhalten.

Definition: Das Ruhepotential ist die elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Zellinneren und dem Zelläußeren einer nicht erregten Nervenzelle.

Die Eigenschaften der Ruhemembran sind:

1. Kaliumionen können stets durch die Membran nach außen diffundieren.
2. Ein geringer Natriumleckstrom erlaubt einigen Natriumionen, von außen nach innen zu diffundieren.
3. Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert aktiv 3 Natriumionen aus der Zelle heraus und 2 Kaliumionen hinein.

Das Aktionspotential

Das Aktionspotential ist eine kurzzeitige, lokale Änderung des Membranpotentials, die sich entlang des Axons fortpflanzt. Es folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip und lässt sich in mehrere Phasen unterteilen:

1. Ruhepotential $-70mV$
2. Depolarisation $Initialphase$
3. Depolarisation $Aufstrich$
4. Spitze $Peak$
5. Repolarisation
6. Hyperpolarisation

Highlight: Das Aktionspotential folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip: Entweder wird der Schwellenwert erreicht und ein vollständiges Aktionspotential ausgelöst, oder es findet gar keine Erregung statt.

Example: Während der Depolarisationsphase öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle, was zu einem starken Einstrom von Natriumionen führt. Dies verursacht eine explosionsartige Depolarisation des Zellinneren.

Die Synapse

Die Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und einer Muskel- oder Drüsenzelle. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Reizweiterleitung von einer Zelle zur nächsten.

Der Ablauf der Erregungsleitung an der Synapse folgt einer komplexen Reaktionskaskade:

1. Ein Aktionspotential erreicht die Synapse.
2. Spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen sich.
3. Calciumionen strömen in die Synapse ein.
4. Die Calciumionen binden an Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind.
5. Die Vesikel verschmelzen mit der präsynaptischen Membran und schütten Neurotransmitter in den synaptischen Spalt aus.
6. Die Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran und öffnen Natriumkanäle.
7. Natriumionen strömen in die nächste Nervenzelle ein.
8. Bei Erreichen des Schwellenwerts von -40mV entsteht ein neues Aktionspotential.

Vocabulary: Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die Signale zwischen Nervenzellen übertragen.

Nach der Signalübertragung folgt die Regeneration der Synapse:

1. Calciumionen werden aus der Synapse entfernt.
2. Die Ausschüttung von Neurotransmittern endet.
3. Natriumkanäle auf der postsynaptischen Membran schließen sich.
4. Enzyme spalten die Neurotransmitter im synaptischen Spalt.
5. Carrier transportieren die Spaltprodukte zurück in die Synapse.
6. Die Neurotransmitter werden wieder zusammengesetzt.
7. Das Ruhepotential wird wiederhergestellt.

Highlight: Die präzise Regulation der Neurotransmitterausschüttung und -wiederaufnahme ist entscheidend für eine effektive Reizweiterleitung und neuronale Kommunikation.

Neuronale Verrechnung und Synapsengifte

Neuronale Verrechnung

Die neuronale Verrechnung ist ein wichtiger Aspekt der Informationsverarbeitung im Nervensystem. Sie umfasst vier Hauptaspekte:

1. Nervenzellen sind durch ihre Synapsen miteinander vernetzt.
2. Es gibt erregende $EPSP$ und hemmende $IPSP$ Synapsen.
3. Neuronale Verrechnung findet an zwei Stellen statt: a) Zeitliche Summation: Schnell aufeinanderfolgende Aktionspotentiale addieren sich in ihrer Wirkung. b) Räumliche Summation: Gleichzeitig eintreffende EPSPs und IPSPs werden miteinander verrechnet.
4. Der Axonhügel dient als Verrechnungsstelle.

Definition: EPSP $Exzitatorisches postsynaptisches Potential$ ist eine lokale Depolarisation der postsynaptischen Membran, die die Wahrscheinlichkeit eines Aktionspotentials erhöht.

Definition: IPSP $Inhibitorisches postsynaptisches Potential$ ist eine lokale Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran, die die Wahrscheinlichkeit eines Aktionspotentials verringert.

Neuronale Plastizität

Neuronale Plastizität bezieht sich auf die Fähigkeit des Nervensystems, seine Struktur und Funktion als Reaktion auf Erfahrungen zu verändern. Ein wichtiger Aspekt ist die Langzeitpotenzierung:

Definition: Langzeitpotenzierung ist eine anhaltende Verstärkung der synaptischen Übertragung, die zu einer verbesserten Reizweiterleitung in den Synapsen führt.

Synapsengifte

Synapsengifte, auch Neurotoxine genannt, sind Substanzen, die in den Ablauf der Erregungsübertragung an den Synapsen eingreifen und deren Funktion beeinträchtigen können.

Highlight: Synapsengifte können an verschiedenen Stellen wirken: an der Präsynapse, im synaptischen Spalt oder an der Postsynapse.

Example: Ein bekanntes Synapsengift ist Botulinumtoxin, das die Freisetzung von Acetylcholin an der neuromuskulären Synapse hemmt und so zu Lähmungserscheinungen führt.

Die Kenntnis über Synapsengifte ist wichtig für das Verständnis von Nervengiften und deren Wirkungsweisen, aber auch für die Entwicklung von Medikamenten, die auf das Nervensystem wirken.

Die Nervenzelle (Neuron)

Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die grundlegende Einheit des Nervensystems. Sie besteht aus mehreren wichtigen Komponenten, die für die Reizweiterleitung und Informationsverarbeitung essentiell sind.

Vocabulary: Neuron - Die grundlegende funktionelle und strukturelle Einheit des Nervensystems.

Der Aufbau einer Nervenzelle umfasst:

1. Dendriten: Dies sind verzweigte Fortsätze, die als sensible Nervenenden fungieren und Reize aufnehmen.
2. Zellkörper: Hier befindet sich der Zellkern, der die genetische Information enthält.
3. Axonhügel: Der Übergangsbereich zwischen Zellkörper und Axon.
4. Axon: Der lange Fortsatz der Nervenzelle, der die Reizweiterleitung ermöglicht.
5. Synapsen: Die Endknöpfchen des Axons, die mit chemischen Botenstoffen $Neurotransmittern$ gefüllt sind.

Highlight: Die Reizweiterleitung in Nervenzellen erfolgt auf zwei Arten: elektrisch entlang des Axons und chemisch an den Synapsen.

Gliazellen, insbesondere die Schwann'schen Zellen, umhüllen das Axon und bilden eine isolierende Schicht. Diese Isolierung ist entscheidend für die saltatorische Erregungsleitung, bei der das Aktionspotential von einem Ranvier'schen Schnürring zum nächsten "springt", was die Geschwindigkeit der Reizweiterleitung erheblich erhöht.

Example: Bei der saltatorischen Erregungsleitung kann die Reizweiterleitung Geschwindigkeiten von bis zu 100 m/s erreichen, im Vergleich zu nur 1 m/s bei der kontinuierlichen Erregungsleitung.