Die Erregungsleitung, die Weiterleitung elektrischer Signale in Nerven- und Muskelzellen, ist ein fundamentaler Prozess für die Funktion des menschlichen Körpers. Sie ermöglicht es uns, auf Reize zu reagieren, Bewegungen auszuführen und Informationen im gesamten Nervensystem zu transportieren. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte der Erregungsleitung, insbesondere im Rückenmark, und untersucht die Faktoren, die ihre Geschwindigkeit beeinflussen.
Grundlagen der Erregungsleitung
Um die Geschwindigkeit der Erregungsleitung zu verstehen, ist es wichtig, die Grundlagen dieses Prozesses zu kennen. Eine Erregung entsteht immer am Axonhügel eines Neurons und wird entlang des Axons, dem Nervenzellfortsatz, weitergeleitet. Das Aktionspotential, das diese Erregung darstellt, breitet sich entlang der Nervenzellmembran aus und ermöglicht so die Kommunikation zwischen Nervenzellen.
Arten der Erregungsleitung: Saltatorisch vs. Kontinuierlich
Es gibt zwei Hauptarten der Erregungsleitung: die saltatorische und die kontinuierliche Erregungsleitung.
Kontinuierliche Erregungsleitung
Bei der kontinuierlichen Erregungsleitung wird das Aktionspotential fortlaufend entlang des Axons weitergeleitet. Diese Art der Erregungsleitung ist vergleichsweise langsam und findet hauptsächlich in nicht-myelinisierten Nervenzellen statt. Die Geschwindigkeit kann jedoch erhöht werden, indem der Durchmesser der Leitungsbahn vergrößert wird, wodurch der Innenwiderstand abnimmt. Ein Beispiel hierfür sind die Riesenaxone von Tintenfischen und Meeresschnecken, die einen Durchmesser von bis zu einem Millimeter haben können.
Saltatorische Erregungsleitung
Die saltatorische Erregungsleitung ist eine deutlich schnellere Form der Erregungsleitung. Sie findet in myelinisierten Nervenzellen statt, bei denen das Axon von einer isolierenden Myelinschicht umgeben ist. Die Myelinschicht ist jedoch nicht durchgehend, sondern wird in regelmäßigen Abständen von den Ranvierschen Schnürringen unterbrochen. An diesen Schnürringen befinden sich spannungsabhängige Natriumionenkanäle, die es ermöglichen, dass das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring springt. Durch diese "sprunghafte" Weiterleitung kann die Leitungsgeschwindigkeit deutlich erhöht werden.
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Faktoren, die die Geschwindigkeit der Erregungsleitung beeinflussen
Die Geschwindigkeit der Erregungsleitung wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst:
- Myelinisierung: Die Myelinisierung ist einer der wichtigsten Faktoren für die Geschwindigkeit der Erregungsleitung. Myelin wirkt wie eine Isolation und ermöglicht die saltatorische Erregungsleitung, die deutlich schneller ist als die kontinuierliche Erregungsleitung.
- Axondurchmesser: Ein größerer Axondurchmesser führt zu einer geringerenem Innenwiderstand und somit zu einer schnelleren Erregungsleitung.
- Temperatur: Höhere Temperaturen können die Geschwindigkeit der Erregungsleitung erhöhen.
- Anwesenheit von spannungsabhängigen Ionenkanälen: Eine hohe Dichte an spannungsabhängigen Ionenkanälen an den Ranvierschen Schnürringen ermöglicht eine schnelle Depolarisation und somit eine schnellere Erregungsleitung.
- Länge der Myelinsegmente: Die Länge der myelinisierten Abschnitte zwischen den Ranvierschen Schnürringen beeinflusst ebenfalls die Geschwindigkeit der Erregungsleitung.
Die Rolle der Gliazellen
Gliazellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Erregungsleitung. Oligodendrozyten, eine Art von Gliazellen, sind für die Bildung der Myelinschicht im zentralen Nervensystem verantwortlich. Sie umwickeln die Axone der Nervenzellen mit Myelin und sorgen so für eine schnelle und effiziente Erregungsleitung. Gliazellen schützen die Neurone (die eigentlichen Nervenzellen), indem sie sie elektrisch abschirmen (was für eine schnelle Erregungsleitung wichtig ist) oder eingedrungenen Stoffen im Blut (zum Beispiel Medikamenten) den Zugang zum Gehirn versperren. Zudem sind die Gliazellen für die Versorgung der Neurone mit Nährstoffen zuständig. Sie steuern auch den Fluss der zerebrospinalen Flüssigkeit (auch Liquor oder Nervenwasser genannt), die Gehirn und Rückenmark bei Erschütterungen abfedert.
Schmerzleitung und Nervenfasern
Die Wahrnehmung von Schmerz ist ein komplexer Prozess, der die Aktivierung spezifischer Rezeptoren (Nozizeptoren) und die Weiterleitung von Signalen über verschiedene Arten von Nervenfasern beinhaltet. Zu den schmerzreizleitenden Afferenzen, also zum Gehirn aufsteigenden Nerven, gehören drei Arten: die A-beta-Fasern, die A-delta-Fasern und die C-Fasern.
- A-beta-Fasern: Diese Fasern haben eine niedrige Reizschwelle und werden schon durch geringe, nichtschädigende Reize sensibilisiert. Sie sind relativ dick und myelinisiert, was zu einer sehr schnellen Nervenleitgeschwindigkeit von bis zu 100 Metern pro Sekunde führt.
- A-delta-Fasern: Diese Fasern haben eine dünne Myelinschicht und leiten den Reiz mit etwa 50 Metern pro Sekunde. Sie sind für den ersten, schnellen Schmerz verantwortlich, der einen spitzen, schneidenden oder brennenden Charakter hat.
- C-Fasern: Diese Fasern sind nicht myelinisiert und leiten das Aktionspotential nur mit einer Geschwindigkeit von maximal einem Meter pro Sekunde. Sie sind für den langsameren, dumpfen und drückenden Schmerz verantwortlich.
Die Geschwindigkeit der Erregungsleitung im Rückenmark
Die Geschwindigkeit der Erregungsleitung im Rückenmark variiert je nach Art der Nervenfaser und dem Grad der Myelinisierung. Wie bereits erwähnt, können myelinisierte A-beta-Fasern Geschwindigkeiten von bis zu 100 Metern pro Sekunde erreichen, während nicht-myelinisierte C-Fasern deutlich langsamer sind.
Forscher des Departements Biosysteme der ETH Zürich haben mit einer hochauflösenden Methode die Geschwindigkeit der Nervenreizleitung an einzelnen Axonen in Neuronenkulturen vermessen. Dabei stellten sie fest, dass die Geschwindigkeit nicht konstant ist, sondern an verschiedenen Abschnitten eines Axons unterschiedlich sein kann. Die Bedeutung dieser Geschwindigkeitsvariationen ist noch nicht vollständig geklärt, könnte aber mit der Informationsverarbeitung in Neuronen zusammenhängen.
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Klinische Bedeutung
Veränderungen in der Geschwindigkeit der Erregungsleitung können auf verschiedene neurologische Erkrankungen hinweisen. Bei der Multiplen Sklerose beispielsweise werden die Myelinscheiden durch fehlgeleitete Immunzellen angegriffen und zerstört, was zu einer Verlangsamung oder Blockierung der Erregungsleitung führt. Dies kann eine Vielzahl von Symptomen verursachen, wie z.B. Muskelschwäche, Koordinationsstörungen und Sensibilitätsverlust.
Schmerzgedächtnis
Ein sehr starker, möglicherweise dauerhafter nozizeptiver Reiz kann zu einer Veränderung der postsynaptischen Membran des Hinterhornneurons führen. Es werden nicht nur Natriumkanäle, sondern auch Calciumkanäle geöffnet, die ihrerseits das Schließen der Natriumkanäle verhindern. Nun strömt noch mehr Natrium in die Zelle ein, was wiederum die Öffnung der Calciumkanäle begünstigt. So wird ein Teufelskreis in Gang gesetzt, der zu einer lang anhaltenden dauerhaften Sensibilisierung der postsynaptischen Region führt. Letztlich kann dies zu einer Verselbstständigung des schmerzhaften Reizes und damit des Schmerzes führen. Man spricht vom Schmerzgedächtnis. Die konsequente Therapie starker akuter Schmerzen ist wichtig, um der Entstehung chronischer Schmerzen vorzubeugen.
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