Das Ruhepotential ist ein grundlegender Aspekt der Neurophysiologie und ermöglicht es Nervenzellen, Informationen zu verarbeiten und weiterzuleiten. Es handelt sich um die elektrische Potentialdifferenz über die Zellmembran einer Nervenzelle im Ruhezustand. Das Ruhepotential ist nicht statisch, sondern wird durch verschiedene Mechanismen beeinflusst, die eine präzise Steuerung der neuronalen Aktivität ermöglichen.
Grundlagen des Ruhepotentials
Das Vorliegen von unterschiedlichen Ladungen außerhalb und innerhalb der unerregten Zellmembran wird als Ruhepotential bezeichnet. Das Membranpotential ist zell- und umgebungsabhängig und beträgt etwa -70 bis -90 mV. Da dieses Potential anliegt, wenn die Zelle keinen Nervenimpuls weiterleitet, sich also in Ruhe (OFF) befindet, wird es als Ruhepotential bezeichnet. Untersuchungen hierzu wurden mithilfe von (spannungsmessenden) Mikroelektroden an den Riesenaxonen des Tintenfisches Loligo durchgeführt.
Funktionelle Voraussetzung für die Ausbildung eines Ruhepotentials ist die richtungsabhängige, selektive Permeabilität der Zellmembranen: Die Axonmembran ist permeabel für Kaliumionen, bedingt für Natriumionen und für Chloridionen.
Ionenverteilung und Permeabilität
Die Ionenverteilung innerhalb und außerhalb der Zelle spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des Ruhepotentials. Die folgende Tabelle zeigt die typischen Ionenkonzentrationen:
| Ionenart | Axonmembran Außenseite [mmol/l] | Axonmembran Innenseite [mmol/l] |
|---|---|---|
| Natriumionen (Na+) | 143 | 14 |
| Kaliumionen (K+) | 4,5 | 150 |
| Chloridionen (Cl-) | 105 | 3,5 |
| Hydrogencarbonat (HCO3-) | 25 | 10 |
| Calcium (Ca2+) | 1,5 | 0,00015 |
| Organische Anionen (A-) | - | 155 |
Dabei sind drei Verhältnisse besonders auffällig:
Lesen Sie auch: Methoden zur VNS-Regulation
- [Na+] (innen/außen) = 1 : 10
- [K+] (innen/außen) = 30 : 1
- [Ca2+] (innen/außen) = 1 : 1000
Die Permeabilität der Axonmembran für bestimmte Ionen ist ebenfalls entscheidend:
| Ionenart | Relative Permeabilität |
|---|---|
| Natriumionen (Na+) | 0,04 |
| Kaliumionen (K+) | 1,00 |
| Chloridionen (Cl-) | 0,45 |
| Organische Anionen (A-) | 0 |
Semipermeable Membran ist Grundlage des Ruhepotentials als auch der Erregungsweiterleitung.
Entstehung des Ruhepotentials
Zu Beginn beträgt die Kaliumkonzentration im extrazellulären Raum Null. Die selektive Permeabilität der Membran lässt zu, dass Kalium in den Zellzwischenraum einwandert und die Konzentration der Kaliumionen dort so lange ansteigt, bis ein Ladungsausgleich zwischen intra- und extrazellulärem Raum erreicht ist. Nun stellt sich eine Gleichgewichtsspannung ein, welche ein konstantes Membranpotential erzeugt.
Ladungsdifferenzinnen= 0 Ladungsdifferenzaußen= 0 ABER es besteht eine Ladungsdifferenz zwischen innen und außen!
Das Ruhepotential wird weiterhin aufrechterhalten, da es durch Diffusion einerseits zum Einstrom von Natriumionen und andererseits zum Ausstrom von Kaliumionen kommt. Die Natrium-Kalium-Pumpe hält die für das Ruhepotential benötigte Ionenverteilung aufrecht, indem sie Natriumionen wieder nach außen und Kaliumionen nach innen in die Nervenzelle pumpt. Die Konzentration der Kaliumionen bestimmt maßgeblich das Ruhepotential.
Lesen Sie auch: Einfluss der Darmflora auf das Gehirn
Für das Zustandekommen dieses Gleichgewichtspotentials sind zusammenfassend also zwei Kräfte verantwortlich: der Konzentrationsgradient und der Ladungsausgleich.
Der Konzentrationsgradient strebt einen Ausgleich an, sodass auf beiden Seiten gleich viele Ionen vorhanden sind, also gleiche Konzentrationen vorherrschen. Das Ladungsausgleich hingegen ist bestrebt, gleiche Ladungsträger durch Abstoßung zu trennen und gegensätzliche anzuziehen, also einen Ladungsausgleich zu erreichen. Das Gleichgewicht zwischen beiden Kräften führt zur Ausbildung des Ruhepotentials.
Das Membranpotential, bei dem die Neigung der Kaliumionen besteht, aufgrund des Konzentrationsgefälle aus der Zelle zu diffundieren, wird durch das durch die Ladungstrennung entstandene negative elektrische Potential, welches diese in die Zelle zurückzieht, kompensiert.
Messung des Ruhepotentials
Mit Hilfe von zwei Mikroelektroden kann man das Ruhepotential experimentell bestimmen. Eine der beiden Mikroelektroden, die Messelektrode, wird in die Zelle hineingestochen, die zweite, die Bezugselektrode, wird von außen an die Zelle gehalten. Per Definition ist der Spannungswert „außen“ mit Null (0 V) anzugeben.
Neuronale Erregung: Grundlagen
Die Erregung von Neuronen ist ein zentrales Thema in der Biologie. Sie spielt eine fundamentale Rolle bei den Kommunikationsprozessen im Nervensystem und ist entscheidend für die Funktion von Gehirn und Körper.
Lesen Sie auch: Leistungsfähigeres Leben durch Gehirntraining
Was ist neuronale Erregung?
Neuronale Erregung bezeichnet die elektrische Aktivität in einem Neuron, die entsteht, wenn es ein Signal empfängt oder sendet. Diese Aktivität wird durch die Bewegung von Ionen durch spezialisierte Membranen des Neurons erzeugt. Hauptbestandteile dieses Prozesses sind:
- Ruhepotential: Der Zustand eines Neurons in Ruhe, mit einem stabilen negativen Ladungsunterschied zwischen der Innen- und Außenseite der Zellmembran.
- Aktionspotential: Eine schnelle Änderung des Membranpotentials, die als Antwort auf einen Reiz entsteht und sich entlang des Neurons ausbreitet.
- Depolarisation: Der Prozess, bei dem das Neuron weniger negativ wird, was zur Auslösung eines Aktionspotentials führt.
- Repolarisation: Die Rückkehr zum Ruhepotential nach einem Aktionspotential.
Die Erregung ermöglicht es Neuronen, Informationen schnell und effizient zu übermitteln.
Ein einfaches Beispiel für neuronale Erregung ist der Reflexbogen, wie der Kniesehnenreflex: Ein Schlag auf die Kniesehne führt im Nervensystem zu einer Reihe von neuronalen Erregungen, die das schnell Zucken des Beins auslösen.
Interessanterweise unterscheiden sich die Eigenschaften der neuronalen Erregung zwischen verschiedenen Tierarten. Zum Beispiel besitzen einige Tintenfische riesige Neuronen, die es ihnen ermöglichen, ihre Signale besonders schnell zu leiten. Diese extrem großen Neuronen wurden von Wissenschaftlern intensiv studiert, um das Verständnis der Erregungsprozesse zu vertiefen.
Rolle der neuronalen Erregung im Nervensystem
Neuronale Erregung ist der Schlüsselmechanismus, durch den das Nervensystem Informationen verarbeitet und überträgt. Jedes Neuron im Nervensystem ist dazu in der Lage, Erregung zu erzeugen und weiterzugeben. Die Rolle dieser Erregung im Nervensystem umfasst:
- Signalübertragung: Erregung ermöglicht die Kommunikation über Netzwerke von Neuronen.
- Verarbeitung von Informationen: Erregung ist nötig, um sensorische Eingaben in Handlungsantworten zu übersetzen.
- Koordination: Durch die Verteilung und Integration von Signalen wird die Zusammenarbeit verschiedener Körperteile sichergestellt.
- Plastizität: Erregungsmuster können sich ändern, was zu Lern- und Anpassungsprozessen führt.
Ohne die korrekte Funktion der neuronalen Erregung wäre das Nervensystem nicht in der Lage, seine komplexen Aufgaben zu erfüllen.
Im Verlauf des Lebens können die Effizienz und Geschwindigkeit der neuronalen Erregung variieren. Faktoren wie Alter, Gesundheit und Lebensstil beeinflussen diese Prozesse.
Ein weiterer faszinierender Aspekt der neuronalen Erregung ist die Modulation dieser Fähigkeit durch chemische Substanzen, die als Neurotransmitter bekannt sind. Diese Substanzen können die Schwelle, die für die Erzeugung eines Aktionspotentials notwendig ist, senken oder erhöhen. Einige Medikamente nutzen dieses Prinzip, um neurologische Störungen zu behandeln oder die kognitive Leistung zu verbessern.
Neurophysiologie: Erregungsprozesse
Die neurophysiologischen Prozesse der Erregung sind komplex und faszinierend. Sie bilden die Grundlage für das Verständnis, wie das Nervensystem Reize wahrnimmt und auf sie reagiert.
Entstehung und Verbreitung von Erregung
Die Entstehung von Erregung in einem Neuron beginnt, wenn ein Reiz das Ruhepotential verändert. Dieser Prozess löst die Öffnung und Schließung von Ionenkanälen aus, was zu einem Aktionspotential führt. Das Aktionspotential ist ein wichtiger Mechanismus der Erregungsleitung. Hier einige wichtige Punkte dazu:
- Ruhepotential: Definiert als der Ladungsunterschied über die Neuronenmembran im Ruhezustand, oft etwa -70mV.
- Depolarisierung: Initiierung durch eingehende Na+-Ionen, die das Neuron positiv aufladen.
- Aktionspotential: Ein Schwellenwert erreicht etwa -55mV, führt zur schnellen Öffnung der Na+-Kanäle.
- Repolarisierung: Ausgang von K+-Ionen hilft, das Ruhepotential wiederherzustellen.
Das Aktionspotential bewegt sich entlang des Axons, indem es in benachbarten Membranabschnitten neue Aktionspotentiale auslöst. Dies ist analog zu einer Kettenreaktion.
Ein klassisches Beispiel für den Erregungsprozess ist das Hören eines lauten Geräusches. Das Geräusch trifft auf die Ohrmuschel und erzeugt Schwingungen, die mechanische Kanäle öffnen und ein Aktionspotential in sensorischen Neuronen auslösen.
Die Geschwindigkeit, mit der sich ein Aktionspotential bewegt, kann je nach Neurontyp variieren. In myelinisierten Nervenfasern erfolgt die Leitung 'saltatorisch'. Myelin wirkt als Isolator, der nur an den Ranvier-Schnürringen die Ionenpermeabilität zulässt, um die Ausbreitung des Aktionspotentials zu beschleunigen.
Einfluss von Ionen auf Neurophysiologie Erregung
Ionen spielen eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung und Weiterleitung von Erregung in Neuronen. Die wichtigsten Ionen in diesem Prozess sind Natrium (Na+), Kalium (K+), Calcium (Ca2+), und Chlorid (Cl-). Hier sind einige ihrer Funktionen:
- Natrium (Na+): Eintritt depolarisiert das Neuron und initiiert das Aktionspotential.
- Kalium (K+): Austritt repolarisiert die Membran zurück zum Ruhepotential.
- Calcium (Ca2+): Beteiligt sich an der Neurotransmitterfreisetzung an synaptischen Endknöpfchen.
- Chlorid (Cl-): Einfluss auf die Hyperpolarisation und die neuronale Erregbarkeit.
Die Bewegungen dieser Ionen durch Kanäle in der Membran sind für die Umkehrung und Wiederherstellung des Membranpotentials während eines Aktionspotentials verantwortlich.
Bei einer Hyperkalzämie ist die Erregbarkeit der Nervenfasern verringert, was zu Muskelschwäche führt, da Ca2+-Ionen die Schwelle der neuronalen Erregung verändern.
Veränderungen in der extrazellulären Konzentration von Ionen können Erregbarkeit und Signalübertragung erheblich beeinträchtigen.
Die Rolle von Ionen im Nervensystem geht über einfache Aktionspotentiale hinaus. Zum Beispiel beeinflusst der Differenzflusspunkt, auch Donnan-Gleichgewicht genannt, das Ruhemembranpotential durch die Ungleichverteilung von Ionen. Unterschiedliche Konzentrationen dieser Ionen können zu einer Vielzahl von neurologischen Phänomenen führen, einschließlich depolarisierende Blocker im Experiment, um die Funktion von Neuronen zu studieren.
Erregungsleitung in Nervenzellen
Die Erregungsleitung ist ein wesentlicher Prozess in Nervenzellen, bei dem Informationen durch elektrische Signale übermittelt werden. Diese Signale breiten sich entlang der Axone aus und werden in Form von Aktionspotentialen weitergegeben.
Mechanismen der Erregungsleitung im Axon
Im Axon erfolgt die Erregungsleitung hauptsächlich durch das Aktionspotential. Die axonale Erregungsleitung ist entscheidend für das schnelle Übermitteln von Informationen über längere Strecken. Im Detail:
- Initialisierung: Ein Auslöser oder Reiz bewirkt die Öffnung von Natriumkanälen, was zu einer Depolarisation der Membran führt.
- Verbreitung: Das entstandene Aktionspotential breitet sich entlang des Axons aus, indem es benachbarte Membranbereiche depolarisiert.
- Saltatorisch: In myelisierten Neuronen „springt“ das Aktionspotential von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten, was eine schnellere Leitung ermöglicht.
Dieser Mechanismus bildet die Grundlage für die neuronale Kommunikation.
Bei einem schnellen Reflex wie dem Lidschlussreflex sorgt die saltatorische Erregungsleitung dafür, dass das Signal blitzschnell das Gehirn erreicht, um eine unmittelbare Reaktion hervorzurufen.
Die Myelinscheide erhöht die Geschwindigkeit der Erregungsleitung erheblich, was für das reibungslose Funktionieren des peripheren Nervensystems entscheidend ist.
Interessanterweise können einige Neuropathien wie die Multiple Sklerose die Myelinschicht angreifen. Dies führt zu einer signifikanten Verzögerung der Signalübertragung und verursacht Symptome wie Muskelkoordination und Sensorikstörungen. Dies verdeutlicht die entscheidende Rolle des Myelin für die effektive Erregungsleitung.
Unterschiede zwischen elektrischer und chemischer Erregungsleitung
Die Erregungsleitung in Nervenzellen erfolgt sowohl elektrisch als auch chemisch, aber es gibt wesentliche Unterschiede zwischen diesen beiden Arten.
| Elektrische Erregungsleitung | Chemische Erregungsleitung |
|---|---|
| Direkte Weitergabe des elektrischen Signals über gap junctions. | Übertragung durch Neurotransmitter an Synapsen. |
| Schneller, mit kurzer Verzögerungszeit. | Langsamer, da Neurotransmitter freigesetzt und diffundieren müssen. |
| Weniger flexibel, betrifft meist nur eng benachbarte Zellen. | Erlaubt Modulation und Integration durch verschiedene Neurotransmitter. |
Zusammengefasst ermöglicht die elektrische Erregungsleitung eine schnelle Reaktion, während die chemische Erregungsleitung anpassbarer ist und komplexere Prozesse wie Lernen und Gedächtnis beeinflusst.
Eine elektrische Erregungsleitung kann man beispielsweise in Herzmuskelzellen beobachten, wo die Synchronisation der Kontraktion entscheidend ist. Chemische Erregung findet hingegen typischerweise an den Synapsen des Gehirns statt, etwa bei der Übertragung von Signalen im Hippocampus.
Durch gezielte Wirkstoffe lassen sich chemische Synapsen modulieren, was Erregungen entweder verstärken oder abschwächen kann.
Die Unterscheidung zwischen elektrischer und chemischer Erregungsleitung ist auch wichtig für das Verständnis der Entwicklung therapeutischer Ansätze in der Neurologie. Während elektrische Erregungsphänomene schwerer zu beeinflussen sind, zielt eine Vielzahl psychotroper Medikamente auf die Modulation chemischer Synapsen ab. Beispielsweise regulieren einige Antidepressiva die Verfügbarkeit von Serotonin, einem zentralen Neurotransmitter im chemischen Erregungsprozess.
Erregungsübertragung an Synapsen
Die Erregungsübertragung an Synapsen ist ein grundlegender Prozess im Nervensystem, durch den Signale zwischen Neuronen weitergeleitet werden. Diese Kommunikation erfolgt meist durch chemische Synapsen, wo Neurotransmitter im synaptischen Spalt freigesetzt werden.
Synaptische Übertragung und Nervenimpuls
Die synaptische Übertragung beschreibt den Prozess, durch den ein Nervenimpuls von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen wird. Hauptbestandteile dieses Prozesses sind:
- Aktionspotential Ankunft: Veranlasst die Öffnung von Calciumkanälen am präsynaptischen Endknopf.
- Cacliumionen-Eintritt: Fördert die Fusion von synaptischen Vesikeln mit der Membran.
- Neurotransmitterfreisetzung: Die Vesikel setzen Neurotransmitter in den synaptischen Spalt frei.
- Rezeptorbindung: Neurotransmitter binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und erzeugen ein postsynaptisches Potential.
Die synaptische Übertragung ist entscheidend für die neuronale Kommunikation und beeinflusst Prozesse wie Lernen und Gedächtnis.
Ein klassisches Beispiel für synaptische Übertragung findet im Gehirn statt, wenn sensorische Informationen an das Gedächtniszentrum weitergeleitet werden, um Erinnerungen zu bilden, etwa wenn man einen vertrauten Duft einatmet und an ein bestimmtes Erlebnis erinnert wird.
Störungen in der synaptischen Übertragung können ernsthafte Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson zur Folge haben, da die korrekte Signalübertragung essentiell für ein funktionierendes Nervensystem ist.
Interessanterweise können Chemikalien wie Drogen oder Medikamente den Prozess der synaptischen Übertragung beeinflussen. Einige Neurotransmitter werden nach der Freisetzung schnell durch Wiederaufnahme oder enzymatischen Abbau beseitigt. Medikamente wie Antidepressiva können die Wiederaufnahme von Serotonin hemmen und die Signalstärke erhöhen. Solche Anpassungen ermöglichen neue Möglichkeiten, neurologische und psychiatrische Erkrankungen zu behandeln und zeigen die Plastizität des Nervensystems.
Rolle des Aktionspotentials bei der Erregungsübertragung
Das Aktionspotential spielt eine zentrale Rolle bei der Erregungsübertragung. Sobald das Aktionspotential beim präsynaptischen Neuron ankommt, leitet es die Freisetzung von Neurotransmittern ein, die für die Signalübertragung notwendig sind.
tags: #beeinflussen #des #ruhepotentials #eines #axons