Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die kleinste Einheit des Gehirns und spielt eine zentrale Rolle bei der Informationsübertragung im Körper. Sie ist hoch spezialisiert auf die Sammlung, Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen. Die Nervenzelle ist polarisiert, was bedeutet, dass sie elektrische Signale in eine klar definierte Richtung weiterleitet.
Einführung in die Depolarisation
Du möchtest mehr über die Depolarisation erfahren und wie sie funktioniert? Die Depolarisation ist ein grundlegender Prozess in der Neurophysiologie, der für die Signalübertragung in Nervenzellen unerlässlich ist. Sie ist die Anstiegsphase des Aktionspotentials, das für die Reizweiterleitung im Nerv verantwortlich ist. Unter der Depolarisation versteht man die Veränderung der Spannung einer Nervenzelle.
Was ist Depolarisation?
In der Biologie, insbesondere in der Neurophysiologie, steht der Begriff Depolarisation für eine Änderung des Membranpotentials in Richtung positiver Werte. Das Membranpotential ist die elektrische Spannung, die über der Membran einer Zelle anliegt. Diese Spannung entsteht durch die unterschiedliche Verteilung von Ionen auf der Innen- und Außenseite der Zellmembran und wird in der Regel mit negativen Werten angegeben. Normalerweise ist das Innere einer Zelle negativ geladen im Vergleich zur Zellumgebung. Wird das Membranpotential nun positiver, sprechen wir von Depolarisation. Diese Veränderung des Membranpotentials kann durch verschiedene Faktoren verursacht werden, wie beispielsweise durch das Öffnen von Ionenkanälen.
Analogie zur Veranschaulichung
Um diese komplexen Vorgänge verständlich zu machen, kann man sie einfach erklären. Stell dir vor, dein Haus würde von einer Mauer umgeben sein, und in dieser Mauer gäbe es eine einzige Tür, durch die Probleme von außerhalb hereinkommen könnten. Normalerweise ist diese Tür geschlossen, somit bleibt das Innere deines Hauses „negativ“ - in unserem Vergleich das bedeutet, es bleiben Probleme draußen. Wenn die Tür aber aufgeht, können Probleme „hereinfluten“ und die Tuerschwelle „depolarisiert“ - die Probleme machen das Innere deines Hauses „negativer“.
Ablauf der Depolarisation im Detail
Schauen wir uns nun den Ablauf der Depolarisation etwas genauer an. Eine Nervenzelle ist natürlicherweise polarisiert. Innerhalb der Zelle und außerhalb der Zelle herrscht also eine andere Ladung. Das liegt an den positiv geladenen Natrium- und Kaliumionen. Die Natriumionen sind außerhalb der Zelle. Die Kaliumionen hingegen befinden sich innerhalb der Zelle.
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Die Rolle der Ionenkanäle
Sobald ein Reiz ankommt und der daraus entstehende Impuls stark genug ist, startet die Depolarisation. Die Spannung um die Nervenzelle herum verändert sich. Dadurch werden die Natriumkanäle geöffnet. Sie sorgen dafür, dass die außen liegenden Natriumionen ins Zellinnere eindringen können. Die zuvor geschlossenen Natriumionenkanäle öffnen sich nun durch die Spannung. Schlagartig gelangen jetzt viele positiv geladene Natriumionen (Na+) ins Zellinnere. Die Ladung steigt weiter auf bis zu 0 mV an.
Überschwellige und Unterschwellige Depolarisation
Eine überschwellige Depolarisation ist eine besonders starke Depolarisation, die ein Aktionspotential erzeugt und sich entlang der Membran ausbreitet. Zur Unterschwelliger Depolarisation kommt es, wenn das Membranpotential nicht den Schwellenwert überschreitet, um ein Aktionspotential auszulösen. Überschwellig bedeutet also, dass das Erreichen dieses Schwellenwertes eine Voraussetzung für das Entstehen eines Aktionspotentials ist.
Bedeutung der Depolarisation
Die Depolarisation spielt eine wichtige Rolle bei der Übertragung von Nervenimpulsen. Wenn ein Impuls ankommt, öffnen sich bestimmte Ionenkanäle, und positive Natrium-Ionen strömen in die Zelle ein. Die Depolarisation einer Nervenzelle ist ein essenzieller Schritt zur Erzeugung eines Aktionspotentials, welches letztendlich zur Übertragung von Informationen zwischen Nervenzellen führt. Jedes Aktionspotential beginnt mit einer Phase der schnellen Depolarisation, gefolgt von einer Repolarisation und endet meist mit einer kurzen Hyperpolarisation. Während der Depolarisationsphase ist das Strömen von Natrium-Ionen in die Zelle für das positive Membranpotential responsiv.
Die Folgen der Depolarisation
Durch die Depolarisation kommt es zum Maximum der Ladung, da sehr viele Natriumionen ins Zellinnere einströmen. Es wird eine Ladungsumkehr ausgelöst. Die Kaliumionen aus dem Inneren des Axons können jetzt nach außen dringen und die Ladung wieder ins Negative verändern. Gleichzeitig schließen sich die Natriumionenkanäle wieder. Diesen Vorgang nennst du auch die Repolarisation. Nach der Depolarisation erfolgt die Repolarisation. Hierbei strömt Kalium aus der Zelle heraus, und das Membranpotential wird wieder negativ. Wenn das Membranpotential nach einer Depolarisation sogar unter seinen Ausgangswert fällt, spricht man von Hyperpolarisation.
Depolarisation in Muskelzellen
Die Depolarisation einer Muskelzelle ist ein wichtiger Schritt bei der Übertragung eines elektrischen Signals vom Nerv zur Muskelfaser, welcher zur Muskelkontraktion führt. Beginnen wir bei der Freisetzung des Neurotransmitters Acetylcholin in den synaptischen Spalt, der durch ein ankommendes Aktionspotential an der motorischen Endplatte verursacht wird. Acetylcholin bindet an Rezeptoren auf der Membran der Muskelzelle und öffnet so Natriumkanäle. Natrium-Ionen strömen in die Zelle und führen zu einer Depolarisation der Membran. Diese Depolarisation breitet sich über die gesamte Muskelzelle aus und führt zur Kontraktion der Muskelfaser durch Freisetzung von Calcium-Ionen im Inneren der Zelle. Zum Beispiel, wenn du deinen Arm heben willst, sendet dein Gehirn dieses Signal über die Nerven zu den Muskelfasern in deinem Arm.
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Depolarisation im Herzen
Depolarisation spielt auch eine entscheidende Rolle in der Funktion des Herzens, dem Motor unseres Kreislaufsystems. Hier wird ein rhythmischer Fluss von Depolarisationsereignissen erzeugt, der zur rhythmischen Kontraktion des Herzens führt. Dieser Prozess beginnt in einer spezialisierten Gruppe von Zellen des Sinusknotens, welcher als der natürliche Schrittmacher des Herzens bezeichnet wird. Der Sinusknoten enthält Zellen, die spontan depolarisieren können, ein Ereignis, welches sich als Aktionspotential über die spezialisierten Leitungsbahnen des Herzens, wie das atrioventrikuläre Knotengewebe und die His-Bündel, verbreitet. Dieses einheitliche und rhythmische Muster an Depolarisationsereignissen lässt das Herz in einer geordneten Weise kontrahieren. Dabei depolarisieren zuerst die Vorhöfe, wodurch das Blut in die Kammern fließt. Anschließend depolarisieren die Ventrikel und drücken das Blut in den Kreislauf.
Diastolische Depolarisation in Herzzellen
In Herzzellen gibt es eine spezielle Art der Depolarisation, die als diastolische Depolarisation bezeichnet wird. Während der Phase der diastolischen Depolarisation strömen langsam Natrium-Ionen in die Zellen, während Kalium-Ionen herausströmen, dadurch wird das Membranpotential weniger negativ und nähert sich dem Schwellenwert.
Depolarisation im Elektrokardiogramm (EKG)
Das Elektrokardiogramm (EKG) ist ein nicht-invasives Verfahren, das bioelektrische Signale, die durch die kontrahierenden Herzzellen erzeugt werden, aufzeichnet. Jede Welle auf einem EKG repräsentiert eine Phase des Herzzyklus. Depolarisation und Repolarisation der Vorhöfe und Kammern können im EKG als P-Welle bzw. Auf einem normalen EKG fördert die Depolarisation der Vorhöfe die P-Welle, und die Depolarisation der Ventrikel erzeugt den QRS-Komplex. Die T-Welle entspricht der Repolarisation der Ventrikel.
Die Rolle von Kalium-Ionen
Kalium-Ionen spielen eine Schlüsselrolle in der Depolarisation von Zellen. Zellen besitzen bestimmte Ionenkanäle in ihrer Membran, welche selektiv für Kalium-Ionen sind. Das Membranpotential einer nicht erregten Zelle, das Ruhepotential, ist hauptsächlich durch die hohe Permeabilität der Plasmamembran für Kalium-Ionen bestimmt. Im Ruhezustand fließen also mehr Kalium-Ionen aus der Zelle hinaus als Natrium-Ionen in die Zelle hinein. Dieser Ausstrom von positiv geladenen Kalium-Ionen macht das Innere der Zelle negativer im Vergleich zur Außenseite, es entsteht ein negatives Ruhepotential von etwa -70 mV. Während der Depolarisation ändern sich jedoch die Eigenschaften der Membran. Es öffnen sich zunächst spannungsgesteuerte Natriumkanäle und Natrium-Ionen können in die Zelle strömen. Dieser Prozess ist sehr schnell und führt dazu, dass das Membranpotential innerhalb weniger Millisekunden positiv wird. Kurz danach öffnen sich jedoch die Kaliumkanäle und Kalium strömt aus der Zelle heraus, was das Membranpotential wieder in Richtung Ruhepotential verschiebt.
Synapsen und Depolarisation
Die Synapse verbindet zwei Neuronen und ermöglicht die Übertragung von Informationen im Nervensystem. Diese Übertragung kann durch chemische oder elektrische Signale erfolgen, je nachdem, ob es sich um eine chemische oder elektrische Synapse handelt.
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Chemische Synapse
In einer chemischen Synapse werden Signale durch Neurotransmitter übertragen. Wenn ein Aktionspotential das Ende eines Neurons erreicht, öffnen sich Calciumkanäle in der präsynaptischen Membran. Der Einstrom von Calciumionen führt zur Verschmelzung von Neurotransmitter-haltigen Vesikeln mit der Membran, wodurch die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Diese Neurotransmitter diffundieren durch den Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran. Dadurch öffnen sich Natriumkanäle in der postsynaptischen Membran, und Natriumionen strömen in das postsynaptische Neuron ein, was eine Depolarisation und eine elektrische Reaktion auslöst, die das Signal weiterleitet.
Elektrische Synapse
Elektrische Synapsen hingegen ermöglichen eine direkte elektrische Kommunikation zwischen Neuronen. Hier sind die präsynaptische und postsynaptische Membran durch gap junctions verbunden, die den Fluss von Ionen zwischen den Zellen ermöglichen.
Synapsengifte und Hyperpolarisation
Synapsengifte sind Substanzen, die die normale Funktion von Synapsen im Nervensystem stören oder blockieren können. Diese Gifte können auf verschiedene Weisen wirken, einschließlich der Hemmung der Neurotransmitterfreisetzung, der Blockade von postsynaptischen Rezeptoren oder der Beeinträchtigung des Signalwegs zwischen den Neuronen. Wenn Chlorid-Ionen in die postsynaptische Membran einströmen, so wird diese hyperpolarisiert. Allerdings ist das Einströmen von negativen Ionen in die Zelle gar nicht so einfach; da die Zelle innen bereits negativ geladen ist. Bekanntlich stoßen sich gleiche Ladungen ab. Der bekannteste und wichtigste Neurotransmitter, der das Einströmen von Chlorid-Ionen bewirkt, ist sicherlich die gamma-Aminobuttersäure, kurz GABA. Es gibt allerdings auch einige wenige spezialisierte Nervenzellen, in denen die Chlorid-Konzentration höher ist als im Außenmedium.
Erregungsleitung: Saltatorisch vs. Kontinuierlich
Die Erregungsleitung ist ein zentraler Mechanismus im Nervensystem, der die Weiterleitung elektrischer Signale entlang von Nervenzellen ermöglicht.
Saltatorische Erregungsleitung
Diese tritt in myelinisierten Nervenfasern auf, wo das Axon von einer isolierenden Myelinscheide umgeben ist. An den Zwischenräumen zwischen den Myelinscheiden, den sogenannten Ranvier- Schnürring, erfolgt die schnelle und effiziente Weiterleitung des Aktionspotenzials. Durch diesen sprunghaften Mechanismus wird die Erregung über lange Distanzen im Nervensystem übertragen. Saltatorische Erregungsleitung ist charakteristisch für schnellleitende Nervenfasern, wie sie beispielsweise in motorischen und sensorischen Bahnen des Rückenmarks vorkommen.
Kontinuierliche Erregungsleitung
Bei nicht-myelinisierten Nervenfasern, die keine Myelinscheide besitzen, tritt die kontinuierliche Erregungsleitung auf. Hier breitet sich das Aktionspotenzial kontinuierlich entlang des gesamten Axons aus, ohne sprunghafte Übergänge. Obwohl langsamer als die saltatorische Erregungsleitung, ermöglicht diese Form dennoch eine effektive Signalübertragung, insbesondere über kurze Distanzen. Kontinuierliche Erregungsleitung ist typisch für Nervenfasern, die sensorische Informationen aus dem Körperinneren oder von der Haut übertragen.
Die Rolle einzelner Neuronen
Tausende Antennen, ebenso viele Sender und ein superschnelles Datenkabel erlauben Neuronen den gleichzeitigen Informationsaustausch mit vielen anderen Zellen. Das einzelne Neuron ist strukturell und funktional stark auf Kommunikation spezialisiert. Es trägt tausende sensibler Antennen rund um den Zellkörper, die Dendriten. Es funkt elektrische Signale über ein hocheffizientes Datenkabel, das Axon. Und es gibt seine Botschaften über spezialisierte Sendeknöpfchen an andere Zellen weiter.
Im Zentrum neuronaler Schaltkreise stehen einzelne Nervenzellen. Sie sind die kleinste Einheit des Gehirns und doch viel mehr als schlichte Bausteine. Schon ihre äußere Form deutet auf Komplexität hin. Neuronen sind wie kaum ein anderer Zelltyp extrem polarisiert. Mit ihren drei ikonischen Komponenten erinnern sie entfernt an einen Baum: mit einer vielfältig verästelten Dendritenkrone rund um den Zellkörper, einem zentralen Stamm - dem Axon - und vielfältigen weiteren Verzweigungen im Wurzelwerk der Synapsen. Aus der Nähe betrachtet zeigt sich, dass die Funktion und das Zusammenspiel dieser Komponenten, dem Neuron seine besonderen Fähigkeiten verleihen - als Datenkrake und Supercomputer.
Neurone sind darauf spezialisiert, Informationen zu sammeln, zu verarbeiten und weiter zu verteilen. Sie sind Meister der Kommunikation. Sowohl für den Austausch als auch für die Verarbeitung von Informationen zählen dabei nicht zuletzt die äußeren Werte der Nervenzelle - nämlich feine Unterschiede in der Chemie und Elektrizität an der Zelloberfläche. Erstaunlich viele Werkzeuge für die Kommunikation sitzen daher direkt in der Zellmembran. Sie ist viel mehr als eine Hülle, die einzelne Neuronen von ihrer Umgebung abtrennt. Vielmehr beherbergt sie Kanäle, Pumpen, Rezeptoren - Arbeitsgeräte der Nervenzelle, um Informationen zu empfangen, weiterzuleiten und zu verarbeiten.
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