Erregungsleitung in Nervenzellen: Eine einfache Erklärung

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das es uns ermöglicht, auf unsere Umwelt zu reagieren und zu interagieren. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Erregungsleitung in Nervenzellen (Neuronen). Dieser Artikel erklärt auf einfache Weise, wie Nervenzellen elektrische Signale weiterleiten und welche Faktoren diesen Prozess beeinflussen.

Die Grundlagen der Erregungsleitung

Stell dir vor, dein Gehirn gibt den Befehl: „Klick auf die Maus!“ Dieser Befehl wird in einem Neuron als elektrisches Signal, genauer gesagt als Aktionspotenzial, am Axonhügel erzeugt. Das Aktionspotenzial wird dann entlang des Axons bis zu deinem Finger weitergeleitet. Je nach Art und Ablauf unterscheidet man zwei Hauptformen der Erregungsübertragung: die saltatorische und die kontinuierliche Erregungsleitung. Die Erregungsleitung in Nervenzellen ist ein essenzieller Vorgang für die neuronale Kommunikation.

Das Neuron: Die Grundeinheit des Nervensystems

Eine Nervenzelle besteht aus dem Zellkörper (Soma), Dendriten und dem Axon. Das Axon ist ein langer, dünner Fortsatz, der elektrische Impulse weiterleitet. Seine Struktur ist entscheidend für die Art der Erregungsleitung. Axone können von einer Myelinscheide umgeben sein, die von Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem oder von Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem gebildet wird. Diese Myelinscheide ermöglicht eine effiziente und schnelle Übertragung von Aktionspotenzialen.

Kontinuierliche Erregungsleitung

Definition und Vorkommen

Nervenfasern ohne Myelinisierung, also marklose Neurone, leiten Erregungen kontinuierlich weiter. Das bedeutet, dass das Aktionspotenzial durch ständigen Ausgleich von Ladungsunterschieden zwischen bereits erregten und noch nicht erregten Membranstellen weitergeleitet wird. Es entstehen also immer wieder neue Aktionspotenziale, die sich Richtung Axonendknöpfchen ausbreiten. So bleibt das Signal immer gleich stark. Diese Art der Erregungsleitung findet man vorwiegend in wirbellosen Tieren, wie Tintenfischen oder Regenwürmern.

Ablauf der kontinuierlichen Erregungsleitung

Die kontinuierliche Erregungsleitung erfolgt in mehreren Schritten:

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1. Auslösung des Aktionspotenzials: Der Befehl "Klick auf die Maus!" soll vom Neuron im Gehirn auf die Reise zur Muskelzelle deines Fingers geschickt werden. Dafür muss am Axonhügel der Gehirn-Nervenzelle das Schwellenpotenzial von - 40 bis - 50 mV erreicht werden. Nun findet eine Potenzialumkehr statt. Eine Potenzialumkehr beschreibt den Moment, in dem sich Ionenkanäle in der Membran öffnen und das sonst negative Membranruhepotential des Axons positiv wird (bis ca. + 30 mV). Dadurch entsteht ein Aktionspotenzial. Das Aktionspotential ist ein zentraler Mechanismus der Erregungsleitung in Nervenzellen. Ein Schwellenwert ca.−50mVca. Highlight: Das "Alles-oder-Nichts-Gesetz" besagt, dass ein Aktionspotential nur ausgelöst wird, wenn der Schwellenwert überschritten wird.
2. Weiterleitung der Erregung: Durch die Bildung des Aktionspotenzials entsteht ein depolarisierter Membranabschnitt am Axon. Dieser Bereich weist ein positives Membranpotential auf. Es besteht also ein Ladungsunterschied zwischen diesem erregten Bereich und dem noch nicht erregten Abschnitt, an dessen Membran ein negatives Ruhepotential vorherrscht. Dieser Ladungsunterschied führt dazu, dass Ionen zwischen den beiden Axonabschnitten fließen, um den Unterschied auszugleichen. Die Ausgleichs-Strömchen-Theorie (oder kurz Strömchen-Theorie) basiert auf der Annahme solcher ausgleichenden Ionen- oder Kreisströme.
3. Neuentstehung von Aktionspotenzialen: Durch die ausgleichenden Kreisströme beidseits der Membran werden Ionen von "axonabwärts", das heißt in Richtung des Axonendes, abgezogen. Die Membran beginnt zu depolarisieren. Wird dabei das Schwellenpotential erreicht, öffnen sich auch in diesem Bereich die Na+-Kanäle und ein neues Aktionspotenzial entsteht. Das neu gebildete Aktionspotenzial hat genau die gleiche Dauer (2 ms), Stärke (ca. 100 mV) und Form des vorangegangenen Aktionspotenzials.
4. Wiederholung des Vorgangs: Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das Ende des Axons erreicht ist. Damit ist jedes Aktionspotenzial der Auslöser für das Entstehen neuer Aktionspotenziale an benachbarten Membranstellen. So wird die Erregung, mittels passiver Kreisströme und ständiger Neuentstehung von Aktionspotenzialen, ohne Abschwächung, das ganze Axon entlang weitergeleitet.

Gerichtete Erregungsleitung

Die ständig neu gebildeten Aktionspotenziale entstehen durch Ionenströme. Aber warum werden sie immer in Richtung Axonendköpfchen geleitet und nicht rückwärts? Das liegt an der sogenannten Refraktärzeit: Nach Ablauf eines Aktionspotenzials ist die Membran für kurze Zeit unerregbar (absolute Refraktärphase), da sich die spannungsgesteuerten Natriumkanäle erst regenerieren müssen. Auch bei überschwelligen Reizen wird dann kein neues Aktionspotential ausgelöst. Das führt dazu, dass das Aktionspotenzial sich nur auf erregbare Membranabschnitte ausbreiten kann. Außerdem wird so die Dauer des Aktionspotenzials begrenzt.

Einflussfaktoren auf die Geschwindigkeit

Es gibt einige Faktoren, die die Geschwindigkeit der Erregungsleitung beeinflussen:

• Myelinisierung: An marklosen Axonen kommt es zu kontinuierlichen Erregungsübertragungen. Da hier ständig neue Aktionspotenziale hergestellt werden, dauert es länger, bis das elektrische Signal am Ende des Axons angekommen ist. Dem gegenüber läuft an markhaltigen, also myelinisierten Axonen die schnellere saltatorische Erregungsleitung ab.
• Faserdurchmesser: Je größer der Nervenfaserdurchmesser, umso größer die Leitungsgeschwindigkeit. Ein größerer Faserdurchmesser hat nämlich einen geringeren Innenwiderstand zur Folge. Das kannst du dir vorstellen, wie bei einer Tür: Je breiter sie ist, desto mehr Menschen passen gleichzeitig hindurch.
• Temperatur: Für die Erregungsleitung gibt es auch einen optimalen Temperaturbereich. Im Rahmen physiologischer, also tatsächlich im Körper vorkommender Temperaturen, hat eine Temperaturerhöhung um 1 °C eine Steigerung der Leitungsgeschwindigkeit um 1 - 2 zur Folge. Unendlich lässt sich die Geschwindigkeit natürlich nicht steigern.

Tintenfische haben, wie erwähnt, marklose Axone. Trotzdem soll die eher langsame, kontinuierliche Erregungsleitung so schnell wie möglich ablaufen. Auf die Temperatur hat der Tintenfisch leider keinen Einfluss. Das heißt, der einzige Weg, die Erregungsübertragung in marklosen Axonen zu beschleunigen, ist, den Faserdurchmesser zu vergrößern. Das hat die Evolution tatsächlich auch umgesetzt, sodass man in Tintenfischen sogenannte Riesenaxone mit einem Durchmesser von bis zu 1 Millimeter findet.

Saltatorische Erregungsleitung

Definition und Vorteile

Bei der saltatorischen Erregungsleitung ist das Axon von Myelinscheiden umgeben, die von Ranvierschen Schnürringen unterbrochen werden. Die Myelinscheiden wirken wie Isolatoren, wodurch die Erregung von Schnürring zu Schnürring "springt". Das bedeutet, dass Aktionspotenziale nur an den Ranvierschen Schnürringen entstehen müssen, was die Leitungsgeschwindigkeit deutlich erhöht und Energie spart. Die saltatorische Erregungsleitung ist effizient und schnell. Die Myelinisierung spielt eine entscheidende Rolle für die Effizienz des Nervensystems. Die Myelinscheiden ermöglichen die saltatorische Erregungsleitung, wodurch keine riesigen Axone mit großem Durchmesser benötigt werden.

Ablauf der saltatorischen Erregungsleitung

1. Aktionspotenzial am Schnürring: Beim Eintreffen eines Aktionspotenzials an einem Schnürring strömen Natriumionen in das Axon ein, während Kaliumionen ausströmen, wodurch das nächste Aktionspotenzial ausgelöst wird.
2. "Springen" der Erregung: Die Erregung "springt" dann zum nächsten Schnürring, wo der Prozess sich wiederholt.
3. Refraktärzeit: Anschließend können sich diese Ionenkanäle für eine kurze Zeitspanne nicht erneut öffnen. Diesen Zeitraum bezeichnen wir als Refraktärzeit.

Kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung im Vergleich

Merkmal	Kontinuierliche Erregungsleitung	Saltatorische Erregungsleitung
Myelin-Ummantelung	nicht vorhanden = marklos	vorhanden = markhaltig
Erregungsübertragung	fortschreitend	sprunghaft
Leitungsgeschwindigkeit	eher langsam (v = 1 m/s bis maximal 25 m/s)	eher schnell (v = bis zu 120 m/s)
Axondurchmesser	eher groß (bis 1 mm)	eher klein
Vorkommen	v. a. in wirbellosen Tieren	in Wirbeltieren fast ausschließlich

Warum ist die saltatorische Erregungsleitung schneller?

Bei der kontinuierlichen Erregungsleitung werden ständig neue Aktionspotenziale (AP) gebildet, sodass es dauert bis das AP am Axonende angekommen ist. Die kontinuierliche Erregungsleitung ist eine fortschreitende und gerichtete Weiterleitung elektrischer Signale an marklosen Axonen. Bei der saltatorischen Erregungsleitung "springt" das Aktionspotenzial von Schnürring zu Schnürring, was die Übertragungsstrecke verkürzt und die Geschwindigkeit erhöht.

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Bedeutung der Erregungsleitung für den Körper

Die Erregungsleitung ist ein fundamentaler Prozess für die Funktionsweise des Nervensystems. Sie ermöglicht die schnelle und effiziente Übertragung von Informationen im Körper. Störungen der Erregungsleitung können zu verschiedenen neurologischen Erkrankungen führen, wie z.B. Multiple Sklerose.

Multiple Sklerose: Eine Erkrankung der Myelinscheiden

Bei der Multiplen Sklerose werden die Myelinscheiden der Nervenfasern teilweise oder vollständig abgebaut. Diese sind in gesunden Fasern für die Isolierung der Axone zuständig. Wird diese verringert, erhöht sich zum einen die Gefahr von Leckströmen und zum anderen die Anziehung von Ionen zwischen dem Cytoplasma und der Zwischenzellflüssigkeit. Beide Faktoren führen zu einer Reduktion der Erregungsleitgeschwindigkeit. Multiple Sklerose ist eine Autoimmunerkrankung. Das bedeutet, dass körpereigene Immunzellen die Markscheiden der Axone angreifen und sogenannte Entmarkungsherde entstehen. Diese können überall im zentralen Nervensystem auftreten und vielfältige Symptome, wie Sehstörungen, Spasmen oder Schluckbeschwerden, auslösen.

Das Ruhepotential: Die Grundlage für die Erregungsleitung

Das Ruhepotential einer Nervenzelle ist ein fundamentaler Zustand, der die Basis für die Erregungsleitung bildet. Die selektiv permeable Membran der Nervenzelle spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des Ruhepotentials. Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein essentieller aktiver Mechanismus, der das Ruhepotential stabilisiert. Die Kombination aus chemischem und elektrischem Gradienten, bekannt als elektrochemischer Gradient, führt zu einem Fließgleichgewicht, bei dem sich die Diffusion von Kalium-Ionen nach außen und innen ausgleicht. Alle lebenden Zellen bilden an der Zellmembran chemische und elektrische Gradienten aus. Die chemischen und elektrischen Gradienten sind die Grundlage für die Ruhe-, Aktions-, Rezeptor- und Synapsenpotenziale. Die Änderungen der Potenziale sind Voraussetzung für Erregung und Erregungsleitung. Die Membranstruktur sowie passive und aktive Transportvorgänge bedingen die verschiedenen Biopotenziale. Im Tierreich haben sich spezialisierte Zellen (Sinnes-, Nerven- und Muskelzellen) für Reizaufnahme und Erregungsauslösung, die Erregungsleitung und Reaktion entwickelt. An jeder lebenden Zelle kann man eine unterschiedliche Verteilung der elektrischen Ladung über die Zellmembran nachweisen. Die Innenseite der Membran ist negativer geladen als die Außenseite, dadurch entsteht ein elektrischer Spannungsgradient. Dieses Membranpotenzial ist auf Unterschiede in der Ionenzusammensetzung (chemischer Gradient) der intra- und extrazellulären Flüssigkeit und auf die selektive Permeabilität (ausgewählte Durchlässigkeit und Leitfähigkeit der Membran) zurückzuführen. Sie wird durch passive Mechanismen (Struktur der Membran) und durch aktive Mechanismen (Transport gegen das Konzentrationsgefälle unter Einsatz von Stoffwechselenergie) erreicht. Aktive Transportmechanismen setzen Stoffwechselenergie um.

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