Das Aktionspotential ist ein zentrales Konzept in der Neurobiologie und spielt eine entscheidende Rolle bei der Erregungsleitung in Nervenzellen. Es ermöglicht die schnelle und effiziente Übertragung von Informationen im Körper. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte des Aktionspotentials, von seiner Definition und den zugrunde liegenden Mechanismen bis hin zu seiner Bedeutung für die Gesundheit und das Wohlbefinden.
Einführung
Die Fähigkeit des Körpers, Informationen schnell und präzise zu übertragen, ist für das Funktionieren aller physiologischen Prozesse unerlässlich. Das Aktionspotential ist der Schlüsselmechanismus, der dies ermöglicht. Es handelt sich um eine vorübergehende Veränderung des Membranpotentials einer Zelle, die als Nervenimpuls für die Weiterleitung von Reizen dient.
Das Aktionspotential: Eine Definition
Ein Aktionspotential (AP) ist eine kurzzeitige Spannungsänderung an der Zellmembran, die zur Reizweiterleitung zwischen Nervenzellen dient. Es ist eine grundlegende Funktion von Nervenzellen (Neuronen) und äußert sich als Änderung des Membranpotentials. Diese Änderung wird durch das Öffnen und Schließen von spannungsgesteuerten Ionenkanälen in der Membran verursacht.
Die Phasen des Aktionspotentials
Der Verlauf eines Aktionspotentials lässt sich in fünf verschiedene Phasen einteilen:
- Ruhepotential: Zunächst liegt das Potential einer Zelle in Ruhe bei etwa -70 mV. In diesem Zustand, dem Ruhepotential, ist die Konzentration der Kaliumionen im Zellinneren hoch, während die Natriumkonzentration außerhalb der Zelle höher ist. Die spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumkanäle in der Membran sind geschlossen.
- Depolarisation: Ein am Axonhügel eines Neurons ankommender Reiz erhöht die Spannung an der Zellmembran. Wenn dieser Reiz die Spannung über einen Schwellenwert von etwa -50 mV erhöht, wird ein Aktionspotential ausgelöst. Dieser Anstieg des Membranpotentials über -50 mV führt zur Öffnung spannungsabhängiger Natriumkanäle in der Membran. Da die Natriumionenkonzentration außerhalb der Zelle deutlich höher ist als im Zellinneren, strömen positiv geladene Natriumionen schlagartig in das Zellinnere des Axons. Dies führt zur Öffnung weiterer Natriumkanäle, was eine positive Rückkopplung darstellt und sogar zur Ladungsumkehr führt, sodass die Innenseite der Zelle positiv geladen wird.
- Repolarisation: Bevor das Maximum des Membranpotentials erreicht ist, beginnen sich die Natriumkanäle wieder zu schließen. Gleichzeitig öffnen sich die spannungsgesteuerten Kaliumkanäle. Kaliumionen strömen aus der Zelle, wodurch das Zelläußere im Vergleich zum Inneren negativ geladen wird und die Kaliumkonzentration außerhalb der Zelle sinkt.
- Hyperpolarisation: Da das Schließen der Kaliumkanäle länger dauert als das der Natriumkanäle, kann es zu einer Unterschreitung des Ruhepotentials kommen. Es strömen weiterhin Kaliumionen aus der Zelle, wodurch die Spannung unter den Ausgangswert sinkt.
- Wiederherstellung des Ruhepotentials: Damit die Zelle bereit für ein neues Aktionspotential ist, muss die ursprüngliche Ionenverteilung wiederhergestellt werden. Dies geschieht durch die Natrium-Kalium-ATPase, die unter Energieverbrauch Natrium aus der Zelle heraus und Kalium in die Zelle zurückpumpt und so das Ruhepotential aufrechterhält.
Diese verschiedenen Schritte verlaufen sehr schnell hintereinander, sodass ein Aktionspotential in den Nervenzellen nur etwa eine Millisekunde dauert.
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Das Alles-oder-Nichts-Gesetz
Das Alles-oder-Nichts-Gesetz besagt, dass ein Aktionspotential entweder in voller Größe oder gar nicht auftritt. Das bedeutet, dass die Reizschwelle entweder überschritten wird und ein Aktionspotential ausgelöst wird, oder eben nicht. Ein zu schwacher Reiz erreicht nicht den Schwellenwert, während ein starker Reiz kein größeres Aktionspotential auslösen kann. Sobald der Schwellenwert erreicht ist, läuft das Aktionspotential immer gleich ab - egal, wie stark der Reiz war.
Refraktärzeit
Nach dem Ablauf des Aktionspotentials kann nicht direkt die nächste Erregung weitergeleitet werden. Es dauert eine kurze Zeit, bis eine Zelle wieder erregbar ist. Diese Zeit, in der die Kanäle inaktiv sind, wird als Refraktärzeit bezeichnet. Sie ist wichtig für eine unidirektionale Weiterleitung eines Reizes.
Im Verlauf des Aktionspotentials können zwei Phasen der Refraktärzeit unterschieden werden:
- Absolute Refraktärphase: Kurz nach der Umpolarisierung können sich die Natriumkanäle zunächst gar nicht öffnen.
- Relative Refraktärzeit: Nach der Repolarisation wird der Schwellenwert zur Öffnung der Kanäle wieder niedriger, bis er wieder auf den Normalwert sinkt. In dieser Phase sind stärkere Reize für die Auslösung eines Aktionspotentials erforderlich.
Die Bedeutung des Aktionspotentials für die Erregungsleitung
Das Aktionspotential ist ein zentrales Element für die gesamte Erregungsleitung zwischen Nervenzellen. Es sorgt dafür, dass Informationen schnell durch den Körper geleitet werden.
Synaptische Übertragung
Innerhalb eines Neurons wird ein einkommendes Signal elektrisch weitergeleitet. Zwischen zwei Neuronen werden Signale in der Regel chemisch über Neurotransmitter übertragen. Die Synapsen helfen dabei, das elektrische Signal des Aktionspotenzials in ein chemisches zu "übersetzen": Sie setzen Botenstoffe, Neurotransmitter, in den Spalt zwischen Sender- und Empfängerzelle frei. Die Empfängerzelle kann die Neurotransmitter über Rezeptoren aufnehmen und in ein elektrisches Signal, das postsynaptische Signal, übersetzen.
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Die Botschaft und Dringlichkeit eines Signals zeigt sich an der Anzahl und der Frequenz der Aktionspotenziale. Solange ein Neuron nicht "feuert", befindet es sich im Ruhezustand. In dieser Phase herrscht an der Außenhaut der Zelle, der Membran, eine bestimmte Spannung, das Ruhepotenzial vor. Wird das Neuron entsprechend gereizt, etwa durch eine andere Nervenzelle oder einen sensorischen Input, entsteht an der Membran des Axons eine veränderte elektrische Spannung, die sich bis zu den Synapsen fortpflanzt. Man spricht vom Aktionspotenzial, das beim Menschen etwa eine Millisekunde andauert. In der synaptischen Endigung löst das Aktionspotenzial die Freisetzung von chemischen Botenstoffen (Neurotransmittern) aus, die den synaptischen Spalt überbrücken und in der nächsten (postsynaptischen) Nervenzelle ein Aktionspotenzial auslösen können.
Der Wechsel vom Ruhe- zum Aktionspotenzial erfolgt, indem bestimmte Ionen über die Zellmembran des Axons ein- und ausströmen. Im Ruhezustand sind mehr Kalium-Ionen im Inneren des Axons, während sich außerhalb mehr Natrium-Ionen befinden. Da Kalium-Ionen im Ruhezustand besser durch die Membran nach außen wandern können als Natrium-Ionen in die umgekehrte Richtung, herrscht an der Außenseite der Membran ein positiv geladenes Milieu, im Inneren der Zelle ein negatives. Dadurch entsteht eine Spannung über der Membran, die bei etwa -70 Millivolt liegt.
Kommt ein geeigneter Reiz, öffnen sich in der Membran kurzzeitig Ionen-Kanäle, über die sehr schnell positiv geladene Natrium-Ionen einströmen. Nun wird das Potenzial im Inneren positiver, mehr Kanäle öffnen sich, man spricht von einer Depolarisation. Nur wenn diese stark genug ist, sie also einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, tritt das Aktionspotenzial als eine Art explosionsartige Umpolarisierung der Membran auf ("Alles-oder-Nichts-Prinzip"). Während das Aktionspotenzial wie eine Welle das Axon entlangschießt, beginnt am Axonhügel nahe dem Zellkörper bereits die Repolarisation: Kalium-Ionen treten über sich jetzt öffnende eigene Kanäle nach außen, während sich die Natrium-Kanäle wieder schließen. Das Ungleichgewicht der Ladungen verringert sich, bis der Ruhezustand wieder erreicht ist. Im Folgenden sorgen dann aktive Natrium-Kalium-Pumpen dafür, dass die eingeströmten Natrium-Ionen wieder nach außen und die Kalium-Ionen nach innen transportiert werden.
Neben chemischen Synapsen wurden auch elektrische Synapsen entdeckt. Bei dieser elektrischen Kommunikation zweier Zellen spielen so genannte ‚gap junctions‘ eine Rolle - aus Proteinen bestehende Kanäle, die die Zellflüssigkeiten von zwei Neuronen verbinden. So können elektrische Signale Ionenströme durch diese Kanäle ohne Umwege direkt von Zelle zu Zelle weitergeben. „Mit gap junctions kann man viele Zellen über eine größere Entfernung miteinander synchronisieren“, sagt Nils Brose, Direktor der Abteilung für Molekulare Neurobiologie am Max-Planck-Institut für Experimentelle Medizin. „Wenn eine Zelle ein Signal erhält, dann geht das gleich auf die anderen Zellen über, da sie wie Stecker und Steckdose miteinander verbunden sind.“ Das mobilisiert in kürzester Zeit größere Nervenzellgruppen. Obwohl das sehr effizient klingt, kommt diese rein elektrische Form der Weiterleitung eher bei einfacher entwickelten Tieren wie Krebsen vor, wo sie zum Beispiel schnelle Fluchtreaktionen steuern.
Neuronale Netzwerke und Plastizität
Um die 86 Milliarden Neurone müssen ständig miteinander kommunizieren, damit der Mensch fühlen, handeln, denken kann. Das neuronale Netz ist nichts anderes als eine Gruppe von Neuronen, die miteinander kommunizieren und auf diese Weise eine bestimmte Funktion ausüben. Jedes Neuron gibt dabei Informationen an beliebig viele andere Neuronen weiter und erhält gleichzeitig Signale von beliebig vielen anderen Neuronen. Schnittstellen sind immer die Synapsen.
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Dieses neuronale Netz wird aber nicht etwa einmal geknüpft und dann für immer so belassen. Vielmehr ist es im Laufe des Lebens in ständiger Veränderung. Man spricht von neuronaler Plastizität: Neue Verbindungen zwischen Synapsen werden geschaffen (z.B. wenn wir etwas Neues lernen) und bestehende Verbindungen gekappt. Wird eine Synapse sehr häufig benutzt, verändert sich zudem ihre Struktur. Zum Beispiel werden mehr Rezeptoren an der postsynaptischen Membran eingebaut oder die Menge an ausgeschütteten Botenstoffen erhöht sich. Dadurch verbessert sich die synaptische Übertragung. Diesen Mechanismus bezeichnet man als Langzeitpotenzierung. Sie ist vermutlich die Grundlage dafür, dass wir Dinge erlernen oder langfristig im Gedächtnis abspeichern können, wenn wir sie in regelmäßigen Abständen wiederholen. Andersherum werden nicht genutzte Verbindungen mit der Zeit immer schwächer.
Neurogenese
Durch die neuronale Plastizität werden aber nicht nur neue Verbindungen zwischen bereits bestehenden Neuronen geschaffen und verstärkt. Vielmehr werden auch komplett neu gebildete Neuronen an das bestehende Netz angeschlossen. Lange Zeit ging man davon aus, dass im Erwachsenenalter keine neuen Neurone mehr gebildet werden können. Inzwischen ist man der Meinung, dass das sehr wohl möglich ist und auch regelmäßig passiert. Das Phänomen nennt man "adulte Neurogenese". Vor allem im Hippocampus, dem zentralen Ort für die Entstehung neuer Erinnerungen, kommt es wohl zur regelmäßigen Neubildung von Nervenzellen. Und wir können diese Neubildung vermutlich sogar selbst beeinflussen: So soll Stress die Neubildung eher behindern, während Sport sie begünstigt.
Störungen des Aktionspotentials und ihre Auswirkungen
Störungen des Aktionspotentials können vielfältige Auswirkungen auf die Gesundheit haben. Sie können zu neurologischen Erkrankungen, psychischen Problemen und anderen gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen.
Entzündungen und Depressionen
Edward Bullmore, ein bekannter britischer Neuropsychiater, beschreibt in seinem Buch "Die entzündete Seele", wie Entzündungsreaktionen die Stimmung beeinflussen können. Seine Erlebnisse während und nach einer Wurzelkanalbehandlung führten dazu, dass er die gängige Annahme hinterfragte, dass Stimmungen "nur" durch Gedanken entstehen. Entzündungen können zu Antriebslosigkeit, Apathie und sozialem Rückzug führen, was auch bei den meisten Infektionskrankheiten auftritt.
Dysregulation des Nervensystems
Ein überreiztes Nervensystem äußert sich durch Symptome wie Herzklopfen, Schlafstörungen und ständige Anspannung. Dysregulation bedeutet dabei, dass das Nervensystem aus dem Gleichgewicht geraten ist und nicht mehr angemessen auf Reize reagiert. Chronischer Stress kann zu einer dauerhaften sympathischen Dominanz führen, was wiederum das Nervensystem beeinträchtigt.
Der Vagusnerv als Schlüssel zur Entspannung
Ein Teil des parasympathischen Nervensystems ist der Vagusnerv ("Nervus vagus") - der längste Hirnnerv des Körpers. Er ist wie eine "Bremse" für das vegetative Nervensystem. Wenn er aktiviert wird, sendet er Signale an Herz, Lunge und andere Organe, um den Körper zu beruhigen. Der Vagusnerv kann durch gezielte Übungen wie Atemtechniken, Kältereize oder Summen bewusst aktiviert werden.
Möglichkeiten zur Regulierung des Nervensystems
Es gibt verschiedene Strategien, um das Nervensystem zu regulieren und wieder ins Gleichgewicht zu bringen.
Atemtechniken
Die 4-7-8-Atemtechnik (4 Sekunden einatmen, 7 halten, 8 ausatmen) kann helfen, in akuten Stressmomenten das vegetative Nervensystem zu beruhigen. Diese Atmung aktiviert direkt den Parasympathikus (also den "Entspannungsnerv"). Die Zwerchfellatmung (auch Diaphragmatic Breathing genannt) gilt als Goldstandard für Stressreduktion. Studien zeigen, dass Zwerchfellatmung den Cortisol-Spiegel reduzieren kann.
Körperliche Aktivität
Körperliche Aktivität hilft, das ausgeschüttete Adrenalin und Cortisol abzubauen und signalisiert dem Gehirn, dass die Gefahr vorüber ist - so kann sich das Nervensystem wieder sicher und ausgeglichener anfühlen. Körperliche Aktivität wird auch als besonders hilfreich erlebt, um den Stressreaktionszyklus zu beenden und so langfristig auch einem Burnout - einer der häufigsten Folgen von chronischem Stress - vorzubeugen.
Vagusnerv-Stimulation
Regelmäßige Vagusnerv-Übungen (Singen, Summen) und achtsames Atmen versetzen das System direkt in den Ruhezustand. Massiere deine Ohrmuscheln in kreisenden Bewegungen. Die TCM nennt diesen Akupressurpunkt Shen-Men, und mir gibt er tatsächlich Energie.
Weitere Strategien
Weitere Strategien zur Regulierung des Nervensystems sind:
- Meditation und Achtsamkeitsübungen
- Yoga
- Ausreichend Schlaf
- Emotionen zulassen
- Soziale Interaktionen