Nervenzellen elektrisch aufgeladen: Eine umfassende Betrachtung

Der menschliche Körper ist ein komplexes Netzwerk, in dem Nervenzellen eine zentrale Rolle bei der Informationsübertragung spielen. Diese Zellen sind elektrisch geladen und nutzen diese Ladung, um Signale zu senden und zu empfangen. Dieser Artikel beleuchtet, was es bedeutet, wenn Nervenzellen elektrisch aufgeladen sind, wie dieser Prozess funktioniert und welche Konsequenzen er hat.

Die Grundlagen: Nozizeptoren und Schmerzweiterleitung

Überall im Körper befinden sich Nozizeptoren, freie Nervenendigungen, die für die Weiterleitung von schmerzhaften Reizen über das Rückenmark an das Gehirn verantwortlich sind. Diese Reize können unterschiedlicher Natur sein, beispielsweise Temperaturveränderungen, visuelle Eindrücke oder Schmerzen. Die Reizaufnahme erfolgt über die Dendriten, dünne Fortsätze der Neuronen. Der Axonhügel sammelt die eingehenden elektrischen Potenziale. Nur wenn eine bestimmte Potenzialschwelle überschritten wird, gibt der Axonhügel das elektrische Potenzial an das Axon weiter. Dies dient als Schutzmaßnahme, um eine Reizüberflutung zu verhindern.

Das Ruhepotential: Die Grundlage für elektrische Impulse

Wenn kein Reiz weitergegeben werden muss, zeigt das Neuron eine spezifische Verteilung elektrischer Ladung. Im Zellinneren herrscht eine hohe Konzentration an Kaliumionen (K+) und organischen Anionen (z. B. Eiweiß), während außerhalb überwiegend Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl-) anzutreffen sind. Im Ruhezustand besteht ein Gleichgewicht zwischen der Zellinnen- und -außenseite, das durch verschiedene Transportmechanismen (Kaliumkanäle und Natrium-Kalium-Pumpen) aufrechterhalten wird. Dieses Gleichgewicht wird als Ruhepotential bezeichnet. Die im Inneren der Zelle befindlichen negativ geladenen organischen Stoffe können die Membran des Axons nicht passieren, während die positiv geladene Kaliumionen durchaus durch die Membran treten können. Kaliumionen sind in hoher Zahl im Zellinneren vorhanden und strömen naturgemäß vom Ort der höheren Konzentration weg. Gleichzeitig verlassen damit jedoch positive Ladungen das Zellinnere. Dadurch erhält das Zellinnere eine negative Ladung. Deshalb werden nach einer gewissen Zeit Kaliumionen wieder angezogen. Es entsteht ein Gleichgewicht zwischen den ausströmenden Kaliumionen und den vom negativen Zellinneren angezogenen. In der Summe stellt sich eine negative Spannung des Zellinneren gegenüber dem Zelläußeren ein. Das Ruhepotenzial einer tierischen Nervenzelle beträgt etwa -75 mV.

Das Aktionspotential: Die Weiterleitung elektrischer Signale

Im Falle eines elektrischen Impulses, der durch einen Reiz ausgelöst wurde, öffnen sich unter anderem die Natrium-Kanäle der Zellmembran und Natriumionen strömen vermehrt ins Zellinnere. Dies bedeutet, dass abschnittsweise die Ladung an der Innen- und Außenseite des Neurons umgekehrt wird. Durch diese lokale Ladungsänderung wird der elektrische Impuls entlang des Axons bis zum Ende weitertransportiert. Am synaptischen Endknöpfchen, dem Ende des Axons, wird der elektrische Impuls in ein chemisches Signal umgewandelt. Das elektrische Potenzial, das dort ankommt, löst die Ausschüttung chemischer Botenstoffe (Neurotransmitter) aus. Dort löst der Neurotransmitter erneut einen elektrischen Impuls aus, der wieder am Axon entlangwandert und so von Zelle zu Zelle weitergegeben wird.

Das Aktionspotential ist also die Reizweitergabe an Nervenzellen, die durch eine Veränderung des elektrischen Membranpotentials entsteht. Jeder Reiz, wird durch solche Potentiale weitergegeben, damit er schlussendlich im Gehirn ankommt und interpretiert werden kann. Alle Vorgänge des menschlichen Körpers werden auf diese Weise reguliert.

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Aktionspotential Phasen und Ablauf

Der Ausgangszustand in dem sich die Membran befindet, ist das Ruhepotential. Die Membranspannung betragt ca. -70 mV.

Der ankommende Reiz, stört dieses Ruhepotential. Die Membranspannung wird dadurch auch geändert, jedoch muss ein bestimmter Schwellenwert erreicht werden, damit ein Aktionspotential ausgelöst wird. Dieser Schwellenwert liegt ungefähr bei -50 mV. Diese Aktionspotentiale laufen dann immer gleich ab. Die Reizstärke beeinfusst also nicht die stärke des Aktionspotentials (Frequenzmodulation). Sollte dieser Schwellenwert nicht erreicht werden, wird der Reiz nicht weitergegeben (Alles oder nichts Gesetz).

Als Reaktion auf den überschrittenen Schwellenwert, läuft das Aktionspotential über das Axon. Dabei werden spannungsgesteuerte Natrium- ($Na^+$) Ionenkanäle geöffnet. $Na^+$ gelangt in das Zellinnere. Dadurch, dass die Natriumionen positiv geladen sind, kommt es zu einer Depolarisierung der Membran. Der intrazelluläre Raum wird durch die große Menge an $Na^+$ positiv geladen. Die in der Membran befindlichen Kalium- ($K^+$) Kanäle sind zu dem Zeitpunkt geschlossen.

Nach ca. 1-2 ms schließen sich de $Na^+$- Kanäle wieder und die $K^+$- Kanäle öffnen sich. $K^+$ diffundert aus dem Zellinneren in Richtung des nun positiver geladenen extrazellulären Raums. Einerseits werden die $K^+$-Ionen durch den Spannungsunterschied (Außen wurde es weniger positiv, da Na+ ins Zellinnere eingedrungen ist) nach "Außen" gezogen, andererseits sorgt der "Drang" des Konzentrationsausgleichs dafür, dass die Ionen in den kaliumarmen Raum diffundieren. Das hat zur Folge, dass die Spannung im Zellinneren wierde abnimmt. Diesen Vorgang nennt man auch Repolarisation.

Nun schließen sich auch die $K^+$-Kanäle wieder. Dies nimt jedoch mehr Zeit in Anspruch, als bei den $Na^+$-Kanälen. Das bedeutet, dass weiterhin $K^+$-Ionen aus dem intrazellulären Raum gelangen können. Das hat zur Folge, dass die Spannung in der Zelle unter das Nivau des Ruhepotentials sinkt. Diesen Zustand nennt man Hyperpolarisation.

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Bei diesem Zustand beibt es jedoch nicht. Die $K^+$- und $Na^+$-Kanäle sind nun wieder geschlossen und bleiben ungefähr 2 ms inaktiv, sodass kein weiteres Aktionspotential unmittelbar anknüpfen kann. Das ist die sogenannte Refraktärzeit, sie sorgt dafür, dass ein Aktionspotential nur in eine Richtung, nämlich zur Synapse, und nicht wieder zum Soma läuft. Die $Na^+$$K^+$-Pumpe sorgt dann im Folgenden für den Austausch der beiden Ionen in die Zelle beziehungsweise aus ihr heraus, bis die ursprüngliche Konzentrations- bzw. Ionenverteilung wieder hergestellt ist (Ruhepotential). Nun ist die Membran bereit für ein neues Aktionspotential.

Saltatorische Erregungsleitung

Viele Axone im peripheren Nervensystem werden durch einen Mantel aus speziellen Zellen (Schwann-Zellen) elektrisch isoliert. Dabei entsteht keine durchgängige Umhüllung. Die Abschnitte, an denen das Axon frei liegt, werden Ranviersche Schnürringe genannt und dienen einer schnelleren Übertragung von Nervensignalen. Die Erregung wird hierbei in Sprüngen von einem Schnürring zum nächsten weitergegeben (saltatorische Erregungsleitung).

Nervenschmerzen: Wenn die elektrische Ladung verrückt spielt

Nervenschmerzen, die sich wie Stromschläge anfühlen, weisen typischerweise auf eine Nervenreizung oder -schädigung hin. Wenn Nerven eingeklemmt oder verletzt werden, können sie scharfe, elektrisierende Empfindungen übertragen. Der Schmerz kann an verschiedenen Stellen des Körpers, einschließlich Armen und Beinen, spürbar sein.

Ursachen von Nervenschmerzen

• Nervenkompression: Druck auf einen Nerven kann seine normale Funktion stören. Beispiele sind das Karpaltunnelsyndrom oder Ischias.
• Nervenentzündung (Neuritis): Eine Entzündung kann schmerzhafte, scharfe Empfindungen auslösen, die einem Stromschlag ähneln.
• Multiple Sklerose (MS): Schädigung der Nervenhülle (Myelin) kann zu Nervenschmerzen führen.
• Diabetische Neuropathie: Nervenschäden aufgrund von Diabetes können stromschlagartige Schmerzen verursachen.

Diagnose und Behandlung von Nervenschmerzen

Die Diagnose der Ursache von Nervenschmerzen erfolgt durch Anamnese, körperliche Untersuchung und bildgebende Verfahren wie MRT oder CT. Die Behandlung zielt darauf ab, die Ursache zu beseitigen und die Symptome zu lindern. Zu den Behandlungsmöglichkeiten gehören:

• Physiotherapie: Kann bei Nervenkompression Linderung verschaffen.
• Entzündungshemmende Medikamente: Können bei Nervenentzündungen helfen.
• Alternative Medizin: Osteopathie, Akupunktur, traditionell chinesische Medizin und Heilpraktikerverfahren können ergänzend eingesetzt werden.
• Muskelfunktionsdiagnostik (EMG): Hilft, den betroffenen Nerv zu identifizieren.
• Statische Analyse der Wirbelsäule: Kann Fehlstellungen oder Verkrümmungen aufdecken, die Nerven einklemmen.
• Gezielte Übungen: Kräftigungs- und Dehnungsübungen können die Stützmuskulatur stärken, die Durchblutung fördern und die Nervenkompression verringern.
• Faszientraining: Kann Muskelverspannungen lösen und die Flexibilität der Faszien verbessern.

Neurostimulation: Elektrische Impulse zur Schmerzlinderung

Bei Patienten, bei denen Medikamente, chirurgische Eingriffe und physikalische Behandlungen keine Erfolge erzielen, kann die Neurostimulation eine Linderung der Beschwerden bewirken. Das Verfahren wird beispielhaft anhand der Spinal Cord Stimulation (SCS; Rückenmarkstimulation) erklärt. Es handelt sich um eine neurologische Therapie zur Behandlung chronischer Schmerzen.

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Funktionsweise der Neurostimulation

Das System besteht aus einer Elektrode, einem Impulsgeber sowie einer Energiequelle (Batterie). Im Rahmen der SCS wird der betroffene Nerv durch elektrische Stimulation gereizt und die Schmerzinformation durch angenehmere Kribbelreize ersetzt. Die Impulse werden an das Rückenmark gesendet und von dort an das Gehirn weitergeleitet, wo sie die vorhandenen Schmerze „überlagern“.

Ablauf der Behandlung

1. Probestimulation: Für einige Tage wird eine Probestimulation initiiert.
2. Implantation: Bei einem erfolgreichen Versuch (über 50 Prozent Schmerzreduktion und eventuell auch eine Verminderung des Arzneimittelverbrauchs) wird der Impulsgeber unter die Bauchhaut implantiert.

Vorteile der Neurostimulation

• Reversibel, da keine schmerzleitenden Nerven vernichtet oder durchtrennt werden.
• Keine Nebenwirkungen auf die Organsysteme wie bei Medikamenten.

Einschränkungen der Neurostimulation

• Gerätekomplikationen (Ausfall des Impulsgebers, Kabelbruch, Verlagerung der Elektrode).
• Missempfindungen (Kribbeln, Ameisenlaufen).
• Nachlassende Wirkung.
• Regelmäßige Nachsorge und eventueller Batteriewechsel.
• Mögliche Einschränkungen im Alltag (z.B. bei MRT-Untersuchungen).

Die Rolle der Carleton University: Einblicke in die Nervenzellkommunikation

Die Carleton University in Ottawa hat ein kurzes animiertes Video produziert, das die Kommunikation von Nervenzellen veranschaulicht. Das Video erklärt, wie Neurone elektrisch geladen sind und sich über Aktionspotentiale entladen. Dabei werden Neurotransmitter ausgeschüttet, die die nächste Zelle anregen, sich ebenfalls zu entladen.

Es wird auch darauf hingewiesen, dass die elektrische Ladung von Nervenzellen einem permanent aktiven Prozess geschuldet ist, bei dem Ionenpumpen (Natrium-Kalium-Pumpen) die Ladung aufrechterhalten. Etwa 20 Prozent der Energie, die das Gehirn verbraucht, geht allein für diese Pumpen drauf.

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