Die Fähigkeit, die Umwelt wahrzunehmen, beruht auf der Umwandlung physikalischer und chemischer Reize in elektrische Signale. Dieser Prozess beginnt mit dem Rezeptorpotential in sensorischen Zellen und führt letztendlich zur Auslösung von Aktionspotentialen, die Informationen an das Nervensystem weiterleiten. Das Verständnis dieser Mechanismen ist entscheidend für die Neurowissenschaften und hat klinische Relevanz, insbesondere bei der Behandlung von Sensibilitätsstörungen und der Entwicklung von Sensorprothesen.
Das Rezeptorpotential: Die Übersetzung der Umwelt
Das Rezeptorpotential ist eine reizinduzierte Änderung des Membranpotentials sensorischer Zellen als Reaktion auf einen adäquaten oder inadäquaten physikalischen oder chemischen Reiz. Ein adäquater Reiz ist die Reizform, auf die ein Rezeptor spezialisiert ist und die schon bei geringer Intensität ein Rezeptorpotential auslöst, beispielsweise Licht bei Fotorezeptoren. Ein inadäquater Reiz wirkt nur bei starker Intensität und kann vereinzelt eine Reaktion hervorrufen.
Die Amplitude des Rezeptorpotentials ist abhängig von der Reizstärke und -dauer, während Aktionspotentiale dem “Alles-oder-Nichts-Gesetz” folgen. Die genaue Lokalisation hängt vom Sinnesorgan ab. Es entsteht in den sensorischen Rezeptorzellen, zum Beispiel in den Mechanorezeptoren der Haut, den Photorezeptoren der Netzhaut oder den Haarzellen im Innenohr.
Das Rezeptorpotential ist graduell, das heißt seine Stärke ist abhängig von der Reizintensität. Je stärker der Reiz, desto größer das Rezeptorpotential. Es codiert durch Reizstärke beziehungsweise Amplitude.
Arten von Reizen und ihre Aufnahme
Ein wahrgenommener Reiz kann mechanisch, elektromagnetisch, chemisch oder thermisch sein. Je nach Sinnesmodalität (Hören, Sehen, Riechen, Schmecken und Fühlen) nutzen die Sensoren unterschiedliche Mechanismen, um den Reiz in ein Rezeptorpotential umzuwandeln.
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Der Ablauf der Transduktion beinhaltet im ersten Schritt die Reizaufnahme über den Sensor und im zweiten Schritt die Umwandlung des Reizes in ein Rezeptorpotential.
Ein Beispiel sind die Haarzellen im Innenohr oder die Fotorezeptoren der Retina, welche ein Rezeptorpotential durch spezifische Reizaufnahme erzeugen. Bei den Haarzellen erfolgt der Transduktionsvorgang durch mechanische Abscherbewegung der Sinneshärchen, was zu einem Rezeptorpotential umgewandelt wird.
Adaptation: Die Anpassung an konstante Reize
Adaptation bezeichnet die Fähigkeit von Sinneszellen (Rezeptoren), auf einen dauerhaften Reiz mit einer Abschwächung des Rezeptorpotentials zu reagieren.
Rezeptortypen
Je nach Aufbau gibt es drei Typen von Sinneszellen, die alle unterschiedlich mit Reizen umgehen:
- Primäre Sinneszellen: Besitzen ein eigenes Axon und können selbst Aktionspotentiale weiterleiten. Ein Beispiel sind die Geruchsrezeptoren.
- Sekundäre Sinneszellen: Haben kein eigenes Axon und geben die Information über die Reizintensität chemisch über eine Synapse an eine nachfolgende Nervenzelle weiter. Zu den sekundären Sinneszellen gehören die Geschmacksrezeptoren, die in Geschmacksknospen zusammenliegen. Auch die Haarzellen im Innenohr, Fotorezeptoren in der Retina und Sinneszellen im Gleichgewichtsorgan sind sekundäre Sinneszellen.
- Einfache Sinneszellen: Hier liegt der Zellkern weiter entfernt und schickt Dendriten zum Ort der Reizaufnahme.
Rezeptorpotentiale und Ionen
Das Rezeptorpotential entsteht, wenn Natriumionen in die Rezeptorzelle einströmen und dort eine elektrische Antwort auslösen. Rezeptorpotentiale spielen eine wichtige Rolle in der Calcium-Signalgebung innerhalb der Zellen. Calcium-Ionen sind entscheidend für die Auslösung und Modulation von Rezeptorpotentialen, die letztlich die Kommunikation zwischen sensorischen Zellen und dem Nervensystem beeinflussen.
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Elektrotonische Weiterleitung
Das Rezeptorpotential bildet sich als Folge der Ausschüttung von Natrium-Ionen über die entsprechenden Kanäle in die Rezeptorzelle aus (elektrotonische Weiterleitung). Dabei addieren sich exzitatorische (erregende) und inhibitorische (hemmende) postsynaptische Potentiale (IPSPs und EPSPs).
Das Rezeptorpotential wächst mit der Stärke des Reizes. Beim Erreichen eines Schwellenwertes erfolgt dann ein Aktionspotential, welches dem Alles-oder-Nichts-Gesetz unterliegt.
Das Rezeptorpotential ist amplitudenmoduliert! Es kommt zur Weiterleitung der eingehenden Informationen (Information durch die Neurotransmitter-Ausschüttung) durch Ionenbewegungen, also elektrotonisch, bis zum Axonhügel.
Summation von Rezeptorpotentialen
Rezeptorpotentiale besitzen die Fähigkeit, sich zu summieren, was bedeutet, dass mehrere kleinere Potentialänderungen sich addieren können, um eine stärkere Depolarisation zu erzeugen. Dieser Prozess ist entscheidend, um die Schwelle für die Auslösung eines Aktionspotentials zu erreichen. Summation kann auf zwei Weisen erfolgen:
- Räumliche Summation: Rezeptorpotentiale aus unterschiedlichen Bereichen der Rezeptorzelle addieren sich, um eine stärkere Reaktion hervorzurufen.
- Zeitliche Summation: Mehrere Rezeptorpotentiale, die in kurzer Abfolge auftreten, addieren sich, um einen größeren Effekt zu erzeugen.
Die Fähigkeit zur Summation ermöglicht es sensorischen Systemen, flexibler auf eine Vielzahl von Reizintensitäten zu reagieren. Ein Beispiel für die Summation von Rezeptorpotentialen findet sich bei der Rezeptorzelle der Cochlea, wo mehrere Frequenzen gleichzeitig aufgenommen werden. Jede Frequenz erzeugt ein individuelles Rezeptorpotential und die Summation dieser Potentiale kann stärker sein als die Summe ihrer Teile, was zu einer erhöhten Signalübertragung führt.
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Vom Rezeptorpotential zum Aktionspotential: Die Weiterleitung der Information
Das Rezeptorpotential wandert nicht durch die Zelle, sondern bleibt lokal begrenzt. Es breitet sich elektronisch im Zellkörper aus und erzeugt ein elektrisches Feld.
Wenn das Rezeptorpotential stark genug ist und einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, löst es am Axonhügel der Nervenzelle ein oder mehrere Aktionspotentiale aus, welche dann entlang eines Axons weitergeleitet werden.
Aktionspotential: Der Nervenimpuls
Das Aktionspotential beschreibt die Änderung des Membranpotentials einer Zelle während der Erregungsleitung. Es ist ein Nervenimpuls, der für die Weiterleitung von Reizen verantwortlich ist. Die Übertragung von Reizen findet in Nervenzellen (Neuronen) statt und äußert sich als Änderung des Membranpotentials. Zu einer Änderung der Spannung kommt es durch das Öffnen und Schließen von spannungsgesteuerten Ionenkanälen in der Membran. Kommt ein elektrischer Reiz an einer Nervenzelle an, ändert sich die Spannung und die Ionenkanäle öffnen sich.
Ein Aktionspotential (AP) ist eine vorübergehende Spannungsänderung des Membranpotentials über der Zellmembran. Es dient zur Reizweiterleitung zwischen Nervenzellen.
Zunächst liegt das Potential einer Zelle in Ruhe (Ruhepotential) bei etwa -70 mV. steigt bis auf ein Maximum von ca. Übrigens: Die verschiedenen Schritte verlaufen sehr schnell hintereinander. So dauert ein Aktionspotential in den Nervenzellen nur ca. Du siehst, dass du den Verlauf eines Aktionspotentials in fünf verschiedene Phasen einteilen kannst.
Ruhepotential
Das Ruhepotential ist der normale Spannungszustand einer Nervenzelle ohne Reiz, etwa -70 Millivolt. Dann bezeichnest du das Membranpotential auch als Ruhepotential. Die Konzentration der Kaliumionen ist im Zellinneren hoch, während die Natriumkonzentration außerhalb der Zelle höher ist. Die in der Membran liegenden spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumkanäle sind zunächst geschlossen.
Auslösung des Aktionspotentials
Ein am Axonhügel eines Neurons ankommender Reiz erhöht die Spannung an der Zellmembran. Nur wenn dieser Reiz die Spannung über einen Schwellenwert von etwa -50 mV erhöht, wird ein Aktionspotential ausgelöst.
Das "Alles-oder-Nichts-Gesetz"
Unter dem ‚Alles-oder-Nichts-Gesetz‘ verstehst du, dass ein Aktionspotential entweder in voller Größe oder gar nicht auftritt. Das bedeutet, dass die Reizschwelle entweder überschritten und ein Aktionspotential ausgelöst wird oder eben nicht. Ein zu schwacher Reiz erreicht nicht den Schwellenwert. Nein, ein starker Reiz kann kein größeres Aktionspotenzial auslösen. Sobald der Schwellenwert erreicht ist, läuft das Aktionspotential immer gleich ab - egal, wie stark der Reiz war.
Depolarisation
Oder auch Depolarisierung verstehst du die Anstiegsphase des Aktionspotentials. Das funktioniert so: Der Anstieg des Membranpotentials über einen Wert von etwa -50 mV führt zur Öffnung spannungsabhängiger Natriumkanäle in der Membran. Die Konzentration von Natriumionen ist außerhalb der Zelle deutlich höher als im Zellinnenraum. So kommt es zu einem schlagartigen Einstrom positiv geladener Natriumionen in das Zellinnere des Axons. Das führt zur Öffnung weiterer Natriumkanäle und stellt somit eine positive Rückkopplung dar. So kommt es sogar zur Ladungsumkehr. Die Innenseite ist jetzt also nicht mehr negativ, sondern positiv geladen.
Repolarisation
Die Repolarisation ist die Phase des Aktionspotentials, bei der sich das Membranpotential wieder dem Ruhepotential nähert. Bevor das Maximum des Membranpotentials erreicht ist, beginnen die Natriumkanäle sich wieder zu schließen. Gleichzeitig beginnen sich die spannungsgesteuerten Kaliumkanäle zu öffnen. Das Zelläußere ist jetzt im Vergleich zum Inneren der Zellen negativ geladen und die Kaliumkonzentration außerhalb der Zelle ist niedriger. Da das Schließen der Kaliumkanäle länger dauert, als das der Natriumkanäle, kann es sogar zur Unterschreitung des Ruhepotentials kommen. weiter Kaliumionen aus der Zelle. Die Spannung sinkt deshalb unter den Ausgangswert.
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. Die Zeit, in der die Kanäle inaktiv sind, heißt Refraktärzeit. Sie ist wichtig für eine unidirektionale Weiterleitung eines Reizes. Du kannst im Verlauf des Aktionspotentials zwei Phasen der Refraktärzeit unterscheiden. Kurz nach der Umpolarisierung können sich die Natriumkanäle erstmal gar nicht öffnen. Das ist die absolute Refraktärphase. Nach der Repolarisation wird der Schwellenwert zur Öffnung der Kanäle wieder niedriger, bis er wieder auf den Normalwert sinkt. Diese Phase, bei der du stärkere Reize für die Auslösung eines Aktionspotentials benötigst, heißt relative Refraktärzeit.
Wiederherstellung des Ruhepotentials
Damit die Zelle bereit für ein neues Aktionspotential ist, muss die ursprüngliche Ionenverteilung wieder hergestellt werden. (Natrium-Kalium-ATPase). Unter Energieverbrauch pumpt sie Natrium aus der Zelle heraus und Kalium in die Zelle zurück. Somit hält sie das Ruhepotential der Zelle aufrecht.
Bedeutung des Aktionspotentials
Das Aktionspotential sorgt dafür, dass Informationen schnell durch den Körper geleitet werden. Es ist ein zentrales Element für die gesamte Erregungsleitung zwischen Nervenzellen. Ein Aktionspotential entsteht nur, wenn ein Reiz stark genug ist.
Klinische Relevanz
Störungen in der Entstehung oder Verarbeitung von Rezeptorpotentialen können zu Sensibilitätsstörungen führen. Dazu gehören zum Beispiel sensorische Neuropathien, welche die Reizaufnahme oder Weiterleitung beeinträchtigen.
Lokalanästhetika blockieren spannungsabhängige Natriumkanäle in Nervenzellen und verhindern so den Natrium-Einstrom während der Depolarisation. Dadurch unterbrechen sie die Entstehung und Weiterleitung von Aktionspotentialen. Auch bei die Entwicklung für Sensorprothesen, wie Cochleaimplantate, ist das Rezeptorpotential zentral für die Funktionsweise. Es ahmt den ersten Schritt der natürlichen Hörwahrnehmung, und zwar die Umwandlung mechanischer Reize in elektrische Signale nach. Normalerweise erzeugen Haarzellen im Innenohr ein Rezeptorpotenzial als Reaktion auf Schallschwingungen. Die Cochleaimplantate umgehen diese defekten Haarzellen und wandeln den Schall in elektrische Impulse um, welche sie direkt an den Hörnerv (Nervus vestibulocochlearis) weitergeben.
Im Rahmen der Anwendung von Anästhetika (insbesondere Lokalanästhetika) und bestimmten Neurotoxinen spielt das Rezeptorpotential eine indirekte Rolle in der Reizleitungshemmung. Die Substanzen hemmen spannungsabhängige Natriumkanäle, was für die Transformation des Rezeptorpotentials bedeutend ist.
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