Damit Organismen rasch auf Reize aus der Umwelt reagieren können, müssen Nervenimpulse entlang der Nervenfortsätze, sogenannter Axone, schnell und präzise weitergeleitet werden. Die Geschwindigkeit, mit der diese Reizweiterleitung geschieht, wird unter anderem vom Durchmesser der Axone beeinflusst. Sind die Axone dicker, setzen sie dem elektrischen Reiz weniger Widerstand entgegen, wodurch er schneller weitergeleitet werden kann.
Die Bedeutung der Reizweiterleitung für die Reaktionsfähigkeit
Um vor einem Angreifer fliehen oder erfolgreich jagen zu können, müssen Tiere schnell auf äußere Reize reagieren. Die Nervenzellen leiten dabei entlang ihrer Fortsätze, den Axonen, elektrische Impulse weiter und lösen letztendlich die Kontraktion von Muskeln aus. Die Erregungsleitung ist die Weiterleitung elektrischer Signale in Nerven- und Muskelzellen. Dazu benötigt dein Körper die Erregungsweiterleitung. Eine Erregung entsteht immer am Axonhügel eines Neuron.
Axondurchmesser und Nervenleitgeschwindigkeit
Die Signalweiterleitungsgeschwindigkeit ist von diversen Variablen abhängig. Axondurchmesser, Potentialdifferenz, Temperatur, Länge und Dicke der Schwann'schen Zellen, Effizienz der spannungsabhängigen Natriumkanäle etc. spielen eine Rolle. 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.
Während wirbellose Tiere zum Teil sehr dicke Axone entwickelt haben, um die Nervenleitgeschwindigkeit zu erhöhen, hat sich im Nervensystem von Wirbeltieren Myelin um die Axone gebildet.
Myelin: Eine Evolutionäre Innovation für schnelle Reizweiterleitung
Im Nervensystem von Wirbeltieren dagegen wurde im Laufe der Evolution die Reizweiterleitung auf andere Weise erhöht. Es bildete sich Myelin, das die Nervenfasern mit einer mehrlagigen, fettreichen Schicht umgibt und elektrisch isoliert. Diese Isolationsschicht ermöglicht eine schnelle Erregungsleitung bei kleinem Axondurchmesser. Die Myelin-bildenden Zellen im peripheren Nervensystem, Schwannzellen genannt, sind dicht um die Axone gewickelt. Die Myelinschicht bildet aber keine durchgehende Umhüllung, sondern ist im Abstand von etwa 0,5-2 mm immer wieder unterbrochen. Das ermöglicht eine saltatorische Erregungsleitung.
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Das ist aus mehreren Gründen für die Wirbeltiere von Vorteil: Kleinere Axone verbrauchen nicht nur weniger Energie, sondern auch weniger Platz. Dadurch passen mehr Axone in eine Nervenbahn und erlauben so eine hohe Präzision bei der Übertragung von Reizen und die Entwicklung komplexer kognitiver Funktionen. Durch die Isolierung der Axone ist zudem die schnelle Reizweiterleitung auch über lange Strecken möglich, wie sie bei großen Tieren wie z.B. der Giraffe nötig ist. Kleine, myelinumhüllte Axone haben der Evolution also völlig neue Möglichkeiten eröffnet.
Marklose und markhaltige Nervenfasern: Ein Vergleich
Bevor wir über die Unterscheidung der Nervenfasern und den Signaltransport sprechen, wollen wir die Frage klären: Was ist eine Nervenfaser? Eine Nervenfaser ist eine lange, schnurähnliche Bahn und Teil der Nervenzelle. Zudem gibt es Unterschiede, wie schnell Signale in Nervenfasern weitergeleitet werden. Die Geschwindigkeit kann stark variieren, je nachdem, ob es sich um marklose oder markhaltige Nervenfasern handelt.
Marklose Nervenfasern besitzen keine Gliazellen auf dem Axon. Das Axon ist sozusagen nackt. Marklose Nervenfasern führen eine langsame Reizweiterleitung aus. Betrachten wir beispielsweise den Tintenfisch mit seinem Riesenaxon. Hier liegt der Durchmesser bei $\pu{500 - 1000 µm}$. Im Nervenzellkörper wird ein Reiz in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses führt zu einer Depolarisation der Zellmembran. Ab Erreichen eines bestimmten Schwellenwertes wird am Axonhügel ein Aktionspotenzial ausgelöst. Sobald ein Aktionspotenzial durch eine Stelle der Nervenzelle durchgelaufen ist, muss dort wieder das ursprüngliche Membranpotenzial hergestellt werden. Die Natrium-Kalium-Pumpen werden aktiviert und sorgen für den Ausgleich. Natrium wird aus dem Axon transportiert, Kalium fließt in das Axon. Für diesen Vorgang wird Energie in Form von ATP durch Spaltung verbraucht. Die Axonwand ist regelmäßig mit Natrium-Kalium-Pumpen durchbrochen. Marklose Nervenfasern kommen vorwiegend in wirbellosen Tieren vor. Ein Beispiel ist die Biene. Aufgrund ihrer geringen Größe ist eine Reizweiterleitung von etwa $\pu{3 m/s}$ ausreichend, um Informationen weiterzuleiten. Bei uns Menschen finden wir marklose Nervenfasern zum Beispiel in Magen und Darm.
Im Unterschied zu marklosen Nervenfasern sind bei markhaltigen in regelmäßigen Abständen Gliazellen um das Axon gewickelt. Diese bilden Myelinschichten als Isolationsschicht. Eine andere Bezeichnung für diese bestimmte Art der Gliazelle ist schwannsche Zelle. Zwischen benachbarten schwannschen Zellen befindet sich je ein ranvierscher Schnürring. Vorteilhaft sind die schwannschen Zellen bei der Reizweiterleitung. Da eine Änderung des Membranpotenzials nur an den ranvierschen Schnürringen stattfinden kann, erfolgt die Weiterleitung des Aktionspotenzials sprunghaft, auf saltatorische Weise. Mit einer Geschwindigkeit von bis zu $\pu{120 m/s}$ wandert der Reiz recht schnell und die Nervenfasern arbeiten effizienter in der Informationsweitergabe als marklose. Bei markhaltigen Nervenfasern besitzt das Axon nur an den ranvierschen Schnürringen die Natrium-Kalium-Ionenpumpen. Durch diese räumliche Begrenzung konzentriert sich die Anzahl auf $\pu{12000 pro µm2}$. So können hohe Konzentrationen an Ionen schneller transportiert werden, ohne jedoch alle Pumpen in Gebrauch zu nehmen. Für Menschen sind markhaltige Nervenfasern für schnelle Reaktionen notwendig. Sie kommen überall im Körper vor. Dabei dienen sie nicht nur schnellen Bewegungen, sondern sind auch im Straßenverkehr für die Achtsamkeit notwendig. Am wichtigsten ist ihre Funktion für Reaktionen auf Gefahrensituationen.
Kontinuierliche vs. saltatorische Erregungsleitung
Der Befehl vom Gehirn "Klick auf die Maus!" wird in einem Neuron als elektrisches Signal bzw. genauer als Aktionspotenzial am Axonhügel losgeschickt und entlang des Axons bis zum Finger weitergeleitet. Je nach Art und Ablauf unterscheidet man zwei Formen der Erregungsübertragung: Die saltatorische und kontinuierliche Erregungsleitung.
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Kontinuierliche Erregungsleitung
Nervenfasern ohne Myelinisierung, also marklose Neurone, leiten Erregungen kontinuierlich weiter. Das heißt, dass das Aktionspotenzial über ständiges Ausgleichen von Ladungsunterschieden zwischen schon erregten und noch nicht erregten Membranstellen weitergeleitet wird. Die kontinuierliche Erregungsleitung beschreibt die Weiterleitung von Reizen über das Axon durch eine unterbrechungsfreie, also kontinuierliche Auslösung eines Aktionspotentials. 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. Dabei muss zunächst ein Aktionspotential ausgelöst werden. Dieses kann dann weitergeleitet werden.
- 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 die Erregung stark genug sein, um am Axonhügel der Gehirn-Nervenzelle das Schwellenpotenzial von - 40 bis - 50 mV zu erreichen. 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.
- 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. 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. 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 am Axon: Wenn die ständig neu gebildeten Aktionspotenziale durch Ionenströme entstehen, warum werden sie immer in Richtung Axonendköpfchen geleitet? Warum fließen sie 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 nur sich bloß auf erregbare Membranabschnitte ausbreiten kann. Außerdem wird so die Dauer des Aktionspotenzials begrenzt.
Einflussfaktoren auf die kontinuierliche Erregungsleitung:
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.
- 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
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. Sie kommt v. a.
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Die meisten Nervenzellen bei uns Menschen sind wie elektrische Kabel isoliert. oder Markscheide umgeben. Das führt zur Öffnung spannungsabhängiger Natriumionenkanäle. Die Kanäle findest du nur an den Ranvier’schen Schnürringen. Dort strömen dann die positiv geladenen Natriumionen ins Zellinnere. Dadurch wird ein erneutes Aktionspotential bzw. eine neue Depolarisierung ausgelöst. Sie reicht bis zum nächsten Schnürring. Es wird also immer nur an einem nicht-isolierten Bereich ein Aktionspotential gebildet. Durch die Isolation kann die Leitungsgeschwindigkeit deutlich erhöht werden und Energie sparen. Natriumionenkanäle in Bereichen, die das Aktionspotential bereits passiert hat, werden danach inaktiviert. Die Zeit, die sie brauchen, bis sie wieder erregt werden können, nennst du Refraktärzeit.
Vergleich: Kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung
| Merkmal | Kontinuierliche Erregungsleitung | Saltatorische Erregungsleitung |
|---|---|---|
| Myelin-Ummantelung | nicht vorhanden = marklos | vorhanden = markhaltig |
| Erregungsübertragung | fortschreitend | sprunghaft |
| Leitungsgeschwindigkeit | eher langsam (v = 1 m/s bis max. 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 als die kontinuierliche?
Einfluss des Proteins CMTM6 auf die Axondicke und Reizweiterleitung
Bisher war jedoch kein Molekül bekannt, das die Axondicke begrenzt. Forschende am Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin in Göttingen haben das Protein CMTM6 (chemokine-like factor-like MARVEL-transmembrane domain-containing family member-6) in den Myelin-bildenden Zellen von Mäusen genetisch abgeschaltet. Sie konnten daraufhin beobachten, dass diese Mäuse nicht nur dickere Axone entwickeln, sondern auch deutlich schneller auf sensorische Reize reagieren als ihre Artgenossen.
Hauke Werner und seine Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin in Göttingen erforschen den Zusammenhang zwischen Myelin und der Funktionalität von Axonen. In ihrer Studie schalteten die Forscher das Protein CMTM6 in den Schwannzellen von Mäusen genetisch aus. Dadurch entwickelten die Mäuse deutlich dickere Axone als ihre Artgenossen. Elektrophysiologische Untersuchungen der Nervenzellen zeigten, dass die Nervenleitgeschwindigkeit in diesen Mäusen erhöht ist. Andere Komponenten des Nervensystems waren unverändert, weshalb die Forscher die schnellere Reizübertragung auf die dickeren Axone zurückführen konnten.
Auch im Verhalten der Mäuse beobachteten die Forscherinnen und Forscher diese schnelleren Reaktionen. „Setzten wir die Mäuse auf eine beheizte Platte, reagierten die Tiere mit den dickeren Axonen deutlich schneller auf den Hitzereiz“, erzählt Maria Eichel, Mitarbeiterin von Hauke Werner und Erstautorin der Studie. Die schnelle Reizweiterleitung stellte die Mäuse jedoch auch vor Probleme. Ließen die Wissenschaftler die Mäuse über ein Gitter laufen, rutschen die genetisch veränderten Mäuse öfter von den Stäben ab als ihre Artgenossen. „Die Tiere hatten wahrscheinlich Probleme, die sehr schnell weitergeleiteten Reize richtig zu koordinieren“, erklärt Eichel. Durch das Ausschalten des Proteins CMTM6 haben die Forscher also keine „Supermäuse“ erschaffen.
Therapieansatz für neuronale Erkrankungen
Die Versuche mit den genetisch veränderten Tieren liefern jedoch eine mögliche Grundlage für die Therapie neuronaler Erkrankungen. In vielen dieser Erkrankungen ist die Reizweiterleitung gestört. Bei Patienten mit der Charcot-Marie-Tooth-Krankheit etwa sind Axone mit reduziertem Durchmesser eine Krankheitsursache. „Das Protein CMTM6 könnte ein Ansatzpunkt für die Therapie solcher Krankheiten sein“, sagt Eichel. Im nächsten Schritt wollen die Forscher daher in Mäusen, die durch genetische Veränderungen bestimmte neurologische Erkrankungen entwickeln, zusätzlich das Protein CMTM6 ausschalten und untersuchen, ob sich das Krankheitsbild dadurch verbessert.