1 Aufbau des Nervensystems Das zentrale Nervensystem (ZNS) Das periphere Nervensystem (PNS)... 3

Transkript

1 Inhaltsverzeichnis 1 Aufbau des Nervensystems Das zentrale Nervensystem (ZNS) Das periphere Nervensystem (PNS) Aufbau einer Nervenzelle 4 3 Ruhemembranpotential 7 4 Aktionspotential Aufbau und Funktion spannungsgesteuerter Ionenkanäle Ablauf des Aktionspotentials Charakteristika des Aktionspotentials Erregungsleitung Zwei Arten der Erregungsleitung Leitungsgeschwindigkeit Stofftransport in Nervenfasern Erregungsübertragung Formen der Erregungsübertragung Transmitter und Transmitter - Rezeptor - Komplex Postsynaptische Potentiale Zeitliche und Räumliche Summation von EPSP und IPSP Erregungsausbreitung im Neuronenverband 35 8 Quellenangaben 37 1

2 Seminar Medizinphysik Informationsübertragung im Nervensystem Ariane Fillmer - rakete9@gmx.de

3 Informationsübertragung im Nervensystem 1 Aufbau des Nervensystems Durch den Begriff Nervensystem werden alle Nervenzellen und die Art, wie diese angeordnet und miteinander verbunden sind, bezeichnet. Das menschliche Nervensystem lässt sich in zwei Untersysteme aufteilen, das zentrale Nervensystem (ZNS) und das periphere Nervensystem (PNS). 1.1 Das zentrale Nervensystem (ZNS) Abbildung 1: Das ZNS umfasst das Gehirn und das Rückenmark Unter dem zentralen Nervensystem werden das Gehirn und das Rückenmark zusammengefasst. Seine Aufgaben sind: Integration aller sensiblen Reize, die ihm - afferent - von innerhalb oder außerhalb des Organismus zugeleitet werden. (afferent: vom peripheren Nervensystem) Koordination sämtlicher motorischer Eigenleistungen des Gesamtorganismus Regulation aller dabei ablaufenden innerorganischen Abstimmungsvorgänge, zwischen den organischen Subsystemen oder Organen, einschließlich solcher hormoneller Art. Das ZNS wird eingeteilt in graue und weiße Substanz. Die graue Substanz liegt im Gehirn außen und im Rückenmark innen. Sie besteht hauptsächlich aus den Nervenzellkörpern (Soma). Die weiße Substanz besteht hauptsächlich aus den Nervenfasern, also Axonen und Dendriten. Der Unterschied zwischen beiden ist mit bloßem Auge anhand der namensgebenden Farbe zu erkennen. Das zentrale Nervensystem ist durch Knochen (Schädel und Wirbelspinalkanal) und durch die Blut - Hirn - Schranke geschützt. Die Blut - Hirn - Schranke dient dazu, Milieubedingungen im Gehirn aufrechtzuerhalten. Die Gefäßwände der Blutgefäße im Gehirn sind 2

4 so aufgebaut, dass fast keine Substanzen aus dem Blut ins Hirngewebe diffundieren können. Lipidlösliche Stoffe, wie die Atemgase O 2 und CO 2, aber auch Alkohol, Nikotin, LSD, MDMA (Ecsatsy), Heroin ect., können die Endothelzellen (Beschichtung der Gefäßwände, haben je nach Gefäßart unterschiedliche Aufgaben, bei Nervenzellen bilden sie anatomisch gesehen die Blut - Hirn - Schranke) passieren, wasserlösliche Stoffe nur in sehr geringem Maße auf passivem Weg. D - Glucose, die vom Gehirn in großen Mengen benötigt wird, ist nicht lipidlöslich. Für diese und andere vom Gehirn benötigte Substanzen stehen sogenannte Carriersysteme zur Verfügung. 1.2 Das periphere Nervensystem (PNS) Abbildung 2: Das periphere Nervensystem umfasst alle Nerven, die nicht zum ZNS gehören. Das periphere Nervensystem umfasst alle Nervenzellen, die nicht zum ZNS gehören. Eine starre Abgrenzung von ZNS und PNS ist funktional allerdings nicht sehr sinnvoll, da die motorischen (für die Bewegung zuständigen) und die vegetativen (für die Funktion der inneren Organe zuständigen) Neurone ihre Zellkörper im ZNS haben, die Fortsätze aber ins PNS reichen. Die sensiblen (für Empfindungen zuständigen) Neurone haben dagegen ihre Zellkörper fast ausnahmslos in Nervenknoten (Ganglien) im PNS, ihre Fortsätze ziehen aber fast alle ins ZNS, wo die eigentliche Informationsverarbeitung stattfindet und bewusste oder unbewusste (Reflex) Reaktionen ausgelöst werden. Nur beim intramuralen Nervensystem (Nerven in der Wand von inneren Organen) findet die Informationsverarbeitung teilweise unabhängig vom ZNS statt. Das PNS wird weiter unterteilt in das somatische und das autonome Nervensystem. Das somatische (auch: animalsiches) Nervensystem regelt die Funktionen, die der Beziehung 3

5 zur Außenwelt dienen, also der willkürlichen und reflektorischen Motorik, sowie der Oberflächenund Tiefensensibilität. Das autonome (auch: vegetative oder viscerale) Nervensystem kontrolliert die Vitalfunktionen, wie Herzschlag, Atmung, Blutdruck, Verdauung und Stoffwechsel. Außerdem werden Sexualorgane, das Blutgefäßsystem und die inneren Augenmuskeln vom autonomen Nervensystem beeinflusst. Es ist autonom weil den Menschen die Kontrolle durch das Bewusstsein über diesen Teil des Nervensystems entzogen ist. 2 Aufbau einer Nervenzelle Abbildung 3: Schematische Darstellung des Aufbaus eines typischen Neurons Eine Nervenzelle (auch: Neuron) besteht aus dem Zellkörper (Soma), den Dendriten, einem Axon, das von Myelinscheiden umwickelt ist, und den Synapsen (siehe Abb. (3) und (4)). 4

6 Abbildung 4: Schematische Darstellung einer Nervenzelle Das Soma enthält den Zellkern und verschieden Zellorganellen, wie z.b. raues und glattes endoplasmatisches Retikulum und Mitochondrien. Es hat eine Größe von etwa 0,25mm und in ihm werden alle, für die Arbeit der Nervenzelle wichtigen Stoffe, also Neurotransmitter, produziert. Aus dem Soma wachsen die sogenannten Neuriten aus. Das sind zum einen die Dendriten, die Signale zum Soma hinleiten und zum anderen das Axon, das Signale vom Soma wegleitet. Die verzweigten Dendriten (siehe Abb. (2)) nehmen Signale, entweder von anderen Nervenzellen oder Sinneszellen, auf und leiten diese zum Soma weiter, wo diese verarbeitet werden. Das geschieht durch räumliche und zeitliche Summation von Änderungen des Membranpotentials. Diese Summe zu einem gegebenen Zeitpunkt an einem gegebenen Ort, der meistens der Axonhügel ist, überschreitet entweder das Membranschwellenpotential und löst ein Aktionspotential aus, oder es wird kein Signal weitergeleitet. Der Dendritenbaum einer einzigen (menschlichen) Nervenzelle kann mit bis Fasern anderer Neuronen in Kontakt stehen. 5

7 Abbildung 5: Charakteristische Anordnung dendritischer Fortsätze verschiedener Nerven im ZNS. a: Großhirnrinde b: Kleinhirnrinde c: Rückenmark Der Axonhügel ist die Ursprungsstelle des Axons am Soma. Da hier das Schwellenpotential stark reduziert ist, wirkt er als Initialsegment, von dem die Aktionspotentiale an das Axon weitergeleitet werden. Durch das niedrige Schwellenpotential ist außerdem sichergestellt, dass Aktionspotentiale nur an einem Ort entstehen und weitergeleitet werden. Da bei ausreichender Reizintensität das Neuron an jeder Stelle erregt werden kann und das Signal in jede Richtung weitergeleitet werden kann, ist der Axonhügel also verantwortlich für die gerichtete Erregungsleitung. 6

8 Das Axon leitet das Aktionspotential vom Soma zu den Synapsen weiter. Außerdem werden die im Soma gebildeten Neurotransmitter und Enzyme durch das Axon zu den Synapsen transportiert. Je nach Typ der Nervenzelle kann das Axon von 1µm bis über einen Meter lang sein. Das Axon wird von mehreren aufeinanderfolgenden Myelinscheiden umhüllt. Die Lücken zwischen den Myelinscheiden heißen Ranvier sche Schnürringe. Das Axon und die Hülle bilden eine sogenannte markhaltige Nervenfaser. Marklose Nervenfasern, also Axone, die keine Myelinscheide haben, kommen vor allem bei wirbellosen Tieren vor. Das Axon mündet in sogenannten Endknöpfchen, die den präsynaptischen Teil der Synapse bilden. Die Synapse ist der Verbindungspunkt zwischen zwei Nervenzellen, an dem die Reizübertragung meist durch chemische Botenstoffe, dei Neurotransmitter, passiert. Durch die Synapsen werden die Nervenzellen also zu einem Netzwerk verschaltet. Ein Neuron hat bis zu Synapsen, das menschliche Gehirn etwa 1 Billiarde. 3 Ruhemembranpotential Die Membran einer Nervenzelle (Abb. (6)) besteht, wie die Membran von anderen Zellen aus einer Doppellipidschicht, in die Proteine eingelagert sind. Abbildung 6: Typische Struktur einer Zellmembran Sowohl im Intra- als auch im Extrazellulärraum sind in wässriger Lösung u.a. Salze vorhanden. Besonders wichtig sind hier N acl und KCl. Normalerweise würden sich die Konzentrationen von Na + und K + im Intra- und Extrazellulärraum ausgleichen, aber die sogenannte Natrium - Kalium - Pumpe (siehe Abb. (7)) pumpt Natrium aus der Nervenzelle heraus und Kalium in die Nervenzelle hinein. Dafür wird Energie benötigt, die aus dem Zellstoffwechsel in Form von ATP bereitgestellt werden muss. Stöchiometrisch bedeutet das: Die Energie die bei der Spaltung von ATP in ADP und P freigesetzt wird, reicht aus um 3 Na + aus der Zelle zu pumpen und 2 K + in die Zelle zu pumpen, wobei die Aktivität der Na + - K + - Pumpe von der Ionenkonzentration zu beiden Seiten der Membran abhängt. An der Stöchiometrie wird außerdem deutlich, dass die Na + - K + - Pumpe elektrogen arbeitet, d.h. dass ein Potential 7

9 entsteht, bzw. aufrechterhalten wird. Abbildung 7: Schematische Darstellung der Funktionsweise der Natrium - Kalium - Pumpe Durch die Na + - K + - Pumpe ist die Konzentration von Natrium außerhalb der Zelle sehr viel höher als innerhalb. Für K + ist es genau andersherum. Auch für Cl - Ionen bildet sich infolge eines aktiven Transports ein Konzentrationsungleichgewicht (siehe Tabelle (1)). intrazellulär extrazellulär K + ( mmol l ) Na + ( mmol l ) Cl ( mmol l ) Tabelle 1: Ionenkonzentrationen im Intra- und Extrazellulärraum von erregbaren Zellen bei Warmblütern Es hat sich also über der Membran ein Konzentrationsgradient ausgebildet. Daraus resultiert eine Kraft, die vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigen Konzentration gerichtet ist. Diese Kraft kann aber nur dann in Bewegung umgesetzt werden, wenn die Membran für die entsprechenden Ionen durchlässig ist. Die Zellmembran einer Nervenzelle ist für K + - Ionen relativ gut durchlässig, für Na + - Ionen dagegen so gut wie gar nicht. Dafür sind in die Membran eingelagerte Proteine verantwortlich, die die Membran durchsetzen und porenförmige Ionenkanäle (siehe Abb. (8)) bilden. Diese Ionenkanäle sind nur für bestimmte Ionen durchlässig (selektiv permeabel), was zum einen auf die Größe der Ionen (mitsamt der Hydrathülle) und der Kanäle zurückzuführen ist, zum anderen auch auf die Bindungsaffinität des hindurchtretenden Ions im Kanal. Außerdem können die Kanäle verschiedene Konformationszustände annehmen, d.h. sie können offen bzw. aktiviert, oder geschlossen bzw. inaktiviert sein. 8

10 Abbildung 8: Die Ionenkanäle der Nervenzellmembran sind die Ursache der selektiven Permeabilität Die Ionenströme die durch Membrankanäle fließen können mit der sog. Spannungsklemme gemessen werden. Dabei wird über der Membran eine bestimmte Spannung eingestellt und konstant gehalten. Damit diese Spannung konstant bleibt muss der Ionenstrom durch die Kanäle genau kompensiert werden. Mit der Patch Clamp Methode (siehe Abb. (9)) kann der Strom durch einzelne Kanäle erfasst werden. Mit einer Kapilare wird ein kleiner Membranfleck angesaugt, der möglichst wenige Kanäle enthält. Dann wird das Potential auf einen konstanten Wert eingestellt und der benötigte Kompensationsstrom gemessen. Abbildung 9: Schematische Darstellung der Patch - Clamp - Methode Dadurch, dass Kalium aus der Zelle herausströmt, baut sich ein elektrisches Feld auf, mit dem negativen Pol im inneren der Zelle. Diese Potentialdifferenz, die sich über der Zellmembran 9

11 aufbaut wird Ruhemembranpotential genannt. Das Membranpotential kann mit Mikroelektroden (Glasröhrchen mit einem Spitzendurchmesser von 0, 1 bis 1µm) gemessen werden (siehe Abb. (10)). Die Mikroelektrode wird in den Intrazellulärraum eingeführt und mit einer Elektrolytlösung gefüllt, so dass eine elektrisch leitende Verbindung zum Zellinneren hergestellt ist. Eine (meist größere) Referenzelektrode wird im Extrazellulärraum angebracht. Mit einem Spannungsmessgerät kann nun das Membranpotential abgelesen werden. Abbildung 10: Ableitung des Membranpotentials mit einer Mikroelektrode Das intrazelluläre Potential kann außerdem mit der Patch - Clamp - Technik registriert werden. Dazu wird ein Membranfleck mit einer speziellen Elektrode geöffnet um einen elektrischen Zugang zum Zellinneren zu erhalten. Durch das entstehende elektrische Feld, welches die K + - Ionen ins innere zieht, ist der K + - Ausstrom begrenzt. Sind die zwei treibenden Kräfte (siehe Abb. (11)), also der Ionenkonzentrationsgradient und das elektrische Feld, im Gleichgewicht hat sich das sog. Kaliumgleichgewichtspotential eingestellt (siehe Abb. (12)). Dabei ist der Nettokaliumstrom gleich Null. 10

12 Abbildung 11: Schematische Darstellung der zwei treibenden Kräfte, die für die Einstellung des Ruhemembranpotentials verantwortlich sind. Abbildung 12: Schematische Darstellung der Einstellung des Ruhemembranpotentials durch das Zusammenwirken der Na + - K + - Pumpe und der treibenden Kräfte Bei den meisten Warmblütern liegt das K + - Gleichgewichtspotential zwischen -80 und -90mV, wobei das Zellinnere den negativen Pol bildet. Das Gleichgewichtspotential lässt sich nach der Nernst - Gleichung berechnen: 11

13 E = RT zf ln intrazellulrekonzentration extrazellulrekonzentration (R, allgemeine Gaskonstante, T, absolute Temperatur, z, Wertigkeit des Ions, F, Faraday Zahl (96500 C mol bzw. As mol )) Für eine Temperatur von 37 C und den Werten aus Tabelle (1) ergibt sich dann ein K + - Gleichgewichtspotential von : E K + = 61mV log An natürlichen Membranen kommen Abweichungen des Ruhemembranpotentials vom K + - Gleichgewichtspotential vor. Das liegt vor allem daran, dass, anders als im bisher beschriebenen Modell, eine natürliche Membran auch für Na + und Cl durchlässig ist. Das Verhältnis der Permeabilitäten ist dabei: P K + : P Na + : P Cl = 1 : 0, 04 : 0, 45 (3) Bereits der Na + - Einstrom durch die Membran reicht also aus, um das Ruhemembranpotential in positiver Richtung zu verschieben, da hier beide treibenden Kräfte nach innen gerichtet sind. Das Ruhemembranpotential kann auf zwei verschiedene Arten geändert werden: Änderung der Ionenkonzentrationsgradienten oder Änderung der Ionenpermeabilitäten der Membran. Um die Änderung des Membranpotentials experimentell zu untersuchen werden zwei Mikroelektroden in die Zelle eingeführt (siehe Abbildung (13) und Tabelle (2)). Die erste (ME1) ist zur Ableitung des Membranpotentials, die zweite (ME2) zur Veränderung des Membranpotentials. Es werden verschiedene Ausgangswerte für das Membranpotential eingestellt und dann die Permeabilität für K + - Ionen selektiv erhöht. (1) (2) 12

14 Abbildung 13: Veränderungen des Membranpotentials einer Nervenzelle bei erhöhter K + - Permeabilität (P K +) je nach Ausgangswert des Membranpotentials (MP). Die Pfeile des rechten Bildteils symbolisieren die Kraft durch die Konzentrationsdifferenz (1), die Kraft durch die Potentialdifferenz (2) und die Nettokraft (3) 13

15 MP vor Erhöhung Potentialdifferenz Nettokraft MP bei Erhöhung der P K + im Vergleich im Vergleich der P K + zur Normopolarisation zur Normopolarisation depolarisiert kleiner größer, auswärts stark (positiver als normopolarisiert) hyperpolarisiert normopolarisiert - - schwach hyperpolarisiert polarisiert am größer kleiner, keine Änderung K + - Gleichgewichtspotential d.h. keine (negativer als normopolarisiert) hyperpolarisiert deutlich größer etwa gleich, depolarisiert (negativer als normopolarisiert) einwärts Tabelle 2: Veränderungen des Membranpotentials einer Nervenzelle bei erhöhter K + - Permeabilität (P K +) je nach Ausgangswert des Membranpotentials (MP). 4 Aktionspotential Die am Potentialaufbau beteiligten Ionenkanäle ändern ihre Permeabilität nicht. Ein zweites Kanalsystem in der Membran der Neurone kann allerdings für kurze Zeit seine Leitfähigkeit für K + und Na + ändern. Da diese Permeabilitätsänderung durch eine Spannungsänderung hervorgerufen wird, nennt man diese Kanäle spannungsgesteuerte Ionenkanäle. Die durch die spannungsgesteuerten Ionenkanäle ausgelösten Änderungen des Membranpotentials werden als Aktionspotentiale bezeichnet. Durch diese werden Informationen kodiert. 4.1 Aufbau und Funktion spannungsgesteuerter Ionenkanäle Es gibt drei Typen von spannungsgesteuerten Ionenkanälen: Kaliumkanäle, Natriumkanäle und Calciumkanäle, die für das jeweilige Ion durchlässig sind. Ihre Permeabilität steigt, wenn die Membran depolarisiert wird. Der Aufbau der Kanäle wird hier am Beispiel des Kaliumkanals erläutert (siehe Abb. (14)). 14

16 Abbildung 14: Schematischer Aufbau der spannungsgesteuerten Ionenkanäle am Beispiel eines Kaliumkanals Der Kaliumkanal besteht aus vier Untereinheiten, die widerum aus sechs Segmenten (Proteine in α - Helix - Struktur) bestehen. Die einzelnen Segmente sind in die Membran eingelagert und durch Aminosäureketten miteinander verbunden. Ein Ionenkanal kann mindestens drei Funktionszustände annehmen (siehe Abb.(15)): 1. Die Ionenkanäle können geschlossen sein 2. Die Kanäle können durch Depolarisation geöffnet sein. Dabei wird das Kanalmolekül umgelagert. Die dabei auftretenden Ladungsverschiebungen sind als sogenannte Torstrome (Gating Currents) messbar. 3. Während der Depolarisation können die Kanäle inaktiviert werden. Der inaktivierte Zustand (sekundäre Geschlossenheit) kann nur durch eine Repolarisation der Membran wieder aufgehoben werden. 15

17 Abbildung 15: Schematische Darstellung der möglichen Funktionszustände von spannungsgesteuerten Ionenkanälen Diese Funktionszustände sind durch verschiedene Pharmaka beeinflussbar. Die Öffnung von Ionenkanälen lasst sich beispielsweise durch Tetrodotoxin (TTX) oder Lokalanästhetika wie Lidokain blockieren. Tetraethylammonium (TEA) underdrückt die Öffnung von Kaliumkanälen und anorganische zweiwertige Ionen oder biologische Toxine unterdrücken die Öffnung der Calciumkanäle. 4.2 Ablauf des Aktionspotentials Abbildung 16: Zeitlicher Verlauf eines Aktionspotentials Kleine Änderungen des Membranpotentials werden durch die treibenden Kräfte des Ruhemembranpotentials schnell wieder ausgeglichen. Erst wenn bei der Depolarisation das Membranpotential einen kritischen Wert erreicht öffnen sich die spannungsgesteuerten Ionenkanäle. Diesen kritischen Wert nennt man Membranschwelle. 16

18 Nach überschreiten der Membranschwelle werden zunächst die Na + - Kanäle geöffnet. Da sowohl der Konzentrationsgradient, als auch das elektrische Feld auf Na + ins Zellinnere gerichtete Kräfte hervorrufen, strömt Na + in die Zelle. Durch die weitere Depolarisation wird eine positive Rückkopplung ausgelöst, d.h. es werden weitere Na + - Kanäle geöffnet und mehr Natrium strömt in die Zelle. Schließlich ist soviel Na + im Zellinneren, dass sich auch der positive Pol ins Zellinnere verschoben hat. Der Betrag, den das positive Membranpotential hat, wird Overshot genannt. Das Membranpotential nähert sich dem Na + - Gleichgewichtspotential, welches im positiven Bereich liegt. Durch das positive Membranpotential ist die treibende Kraft für Na + bereits wieder nach außen gerichtet, der Na + - Einstrom wird also gestoppt. Kurz nachdem die Na + - Kanäle geöffnet werden, öffnen sich auch die K + - Kanäle, so dass K + - Ionen aus der Zelle ausströmen können. Die Permeabilität der K + - Kanäle wächst allerdings nur sehr langsam an und erreicht ihr Maximum erst, wenn der Na + - Einstrom bereits gedrosselt wird (siehe Abb. (16) und (17)). Abbildung 17: Zeitlicher Verlauf des Ionenein- und -ausstroms bei einem Aktionspotential Die Kaliumkanäle inaktivieren sich, ebenso wie die Natriumkanäle, selbstständig und das Membranpotential nähert sich wieder dem K + - Gleichgewichtspotential. Das Verhalten einzelner spannungsgesteuerter Ionenkanäle lässt sich durch die Patch - Clamp - Registrierung erfassen. Die Patch - Elektrode umschließt einen Membranflecken mit einzelnen Kanälen, über dem das Potential plötzlich für eine bestimmte Dauer gesenkt wird. Die durch das Komandopotential ausgelösten Ströme erlauben einen Rückschluss auf die Funktion der Kanäle. Nach Beendigung des Aktionspotentials kann es passieren, dass das Membranpotential über den Wert des Ruhemembranpotentials hinaus hyperpolarisiert wird, da der K + - Ausstrom bei vielen Nervenzellen den Na + - Einstrom überdauert. Ein sog. hyperpolarisierendes Nachpotential kann aber auch durch gesteigerte Aktivität einer Na + - K + - Pumpe entstehen. Im Gegensatz dazu gibt es auch sog. depolarisierende Nachpotentiale. Diese entstehen, wenn der Na + - Einstrom nur verzögert ab- und der K + - Ausstrom nur verzögert eingeschaltet wird. 4.3 Charakteristika des Aktionspotentials Die Form des Graphen eines Aktionspotentials ist abhängig von der Zellart. Die Depolarisation erfolgt innerhalb von weniger als 1ms mit einer maximalen Depolarisationsgeschwindigkeit von 17

19 1000 V s. Die Repolarisation hat bei verschiedenen Zelltypen einen unterschiedlichen Zeitverlauf. Bei Nerven stellt sich das Ruhepotential innerhalb von 1ms wieder ein. Bei Muskelzellen erfolgt zunächst ebenfalls eine schnelle Repolarisation, die sich aber bei etwa -60 bis -70mV stark verlangsamt. Das Ruhepotential wird erst nach ca. 10ms wieder erreicht. Diese verzögerte Repolarisationsphase wird ebenfalls depolarisierendes Nachpotential genannt. Beim Herzmuskel verläuft die Repolarisation im positiven Bereich sehr langsam, und es bildet sich ein Plateau. Erst nach 200 bis 300ms hat sich das Ruhepotential wieder eingestellt (siehe Abb. (18)). Abbildung 18: Typischer Verlauf von Aktionspotentialen bei verschiedenen Zelltypen Die Amplitude des Aktionspotentials ist unabhängig von der Höhe der Depolarisation. Wird die Membranschwelle erreicht, so wird ein Aktionspotential ausgelöst, andernfalls wird keins ausgelöst. Diese Reaktionsweise wird als Alles - oder - Nichts - Regel bezeichnet. Die Amplitude der Aktionspotentiale ist aber nicht konstant hoch. Ihre Höhe hängt vom Ausgangsmembranpotential ab. Abbildung 19: Aktivierbarkeit der Na + - Kanäle bei konstantem Ruhemembranpotential aber unterschiedlichen Ca 2+ - Konzentrationen Die Erregbarkeit der Membran ist außerdem vom extrazellulären Ionenmilieu abhängig. Sinkt z.b. die Ca 2+ - Konzentration, genügen schon geringere Depolarisationen um ein gleiches Maß 18

20 an Kanalaktivierungen zu erreichen als bei normaler Ca 2+ - Konzentration. Durch weniger Ca 2+ wird die Membran also erregbarer (siehe Abb. (19)). Eine verminderte Ca 2+ - Konzentration, infolge von beispielsweise zu geringer Calziumzufuhr durch die Nahrung oder einer D - Avitaminose, infolge derer Calcium im Darm nicht, oder nur in geringer Menge, resorbiert werden kann, führt zu einer Übererregbarkeit des Nervensystems, deren Symptome z.b. unkontrollierbare Kontraktionen der Skelettmuskulatur und Streckkrämpfe der Beine sind. Auch Spasmen der Bronchien gehören zu den Symptomen. Abbildung 20: Aktivierbarkeit der Natriumkanäle in Abhängigkeit vom Ruhemembranpotential Infolge dessen, dass der Na+ - Einstrom vom Ausgangsmembranpotential abhängt (siehe Abb. (20)), kann während eines Aktionspotentials kein weiteres Aktionspotetnial ausgelöst werden, auch nicht mit hohen Depolarisationen. Erst in der späten Repolarisationsphase sind die Na + - Kanäle zunehmend wieder aktivierbar. Die Depolarisation muss allerdungs um so höher sein, je früher sie an das vorangegangene Aktionspotential anschließt. Das liegt daran, dass die Membranschwelle direkt nach einem Aktionspotential sehr weit vom Ruhemembranpotential entfernt ist und sich nur langsam auf ihren normalen Wert einstellt. Dieses Phänomen heißt Refraktärität und lässt sich in zwei Phasen unterteilen (siehe Abb. ()): Während der absoluten Refraktärphase kann kein neues Aktionspotential ausgelöst werden, egal wie hoch die Depolarisation ist. Während der relativen Refraktärphase können zwar Aktionspotentiale ausgelöst werden, jedoch sind dazu höhere Depolarisationsamplituden notwendig als zur Auslösung des vorangegangenen Aktionspotentials. 19

21 Abbildung 21: Darstellung der Refraktärität eines Neurons im Anschluss an ein Aktionspotential Die Wiederholungsfrequenz für neuronale Erregungen ist also durch die Refraktärzeit begrenzt. 20

22 5 Erregungsleitung 5.1 Zwei Arten der Erregungsleitung Es gibt zwei Typen von Erregungsleitung: Die kontinuierliche und die saltatorische. Bei Nervenfasern, die keine Myelinscheide haben, läuft die Erregungsleitung kontinuierlich ab. Ist an einer Stelle der Nervenfaser ein Aktionspotential ausgebildet, so liegt an dieser Stelle der positive Pol der Potentialdifferenz im Inneren der Zelle und der negative Pol im Extrazellulärraum. Beim Rest der Zelle ist es umgekehrt. Es bildet sich also zusätzlich zur Potentialdifferenz über der Membran eine Potentialdifferenz entlang der Membran aus. Dadurch wird ein Kationenstrom erzeugt, der die Membran in den Nachbarbereichen depolarisiert, wodurch an dieser Stelle ein Aktionspotential ausgelöst wird. Das Aktionspotential ist also entlang der Membran gewandert. Abbildung 22: Schematische Darstellung der saltatorischen Erregungsleitung Der Unterschied zur saltatorischen Erregungsleitung ist durch die isolierende Myelinscheide gegeben. Die Myelinscheide umwickelt die Nervenfaser. Je dicker die Myelinscheide, desto stärker wird die Nervenfaser elektrisch isoliert, und umso geringer ist der Ionenaustausch zwischen Inter- und Extrazellulärraum. Die Ionenströme die sich zu beiden Seiten der Membran bei einem Aktionspotential bilden, und für die Weiterleitung des Aktionspotentials verantwortlich sind, müssen also bis zum nächsten Ranvier schen Schnürring fließen, um das nächste Aktionspotential auszulösen (siehe Abb. (22)). Der Weg, den das Aktionspotetial zurücklegt ist, bei der markhaltigen Nervenfaser, in der gleichen Zeit also viel größer (siehe Abb. (23)). 21

23 Abbildung 23: Gegenüberstellung der kontinuierlichen Erregungsleitung in einer marklosen Nervenfaser (links) und der saltatorischen Erregungsleitung in einer myelinisierten Nervenfaser (rechts) Bei multipler Sklerose werden vom körpereigenen Immunsystem die Myelinscheiden im ZNS zerstört. Die Ursachen dafür sind noch nicht vollständig geklärt, es wird jedoch ein Virus als 22

24 Auslöser angenommen. Durch den Myelinscheidenzerfall wird die Erregungsleitung verzögert und zum Teil sogar unterbrochen. Folgen können u.a. Lähmungen, Inkontinenz und Demenz sein. Abbildung 24: Professor Henner Ertel (62) vom G.R.P. Institut für Rationelle Psychologie Einen gegenteiligen Effekt kann man mit Sport erreichen. Eine Gruppe von Forschern um Henner Ertel (siehe Abb. (24)), Professor für Neuropsychologie am G.R.P. Institut für Rationelle Psychologie, hat herausgefunden, dass durch eine Kombination von aerobem Bewegungstraining und Lernen die Anzahl der Neuronen im Gehirn zunimmt, es zu neuen synaptischen Verbindungen kommt, und die Myelinisierung der Nervenzellen sich verbessert. Mit aerobem Bewegungstraining ist gemeint, dass die benötigte Energie durch Verbrennung von Sauerstoff bereitgestellt wird. Außerdem muss bei diesem Training ein bestimmter, individueller Pulswert ziemlich genau eingehalten werden. Durch ein solches Training kommt es dann, wie eine Studie mit über Probanden ohne Ausnahme bestätigte, zu einer besseren Informationsaufnahme und -verarbeitung, sowie zu mehr Kreativität und Intelligenz. 23

25 Abbildung 25: Ausschnitt aus einem peripheren Nerv der Maus (20900fach, Einschaltbild 87200fach). Im linken Bildteil eine rasch leitende Nervenfaser von einer Markscheide (Schwannschen Scheide) umgeben. Im Einschaltbild wird der lamellenartige Aufbau dieser Scheide deutlich. Im rechten Bildteil langsam leitende Nervenfasern (NF) von einer Schwannschen Zelle umgeben. Abbildung 26: Bild einer Myelinscheide 5.2 Leitungsgeschwindigkeit Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Aktionspotentials entlang einer Nervenfaser hängt von mehreren Faktoren ab. Grob kann man sagen: je größer der Na + - Einstrom, also je größer der Strom zur Depolarisation benachbarter Membranabschnitte 24

26 je größer der Faserdurchmesser, also je geringer der intrazelluläre Widerstand je höher der Membranwiderstand desto größer ist die Leitungsgeschwindigkeit. Nervenfasern können nach Leitungsgeschwindigkeiten und funktioneller Einbindung in verschiedene Gruppen Eingeteilt werden, wie die Tabellen (3) und (4) zeigen. Faserdurchmesser Fasergruppe Leitungsgeschwindigkeit (etwa) Funktion 3-20 µm Aα m s motorische Impulse, afferente Impulse von Muskelspindeln und Sehnenorganen β 60 m s Berührungsimpulse der Haut γ 40 m s efferente Impulse zu den kontraktilen Abschnitten der intrafusalen Muskelfasern δ 20 m s Impulse von Mechanorezeptoren, Kalt-, Warm- und Schmerzrezeptoren der Haut (rasche Schmerzfasern) 1-3 µm B 10 m s präganglionäre vegetative Fasern 1 µm (marklos) C 1 m s postganglionäre vegetative Fasern und afferente Fasern des Grenzstrangs, Impulse von Mechano-, Kalt- und Warmrezeptoren, langsame Schmerzfasern Tabelle 3: Einteilung der Nervenfasern nach Erlanger und Gasser 25

27 Faserdurchmesser Fasergruppe Leitungsgeschwindigkeit (etwa) Funktion 13 µm I m s Ia: afferente Impulse von Muskelspindeln, Ib: afferente Impulse von Sehnenorganen 9 µm II 60 m s Berührungsimpulse der Haut 3 µm III 15 m s afferente Impulse von tiefen Mechanorezeptoren des Muskels 1 µm (marklos) IV 1 m s langsame Schmerzfasern Tabelle 4: Einteilung der Nervenfasern nach Lloyd und Hunt 5.3 Stofftransport in Nervenfasern Durch die Röhrenform eignet sich das Axon einer Nervenzelle auch für den Transport von Molekülen. Die drei wichtigsten Stofftransporte sind: Der schnelle, vom Zellkörper zur Synapse gerichtete, Transport erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 40cm pro Tag. Transportiert werden im Zellkörper produzierte Stoffe, wie Neurotransmitter. Als Transportmedium dienen Vesikel und Ribosomen, die unter ATP - Verbrauch an Tubuli und Filamenten entlangtransportiert werden. Der langsame Transport von Zellkörper zur Synapse erreicht Geschwindigkeiten von 0,1 bis 0,5cm pro Tag und transportiert Komponenten des Zellskeletts und Enzyme. Der Transport von der Synapse zum Zellkörper erreicht bis zu 20cm pro Tag und ist für die Aufrechterhaltung der Eiweißsynthese im Zellkörper verantwortlich, allerdings ist noch nicht endgültig geklärt in welcher Weise. Außerdem können Viren intraaxonal durch den Körper transportiert werden, z.b. das Herpes - Simplex - Virus. 6 Erregungsübertragung 6.1 Formen der Erregungsübertragung Die Erregungsübertragung von einer Nervenzelle auf eine andere erfolgt über Synapsen. Es gibt zwei prinzipielle Formen von Synapsen: elektrische und chemische. Bei elektrischen Synapsen sind Prä- und Postsynapse über Proteine miteinander verbunden (siehe Abb. (27)). Diese sogenannten Connexine bilden eine Art Tunnel, durch den Ionen von einer Zelle in die andere gelangen können. Die Erregungsübertragung funktioniert hier also prinzipiell wie die Erregungsleitung entlang der Membran einer Zelle. 26

28 Abbildung 27: Schematische Darstellung einer elektrischen Synapse Die chemische Synapse (siehe Abb. (28)) besteht aus dem präsynaptischen Endknopf und der postsynaptischen Membran, die durch den synaptischen Spalt voneinander getrennt sind. Die Erregungsübertragung geschieht hier durch chemische Botenstoffe, die sogenannten Neurotransmitter. Abbildung 28: Schematische Darstellung einer chemischen Synapse 27

29 6.2 Transmitter und Transmitter - Rezeptor - Komplex Die Neurotransmitter werden in der präsynaptischen Endigung synthetisiert und normalerweise in Vesikeln gespeichert. Ein kleiner Teil der Überträgersubstanz kann aber auch frei in der präsynaptischen Endigung vorliegen. Kommt ein Aktionspotential an der präsynaptischen Endigung an, wird diese depolarisiert. Dadurch steigt die Konzentration von Ca 2+ - Ionen innerhalb der Zelle an, wodurch die Transmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt werden. Die Transmitter docken nach einem Schlüssel - Schloss - Prinzip an Eiweißmoleküle, die in die postsynaptische Membran eingelagert sind, sog. Membranrezeptoren, an. Diese sind direkt an Membrankanäle gekoppelt, oder aktivieren intrazelluläre Botenstoffsysteme. Die Transmitter werden nach der Rezeptorbindung durch enzymatische Spaltung, oder Herausdiffundieren aus dem Synapsenbereich, deaktiviert. Häufig werden die Transmitter bzw. ihre Abbauprodukte wieder in die präsynaptische Struktur zurücktransportiert. Abbildung 29: Schematische Darstellung einer Acetylcholinsynapse 28

30 Abbildung 30: Querschnitt durch eine motorische Endplatte eines Frosches. Präsynaptische Membran und postsynaptische Membran begrenzen den synaptischen Spalt. Abbildung 31: Motorische Innervierung der Muskulatur. Die Nervenfasern spalten sich auf und bilden am Ende die Endknöpfe der motorischen Endplatten (Vergrößerung 800fach) Die Membrankanäle die mit einem Rezeptor verbunden sind, werden ligandengesteuerte Kanä- 29

31 le genannt. Diese weise eine hohe Spezifität für Transmitter sowie für die durch den Kanal strömenden Ionen auf. Ein Rezeptor - Kanal - Molekül (hier am Beispiel einer nikoninergen Acetylcholinsynapse) besteht aus fünf Untereinheiten, die wiederum aus vier Segmenten bestehen, die in die Membran eingelagert und durch Aminosäureketten verbunden sind (siehe Abb. (32)). Abbildung 32: Aufbau ligandengesteuerter Kanäle am Beispiel einer nikoninergenen Acetylcholinsynapse Ligandengesteuerte Ionenkanäle können drei Funktionszustände haben (siehe Abb. (33)): Die Kanäle können geschlossen und durch Transmitter aktivierbar sein sie können geöffnet sein sie können während der Bindung eines Transmittermoleküls wieder geschlossen und nicht aktivierbar, also dem Transmitter gegenüber unempfindlich sein 30

32 Abbildung 33: Funktionszustände eines ligandengesteuerten Kanals Der Kanalöffnung liegen zwei verschiedene Prinzipien zugrunde (siehe Abb. (34)). Ist der Rezeptor Teil des Kanalproteins, führt die Bindung eines Transmitters an das Rezeptormolekül unmittelbar zur Öffnung des Kanals, sowie eine Ablösung des Transmitters zur unmittelbaren Schließung führt. Diese Art nennt man ionotrope Rezeptoren. Bei einem metabotropen Rezeptor wird durch die Bindung eines Transmittermoleküls ein guanosintriphosphatbindendes Protein aktiviert. Über sogenannte second Messenger, das sind intrazelluläre Botenstoffe, werden Phosphorylierungsvorgänge stimmuliert, wodurch schließlich der Kanal geöffnet wird. Abbildung 34: Prinzipien der Öffnung von ligandengesteuerten Kanälen. Links: Ionotroper Rezeptor. Mitte und Rechts: Metabotrope Rezeptoren Die Synapsen sind von Gliazellen umgeben, die die räumliche Ausbreitung der Transmitter verhindern. Außerdem können die Transmitter von den Gliazellen aufgenommen werden. Die aufgenommenen Transmittermoleküle bzw. ihre Zersetzungskomponenten werden dann zurück zum präsynaptischen Neuron transportiert. 31

33 6.3 Postsynaptische Potentiale Durch die geöffneten Kanäle entstehen Ionenströme, die in der postsynaptischen Struktur eine Polarisationsänderung bewirken. Es entsteht also ein postsynaptisches Potential, dessen Polung sich durch die Zusammensetzung und Richtung der synaptischen Ionenströme ergibt. Postsynaptische Potentiale lassen sich so in zwei Typen einteilen (siehe Abb. (35) und (36)): exzitatorische (erregende) postsynaptische Potentiale (EPSP) inhibitorische (hemmende) postsynaptische Potentiale (IPSP) Abbildung 35: Transmittergesteuerte Ionenströme an einer exzitatorischen Synapse Abbildung 36: Transmittergesteuerte Ionenströme an einer inhibitorischen Synapse 32

34 Exzitatorische Synapsen, also solche an denen ein EPSP ausgelöst wird, haben Kanalmoleküle, die im aktivierten Zustand für Na + und K + durchlässig sind. Durch die zuvor erklärten treibenden Kräfte strömt Na + schnell in die Zelle ein und K + nur langsam aus der Zelle heraus. Das Potential wird also depolarisiert und nähert sich der Membranschwelle. Wird die Membranschwelle überschritten wird ein Aktionspotential ausgelöst. Ein IPSP wird ausgelöst, wenn in der Synapse Membrankanäle geöffnet werden, die für K + oder Cl durchlässig sind. Durch den K + - Ausstrom bzw. den Cl - Einstrom wird die Membran hyperpolarisiert. Der Abstand des Membranpotentials zur Membranschwelle vergrößert sich, wodurch die Auslösung eines Aktionspotentials unwahrscheinlicher wird. Auch die Ströme durch ligandengesteuerte Ionenkanäle kann man mit der bereits beschriebenen Patch - Clamp - Registrierung erfassen. Ob ein Transmitter ein IPSP oder ein EPSP auslöst ist durch die Art des Rezeptors bestimmt, aber nicht durch den Transmitter selbst. Allerdings kann man sagen, dass einige Transmitter vorwiegend exzitatorisch, wie Acetylcholin und Glutaminsäure, oder vorwiegend inhibitorisch, wie GABA (Gamma - Aminobuttersäure), Glycin, Serotonin und Dopamin, wirken. Abbildung 37: Verteilung der Synapsen entlang eines Neurons Die synaptischen Kontakte sind über der gesamten Oberfläche der Nervenzelle verteilt (siehe Abb. (37)). Man unterscheidet axodendritische, axosomatische und axoaxonische Synapsen. Synapsen die nah am Soma gelegen sind haben im Hinblick auf die Auslösung eines Aktionspotentials allerdings die größte Effizienz, da im Bereich des Somas mehr Membrankanäle zu finden sind. Axoaxonische Synapsen können eine präsynaptische Hemmung hervorrufen (siehe Abb. (38)). Kommt in der axoaxonischen Synapse ein Aktionspotential an, kann im zweiten Axon ein EPSP ausgelöst werden. Kommt fast gleichzeitig in diesem Axon ein Aktionspotential an, wird seine Amplitude und Steilheit, aufgrund des verminderten Membranpotentials, verringert, weil die Amplitude eines Aktionspotentials vom Ausganspotential abhängt. Dadurch werden aus dem zweiten Axon weniger Transmitter in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. 33

35 Das EPSP im dritten Neuron ist also geringer, als es ohne das Zusammenwirken der ersten beiden Neurone wäre. Die präsynaptische Hemmung wurde bisher vor allem im Rückenmark gefunden. Abbildung 38: Schematische Darstellung der präsynaptischen Hemmung durch axoaxonische Synapsen 6.4 Zeitliche und Räumliche Summation von EPSP und IPSP Wird in einem postsynaptischen Neuron eine Depolarisation ausgelöst, die aber nicht groß genug ist ein Aktionspotential auszulösen, wird die Information nicht weitergeleitet. Kommen aber in der präsynaptischen Faser zwei Aktionspotentiale in kurzem zeitlichen Abstand an, so dass das erste EPSP noch nicht beendet ist, addieren sich die synaptischen Potentiale zu einer größeren synaptischen Depolarisation, die die Membranschwelle erreicht und ein Aktionspotential auslöst. Da die Summation vom Zeitintervall abhängt, das zwischen den beiden Aktionspotentialen liegt, wird dieser Mechanismus als zeitliche Summation bezeichnet. Kommen an zwei Synapsen gleichzeitig, oder mit kurzer Zeitverzögerung, Aktionspotentiale an, die EPSP s auslösen, können sich diese ebenfalls addieren und ein Aktionspotential auslösen. Bei diesem Vorgang spricht man von räumlicher Summation. Verrechnet werden außerdem postsynaptische Potentiale entgegengesetzter Polarität. So können gleichzeitig ankommende IPSP s und EPSP s sich in ihrer Wirkung sozusagen aufheben und es wird kein Aktionspotential im postsynaptischen Neuron ausgelöst. 34

36 Abbildung 39: Schematische Darstellung der zeitlichen und räumlichen Summation von exzitatorischen und inhibitorischen postsynaptischen Potentialen 7 Erregungsausbreitung im Neuronenverband In einer Neuronenkette wird ein Aktionspotential, vorrausgesetzt es entsteht immer ein überschwelliges EPSP, vom Startneuron zum Zielneuron zum Zielneuron durchlaufen (siehe Abb. (40)). Häufig sind die Neurone aber nicht in langen Ketten hintereinandergeschaltet, sondern durch Axonkollaterale zu Netzwerken verknüpft. In solchen Netzwerken gibt es zwei unterschiedliche Arten der Signalausbreitung. Ist das ausgelöste EPSP jeweils hoch genug um ein Aktionspotential auszulösen, kann ein Aktionspotential von einem Startneuron auf viele Zielneurone übertragen werden. Man spricht dann von Divergenz (siehe Abb. (40)). Ist das ausgelöste EPSP nicht groß genug um ein Aktionspotential auszulösen, kann das Aktionspotential von mehreren Startneuronen auf ein Zielneuron weitergeleitet werden, wenn mehrere Synapsen das postsynaptische Neuron über räumliche Summation der EPSP s erregen. Bei diesem Verhalten spricht man von Konvergenz (siehe Abb. (40). Abbildung 40: Darstellung von Erregungsausbreitung im Neuronenverband. Links: Geradlinige Ausbreitung an einer Neuronenkette, mitte: Divergenz, rechts: Konvergenz 35

37 Durch die Verschaltung von exzitatorischen und inhibitorischen Neuronen zu Netzwerken, können weitere Effekte beobachtet werden. Wird von einem exzitatorischen Startneuron ein Aktionspotential über eine Axonkollaterale auf ein inhibitorisches Neuron übertragen und das inhibitorische Neuron das Aktionspotential über das Axon zum Startneuron zurücksendet, wird das Startneuron für eine gewisse Zeit unerregbar. Dadurch wird die Wiederholungsfrequenz der Aktionspotentiale im Startneuron begrenzt. Man spricht hier von Rückwärtshemmung (siehe Abb. (41)). Abbildung 41: Verschaltungen von exzitatorischen (grün) und inhibitorischen (rot) Neuronen, durch die eine Rückwärtshemmung (links) und eine Vorwärtshemmung (rechts) bewirkt wird. Bei der Vorwärtshemmung ist das inhibitorische Neuron über sein Axon mit einem Neuron in einer Nachbarkette verbunden. Dadurch wird die Signalweiterleitung in dieser Kette gehemmt (siehe Abb. (41)). Aktionspotentiale können außerdem in kreisförmigen exzitatorischen Netzwerkstrukturen gespeichert werden (siehe Abb. (7)), vorrausgesetzt die erzeugten EPSP s sind groß genug. Solche neuronale Schaltungen, in denen Aktionspotentiale einzeln, oder zu Mustern zusammengefasst, gespeichert werden können, bilden offensichtlich die strukturelle Grundlage des Kurzzeitgedächtnisses. 36

38 Abbildung 42: Neuronenverband zur Erregungsspeicherung. Exzitatorische Neurone sind grün, inhibitorische Neurone rot dargestellt. Durch eine einmalige Aktivierung des exzitatorischen Neurons 1 über den Eingang E1 kann in dem Neuronenkreis (Neurone 1 6) bei überschwelligen EPSP s eine Erregung gespeichert werden, die über das Neuron 7 immer wieder einem Effektor zufließt. Durch eine Aktivierung des inhibitorischen Neurons 8 über den Eingang E2 kann bei Aufrechterhaltung der Erregungsspeicherung im Neuronenkreis der Zufluß zum Effektor durch eine Hemmung des Neurons 7 unterbunden werden. Eine Aktivierung des inhibitorischen Neurons 9 über den Eingang E3 führt durch eine Hemmung des Neurons 3 zu einer Unterdrückung der kreisenden Erregung (Löschung des Erregungsspeichers) 8 Quellenangaben Physiologie, Deetjen, Speckmann, Henschler, Elsevier (Urban & Fischer), 4. Auflage Biophysik, Hoppe, Lohmann, Markl, Ziegler, Springer Verlag, 2. Auflage Linder Biologie, Bayrhuber, Kull, Metzler, 20. Auflage PM Magazin Ausgabe 1/