1.) Einleitung: Wenn man unser Nervensystem und moderne Computer vergleicht fällt erstaunlicherweise auf, dass das Nervensystem ungleich komplexer ist. Dazu ein kurzer Überblick: Das menschliche Nervensystem besteht aus mehr als 10^11 Neuronen, die zur Informationsaufnahme und -weiterleitung zusammengeschaltet sind. Ein Neuron besteht aus dem Soma (Zellkörper) mit verzweigten Fortsätzen, den Dendriten, und einem langen, unverzweigten Axon. Dieses ist von einer Myelinscheide umgeben, die in regelmäßigen Abständen von den Ranvier- Schnürringen durchbrochen ist und in den synaptischen Endknöpfchen endet. Die Endknöpfchen setzten wiederum an Dendriten und am Soma der nächsten Zelle an. Die Zellmembran wirkt in einer Zelle wie ein Kondensator in der Physik. Ein Kondensator ist ein Bauelement, das fähig ist, elektrische Ladung zu speichern und zu trennen und besteht aus zwei Elektroden und einer isolierenden Schicht dazwischen. In der Biologie herrschen verschiedene Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle während die Membran durch ihre Semipermeabilität als isolierende Schicht wirkt (Ladungstrennung). Das Zellinnere ist dem Äußeren gegenüber negativ. Die häufigsten Ionen innen sind Kaliumionen und verschiedene Anionen. Im positiven Zelläußeren findet man hauptsächlich Natrium- und Chloridionen. Dieser Zustand wird Ruhepotential (RP) genannt und liegt bei ca. -70 mv. Hierzu können wir einen erneuten Vergleich aus der Physik hinzuziehen. Die Definition des RPs überschneidet sich mit der einer Kapazität. Diese ist das Maß für die Fähigkeit eines Systems elektrische Ladung zu speichern (beim Kondensator zusätzlich abhängig von der anliegenden Spannung). Wenn eine solche ruhende Nervenzelle gereizt wird, entsteht bei Erreichen eines Schwellenwerts (ca. -40 mv) ein Aktionspotential (AP). Durch Natriumeinstrom und Kaliumausstrom entsteht eine starke Depolarisation, die nach kurzer Zeit abklingt und nach der Repolarisation wieder das RP erreicht. Damit die Ionenarten strömen können gibt es spezifische Kanäle. Während die Kaliumkanäle nur ein träges Tor besitzen, haben die Natriumkanäle ein schnell agierendes Aktivierungstor und ein ebenfalls langsameres Inaktivierungstor. Das AP wird bei Vertebraten zur Signalübertragung auf nachfolgende Neuronen immer wieder sequenziell an den Ranvier- Schnürringen des Axons aufgebaut (saltatorische Erregungsleitung). Die eigentliche Signalübertragung zwischen Zellen findet mittels elektrischer oder chemischer Synapsen statt. Summation bedeutet, dass entweder durch mehrere positiv zusammenwirkende Synapsen (räumliche Summation) oder durch einen Reiz, der eine längere Zeit andauert und somit mehrere Depolarisationen addiert (zeitliche Summation), ein AP entsteht. 1
Am Soma bzw. an den Dendriten kann man die sogenannte Amplitudenmodulation beobachten. Das bedeutet, dass die Spannung über der Membran abnimmt und das Membranpotenzial proportional zur Stärke des Reizes in den positiven Bereich schießt. An einem Computer betrachtet, wäre dies an einer unterschiedlich hohen Amplitude sichtbar. Am Axon hingegen findet man eine so genannte Freqenzmodulation. Die Amplitude der hier fortgeleiteten APs bleibt gleich, lediglich die Frequenz nimmt bei steigender Stärke zu. Der Grund dafür ist, dass bei stärkerer Reizgabe auch ein größerer Membranbereich depolarisiert wird. Die flächenmäßig größere Depolarisation betrifft somit auch mehr Natrium. Kanäle. Da sich dadurch mehrere Kanäle öffnen, entsteht auch das AP schneller. Nach einem AP kann nicht sofort das nächste AP entstehen. Den Grund dafür liegt bei der sog. Refraktärzeit. Sie ist die Zeit in der die Ionenkanäle sich wieder regenerieren. Während der Regeneration werden die Natriumkanäle vom inaktivierbaren Zustand, in dem sie sich nicht öffnen können, ein Zustand, in dem also kein neues AP entstehen kann, in den aktivierbaren Zustand, den Ausgangszustand überführt. Man kann die Refraktärzeit außerdem in zwei Abschnitte gliedern. In der so genannten absoluten Refraktärzeit ist keinerlei Erregnung der Neuronen möglich, weil die Natriumkanäle noch inaktivierbar sind. Auf die absolute folgt die relative Refraktärzeit, in der nur durch einen besonders starken Reiz ein weiteres AP entstehen kann, weil die Kanäle in dieser Phase sich erst langsam zu öffnen beginnen. Ein stärkerer Reiz ist deshalb nötig, damit eine ausreichend große Fläche depolarisiert werden kann und somit genügende Natriumkanäle geöffnet werden können. Aus unserem Vorbereitungsskript stellen sich für uns folgende Fragen: Wie reagiert ein einzelnes Neuron auf Veränderungen der Ionenkonzentrationen, Reizungen und weitere chemische und physikalische Parameter? Wie interagieren Tausende von Nervenzellen miteinander? 2.) Material und Methode Verwendet wird das Computerprogramm MadSim zur Simulation neuronaler Aktivitäten. Mit diesem Programm ist es möglich Neuronen und Nervensysteme zu erzeugen und diese verschiedenen Einflüssen und Reizen auszusetzen. 1. Messung an einem einzelnen isolierten Neuron Wir werden mit dem Programm vertraut gemacht und bekommen eine Einführung zu den allgemeinen Funktionen. Wir erstellen ein einzelnes Neuron. 2
Abhängigkeit des Membranpotentials von der Kalium- Außenkonzentration Mit der Annahme, dass zu viel Kalium außerhalb der Nervenzelle vorliegt, testen wir die Reaktion auf verschiedene Kaliumkonzentrationsverhältnisse. Reaktion eines Neurons auf elektrische Reizung Bei Öffnung einer Box zur Änderung der Parameter kann man die Ladung und Reize auf Neuronen individuell festlegen. Depolarisierende Reize Wir lassen positive Reize auf das Neuron wirken und beobachten, ab welchem Wert ein AP zustande kommt. Hyperpolarisierende Reize Im Gegensatz dazu lassen wir nun negative Reize auf das Neuron wirken und beobachten ob ein AP zustande kommt. Ionenströme während eines APs Beobachtung des Kalium- und Natriumstroms während eines APs. Natrium- und Kalium-Kanäle blockieren Auswirkung der Blockade von Natrium- und Kalium-Kanälen. Dazu setzten wir die Leitfähigkeit jeweils auf Null herunter. Messung der Refraktärzeit Im nächsten Versuch gilt es herauszufinden, wie schnell bei einem sehr starken Reiz 2 APs aufeinender folgen können. 2. Synaptische Wechselwirkungen zwischen wenigen Neuronen Es wird ein weiteres Neuron erstellt. Das erste wird mittels einer Synapse mit dem zweiten verbunden. Wirkung verschiedener Synapsen 3
Die Leitfähigkeit von elektrischen Synapsen, sowie von Na- und K- Synapsen wird verändert. Wir testen, ab welchem Wert jeweils ein AP am zweiten Neuron zustande kommt. Synaptische Summation Getestet wird bei welcher Reizdauer durch einen eigentlich unterschwelligen Reiz ein AP am zweiten Neuron auftritt. 3.)Ergebnisse 1. Messung an einem einzelnen isolierten Neuron Versuch 1.1: Tab. 1: Abhängigkeit des Membranpotentials von der Kalium- Außenkonzentration Konzentrationsverhältnis K+ Ek [mv] Ruhepotential [mv] 10/1-58 -38 10/2-40,5-20,5 10/3-30,3-10,3 10/4-23,1-3,1 10/5-17,5 +3,5 Unsere erste Beobachtung zu Versuch 1.1 ist dass das Ruhepotential abhängig vom Kalium- Gleichgewichtspotential ist. Durch die Erhöhung des Kalium-Konzentrationsverhältnisses steigt das Ruhepotential auf einen Wert der über dem Schwellenwert liegt. Bei einer K- Konzentration von 10/1, innen zu außen, erhalten wir viele APs. Bei allen folgenden Messungen, mit immer stärker erhöhter Kalium-Aussenkonzentration, erhält man nur noch ein AP. Versuch 1.2.1: Tab. 2: Reaktion eines Neurons auf depolarisierende Reize Reizstärke [A] Amplitude [mv] Frequenz [Hz] Latenzzeit [ms] 1,00 E-11 0,6 1,00 E-10 5,9 2,00 E-10 11,7 4
3,00 E-10 17,6 4,00 E-10 23,9 5,00 E-10 AP 51,33 58,6 6,00 E-10 AP 69,83 26,8 7,00 E-10 AP 80,906 15,2 8,00 E-10 AP 87,41 9,8 Bei der Gabe immer stärkerer Reize an ein Neuron, steigt die Amplitude immer weiter, bis der Schwellenwert überschritten wird. Ab diesem Zeitpunkt entstehen APs, wobei auch die Frequenz und die Latenzzeit abgelesen werden können. Die zunehmende Frequenz und damit sinkende Latenzzeit, kommen durch weitere Erhöhung der Reizstärke zustande. Versuch 1.2.2: Tab 3: Reaktion eines Neurons auf hyperpolarisierende Reize Reizstärke [A] Amplitude [mv] -1,00 E-11-0,6-1,00 E-10-5,8-8,00 E-10-46,9 Nun reizt man das Neuron mit negativen (hyperpolarissierenden) Reizen, worauf die Amplitude immer weiter in den negativen Bereich sinkt. Der Schwellenwert wird nie erreicht, es gibt kein AP. Versuch 1.2.3: 5
rot: Natriumstrom; blau: Kaliumstrom; grün: Calciumstrom Diagramm 1: Darstellung der Na-K- Kurven während eines APs Zu Beginn öffnen sich die Natrium-Kanäle und Natrium strömt sehr schnell in die Zelle (erster steiler Abfall der roten Kurve bis zum ersten Tiefpunkt). Während sich das Potential immer mehr dem Na- Gleichgewichtspotential annähert, wird der Natriumioneneinfluss langsamer, weil die ihn anziehende negative Ladung schwächer wird (kurzer Anstieg der Kurve nach dem ersten Tiefpunkt). Durch die Depolarisation öffnen sich auch die trägeren Kaliumkanäle und Kalium strömt aus der Zelle (große, blaue Kurve).Dadurch wird das Potential negativer und folglich strömt Natrium wieder verstärkt ein (zweiter roter Peak). Beide Kanalarten schließen sich mehr oder weniger schnell und die Ionenkonzentrationen innen und außen normalisieren sich wieder. Versuch 1.2.4: 6
Diagramm 2: Blockierung der Natriumkanäle Bei Blockade der Natriumkanäle kommt es zu einer Depolarisation, worauf sich die Kaliumkanäle öffnen, der Schwellenwert wird erreicht, aber es kommt kein AP zustande. 7
Diagramm 3: Blockierung der Kaliumkanäle Blockiert man die Kaliumkanäle kommt es zu einem AP, es gibt aber keine Repolarisation. Das Potenzial wird zwar kurz wieder etwas negativer, weil die Membran noch etwas durchlässig für Kalium ist, aber das Potenzial bleibt so positiv, dass sich kein AP mehr erzeugen lässt. Versuch 1.3: Auslöseschwelle für AP: -1,385 E-9 A Ende der relativen Refraktärzeit: 8,45 ms 8
2. Synaptische Wechselwirkung zwischen wenigen Neuronen Versuch 2.1: Tab. 4: Wirkung verschiedener Synapsen Na- Synapse Elektr. Synapse K- Synapse Soma Dendrit Dendrit Soma Leitfähigkeit Amplitude [mv] Amplitude [mv] Amplitude [mv] Amplitude [mv] 1,00 E-9 1,8 0,4 0,5-0,3 5,00 E-9 8,5 1,7 2,3-1,4 1,00 E-8 16 3,4 4,5-2,7 5,00 E-8 AP 15,5 18,6-9,3 1,00 E-7 AP 28,4 AP -13,3 5,00 E-7 AP AP AP Beim Versuch 2.1 vergleichen wir verschiedene Synapsen. Bei der Natrium-Synapse unterscheiden wir ob die Synapsenendknöpfchen am Dendriten oder am Soma ansetzen. Im ersten Fall tritt ein AP erst bei einer Leitfähigkeit von 5,00E-7 auf, im Gegensatz zu der Synapse, die am Soma ansetzt. Hier wird bereits ab einer Leitfähigkeit von 5,00E-8 ein AP generiert. Die elektrische Synapse ist schneller als die Na- Synapse am Dendrit und langsamer als diese am Soma. An der Kaliumsynapse findet nie eine Depolarisation statt. An den negativen Werten aus unserer Tabelle ist eine stetige Hyperpolarisation zu entnehmen. Somit kann es selbstverständlich nie zu einem AP kommen. Versuch 2.1: Tab. 5: Synaptische Summation Reizdauer [ms] Amplitude [mv] Frequenz [Hz] 2 17,7 10 22 20 22,5 30 27,5 50 AP 100 AP 65,645 200 AP 65,645 9
Wir betrachten die zeitliche Summation an sich unterschwelliger, aber zusammen genommener den Schwellenwert überschreitender Reize (Anstieg der Amplitude bis erreichen des Schwellenwertes). Trotz ansteigender Reizdauer bleibt die Frequenz nach der Entstehung von APs gleich. 4.) Diskussion: Versuch 1.1 Die Kaliumkonzentration außerhalb der Zelle erhöht, was bei der ersten Messung zu einem Ruhepotential von ca. -38 mv führt. Dieser Wert liegt knapp über dem Bereich des Schwellenwertes. Auf Grund dessen werden immer wieder APs erzeugt, obwohl keine Reizung der Zelle vorliegt. Die Hyperpolarisation nach dem AP kann den Schwellenwert gerade noch unterschreiten, wodurch wiederum ein neues AP ausgelöst werden kann. Dies lässt sich mit Hilfe der Kanalzustände erklären. Wird der Schwellenwert unterschritten schließt sich das Aktivierungstor des Natrium- Kanales und das Inaktivierungstor beginnt sich langsam zu öffnen, der Kanal wird also wieder aktivierbar. Das Ruhepotential kehrt zum Ausgangswert zurück. Auf Grund der regenerierten wieder aktivierbaren Natrium- Kanäle entstehen weitere APs. Bei allen weiteren Messungen wird das RP um ein solches Maß verändert, dass es immer weit positiver als der Schwellenwert ist. Dies bedeutet, dass wiederum ohne einen Reiz ein AP entsteht, wobei in diesen Fällen der Schwellenwert bei der Hyperpolarisation nach dem AP nicht mehr unterschritten werden kann und somit die Natriumkanäle nicht wieder aktivierbar sind. Auf Grund dessen kann kein weiteres AP entstehen. Die Zelle kann nicht mehr in ihrer Funktion agieren; sie ist tot. Versuch 1.2.1 Im Versuch 1.2.1. induzierten wir dem Neuron Reize zunehmender Stärke. Bei schwachen Reizen wird die Membran nur leicht depolarisiert, wobei die Amplitude proportional zum Reiz größer wird. Es kommt aber kein AP zustande, da der Schwellenwert nicht überschritten wird. Auch am Axon gibt es eine Amplitudenmodulation, wenn der Schwellenwert nicht erreicht wird; es also keine positive Rückkoppelung durch Na- Kanäle gibt, da diese sich nicht öffnen. Ab dem Wert 5,00 E-10 A kann man die Frequenz und Latenzzeit, durch die Entstehung von APs, messen. Wenn der Reiz stärker wird, nimmt die Frequenz zu und sinkt die Latenzzeit (Zeit von Reizgabe bis zur Reaktion). Die Frequenz nimmt immer mit Zunahme der Reizstärke zu. Rein theoretisch ist mit Unterschreitung des Schwellenwertes nach einem AP ein erneutes AP möglich. Dazu wird allerdings ein wesentlich stärkerer Reiz 10
als im Ruhezustand benötigt. Denn je größer der Reiz ist, desto größer ist die Membranfläche die depolarisiert wird und damit zusammenhängend werden auch automatisch mehr Natriumkanäle geöffnet, was wiederum dazu führt, dass das folgende AP schneller generiert wird. Eine schnellere AP- Abfolge bringt wiederum eine höhere Frequenz mit sich. Versuch 1.2.2 Im Vergleich zum vorherigen Versuch sieht man im Versuch 1.2.2., dass die Amplitude mit zunehmendem Reiz immer weiter ausschlägt, aber in den negativen Bereich, wodurch der Schwellenwert nie erreicht werden kann. Somit kann auch kein AP entstehen. Versuch 1.2.3 Im Ruhezustand ist das Tor des Kalium- Kanals geschlossen, ebenso wie das Aktivierungstor des Natrium- Kanals. Das zweite Tor des Natrium- Kanals, das Inaktivierungstor ist geöffnet. Bei Ankunft des Reizes öffnet sich das Aktivierungstor des Na- Kanals. Sobald der Einstrom des Natriums das Schwellenpotential erreicht, öffnen sich weitere Na- Kanäle wodurch ein AP ausgelöst wird. Durch eine Zunahme der positiven Ladungen im Zellinneren nimmt die Einstromstärke ab, da die Stärke des elektrischen Gradienten abnimmt. Bei einem bestimmten positiven Wert im Zellinneren öffnen sich die Kalium- Kanäle (Anstieg blaue Kurve). Dies hat zur Folge, dass wieder verstärkt Natrium einströmt. Nach kurzem ungehindertem Einstrom schließen sich die Natrium- Inaktivierungstore. Weiterhin strömt Kalium aus, wodurch das Zellinnere wieder negativer wird. Das Natriumaktivierungstor schließt sich schnell, gleichzeitig beginnt sich langsam das Inaktivierungstor wieder zu öffnen. Das Kaliumtor schließt sich auch, aber langsamer, weswegen es zu einer kurzen Hyperpolarisation kommt. Nun kehren alle Werte zur Ausgangssituation zurück. Versuch 1.2.4 Nun wollen wir Vergiftungen durch Blockade von Natrium- bzw. Kaliumkanälen simulieren. Dazu setzten wir in Versuch 1.2.4 die Leitfähigkeit jeweils auf Null herunter. Natrium- Kanäle werden blockiert: Es kann kein AP zustande kommen, da die Natriumkanäle sich nicht öffnen können aber spannungsabhängige, aktivierbare Na- Kanäle sind die Grundlage für die Bildung eines APs. Kalium- Kanäle sind blockiert: Ein AP kommt, aufgrund der aktivierten Na-Kanäle, zustande. Da diesmal die K-Kanäle blockiert sind, kann kein Kalium ausströmen, wodurch keine Repolarisation stattfinden kann. Versuch 1.3 Unser Ergebniswert ist -1.385E-9A, dies ist also der kleinste Reiz bei dem es zur Überschreitung des Schwellenwertes kommt. Dies gilt für die Reizdauer von 2 ms. 11
Als nächstes untersuchen wir, wie schnell einzelne APs bei gerade überschwelligen Reizen aufeinander folgen können. Durch unsere Messungen ergibt sich ein Wert von 8.45 ms, was das Ende der relativen Refraktärzeit darstellt. Versuch 2.1 Das Signal, das am Soma hereinkommt, ist wegen des kürzeren Weges schneller als ein dendritenempfangenes Signal, kommt somit schneller am Axonhügel an und ist folglich an dieser Stelle noch nicht so sehr abgeschwächt (graduiertes Potential am Soma/Dendrit). Die elektrische Synapse ist aufgrund der rein elektrischen Übertragung mittels Gap Junctions schneller als die Na-Synapse am Dendriten, aber langsamer als die am Soma. An der Kaliumsynapse findet nie eine Depolarisation statt. An den negativen Werten aus unserer Tabelle ist eine stetige Hyperpolarisation zu entnehmen. Somit kann es selbstverständlich nie zu einem AP kommen. Versuch 2.2 Die gleich bleibende Frequenz nach der Entstehung von APs, beruht darauf dass der Reiz nicht stärker, sondern nur länger wird. Wie in Versuch 1.2.1. oben schon erklärt nimmt die Frequenz nämlich nur bei zunehmender Reizstärke zu. Die Summation entsteht dadurch dass das Ruhepotential leicht depolarisiert wird (der Reiz ist noch zu schwach zum Auslösen eines APs). Beim Eintreffen des zweiten Reizes ist postsynaptisch noch eine gewisse Restdepolarisation vorhanden, wodurch die Amplitude des zweiten Reizes größer wird. Die Depolarisationen werden durch den fortbestehenden Reiz einander aufaddiert. Wenn der Reiz lange genug andauert (siehe Ergebnis oben), kommt es zu einem bzw. mehreren APs. 5.) Literaturverzeichnis Biologie, Campbell/ Reece, Spektrum Verlag Tierphysiologie, Eckert, Thieme Zoologie, Wehner/ Gehring, Thieme Kurzlehrbuch Physiologie, Huppelsberg/ Walter, Thieme Physik für Mediziner, Harten, Springer www.wikipedia.de 12