Wie Nervensignale weitergeleitet werden

Bei einem Aktionspotenzial springt das Innere einer Nervenzelle von -70 mV auf +30 mV und wieder zurück, und das in etwa 2 Millisekunden.

Eine winzige Batterie an der Membran

Jede Nervenzelle hält an ihrer Membran einen kleinen elektrischen Unterschied aufrecht. Man misst ihn innen im Vergleich zu außen, in Millivolt (mV). In Ruhe liegt das Innere bei etwa -70 mV. Dafür sorgen zwei Dinge. Natriumionen (Na+) sind außerhalb der Zelle etwa zehnmal stärker konzentriert als innen, Kaliumionen (K+) dagegen innen. Die Natrium-Kalium-Pumpe hält diese Unterschiede aufrecht, indem sie Na+ hinaus- und K+ hineinbefördert. Weil sie gegen die Konzentrationsgefälle arbeitet, verbraucht sie Energie in Form von ATP. Die ruhende Membran gleicht einer geladenen Batterie, die auf einen Schalter wartet.

Schwelle und Alles-oder-nichts-Spitze

Ein Reiz, etwa ein Neurotransmitter einer anderen Zelle oder Druck auf einen Tastrezeptor, lässt etwas Na+ einströmen, und das Innere wird weniger negativ. Das ist die Depolarisation. Bleibt sie klein, klingt sie einfach ab. Erreicht sie etwa -55 mV, die Schwelle, öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle in großer Zahl. Na+ strömt ein, und das Innere steigt auf etwa +30 mV. Dann öffnen sich spannungsgesteuerte Kaliumkanäle, K+ strömt aus, und das Membranpotenzial sinkt wieder. Für einen Moment schießt es unter -70 mV hinaus, eine kurze Hyperpolarisation, bevor es sich auf den Ruhewert einpendelt. Das ganze Aktionspotenzial dauert etwa 2 Millisekunden, und der Sprung von -70 auf +30 ist eine Änderung um 100 mV, also 0.1 Volt.

Wegen der Schwelle folgt ein Aktionspotenzial dem Alles-oder-nichts-Prinzip. Ein schwacher Reiz, der -55 mV nie erreicht, löst überhaupt kein Aktionspotenzial aus. Ein starker Reiz erzeugt kein größeres, denn jedes Aktionspotenzial erreicht dieselbe Spitzenspannung. Ein stärkerer Reiz löst Aktionspotenziale stattdessen häufiger aus. Das Nervensystem verschlüsselt die Stärke also darüber, wie oft eine Nervenzelle feuert, nicht über die Höhe der einzelnen Spitzen. Während der absoluten Refraktärzeit kann derselbe Membranabschnitt kein weiteres Aktionspotenzial auslösen. Diese Refraktärzeit sorgt auch dafür, dass das Signal nur in eine Richtung läuft, zu den Axonendigungen hin.

Kriechen und Springen entlang des Axons

An einem Axon ohne Myelin breitet sich die Depolarisation ein Stück aus, öffnet die nächsten Natriumkanäle, breitet sich weiter aus und so fort. Diese kontinuierliche Erregungsleitung ist langsam. An einem myelinisierten Axon gibt es spannungsgesteuerte Natriumkanäle nur an den Ranvier-Schnürringen. Unter dem Myelin breitet sich die Ladung schnell aus, und an jedem Schnürring wird das Aktionspotenzial erneuert. So scheint es von Schnürring zu Schnürring zu springen. Das ist die saltatorische Erregungsleitung, vom lateinischen saltare, springen. Dickere Axone leiten außerdem schneller. Dünne Fasern ohne Myelin leiten Signale mit etwa 0.5 bis 2 Metern pro Sekunde, die dicksten myelinisierten Fasern erreichen etwa 120 Meter pro Sekunde.

Über den Spalt: die Synapse

Am Ende des Axons muss das elektrische Signal eine andere Zelle erreichen. Einige wenige Synapsen sind elektrisch: Die beiden Zellen sind so verbunden, dass Ionen direkt hinüberwandern. Die meisten sind chemisch. Erreicht ein Aktionspotenzial das synaptische Endknöpfchen, öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumkanäle, und Ca2+ strömt ein. Das Calcium hilft den Vesikeln, winzigen mit Neurotransmitter gefüllten Bläschen, mit der Membran zu verschmelzen und ihren Inhalt in den synaptischen Spalt abzugeben, die schmale Lücke zwischen den Zellen. Der Neurotransmitter diffundiert hinüber und bindet an Rezeptoren der empfangenden Zelle. Jeder Rezeptor passt zu einem Neurotransmitter, wie ein Schlüssel zum Schloss.

Die Bindung verändert die Spannung der empfangenden Membran. Ein erregendes postsynaptisches Potenzial bringt sie näher an die Schwelle, ein hemmendes entfernt sie davon. Ein einzelnes Signal reicht selten aus. Signale vieler Synapsen oder mehrere kurz hintereinander von einer Synapse summieren sich in der Triggerzone, und nur wenn die Summe die Schwelle erreicht, feuert die nächste Nervenzelle. Zum Schluss wird der Neurotransmitter beseitigt, damit das Signal enden kann: Acetylcholin wird vom Enzym Acetylcholinesterase abgebaut, und Aminosäuren wie Glutamat werden in Nervenzellen oder Gliazellen zurückgepumpt und wiederverwendet. Laut NINDS lässt Acetylcholin Muskeln sich zusammenziehen, Glutamat ist ein wichtiger erregender Neurotransmitter und GABA ein hemmender.

Dies ist Lernmaterial darüber, wie der Körper aufgebaut ist und funktioniert. Es ist keine medizinische Beratung und dient nicht dazu, Krankheiten zu diagnostizieren oder zu behandeln.