Hoe zenuwsignalen reizen

Een actiepotentiaal laat de binnenkant van een neuron in ongeveer 2 milliseconden van -70 mV naar +30 mV en terug slingeren.

Een kleine batterij over het membraan

Elk neuron houdt een klein elektrisch verschil in stand over zijn membraan. Het wordt gemeten aan de binnenkant ten opzichte van de buitenkant, in millivolt (mV). In rust zit de binnenkant op ongeveer -70 mV. Twee dingen zorgen daarvoor. Natriumionen (Na+) zijn buiten de cel ongeveer tien keer sterker geconcentreerd dan erbinnen, terwijl kaliumionen (K+) binnen sterker geconcentreerd zijn. De natrium-kaliumpomp houdt die verschillen in stand door Na+ naar buiten en K+ naar binnen te brengen, en omdat hij tegen de gradiënten in werkt, gebruikt hij energie in de vorm van ATP. Het membraan in rust is als een opgeladen batterij die op een schakelaar wacht.

Drempel en de alles-of-niets-piek

Een prikkel, zoals een neurotransmitter van een andere cel of druk op een tastreceptor, laat wat Na+ binnen, en de binnenkant wordt minder negatief. Dit is depolarisatie. Blijft ze klein, dan verdwijnt ze gewoon weer. Haalt ze ongeveer -55 mV, de drempel, dan gaan spanningsafhankelijke natriumkanalen in groten getale open, stroomt Na+ naar binnen en klimt de binnenkant naar ongeveer +30 mV. Daarna gaan spanningsafhankelijke kaliumkanalen open, stroomt K+ naar buiten en zakt het membraan terug. Even schiet het onder -70 mV door, een korte hyperpolarisatie, voordat het in rust komt. De hele actiepotentiaal duurt ongeveer 2 milliseconden, en de uitslag van -70 naar +30 is een verandering van 100 mV, oftewel 0.1 volt.

Door de drempel is een actiepotentiaal alles of niets. Een zwakke prikkel die -55 mV nooit haalt, geeft helemaal geen actiepotentiaal. Een sterke prikkel maakt er geen grotere, omdat elke actiepotentiaal op dezelfde spanning piekt. Wat een sterkere prikkel wel doet, is vaker actiepotentialen starten. Het zenuwstelsel codeert intensiteit dus met hoe vaak een neuron vuurt, niet met hoe hoog elke piek is. Tijdens de absolute refractaire periode kan hetzelfde membraansegment geen nieuwe actiepotentiaal starten. Deze refractaire periode houdt het signaal ook in één richting, naar de axonuiteinden toe.

Kruipen en springen langs het axon

Op een axon zonder myeline verspreidt de depolarisatie zich een stukje, opent de volgende natriumkanalen, verspreidt zich weer een stukje, enzovoort. Deze continue geleiding is langzaam. Op een axon met myeline zitten spanningsafhankelijke natriumkanalen alleen bij de knopen van Ranvier. De lading verspreidt zich snel onder de myeline en de actiepotentiaal wordt bij elke knoop vernieuwd, zodat hij van knoop naar knoop lijkt te springen. Dit is saltatoire geleiding, van het Latijnse saltare, springen. Bredere axonen geleiden ook sneller. Dunne vezels zonder myeline voeren signalen met ongeveer 0.5 tot 2 meter per seconde; de dikste vezels met myeline halen ongeveer 120 meter per seconde.

De kloof oversteken: de synaps

Aan het eind van het axon moet het elektrische signaal een andere cel bereiken. Een paar synapsen zijn elektrisch: de twee cellen zijn zo verbonden dat ionen rechtstreeks oversteken. De meeste zijn chemisch. Als een actiepotentiaal het synaptische eindknopje bereikt, gaan spanningsafhankelijke calciumkanalen open en stroomt Ca2+ naar binnen. Het calcium helpt blaasjes, kleine zakjes vol neurotransmitter, te versmelten met het membraan en hun inhoud in de synaptische spleet af te geven, de smalle ruimte tussen de cellen. De neurotransmitter diffundeert eroverheen en bindt aan receptoren op de ontvangende cel. Receptoren passen elk bij één neurotransmitter, zoals een slot en een sleutel.

Binding verandert de spanning van het ontvangende membraan. Een excitatoire postsynaptische potentiaal duwt het naar de drempel toe; een remmende duwt het ervan af. Eén enkele invoer is zelden genoeg. Signalen van veel synapsen, of van één synaps kort na elkaar, worden opgeteld in de triggerzone, en alleen als het totaal de drempel haalt, vuurt het volgende neuron. Ten slotte wordt de neurotransmitter opgeruimd zodat het signaal kan eindigen: acetylcholine wordt afgebroken door het enzym acetylcholinesterase, en aminozuren zoals glutamaat worden teruggepompt in neuronen of gliacellen en hergebruikt. Volgens NINDS laat acetylcholine spieren samentrekken, is glutamaat een belangrijke prikkelende neurotransmitter en is GABA remmend.

Dit is lesmateriaal over hoe het lichaam is gebouwd en werkt. Het is geen medisch advies en is niet bedoeld om iemand te diagnosticeren of te behandelen.