AKTIONSPOTENTIAL: AUSBREITUNG UND PHASEN - GEOGRAFÍA - 2025

Das Aktionspotential ist ein kurzlebiges elektrisches oder chemisches Phänomen, das in den Neuronen unseres Gehirns auftritt. Man kann sagen, dass es die Botschaft ist, die ein Neuron an andere Neuronen überträgt.

Das Aktionspotential wird im Zellkörper (Zellkern) erzeugt, auch Soma genannt. Es wandert durch das gesamte Axon (Neuronenverlängerung, ähnlich einem Draht), bis es sein Ende erreicht, das als Endknopf bezeichnet wird.

Die Aktionspotentiale an einem bestimmten Axon haben immer die gleiche Dauer und Intensität. Wenn sich das Axon in andere Prozesse verzweigt, teilt sich das Aktionspotential, aber seine Intensität wird nicht verringert.

Wenn das Aktionspotential die Endknöpfe des Neurons erreicht, scheiden sie Chemikalien aus, die als Neurotransmitter bezeichnet werden. Diese Substanzen erregen oder hemmen das Neuron, das sie empfängt, und können in diesem Neuron ein Aktionspotential erzeugen.

Vieles, was über die Aktionspotentiale von Neuronen bekannt ist, stammt aus Experimenten mit Riesenkalmar-Axonen. Aufgrund seiner Größe ist es leicht zu studieren, da es sich von Kopf bis Schwanz erstreckt. Sie dienen dazu, dass sich das Tier bewegen kann.

Neuronenmembranpotential

A. Schematische Darstellung eines idealen Aktionspotentials. B. Reale Aufzeichnung eines Aktionspotentials. Quelle: de: Memenen / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Neuronen haben innen eine andere elektrische Ladung als außen. Dieser Unterschied wird als Membranpotential bezeichnet .

Wenn sich ein Neuron im Ruhepotential befindet , bedeutet dies, dass seine elektrische Ladung nicht durch exzitatorische oder inhibitorische synaptische Potentiale verändert wird.

Wenn andererseits andere Potentiale es beeinflussen, kann das Membranpotential verringert werden. Dies ist als Depolarisation bekannt .

Im Gegensatz dazu tritt ein Phänomen auf, das als Hyperpolarisation bezeichnet wird , wenn das Membranpotential in Bezug auf sein normales Potential ansteigt .

Wenn plötzlich eine sehr schnelle Umkehrung des Membranpotentials auftritt, tritt ein Aktionspotential auf . Dies besteht aus einem kurzen elektrischen Impuls, der in die Nachricht übersetzt wird, die sich durch das Axon des Neurons bewegt. Es beginnt im Zellkörper und erreicht die Terminaltasten.

Der Nervenimpuls wandert das Axon hinunter

Wichtig ist, dass elektrische Änderungen eine Schwelle erreichen müssen, die als Erregungsschwelle bezeichnet wird , damit ein Aktionspotential auftritt . Es ist der Wert des Membranpotentials, der unbedingt erreicht werden muss, damit das Aktionspotential auftritt.

Schema einer chemischen Synapse

Aktionspotentiale und Änderungen der Ionenspiegel

Membranpermeabilität eines Neurons während eines Aktionspotentials. Der Ruhezustand (1), Natrium- und Kaliumionen können die Membran nicht passieren, und das Neuron hat eine negative Ladung im Inneren. Die Depolarisation (2) des Neurons aktiviert den Natriumkanal und lässt Natriumionen durch die Membran des Neurons gelangen. Repolarisation (3), bei der sich Natriumkanäle schließen und Kaliumkanäle öffnen, passieren Kaliumionen die Membran. In der Refraktärperiode (4) kehrt das Membranpotential in den Ruhezustand zurück, wenn sich die Kaliumkanäle schließen. Quelle: Membranpermeabilität eines Neurons während eines Aktionspotentials.pdf und Aktionspotential, CThompson02

Unter normalen Bedingungen ist das Neuron bereit, Natrium (Na +) im Inneren aufzunehmen. Seine Membran ist jedoch für dieses Ion nicht sehr durchlässig.

Darüber hinaus enthalten die bekannten "Natrium-Kalium-Transporter" ein Protein in der Zellmembran, das für die Entfernung von Natriumionen und die Einführung von Kaliumionen verantwortlich ist. Insbesondere werden für jeweils 3 extrahierte Natriumionen zwei Kaliumionen eingeführt.

Diese Transporter halten den Natriumspiegel in der Zelle niedrig. Wenn die Permeabilität der Zelle zunahm und plötzlich mehr Natrium in sie eindrang, würde sich das Membranpotential radikal ändern. Anscheinend löst dies ein Aktionspotential aus.

Insbesondere würde die Permeabilität der Membran für Natrium erhöht, wobei diese in das Neuron eintreten. Gleichzeitig würde dies ermöglichen, dass Kaliumionen die Zelle verlassen.

Wie treten diese Änderungen der Permeabilität auf?

Zellen haben zahlreiche Proteine, sogenannte Ionenkanäle, in ihre Membran eingebettet . Diese haben Öffnungen, durch die Ionen in Zellen eindringen oder diese verlassen können, obwohl sie nicht immer offen sind. Kanäle werden je nach Ereignis geschlossen oder geöffnet.

Es gibt mehrere Arten von Ionenkanälen, und jeder ist normalerweise darauf spezialisiert, ausschließlich bestimmte Arten von Ionen zu leiten.

Beispielsweise kann ein offener Natriumkanal mehr als 100 Millionen Ionen pro Sekunde passieren.

Wie entstehen Aktionspotentiale?

Neuronen übertragen Informationen elektrochemisch. Dies bedeutet, dass Chemikalien elektrische Signale erzeugen.

Diese Chemikalien sind elektrisch geladen, weshalb sie als Ionen bezeichnet werden. Die wichtigsten im Nervensystem sind Natrium und Kalium, die eine positive Ladung haben. Neben Kalzium (2 positive Ladungen) und Chlor (eine negative Ladung).

Änderungen des Membranpotentials

Der erste Schritt für das Auftreten eines Aktionspotentials ist eine Änderung des Membranpotentials der Zelle. Diese Änderung muss die Anregungsschwelle überschreiten.

Insbesondere kommt es zu einer Verringerung des Membranpotentials, was als Depolarisation bezeichnet wird.

Öffnung der Natriumkanäle

Infolgedessen öffnen sich in die Membran eingebettete Natriumkanäle, so dass Natrium massiv in das Neuron eindringen kann. Diese werden durch Diffusionskräfte und elektrostatischen Druck angetrieben.

Da Natriumionen positiv geladen sind, bewirken sie eine schnelle Änderung des Membranpotentials.

Kaliumkanalöffnung

Die Axonmembran hat sowohl Natrium- als auch Kaliumkanäle. Letztere werden jedoch später geöffnet, da sie weniger empfindlich sind. Das heißt, sie benötigen einen höheren Depolarisationsgrad, um sich zu öffnen, und öffnen sich daher später.

Verschluss von Natriumkanälen

Es kommt eine Zeit, in der das Aktionspotential seinen Maximalwert erreicht. Ab diesem Zeitpunkt sind die Natriumkanäle blockiert und geschlossen.

Sie können sich nicht mehr wieder öffnen, bis die Membran wieder ihr Ruhepotential erreicht hat. Infolgedessen kann kein Natrium mehr in das Neuron gelangen.

Kaliumkanalverschluss

Die Kaliumkanäle bleiben jedoch offen. Dadurch können Kaliumionen durch die Zelle fließen.

Aufgrund der Diffusion und des elektrostatischen Drucks werden die Kaliumionen aus der Zelle gedrückt, wenn das Innere des Axons positiv geladen ist. Somit gewinnt das Membranpotential seinen üblichen Wert zurück. Nach und nach schließen sich die Kaliumkanäle.

Dieser Austritt von Kationen bewirkt, dass das Membranpotential seinen Normalwert wiedererlangt. In diesem Fall beginnen sich die Kaliumkanäle wieder zu schließen.

Sobald das Membranpotential seinen Normalwert erreicht, schließen sich die Kaliumkanäle vollständig. Etwas später werden die Natriumkanäle reaktiviert, um eine weitere Depolarisation vorzubereiten und sie zu öffnen.

Schließlich scheiden die Natrium-Kalium-Transporter das eingedrungene Natrium aus und gewinnen das zuvor austretende Kalium zurück.

Wie verbreiten sich Informationen im Axon?

Teile eines Neurons. Quelle: Kein maschinenlesbarer Autor angegeben. NickGorton ~ commonswiki angenommen (basierend auf Urheberrechtsansprüchen)

Das Axon besteht aus einem Teil des Neurons, einer kabelartigen Erweiterung des Neurons. Sie können zu lang sein, damit sich physisch weit voneinander entfernte Neuronen verbinden und Informationen aneinander senden können.

Das Aktionspotential breitet sich entlang des Axons aus und erreicht die Terminaltasten, um Nachrichten an die nächste Zelle zu senden. Wenn wir die Intensität des Aktionspotentials in verschiedenen Bereichen des Axons messen würden, würden wir feststellen, dass seine Intensität in allen Bereichen gleich bleibt.

Alles oder nichts Gesetz

Dies geschieht, weil die axonale Leitung einem Grundgesetz folgt: dem Gesetz von allem oder nichts. Das heißt, ein Aktionspotential ist gegeben oder nicht. Sobald es beginnt, wandert es durch das gesamte Axon bis zu seinem Ende, wobei es immer die gleiche Größe beibehält und nicht zunimmt oder abnimmt. Wenn sich ein Axon verzweigt, teilt sich das Aktionspotential, behält aber seine Größe bei.

Aktionspotentiale beginnen am Ende des Axons, das an das Soma des Neurons gebunden ist. Sie bewegen sich normalerweise nur in eine Richtung.

Handlungs- und Verhaltenspotentiale

Sie fragen sich vielleicht an dieser Stelle: Wenn das Aktionspotential ein Alles-oder-Nichts-Prozess ist, wie treten bestimmte Verhaltensweisen wie Muskelkontraktionen auf, die zwischen verschiedenen Intensitätsstufen variieren können? Dies geschieht nach dem Frequenzgesetz.

Gesetz der Frequenz

Was passiert ist, dass ein einzelnes Aktionspotential keine direkten Informationen liefert. Stattdessen wird die Information durch die Entladungsfrequenz oder die Feuerrate eines Axons bestimmt. Das heißt, die Häufigkeit, mit der Aktionspotentiale auftreten. Dies ist als "Gesetz der Frequenz" bekannt.

Eine hohe Frequenz von Aktionspotentialen würde somit zu einer sehr intensiven Muskelkontraktion führen.

Gleiches gilt für die Wahrnehmung. Zum Beispiel muss ein sehr heller visueller Reiz, der erfasst werden soll, eine hohe "Feuerrate" in den an den Augen befestigten Axonen erzeugen. Auf diese Weise spiegelt die Frequenz der Aktionspotentiale die Intensität eines physischen Reizes wider.

Daher wird das Gesetz von allem oder nichts durch das Gesetz der Frequenz ergänzt.

Andere Formen des Informationsaustauschs

Aktionspotentiale sind nicht die einzigen Klassen elektrischer Signale, die in Neuronen auftreten. Zum Beispiel gibt das Senden von Informationen über eine Synapse einen kleinen elektrischen Impuls in der Membran des Neurons, das die Daten empfängt.

Schema einer Synapse. Quelle: Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com)

Manchmal kann eine leichte Depolarisation, die zu schwach ist, um ein Aktionspotential zu erzeugen, das Membranpotential geringfügig verändern.

Diese Veränderung nimmt jedoch allmählich ab, wenn sie sich durch das Axon bewegt. Bei dieser Art der Informationsübertragung öffnen oder schließen sich weder der Natrium- noch der Kaliumkanal.

Somit wirkt das Axon wie ein Unterseekabel. Wenn das Signal durch es übertragen wird, nimmt seine Amplitude ab. Dies ist als Abwärtsleitung bekannt und tritt aufgrund der Eigenschaften des Axons auf.

Aktionspotentiale und Myelin

Die Axone fast aller Säugetiere sind mit Myelin bedeckt. Das heißt, sie haben Segmente, die von einer Substanz umgeben sind, die eine Nervenleitung ermöglicht und diese schneller macht. Das Myelin wickelt sich um das Axon, ohne dass die extrazelluläre Flüssigkeit es erreicht.

Myelin wird im Zentralnervensystem von Zellen produziert, die Oligodendrozyten genannt werden. Während es im peripheren Nervensystem von Schwannschen Zellen produziert wird.

Die Myelinsegmente, die als Myelinscheiden bekannt sind, sind durch bloße Bereiche des Axons voneinander getrennt. Diese Bereiche werden Ranvier-Knötchen genannt und stehen in Kontakt mit der extrazellulären Flüssigkeit.

Das Aktionspotential wird in einem nichtmyelinisierten Axon (das nicht mit Myelin bedeckt ist) anders übertragen als in einem myelinisierten.

Das Aktionspotential kann durch die mit dem Myelin bedeckten axonalen Membranen durch die Eigenschaften des Drahtes wandern. Das Axon leitet auf diese Weise die elektrische Änderung von dem Ort, an dem das Aktionspotential auftritt, zum nächsten Knoten von Ranvier.

Diese Änderung nimmt leicht ab, ist jedoch stark genug, um im nächsten Knoten ein Aktionspotential zu verursachen. Dieses Potential wird dann in jedem Knoten von Ranvier ausgelöst oder wiederholt und transportiert sich durch den myelinisierten Bereich zum nächsten Knoten.

Diese Art der Leitung von Aktionspotentialen wird als Salzleitung bezeichnet. Sein Name kommt vom lateinischen "saltare", was "tanzen" bedeutet. Das Konzept ist, weil der Impuls von Knoten zu Knoten zu springen scheint.

Vorteile der Salzleitung zur Übertragung von Aktionspotentialen

Diese Art des Fahrens hat seine Vorteile. Zunächst einmal, um Energie zu sparen. Natrium-Kalium-Transporter verbrauchen viel Energie, um während der Aktionspotentiale überschüssiges Natrium aus dem Inneren des Axons zu ziehen.

Diese Natrium-Kalium-Transporter befinden sich in Bereichen des Axons, die nicht von Myelin bedeckt sind. In einem myelinisierten Axon kann Natrium jedoch nur in die Knoten von Ranvier gelangen. Aus diesem Grund tritt viel weniger Natrium ein, und aus diesem Grund muss weniger Natrium abgepumpt werden, sodass die Natrium-Kalium-Transporter weniger arbeiten müssen.

Ein weiterer Vorteil von Myelin ist die Geschwindigkeit. Ein Aktionspotential wird in einem myelinisierten Axon schneller geleitet, da der Impuls von einem Knoten zum anderen "springt", ohne das gesamte Axon passieren zu müssen.

Diese Geschwindigkeitssteigerung führt dazu, dass Tiere schneller denken und reagieren. Andere Lebewesen wie Tintenfische haben Axone ohne Myelin, die aufgrund ihrer Vergrößerung an Geschwindigkeit gewinnen. Tintenfischaxone haben einen großen Durchmesser (ca. 500 µm), wodurch sie sich schneller fortbewegen können (ca. 35 Meter pro Sekunde).

Bei gleicher Geschwindigkeit bewegen sich die Aktionspotentiale jedoch in den Axonen von Katzen, obwohl diese einen Durchmesser von nur 6 um haben. Was passiert ist, dass diese Axone Myelin enthalten.

Ein myelinisiertes Axon kann Aktionspotentiale mit einer Geschwindigkeit von etwa 432 Stundenkilometern und einem Durchmesser von 20 um leiten.

Verweise

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