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Neurobiologie:

Färbemethoden:

Golgi-Färbung: Silberfärbung, welche das gesamte Neuron (Soma, Dendriten und Axone) färbt; färbt, aus noch unbekannten Gründen, nur etwa 1% aller Neuronen

Membrankapazität: Fähigkeit der Membran, elektrische Ladungen zu sammeln und zu trennen
Maß für die Ladungsmenge, die sie bei einer bestimmten über der Membran liegenden Potentialdifferenz trennt. Die Kapazität nimmt proportional zur Dielektrizitätskonstante des Materials, das
die Ladungen trennt, zu und mit zunehmender Entfernung zwischen den Ladungen ab.

Depolarisation ® über Schwellenpotential ® Overshoot

Schwellenstrom: Intensität des Reizstromes, die gerade ausreicht, die Membran auf das Schwellenpotential zu bringen und damit ein Aktionspotential auszulösen

lokale Antwort: Beginn eines vorzeitig abgebrochenen Aktionspotentials

Overshoot: positiver, oberhalb von Null liegender Teil des Aktionspotentials Ausmaß des Overshoots kann sich verändern (z.B. in der relativen Refraktärphase)

Aktionspotential: Alles-oder-Nichts-Antwort Das Alles-oder-Nichts-Prinzip besagt lediglich, daß die Amplitude des Aktionspotentials von der Reizstärke unabhängig ist. Das Aktionspotential führt zu einer Erhöhung der Membranleitfähigkeit (z.B. für Natrium)

Refraktärphase: Das Intervall in der Refraktärphase, bei dem ein zweiter Spike ausfällt, hängt von der Reizstärke ab. Es gibt jedoch keinen Reiz, der stark genug wäre, ein zweites Aktionspotential während der absoluten Refraktärphase auszulösen.

Relative Refraktärphase: 1. Schwelle, die höher ist als die vor dem Aktionspotential, d.h. es wird mehr Strom benötigt, um ein Aktionspotential auszulösen

                                              2. verminderte Amplitude des Aktionspotentials, d.h., der Überschuß ist niedriger

Absolute Refraktärphase: Während der absoluten Refraktärphase können nicht genügend Na+-Kanäle aktiviert werden, um einen nach innen gerichteten, den K+-Ausstrom übertreffenden Strom zu erzeugen.

*Die aufgehobene bzw. Verminderte Erregbarkeit (Refraktärität) während und unmittelbar nach einem AP verhindert die Verschmelzung der Impulse und ermöglicht die Weiterleitung diskreter Impulse.

*Bei unterschwelliger Depolarisation erfährt die Membran eine zeitabhängige Verminderung ihrer Erregbarkeit (d.h. Schwellenerhöhung). Wird eine Zelle ständig unterschwellig gereizt und die Stromstärke kontinuierlich erhöht, so wird durch den ständigen Anstiegt des Schwellenwertes, die Schwelle nie erreicht, es wird kein AP ausgelöst.

Akkomodation: zeitabhängige Veränderung in der Empfindlichkeit der Membrankanäle gegenüber einer Depolarisation

Adaptation: Verminderung der Entladungsfrequenz während eines anhaltenden Reizes

Voltage-Clamp-Methode: Membranspannung wird konstant gehalten, durch die Membran fließenden Ionenströme werden gemessen

früher Einstrom: Na+-Einstrom

Verzögerter Ausstrom: K+-Ausstrom

Na+-Kanäle während des Aktionspotentials: 1) nicht leitend 2) leitend 3)inaktiviert

Na+Kanäle : weniger als 100 Kanäle pro 1 m m2

*Kapazität der Membran ändert sich während des Aktionspotentials nicht, da die Kanäle nur 1/50000 der Membranoberfläche belegen

Hodgkin-Zyklus: positive Rückkopplung: Depolarisation ® Na+-Kanäle werden geöffnet ® Na+ dringt in die Zelle ein ® weitere Depolarisation ® weitere Öffnung von Na+-Kanälen

K+-Kanal: Leitfähigkeit nimmt zu, wenn das Membranpotential positiver wird, also bei einer Potentialänderung durch ein Aktionspotential.

Kaliumaktivierung: Erhöhung der Membranleitfähigkeit für K+ nach der Depolarisation.

Procain und Xylocain vermindern Kalium- und Natriumaktivierung.

Tetraethylammonium (TEA) hemmt die K+-Aktivierung ® Verlängerung des Aktionspotentials

 

Kanal: Strom: Charakteristika: Blockierung durch: Funktion:
Natriumkanal: INa schnelle Aktivierung durch Depolarisation, gefolgt von spannungsabhängiger Inaktivierung Tetrodotoxin

(TTX)

Strom für Aufstrich des Aktionspotentials; Impulsleitung
Calciumkanal: ICa langsamere Aktivierung durch Depolarisation und niedrige Einzelkanal-Leitfähigkeit als beim Natriumkanal; Inaktivierung als Funktion der [ Ca*2+] i und/oder des Membranpotentials Verapamil, D 600,

Co2+, Cd2+,

Mn2+, Ni2+,

La3+

langsame Depolarsationen; Calcium fungiert als "messenger-Molekül" zum Zellinneren
Kaliumkanal

verzögerter Ausgleich:

IK(V) verzögerte Aktivierung durch Depolarisation¸ langsame und unvollständige Inaktivierung durch anhaltende Depolarisation intra- und extrazelluläres

Tetraethylammonium (TEA), Aminopyridine

schnelle Repolarisation zur Beendigung des Aktionspotentials
Kaliumkanal

Calcium aktiviert:

IK(Ca) Aktivierung durch [ Ca2+] i. Bleibt solange aktiviert, bis [ Ca2+] i erniedrigt wird. Die Aktivierung durch Calcium wird durch eine Depolarisation noch gesteigert. Etrazelluläres TEA Repolarisation des Calciumaktionspotentials; ruft einen Ausstrom hervor, um den nach innen gerichteten Calciumstrom auszugleichen, wodurch die Depolarisation auf ICa

begrenzt wird

Kaliumkanal

früh durchlässig:

IK(A) schnelle Aktivierung gefolgt von der Inaktivierung durch Depolarisation; inaktiv bei niedrigen Ruhepotentialen 3- Aminopyridin reduziert die Rückerregung am Ende eines hyperpolarisierenden, inhibitorischen Potentials
Kaliumkanal

in Ruhe:

IK(Leck) verantwortlich für das Durchsickern von Kalium bei ruhenden Zellen teilweise durch TEA hauptsächlich verantwortlich für Ruhepotential
einwärts gerichteter

Ausgleich:

  trägt den Kaliumstrom während der Hyperpolarisation; trägt etwas Strom bei der Depolarisation; möglicherweise identisch mit dem oben genannten Kaliumkanal in Ruhe in einigen Geweben extrazelluläres Cs+  

 

Calcium-Kanäle: Ca2+-Ionen tragen den gesamten oder einen Teil des regenerativen Depolarisationsstroms durch solche Kanäle, die in den Muskelfasern der Crustaceen, in den Zellen des glatten Muskels, in den Zellkörpern, Dendriten und Endigungen vieler Nervenzellen sowie in den Embryonalzellen und bei Ciliaten wie Paramecium vorkommen. Bei einigen Membranen trägt Ca2+ den nach innen gerichteten Strom zusammen mit Na2+, bei anderen alleine. Der Calciumstrom ist gewöhnlich schwächer als der Natriumstrom; dies beruht zum Teil auf der niedrigeren Leitfähigkeit der Ca2+-Kanäle. Der Ca2+-Strom ist daher normalerweise nicht stark genug, ohne Mithilfe des Na+-Stroms oder ohne den K+-Strom blockierende Agenzien ein Alles-oder.Nichts-Aktionspotential auszulösen. Der Ca2+-Strom bewirkt statt dessen eine graduierte Reaktion, deren Größe von der Reizdepolarisation abhängt. Bei den meisten Membranen, die einen Ca2+-Strom aufweisen, wird der Aufstrich eines Alles-oder-Nichts-Aktionspotentials weitgehend durch einen starken Na+-Einstrom erzeugt. Der Na+-Strom ist in erster Linie für die rasche Depolarisation der Membran verantwortlich. Durch die Depolarisation werden die Calciumkanäle geöffnet, Ca2+ dringt in die Zelle ein. Oft wirkt es dabei als second messenger, wie beispielsweise bei der Ausschüttung eines Transmitters aus den präsynaptischen Endigungen eines Neurons. Ca2+ hat zum Teil auch Wirkung auf andere Kanäle, so aktiviert es auch die Ca2+-abhängigen Kaliumkanäle. Die Anhäufung von Ca2+ innerhalb der Zelle fördert die Repolarisation. Der hyperpolarisierende Effekt des Ca2+-abhängigen Kaliumstroms geht daraus hervor. Eliminiert man den Calciumstrom mit einer Hemmsubstanz, so wird die starke, andauernde Hyperpolarisation vermindert.

Schrittmacherpotentiale: Regelmäßige und langsame Oszillationen im Membranpotential, die zur Entstehung von Aktionspotentialen führen. Ablauf: Bedingt durch den Ca2+-Einstrom über aktivierte Calciumkanäle häuft sich während der Depolarisation Calcium an. Das sich anhäufende Ca2+ aktiviert viele calciumaktivierte K+-Kanäle und inaktiviert viele Ca2+-Kanäle. Beide Effekte sind an der positiven Ladungsverschiebung aus der Zelle und an der Repolarisation der Membran in Richtung EK beteiligt. Die Repolarisation schaltet die Calciumkanäle aus, der Ca2+-Einstrom hört auf, das angehäufte freie Ca2+ wird allmählich aus dem Kreislauf des Cytosols durch calciumpuffernde Mechanismen beseitigt. Ist das freie Ca2+ entfernt, fällt die calciumabhängige Kaliumleitfähigkeit ab, das Membranpotential entfernt sich von EK, depolarisiert langsam und aktiviert allmählich die spannungsempfindlichen Natrium- und Calciumkanäle. Eindringendes Ca2+ fördert die Membrandepolarisation, bis eine volle Schrittmacherwelle generiert wird, ehe das angehäufte Ca2+wieder die Ca2+-abhängige Kaliumleitfähigkeit Zyklus wiederholt. Man findet diese Mechanismen bei Vertebratenherzen und an bestimmten Molluskenneuronen.

Gliazellen: Aufnahme von extrazellurären K+-Ionen und überschüssigen Neurotransmittern, Bildung der Myelinscheiden (Oligodendrozyten im ZNS, Schwannsche Zellen im peripheren NS)

Zwei Signalklassen der Neurone: 1. Graduierte Potentialänderungen 2. Impulse nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip. Beide Fortleitungsarten wechseln sich gegenseitig ab. Eine graduierte chemische Potentialänderung findet an den Synapsen durch Ausschüttung von Neurotransmittern statt. Dabei verhält sich die Amplitude proportional zur ausgeschütteten Transmittermenge. Dieses chemische Signal erzeugt postsynaptisch eine Depolarisation, welche zum AP führen kann. Eine Weiterleitung erfolgt dann elektrisch durch das Axon.

*Je größer die Längskonstante, desto schneller erfolgt die Impulsweiterleitung.

*Innerer Längswiderstand wird vermindert, indem der Querschnitt des Axons erhöht wird.

*Myelinisierung erhöht die Längskonstante.

Jede einzelne Einheitsmembran erhöht den Querwiderstand der Scheide. Wegen der aus vielen Membranschichten bestehenden Myelinscheide ist ihre Kapazität wesentlich geringer als bei einer Einheitsmembran. Wegen des hohen Isolationswiderstandes entlang des Internodiums treten die lokalen Strömchen, die einem Aktionspotential vorauseilen, fast ausschließlich an den Ranvierschen Schnürringen aus dem Axon aus. Darüber hinaus wird wegen der geringen Kapazität der dicken Myelinscheide sehr wenig Strom für die Entladung der Membrankapazität innerhalb eines Internodiums verschwendet. Das an einem Schnürring vorhandene Aktionspotential depolarisiert die Membran am nächsten Schnürring elektrotonisch. Ein Aktionspotential wird damit nicht kontinuierlich entlang einer Axonmembran fortgeleitet, wie es bei einer nichtmyelinisierten Nervenfaser der Fall ist.

Elektrische Synapsen: Prä- und postsynaptische Membranen liegen dicht beieinander und bilden Gap junctions, über die der elektrische Strom von einer Zelle zur anderen fließen kann. Ein unterschwelliger Stromstoß, der auf Zelle 1 einwirkt, verursacht eine Membranpotentialänderung in dieser Zelle. Sobald sich signifikanter Anteil dieses Stromes über die Gap junctions in Zelle 2 ausbreitet, wird dort ebenfalls eine nachweisbare Membranpotentialänderung hervorgerufen. Da jeweils nur ein Teil des gesamten Stromes, der auf Zelle 1 einwirkt, auf Zelle 2 übergreift, ist die elektrotonische Potentialänderung, die über die Membran der Zelle 2 auftritt, immer geringer als die bei der Zelle 1. Die elektrische Verbindung zweier Neurone ermöglicht es, daß lokale Strömchen, die von einem Aktionspotential eines Neurons stammen, in das andere übergreifen und es depolarisieren. Die Übertragung eines AP´s über eine elektrische Synapse unterscheidet sich demnach kaum von einer Fortleitung innerhalb einer Zelle, zumal beide Phänomene von der elektrotonischen Ausbreitung eines lokalen Strömchens abhängen, das einem Aktionspotential vorausgeht und neue Membranabschnitte depolarisiert und erregt. Da der Sicherheitsfaktor eines Aktionspotentials ungefähr bei 5 liegt, darf die Abschwächung de Amplitude von einer Zelle bis zur anderen nicht mehr als den Sicherheitsfaktor betragen, wenn eine elektrotonische Depolarisation in der postsynaptischen Zelle den Schwellenwert erreichen und einen Impuls auslösen soll. Ein einzelnes Aktionspotential eines sehr dünnen Axons dürfte kaum in der Lage sein, ein lokales Strömchen durch eine elektrische Synapse zu senden, das dann in der Lage wäre, ein Aktionspotential in einer vergleichsweise großen Zelle, z.B. in einer Muskelfaser, auszulösen. Man findet elektrische Synapsen in der glatten Muskulatur, dem Herzmuskel, bei Rezeptorzellen. Da der elektrische Strom von der präsynaptischen Synapse direkt in die postsynaptische fließt, ist die synaptische Verzögerung bei der elektrischen Synapse kürzer als bei den chemischen Synapsen. Elektrische Synapsen sind daher hervorragend geeignet, die elektrische Aktivität in einer ganzen Gruppe von Nervenzellen zu synchronisieren bzw. Schnell über mehrere Zellverbindungen zu übertragen. Die Übertragung eines Impulses kann bei elektrischen Synapsen in beide Richtungen erfolgen. Es gibt jedoch auch Ausnahmen.

Chemische Synapsen: Ankunft eines präsynaptischen Aktionspotentials. Die Depolarisation aktiviert die Ca2+-Kanäle der Axonendigung, Ca2+ tritt ein. Die gestiegene Ca2+-Konzentration im Zellinneren löst die Exocytose von Transmitter enthaltenden Vesikeln aus. Diese entleeren ihren Inhalt in den extrazellulären Raum. Der Transmitter diffundiert durch den extrazellulären Raum und verbindet sich mit Rezeptormolekülen der subsynaptischen Membran. Die Anheftung des Transmitters aktiviert Ionenkanäle, die mit den Rezeptormolekülen verbunden sind. Permeable Ionen tragen daraufhin einen postsynaptischen Strom entlang der dominierenden elektrochemischen Gradienten. Der postsynaptische Strom bewirkt ein postsynaptisches Potential. Übertrifft die Potentialänderung das Schwellenpotential, kommt es zur Auslösung eines Aktionspotentials. Ganz allgemein kann man sagen, daß die chemische Übertragung flexibler ist als die elektrische und sowohl hemmende als auch erregende Wirkung haben kann. Darüber hinaus können kleine präsynaptische Fasern mittels ihres chemischen Transmitters große postsynaptische Kanäle aktivieren, die starke Ströme befördern. Der synaptische Spalt ist mit einem Mucopolysaccharid angefüllt. Motorische Endplatte: aktive Zone, in der die Vesikel liegen liegt überhalb der subsynaptischen Einfaltungen. Nach der Ausschüttung wird der Transmitter, bei der neuromuskulären Synapse der Vertebraten handelt es sich um Acetylcholin, durch das Enzym Acytylcholinesterase hydrolysiert. Vor seiner vollständigen Hydrolyse beeinflußt das Acetylcholin die in der postsynaptischen Membran liegenden Rezeptormoleküle so, daß dicht danebenliegende Ionenkanälchen, die für Na+ und K+ mehr oder weniger selektiv sind, kurzfristig geöffnet werden.

 

Gift und Abstammung: Wirkung des Toxins:
d-Tubocurarin: ist der aktive Bestandteil von Curare, dem südamerikanischen Pfeilgift. Dieses Molekül blockiert postsynaptisch die Übertragung durch kompetetive Verdrängung des Ach von seinen Bindungsstellen an nicotinartigen Rezeptoren der motorischen Endplatten und der autonomen Gliazellen. Es besetzt die Bindungsstellen, ohne ein Öffnen der postsynaptischen Kanäle herbeizuführen, und verhindert die Generierung eines postsynaptischen Stroms.
a -Bungarotoxin (BuTX) wird aus dem Gift des Krait (Bungarus), einer Verwandten der Kobra, isoliert. Dieses Eiweißmolekül bindet hochspezifisch und irreversibel an ACh-Rezeptoren der subsynaptischen Membran.
Physostigmin (Eserin), eine Anticholinesterase. Blockiert die Wirkung der Acetylcholinesterase, des Enzyms, das Ach nach seiner Freisetzung in den synaptischen Spalt abbaut. Teildosen verstärken das postsynaptische Potential an cholinergen Synapsen.
Decamethonium, Carbachol, Succinylcholin sind ACh-Analoga. Binden wie Curare an den ACh-Rezeptor, blockieren ihn jedoch nicht, sondern aktivieren ihn und öffnen dadurch die postsynaptischen Kanäle.
Hemicholinkomponenten. Blockieren die Wiederaufnahme des Cholins in die präsynaptische Nervenendigung und verzögern so die Resynthese von Ach aus Cholin und Acetat in den Endigungen.
Botulinustoxin, ein Produkt des Nahrungsmittel vergiftenden Bacteriums Clostridium botulinum, ist eines der stärksten bekannten Gifte. Es blockiert selbst in geringsten Dosen die Freisetzung von Ach.
Muscarin und andere muscarinartige Wirkstoffe wie Pilocarpin: Aktivieren ACh-Rezeptoren, wie sie im Viszeralgewebe vorherrschen, das von cholinergen Axonen des Parasympathicus innerviert werden.
Nicotin und andere nicotinartige Substanzen wie Lobelin. Aktivieren die ACh-Rezeptoren der motorischen Endplatte und der vegetativen Ganglienzellen.
Atropin ist ein Alkalois der Tollkirsche (Belladonna). Blockiert die muscarinartige Wirkung der ACh-Agonisten.
Reserpin, ein Alkaloid. Bewirkt die graduelle Ausschüttung der gespeicherten Catecholamine und des Serotonins aus den synaptischen Endigungen, bis diese Transmitter nicht mehr als Folge präsynaptischer Aktivität freigesetzt werden können, da die Speicher leer sind.
Naloxon. Blockiert wie andere Opiatantagonisten die Opiatrezeptoren im Nervensystem.

Endplattenpotential: An neuromotorischen Synapsen. Es zeigte sich, daß der an der Endplatte nach innen gerichtete synaptische Strom von einströmenden Na+-Ionen verursacht wird; dieser wird aber seinerseits durch einen gleichzeitigen, aber schwächeren K+-Ausstrom abgeschwächt. Dabei durchwandern die Na+- und K+-Ionen dieselben ACh-aktivierten postsynaptischen Kanäle. Dieses Verhalten steht in krassem Gegensatz zu der hohen Selektivität der getrennten Na+- und K+-Kanäle, die durch eine Membrandepolarisation aktiviert werden.

Das exzitatorische postsynaptische Potential von Muskelzellen, das durch Transmitterausschüttung eines Motoneurons hervorgerufen wird und aus dem gleichzeitigen Fluß von Na+ und K+ durch den ACh-Rezeptor der Muskelzelle resultiert. Die Amplitude des Endplattenpotentials ist ungewöhnlich groß; ein einzelnes Motoneuron erzeugt ein synaptisches Potential von rund +70 mV.

Miniaturendplattenpotential: Das präsynaptische motorische Axon kann spontan (in Abwesenheit eines Aktionspotentials) den Inhalt eines einzelnen synaptischen Vesikels freisetzen. Solche gequantelten Freisetzungsenergiestufen rufen spontane synaptische Miniaturpotentiale hervor. Miniaturpotentiale weisen alle Eigenschaften normaler synaptischer (Endplatten-)Potentiale auf, sind aber viel kleiner. Das synaptische Potential, das von einem Aktionspotential hervorgerufen wird, resultiert aus dem synchronen Auftreten vieler Miniaturendplattenpotentiale.

Umkehrpotential: Das Membranpotential, bei dem kein Nettostrom fließt. Bei diesem Potential fließt die gleiche Ladungsmenge durch die Kanäle in die Zelle hinein wie aus der Zelle heraus. Für Kanäle, die nur für eine Ionenart selektiv permeabel sind, entspricht das Umkehrpotential dem Gleichgewichtspotential (Nernst-Potential) für diese Ionenart.

Postsynaptische Hemmung: Ein synaptisches Ereignis, das die Wahrscheinlichkeit für die Auslösung eines AP´s in der postsynaptischen Zelle erhöht, bezeichnet man als erregend. Im Gegensatz dazu nennt man ein Ereignis, das diese Wahrscheinlichkeit herabsetzt, hemmend. Somit hat jeder postsynaptische Strom, dessen Umkehrpotential positiver ist als die Feuerschwelle, einen erregenden Effekt (exzitatorisches postsynaptisches Potential, EPSP) und jeder postsynaptische Strom, dessen Umkehrpotential auf der negativen Seite der Feuerschwelle liegt, einen hemmenden Effekt (inhibitorisches postsynaptisches Potential, IPSP). Der exzitatorische Strom ist demnach dadurch charakterisiert, daß die Kanäle für Na+ oder Ca2+ und oft auch für K+ permeabel sind. Der inhibitorische synaptische Strom erfolgt durch Kanäle, die für K+ und Cl- permeabel sind, da die Gleichgewichtspotentiale beider Ionenarten typischerweise in der Nähe des Ruhepotentials deutlich unter der Feuerschwelle liegen. Entspricht das Umkehrpotential einer Transmitterwirkung zufällig dem Ruhepotential, so wird dennoch kein synaptischer Strom und keine Potentialänderung als Folge der angestiegenen subsynaptischen Leitfähigkeit auftreten, die durch die Wirkung des hemmenden Transmitters hervorgerufen wurde. Wenn auch die Leitfähigkeit für Cl+- oder K+ ansteigt, wird das Membranpotential unverändert auf dem Niveau des Ruhepotentials bleiben. Der Transmitter hat eine hemmende Wirkung, da er bestrebt ist, Vm unter der Feuerschwelle zu halten, wenn gleichzeitig die Aktivität eines erregenden Stromes vorhanden ist. Ist das Unkehrpotential negativer als das Ruhepotential, wird der Transmitter die Zelle auf dieses Niveau hyperpolarisieren. Ist das Umkehrpotential der Transmitterwirkung positiver als das Ruhepotential, aber negativer als der Schwellenwert, wird der Transmitter eine Depolarisation bewirken. Wirkt dieser Transmitter gleichzeitig mit einem erregenden Transmitter, der, wenn alleine vorhanden, eine Depolarisation bis zum Schwellenwert verursachen würde, erfolgt eine schwächere Depolarisation.

Präsynaptische Hemmung: Eine neurale Hemmung kann auch durch die Tätigkeit einer hemmenden Terminalendigung am präsynaptischen Endknöpfchen eines erregenden Axons entstehen; dadurch wird die Transmitterausschüttung aus dem erregenden Endknöpfchen vermindert. Der hemmende Transmitter steigert am erregenden Axon offensichtlich die Membranpermeabilität des synaptischen Endknöpfchens für K+ und Cl-. Dieser Anstieg in den Leitfähigkeiten vermindert die Höhe des Aktionspotentials, das in die erregende Endigung eintritt, und reduziert dadurch die die Menge des ausgeschütteten erregenden Transmitters.

 

Substanz:

Wirkort:

Wirkungstyp:

Acetylcholin:

Skelettmuskel; neuromuskuläre Ver-

bindungen

Vegetatives Nervensystem;

Präganglionär sympathisch

prä- und postganglionär para-

sympathisch

Renshaw-Zellen im ZNS

Andere Zellen im ZNS

exzitatorisch

 

exzitatorisch

exzitatorisch oder inhibitorisch

exzitatorisch

-

Noradrenalin:

meist postganglionär sympathisch

ZNS

Exzitatorisch oder inhibitorisch

-

Glutaminsäure:

ZNS

Crustaceen, ZNS und PNS

exzitatorisch

exzitatorisch

Asparaginsäure:

Vertebratenretina

-

GABA:

ZNS

Crustaceen, ZNS und PNS

inhibitorisch

inhibitorisch

Serotonin (5-Hydroxytryptamin):

Vertebraten- und Evertebraten-ZNS

-

Dopamin (3,4-Dihydroxy-Phenylethylamin):

ZNS

-

Octopamin:

Insekten-ZNS

-

Substanz P:

ZNS

Inhibitorische Modulation

verschiedene Peptide:

Vertebraten- und Evertebraten-ZNS;

Eingeweide

unterschiedlich

Integration: Verarbeitung neuraler Signale. Auf dem Niveau eines einzelnen Neurons bedeutet dies, auf die aus verschiedenen synaptischen Inputs eintreffenden Informationen so zu reagieren, daß fortgeleitete Impulse entweder gebildet oder unterdrückt werden.

Initialzone: Die von einem Motoneuron generierten Aktionspotentiale entstehen in der Initialzone des Axons, die jenseits des Axonhügels liegt. Diese Region ist gegenüber einer Depolarisation empfindlich und hat eine niedrige Feuerschwelle. Sie stellt daher die Impulsentstehungszone dar; sie ist durch eine hohe Dichte an Na+-Kanälen charakterisiert.

*Synaptische Potentiale, die an Dendriten z.B. eintreffen und zum Soma wandern, werden mit zunehmender Entfernung von ihrem Entstehungsort in Richtung auf die Impulsentstehungszone kleiner. Aufgrund des Kabelverlustes, der eintritt, wenn sich ein nichtgeneratives elektrisches Signal entlang der Zellfortsätze ausbreitet, wird ein am Ende eines langen dünnen Dendriten aufgebauter synaptischer Strom eine besonders starke Abschwächung erfahren. Ein solcher Strom wird eine geringere Wirkung auf die Impulsentstehungszone haben als ein Strom, der am Soma in der Nähe des Axonhügels aufgebaut wird. Die größte Dichte an hemmenden Synapsen findet sich in der Nähe des Axonhügels. Dort hemmen sie am erfolgreichsten einen erregenden synaptischen Strom daran, die Impulsentstehungszone bis zur Feuerschwelle zu depolarisieren.

Zeitliche Summation: Wird ein zweites postsynaptisches Potential kurze Zeit nach dem ersten ausgelöst, "reitet" es auf das erste auf. Dieser Effekt wird als zeitliche Summation bezeichnet. Je kürzer das Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden synaptischen Potentialen ist, desto mehr wird das zweite auf das erste aufreiten. Räumliche und zeitliche Summation hängen von den passiven elektrischen Eigenschaften des Neurons ab. Eine räumliche Summation ergibt sich, wenn gleichzeitig an verschiedenen Synapsen entstehende synaptische Ströme sich elektrotonisch additiv bis zur Impulsentstehungszone ausbreiten. Die zeitliche Summation benötigt dagegen keine Summation synaptischer Ströme. Der erste synaptische Strom entlädt teilweise das Membranruhepotential. Aufgrund der Zeitkonstante der Membran wird die durch den synaptischen Strom nach innen transportierte positive Ladung langsam entfernt; nach Beendigung des synaptischen Stroms kehrt das Potential allmählich zum Ruhewert zurück. Das synaptische Potential dauert daher viel länger als der synaptische Strom; fließt ein zweiter synaptischer Strom, bevor das Ruhepotential wieder erreicht wird, erfolgt eine zweite Depolarisation, die der abfallenden Phase des ersten hinzugefügt wird. Dennoch überlappen sich die zwei synaptischen Ströme nicht. Aufgrund des Membranwiderstandes und der Ladungsspeicherungskapazität ermöglicht die Zeitkonstante die Interaktion kurzer, zeitlich getrennter synaptischer Ströme. Je länger die Zeitkonstante der Membran ist, desto länger dauert der Abbau des synaptischen Potentials und desto effektiver ist die Summation asynchroner synaptischer Inputs. Bei den spinalen Motoneuronen beträgt die Zeitkonstante etwa 10 ms, bei anderen Neuronen kann sie zwischen 1 ms und 100 ms betragen. Unter normalen Bedingungen ist das Motoneuron praktisch niemals elektrisch ruhig, sondern äußert ein synaptisches Grundrauschen, das auf einem "Hintergrund"-Aktivitätsniveau der präsynaptischen Neurone beruht. Die Folge ist ein sich kontinuierlich änderndes, unregelmäßiges Membranpotential. Sind genügend erregende Impulse vorhanden, summieren sie sich und lösen im Motoneuron ein Aktionspotential aus; dieses führt seinerseits zu einem Aktionspotential und zu einer Zuckung der Muskelfaser in der vom Motoneuron innervierten motorischen Einheit. Das Ergebnis ist ein konstanter, niedriger Grundtonus des Muskels, da zuerst ein Motoneuron feuert, dann ein anderes usw., was zur Kontraktion der von ihnen innervierten Muskelfasern führt. Die Membran der Impulsentstehungszone kann nicht vollständig auf einer aufrechterhaltenen Depolarisation akkomodieren. Daher löst ein kontinuierlicher, intensiver synaptischer Input in das Motoneuron eine Folge kontinuierlicher Aktionspotentiale aus.

Zentralen Nervensystem: Gehirn und Rückenmark

Peripheres Nervensystem: Somatische und autonome Nerven Bestandteile des autonomen NS sind Sympathicus und Parasympathicus

Somatische Nerven: Bilden Kontakt zum Skelett- und Sinnesnervensystem und sind zum Teil kontrollierbar

Autonome Nerven: Bilden Kontakt zu Drüsen, Organen... Sind nicht kontrollierbar

Sympathicus: Streß (Noradrenalin) Notfallsystem Zieht Blut aus dem peripheren System

Parasympathicus: Ruhe (Acethylcholin) Erhaltungssystem Verdauung

Spinalganglion: enthält alle Zellkörper der sensorischen Neuronen (liegt außerhalb des Rückenmarks)

Gliazellen: entwickeln sich aus Monozyten, welche ins Gehirn eintreten und sich dort zu Mikrogliazellen entwickeln, bewirken die Blut-Hirnschranke

Schwannsche Zellen Oligodendrozyten Astrocyten (Stützfunktion) Mikroglia (Immunabwehr)

Anterograder Transport: Transport vom Soma weg ; von der ATP-Produktion abhängig; nicht durch Hemmstoffe der Proteinsynthese beeinflußt; unabhängig vom Perikaryon. Der schnelle anterograde Transport ist auf eines oder mehrere der Filamentsysteme angewiesen, aus denen das Cytoskelett des Neurons besteht. Mikrotubuli bilden eine wichtige stationäre Schiene, auf der sich bestimmte Organellen ruckartig bewegen. Außerdem sind noch eine oder mehrere mikrotubuliassoziierte ATPasen (Enzyme, welche die ATP-Spaltung katalysieren) daran beteiligt. Das Antriebsmolekül des anterograden Transports ist Kinesin, eine ATPase. Die Kinesine bilden die Verbindung zwischen Mikrotubuli und den sich bewegenden Membranorganellen. (z.B. Vesikel) Die Geschwindigkeit beträgt mehr als 400 mm pro Tag.

Retrograder Transport: Transport zum Soma. Es kommt zum Beispiel zu einem Rücktransport von Membranbestandteilen um zu verhindern, daß es durch die Verschmelzung der Vesikel mit der Membran, welche bei der Ausschüttung von Transmittern geschieht, zu einer ständigen Volumenzunahme des Endknopfes kommt. Die Geschwindigkeit des schnellen retrograden Transports ist nur ungefähr halb bis zwei Drittel so groß wie die des schnellen anterograden Transports. Das Antriebsmolekül des schnellen retrograden Transports ist eine Form des Dyneins, bei der es sich, vergleichbar etwa dem Kinesin beim schnellen anterograden System, um eine mikrotubuliassoziierte ATPase (MAP-1C) handelt. Für die Wirkung von Toxinen und Viren (Herpes, Polioviren...) wichtig.

Langsame axoplasmatische Strömung: Während die subzellulären Organellen durch schnellen Transport das Axon entlangbefördert werden, wird das Cytosol (Cytoskelettelemente und lösliche Proteine) durch eine langsame axoplasmatische Strömung transportiert. Ihr liegen mindestens zwei kinetische Komponenten zugrunde, die durch ihre relative Geschwindigkeit und anhand der von ihnen transportierten Proteine unterschieden werden können. Die langsamere der beiden Komponenten bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 0,2 bis 2,5 mm pro Tag und Transportiert die Untereinheiten, aus denen Neurofilamente aufgebaut sind, und zwei der Untereinheiten, aus denen sich Mikrotubuli zusammensetzen. Diese fibrösen Proteine machen ungefähr 75% der gesamten, von der langsameren Komponente bewegten Proteinmenge aus. Die schnellere Komponente ist etwa doppelt so schnell wie die andere. Ihre Proteinzusammensetzung ist komplexer, abgesehen von Aktin, das 2 bis 4 % des von dieser Komponente transportierten Proteins ausmacht. Alle anderen Proteine sind in weit geringeren Mengen vertreten.

Die fibrillären Proteine des Cytoskeletts sind für die Gestalt der Neurone verantwortlich. Das Cytoskelett besteht aus drei Arten von fibrillären Elementen unterschiedlicher Dicke: Mikrotubuli, Neurofilamente und Mikrofilamente mit ihren assoziierten Proteinen.

Mikrotubuli, die dicksten Cytoskelettelemente des Neurons, sind lange Makromoleküle, die gewöhnlich aus 13 Protofilamenten bestehen. Diese sind zu einer tubulären Struktur angeordnet, mit einem äußeren Durchmesser von 25 bis 28 nm. Jedes Monomer bindet zwei Moleküle Guanosintriphosphat (GTP) oder ein GTP- und ein GDP-Molekül. Im Axon sind die Monomere, die das Polymer bilden, in Längsrichtung orientiert, immer unter Berücksichtigung ihrer Polarität. Diese Anordnung ist vermutlich für die Richtungsgebung bei den beiden Formen des schnellen axonalen Transports - des anterograden und des retrograden - wichtig. Obwohl axonale oder dendritische Mikrotubuli bis zu 0,1 mm lang werden können, nehmen sie doch im allgemeinen nicht die gesamte Länge des Axons oder Dendriten ein und stehen auch nicht mit den Mikrotubuli des Perikaryon in Verbindung.

Neurofilamente haben einen Durchmesser von 10 µm. Sie sind die am häufigsten vorhandenen fibrillären Komponenten des Axons und bilden das Gerüst des Cytoskeletts. Die Entdeckung der Neurofilamente, die man auch als Neurofibrillen bezeichnet, war für die Überprüfung der Neuronentheorie von Bedeutung, da dies die Elemente sind, welche Silbernitrat einlagern. Neurofilamente sind mit den intermediären Filamenten anderer Zelltypen verwandt, die alle zur Proteinfamilie der Cytokeratine gehören. Neurofilamente liegen in der Zelle meist vollständig polymerisiert vor: Ähnlich wie bei Haaren, mit denen sie verwandt sind, gibt es kaum einen physiologischen Zustand, in dem diese Proteine in gelöstem Zustand existieren können. Sie sind ebenfalls in axonaler Längsrichtung orientiert. Durchschnittlich gibt es in einem Axon drei- bis zehnmal so viele Neurofilamente wie Mikrotubuli; kleine Axone haben nur wenige oder überhaupt keine Mikrotubuli. Bei der Alzheimer-Krankheit und einigen anderen degenerativen Störungen scheinen diese Proteine modifiziert zu sein. Sie bilden charakteristische Ablagerungen, die als Alzheimer-Fibrillen bezeichnet werden.

Mikrofilamente sind mit einem Durchmesser von 3 bis 5 µm die dünnsten der drei Filamenttypen, aus denen das Cytoskelett aufgebaut ist. Wie die dünnen Muskelfilamente sind die Mikrofilamente polare Polymere aus globulären Aktinmonomeren (von denen jedes ein Molekül ATP oder ADP trägt), die zu einer zweisträngigen Helix gewunden sind. Die Aktine sind ein wichtiger Bestandteil aller Zellen. Ein großer Teil des in den Neuronen befindlichen Aktins ist mit der Plasmamembran assoziiert: in den Dendriten der corticalen Neuronen ist es an den dendritischen Neuronen konzentriert, spezialisierten Stellen, an denen die meisten Synapsen auftreten. Einige axonale Mikrofilamente sind in Längsrichtung orientiert. Wie in anderen Zellen sind diese Filamente durch mehrere assoziierte, mit Aktin verbundene Proteine an der Plasmamembran befestigt. Mikrofilamente können auch durch Assoziation mit einer Familie von Transmembranproteinen, den Integrinen, mit in der extrazellulären Matrix gelegenen Proteinen interagieren.

Binokulares Sehen: Beim binokularen Sehen wird ein und derselbe Raumpunkt von beiden Augen gleichzeitig gesehen. Dabei drehen sich die beiden Augen so, daß der betrachtete Punkt in den Bereichen des schärfsten Sehens der beiden Netzhäute (Fovea centralis) abgebildet wird. Der von beide Blickachsen eingeschlossene Punkt (Konvergenzwinkel) liefert ein Maß für die Entfernung des betrachteten Punktes. Eine weitere, gleich wichtige Größe zur Entfernungswahrnehmung ist die Akkomodation, d.h. die Scharfeinstellung der Linse. Eine Verzögerung der Erregung in einem Auge läßt sich durch optische Filter erreichen, die den Lichtfluß auf das Auge vermindern. Eine Verminderung des Lichtflusses führt nicht nur zur Verringerung der Amplitude, sondern auch zur Verlangsamung der Photorezeptorantwort.. Dadurch kreuzen sich die Blickachsen der Augen in einem Punkt, der vor der Schwingungsebene liegt, und entsprechend wird das Pendel als "nah" empfunden. Bewegt sich das Pendel dagegen von rechts nach links, dann kreuzen sich die Blickachsen hinter der Schwingungsebene; das Pendel wird als "weit" empfunden. Es ist anzumerken, daß Augenstellung und Linsenkrümmung nicht durch Sensoren, beispielsweise in der Augenmuskulatur oder im Akkomodationsapparat bestimmt werden. Vielmehr werden die Efferenzen, die Konvergenz und Akkomodation steuern, zur Entfernungswahrnehmung genutzt (Efferenzkopie; Reafferenzprinzip).

Somatoviszerale Sensibilität: Die Sinnessysteme, die nicht einem bestimmten Sinnesorgan zugeordnet werden können, werden als Somatoviszerale Sensibilität zusammengefaßt.

Indifferenzzone: Zum Beispiel bei Thermorezeptoren: Der Bereich der vollständigen Adaptation wird als Indifferenzzone bezeichnet.

Geschmackssinn: Die Papillen sind nicht regelmäßig über die Oberfläche der Zunge verteilt. Die Pilzpapillen sind über die ganze Oberfläche verstreut. Die Wallpapillen befinden sich beim Menschen an der Grenze zum Zungengrund und die Blätterpapillen liegen als dicht hintereinanderliegende Falten am hinteren Ende der Zunge. Im Gegensatz zu den Papillen lassen sich die Geschmacksknospen morphologisch nicht unterscheiden. Geschmacksrezeptoren sind

Geruchssinn: Es handelt sich hierbei um primäre Sinneszellen.

*Graue Substanz: enthält die Nervenkörper

*Weiße Substanz: enthält die Nervenfasern, Farbe entsteht durch Myelinisierung

*afferente Nervenfasern: zuleitende, sensorischen NF

*efferente Nervenfasern: ableitende. motorische NF

EMK: Em - E K+

Nernst-Gleichung: EK = RT/zF ln [K+] a/[K+] i 58 mV oder 0,058V bei einem zweiwertigen Ion 59/2 = 29

Goldman-Gleichung: Em = R*T/F ln PK [K+] a + PNa [Na+] a + PCl [Cl-] i / PK[K+] i + PNa[Na+] i + PCl[Cl-] a

Einheiten:

Spezifischer Membranwiderstand: Rm = R * A A = Fläche [ W cm2] R = Gesamtwiderstand zw. Innerem und Äußerem der Zelle

Membrankapazität: Cm = C/A [ m F * cm-2] spez. Membrankapazität pro 1 cm2 Cm = C/A [ m F * cm-1] = Membrankapazität pro 1 cm

Membranleitfähigkeit Gm = Siemens/cm2

Innenlängswiderstand: ri [ W cm -1] Innenlängswiderstand pro 1 cm

Außenlängswiderstand: ra [ W cm -1] Außenlängswiderstand pro 1 cm

Ig = IC + II Gesamt Membranstrom = Kapazitiver Strom + Ionenstrom

Ramon y Cajal: beschrieb als Erster die Struktur der Nervenzelle im Detail

Soma: Zellkörper; wird auch Perikaryon genannt

Phrenologie: bestimmte Bereiche des Cortex kontrollieren bestimmte Funktionen. Das Gehirn ist in mehrere "Organe" zu unterteilen (z.B. Sprache, Zeitgefühl, sogar Großzügigkeit). Bei häufigem Gebrauch nehme der entsprechende Bereich wie ein Muskel an Größe zu. Entsprechend wölbe sich auch an gleicher Stelle der Schädel, so daß sich diese Merkmale von außen erkennen ließen.

Cortex: Großhirnrinde

Zentralnervensystem: besteht aus 7 Hauptteilen: Rückenmark, Medulla oblongata (verlängertes Mark), Pons (Brücke), Cerebellum (Kleinhirn), Mesencephalon (Mittelhirn), Diencephalon (Zwischenhirn) und dem Großhirn (Telencephalon).

Parallelverarbeitung: Jede wichtige sensorische, motorische oder andere integrative Funktion wird durch mehr als eine neuronale Bahn vermittelt. Wird eine Gehirnregion oder eine Bahn zerstört, können andere den Verlust oft teilweise kompensieren.

  1. Das Rückenmark (Medulla spinalis), der am weitesten caudal gelegene Teil des Zentralnervensystems, empfängt und verarbeitet sensorische Informationen von der Haut sowie von den Gelenken und Muskeln der Extremitäten und des Rumpfes. Außerdem kontrolliert es die Bewegungen von Extremitäten und Rumpf. Das Rückenmark läßt sich in Cervical -, Thoracal -, Lumbal - und Sacralregion unterteilen. Es geht rostral in den Hirnstamm über, der Informationen vom Rückenmark zum Gehirn und vice versa übermittelt. Das Rückenmark ist auf typische Weise segmentiert, was beim Menschen gut an den 31 Spinalnerven zu erkennen ist. Die Spinalnerven sind periphere Nerven, die durch die Verbindung der dorsalen und ventralen Wurzeln gebildet werden. Die dorsalen Wurzeln führen dem Rückenmark sensorische Informationen zu, in den ventralen Wurzeln verlaufen efferente motorische Axone, die Muskeln innervieren, sowie Axone des sympathischen und parasympathischen Nervensystems. Der Hirnstamm enthält verschiedene, gut abgrenzbare Ansammlungen neuronaler Zellkörper, die Kerne der Hirnnerven (Es sind 12 Paar Hirnnerven vorhanden). Einige dieser Kerne erhalten Informationen aus der Haut und der Muskulatur des Kopfes, andere kontrollieren den motorischen Output zur Muskulatur von Gesicht, Hals und Augen. Wieder andere sind auf Informationen bestimmter Sinnesorgane wie Gehör, Gleichgewichtssinn und Geschmack spezialisiert. Der Hirnstamm reguliert über die diffus organisierte Formatio reticularis oder Retikulärformation auch den Wachheits - und Aufmerksamkeitszustand. Er besteht aus drei Teilen: Medulla oblongata, Pons und Mesencephalon.
  2. Die Medulla oblongata (verlängertes Mark oder Nachhirn) liegt direkt über dem Rückenmark und umfaßt verschiedene Zentren, die für so lebenswichtige Funktionen wie Verdauung, Atmung und Kontrolle des Herzschlages verantwortlich sind.
  3. Die Pons (Brücke), über der Medulla gelegen, übermittelt Informationen über Bewegungen von der Großhirnrinde zum Cerebellum.
  4. Das Cerebellum (Kleinhirn) dorsal zu Pons und Medulla oblongata und ist durch mehrere starke Faserstränge (Pedunculi) mit dem Hirnstamm verbunden. Es wölbt sich an der Hinterseite des Kopfes hervor und hüllt den Hirnstamm ein. Es besitzt eine stark gefurchte Oberfläche und gliedert sich in verschiedene Lappen, von denen jeder seine eigene Funktion hat. Das Kleinhirn empfängt sensorische Informationen aus dem Rückenmark, motorische Informationen aus der Großhirnrinde und Informationen über das Gleichgewicht aus den Vestibularorganen des Innenohrs. Die Konvergenz all dieser Inputs versetzt das Cerebellum in die Lage, die Planung und den zeitlichen Ablauf einer Bewegung sowie das Aktivitätsmuster der Skelettmuskeln zu koordinieren. Es spielt ferner eine Rolle bei der Kontrolle der Körperhaltung sowie bei der Koordinierung von Kopf- und Augenbewegungen. Es reguliert Kraft und Ausmaß von Bewegungen und spielt beim Erlernen motorischer Fähigkeiten eine Rolle.
  5. Das Mesencephalon (Mittelhirn), das rostral der Brücke liegt, kontrolliert viele sensorische und motorische Funktionen, darunter die Augenbewegung und die Koordination visueller und auditorischer Reflexe.
  6. Das Diencephalon (Zwischenhirn) liegt rostral vom Mittelhirn und umfaßt zwei Strukturen: der Thalamus verarbeitet einen Großteil der Informationen, die vom übrigen Zentralnervensystem zur Großhirnrinde gelangt. Außerdem ist er wahrscheinlich für die Regulation des Wachheitsgrades und emotionaler Aspekte von Empfindungen zuständig. ; der Hypothalamus reguliert das autonome Nervensystem sowie über die Hypophyse die Abgabe von Hormonen. Der Hypothalamus besitzt extensive afferente und efferente Verbindungen mit dem Thalamus, dem Mittelhirn und einigen Gebieten der Großhirnrinde, die Informationen aus dem autonomen Nervensystem empfangen. Auch autonome, endokrine und viszerale Funktionen werden durch das Diencephalon kontrolliert.
  7. Die Großhirnhemisphären bestehen aus der Großhirnrinde (Cortex cerebri oder häufig einfach Cortex genannt) und drei tieferliegenden Strukturen: den Basalganglien, dem Hippocampus und dem Corpus amygdaloideum (Amygdala oder Mandelkern). Die Basalganglien sind an der Steuerung motorischer Aktivitäten beteiligt, der Hippocampus spielt bei der Speicherung von Informationen (Gedächtnis) eine Rolle, und das Corpus amygdaloideum koordiniert autonome und endokrine Reaktionen in Verbindung mit emotionalen Zuständen. Beide Hemisphären sind von der stark gefurchten Großhirnrinde überlagert, die in vier Lappen oder Loben unterteilt ist: Stirnlappen (Lobus frontalis), Scheitellappen (Lobus parietalis), Hinterhauptslappen (Lobus occipitalis) und Schläfenlappen (Lobus temporalis). Das Gehirn wird allgemein in drei Hauptregionen eingeteilt: Rhombencephalon (Medulla oblongata, Pons und Cerebellum), Mesencephalon und Telencephalon (Diencephalon und Großhirnhemisphären). Das Rhombencephalon und das Mesencephalon (mit Ausnahme des Cerebellums) bilden den Hirnstamm. Die Basalganglien sind große Gruppen von Nervenzellen, die eine wichtige Rolle bei der Regulation von Bewegungen spielen und überdies einen Beitrag zur Kognition liefern. Sie erhalten Informationen aus allen vier Lappen der Großhirnrinde, doch senden selbst nur Signale über den Thalamus an den frontalen Cortex.

Der Hippocampus und die Amygdala sind Teil des lymbischen Systems. Der Hippocampus spielt eine wichtige Rolle für das Gedächtnis; die Amygdala koordiniert die Aktionen des autonomen und des endokrinen Systems und beeinflußt Emotionen.

Nervenzellen:

Das Neuron besteht meist aus 4 morphologische definierten Bereichen: Zellkörper (Soma, Perikaryon), Dendriten, Axon und präsynaptische Endigungen.

Das Soma weist meist nur ein einziges Axon auf, das dem Axonhügel, einer spezialisierten Region, entspringt. Der Axondurchmesser beträgt zwischen 0,2 und 20 µm. Es kann elektrische Signale über Entfernungen von 0,1 Millimeter bis 2 Meter leiten. Aktionspotentiale entstehen am Axonhügel und werden unverzerrt mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 100 Meter pro Sekunde längs des Axons weitergeleitet. Die Amplitude des AP´s bleibt über die gesamte Länge des Axons konstant, da der Alles-oder-Nichts-Impuls sich während seiner Wanderung entlang des Axons ständig regeneriert. Die Signale, die visuelle Informationen tragen, unterscheiden sich nicht von denjenigen, die beispielsweise Geruchsinformationen übermitteln. Die Information, die ein AP beinhaltet, wird nicht von der Form des Signals, sondern von der neuronalen Bahn bestimmt, über die das Signal im Gehirn fortgeleitet wird.

Nervenzellen lassen sich anhand der Anzahl ihrer Fortsätze in drei Klassen unterteilen:

  1. Unipolare Zellen: Sie tragen einen einzigen, gewöhnlich stark verästelten primären Fortsatz. Ein Ast dient als Axon; die anderen Äste fungieren als rezeptive dendritische Strukturen. Unipolare Zellen besitzen keine vom Zellkörper ausgehenden dendritischen Fortsätze. Im Nervensystem von Wirbellosen herrschen unipolare Zellen vor; sie treten auch bei Wirbeltieren in bestimmten Ganglien des autonomen Nervensystems auf.
  2. Bipolare Neuronen: Sie haben ein ovales Soma, aus dem zwei Fortsätze entspringen; ein Dendrit und ein Axon. Viele bipolare Neuronen sind sensorisch, wie die bipolaren Zellen der Retina und des olfaktorischen Epithels (Riechschleimhaut). Die sensorischen Zellen, die Informationen über Berührung, Druck oder Schmerz zum Rückenmark übermitteln, sind bipolare Zellen besonderer Art. Sie entwickeln sich zunächst wie gewöhnliche bipolare Zellen, doch dann verschmelzen die beiden Fortsätze und bilden ein einziges Axon, das aus dem Zellkörper austritt und sich anschließend in zwei Äste teilt. Ein Ast zieht zur Peripherie (zu den Sinnesorganen in Haut, Gelenken und Muskulatur), der andere zum Rückenmark. Diese sensorischen Zellen nennt man pseudo-unipolare Zellen.
  3. Multipolare Zellen: Herrschen im Nervensystem der Vertebraten vor. Diese Zellen haben ein einziges Axon und einen oder mehrere Dendriten, die gewöhnlich überall am Zellkörper entspringen. Die Größe und die Form multipolarer Zellen ist sehr variabel. Besonders stark unterscheiden sich multipolare Zellen bezüglich der Zahl und Länge der Dendriten sowie der Länge der Axone. In den meisten dieser Zellen besteht ein Zusammenhang zwischen Anzahl und Ausdehnung der Dendriten einerseits und der Anzahl der synaptischen Kontakte, die die Zelle von anderen Neuronen aufnimmt, andererseits. Auf einer motorischen Zelle im Rückenmark mit einer durchschnittlichen Anzahl mittelmäßig ausgedehnter Dendriten liegen rund 10000 Synapsen. Der Dendritenbaum einer Purkinje-Zelle im Cerebellum ist viel größer – dort findet man etwa 150000 Synapsen.

 

Neuronen lassen sich anhand ihrer Funktion in drei Hauptgruppen unterteilen: sensorische Neuronen, motorische Neuronen und Interneuronen

  1. Sensorische oder afferente Neuronen übermitteln dem Nervensystem Informationen, die der Wahrnehmung wie auch der motorischen Koordination dienen.
  2. Motorische oder efferente Neuronen Übermitteln Befehle an Muskeln und Drüsen.
  3. Interneuronen bilden bei weitem die größte Neuronenklasse; dazu gehören alle Zellen im Nervensystem, die nicht spezifisch sensorisch oder motorisch sind. Relais- oder Projektionsinterneurone haben lange Axone und vermitteln Informationen über große Entfernungen, von einer Gehirnregion in eine andere. Lokale Interneurone haben kurze Axone und verarbeiten Informationen in lokalen Schaltkreisen.

Gliazellen:

Die Somata und Axone der Nervenzellen sind von Gliazellen umgeben. Es gibt 10-50mal mehr Gliazellen als Neuronen im Zentralnervensystem der Vertebraten. Ihr Name leitet sich von den griechischen Wort für Leim ab, doch Gliazellen halten andere Zellen nicht wirklich zusammen, und sie sind auch nicht unmittelbar an der Informationsübertragung beteiligt. Dennoch erfüllen Gliazellen verschiedene wichtige Funktionen:

  1. Sie dienen als Stützelemente und geben dem Gehirn Halt und Struktur. Sie trennen Neuronengruppen und isolieren sie auch gelegentlich voneinander
  2. Zwei Typen von Gliazellen (Oligodendrocyten und Schwann-Zellen bilden Myelin, die elektrisch isolierende Hülle, welche die meisten Axone umgibt.
  3. Einige Gliazellen (Mikroglia) wirken als ,,Müllabfuhr"; sie beseitigen Zelltrümmer nach Verletzung oder Tod von Nervenzellen.
  4. Gliazellen puffern und halten die Konzentration von Kaliumionen im Zellzwischenraum (Extrazellulärraum) konstant. Einige Gliazellen nehmen auch chemische Transmitter auf, die von den Nervenzellen bei der synaptischen Übertragung freigesetzt werden, und entfernen sie dadurch aus dem Extrazellulärraum.
  5. Während der Entwicklung des Gehirns lenken einige Klassen von Gliazellen die Wanderung von Neuronen und dirigieren das Auswachsen der Axone.
  6. Bestimmte Gliazellen sind an der Bildung einer speziellen, undurchlässigen Auskleidung von Kapillaren und Venolen im Gehirn, der sogenannten Blut-Hirn-Schranke, beteiligt, die zum Beispiel das Eindringen giftiger Substanzen aus dem Blut ins Gehirn verhindert.
  7. Wahrscheinlich spielen einige Gliazellen bei der Ernährung von Nervenzellen eine Rolle, obwohl dies bisher noch nicht eindeutig bewiesen werden konnte.

Im Nervensystem der Wirbeltiere dominieren drei Typen von Gliazellen: Oligodendrocyten, Schwann-Zellen und Astrocyten. Oligodendrocyten und Schwannsche-Ze1len sind kleine Zellen mit relativ wenigen Fortsätzen. Diese Zellen haben die wichtige Aufgabe, die Axone zu isolieren, indem sie ihre membranösen Fortsätze in einer engen Spirale konzentrisch rund um das Axon wickeln und so eine Myelinhülle bilden. Oligodendrocyten bilden die Myelinscheide im Zentralnervensystem. Jeder Oligodendrocyt kann mehrere Axone einhüllen - durchschnittlich sind es 15. Schwann-Zellen bilden die Myelinscheide im peripheren Nervensystem; jede Schwann-Zelle hüllt nur ein einziges Axon ein. Oligodendrocyten und Schwann-Zellen unterscheiden sich in gewissem Umfang auch in ihrer chemischen Ausstattung. Astrocyten, die dritte Hauptklasse der Gliazellen, sind am häufigsten. Sie haben einen unregelmäßigen, mehr oder minder sternförmigen Zellkörper und oft relativ lange Fortsätze, Einige dieser Fortsätze bilden auf der Oberflächen von Nerven, Gehirn und Rückenmark Endfüßchen. Andere Astrocyten nehmen Kontakt zu Blutgefäßen auf und veranlassen das auskleidende Endothel, sogenannte Tight Junctions zu bilden wie im Falle der Blut-Hirn-Schranke. Wenn Neuronen wiederholt Nervenimpulse ,,feuern", sammeln sich Kaliumionen im Extrazellulärraum an. Dieses überschüssige extrazelluläre Kalium könnte Nervenzellen in der Nachbarschaft depolarisieren. Wegen ihrer hohen Kaliumpermeabilität können Astrocyten das überschüssige Kalium aufnehmen und so eine Depolarisation der Nachbarneuronen verhindern. Obwohl sich die elektrischen Eigenschaften der Gliazellen durch Veränderung der extrazellulären Kaliumionenkonzentration beeinflussen lassen und Gliazellen eine Reihe von lonenkanälen in ihrer Plasmamembran aufweisen, gibt es keinen Beweis dafür, daß Gliazellen an der elektrischen Signalübertragung direkt beteiligt sind. Die Signalübertragung ist alleinige Aufgabe der Nervenzellen.

Monosynaptischer Schaltkreis: Sensorisches und motorisches Neuron sind direkt, ohne Umweg durch ein oder mehrere Interneurone, verschaltet. Siehe spinalen Patellarsehnenreflex. Solche spinalen Schaltkreise nehmen dem Gehirn die Aufgabe ab. Die meisten spinalen Reflexe sind jedoch polysynaptisch; ihre Schaltkreise enthalten ein oder mehrere Interneurone und können daher von übergeordneten Gehirnzentren modifiziert werden.

Konvergenz: Eine Zielzelle erhält Informationen vieler davorgeschalteter Zellen.

Divergenz: Eine Zelle gibt Informationen an mehrere Zellen weiter, die ihre Information ebenfalls an mehrere Zellen übertragen.

Bei den meisten Neuronen fließt im Ruhezustand kein Strom von einem Teil des Neurons zum anderen, daher hat das Ruhepotential in der ganzen Zelle denselben Wert. Bei sensorischen Neuronen wird der Stromfluß in der Regel an einer spezialisierten Region des Neurons, der rezeptiven Oberfläche, ausgelöst, wo bestimmte Proteinmoleküle empfindlich auf sensorische Stimuli reagieren. Beim Kniesehnenreflex bilden die spezialisierten Rezeptorproteine Ionenkanäle, hydrophile Poren in der Membran, durch die Natrium- und Kaliumionen wandern können. Diese Kanäle öffnen sich, wenn die Zelle gedehnt wird. Durch die offenen Kanäle fließt dann ein Ionenstrom, der das Potential der Zelle verändert. Diese Änderung des Membranpotentials, das sogenannte Rezeptorpotential, stellt ein Eingangssignal dar. Das Rezeptorpotential kann hinsichtlich seiner Amplitude und Dauer variieren. Je stärker oder länger anhaltend die Dehnung des Muskels ist, desto stärker und länger anhaltend sind die resultierenden Rezeptorpotentiale. Die meisten Rezeptorpotentiale wirken depolarisierend (erregend). Hyperpolarisierende (hemmende) Rezeptorpotentiale findet man im visuellen System.

Das Rezeptorpotential ist die erste Repräsentation des Dehnungsreizes, die im Nervensystem codiert wird, doch das Rezeptorpotential allein führt noch nicht zum Auftreten von Signalen im übrigen Nervensystem. Die Proteine, die sensorische Reize in Rezeptorpotentiale umwandeln, sind nämlich auf die rezeptive Oberfläche der sensorischen Neuronen beschränkt, und das Rezeptorpotential breitet sich nur passiv aus. Die Amplitude dieses Potentials nimmt daher mit zunehmender Entfernung ab, und das Rezeptorpotential kann nicht viel weiter als 1-2 mm geleitet werden. Es ist daher ein rein lokales Signal innerhalb des Neurons. Damit ein Signal erfolgreich und unabgeschwächt ins übrige Nervensystem übertragen werden kann, ist eine Verstärkung des Signals notwendig – es muß regeneriert werden.

Bei sensorischen Neuronen ist die Dichte der Natriumkanäle am ersten Ranvierschen Schnürring des myeliniserten Axons am größten. Bei Motoneuronen oder Interneuronen ist die Dichte am Axonhügel am größten. Außerdem besitzt er die niedrigste Schwelle zur Auslösung eines Aktionspotentials. Ein passiv bis zum Axonhügel geleitetes Eingangssignal löst dort also bei Überschreitung der Schwelle ein oder mehrere Aktionspotentiale aus. An dieser Stelle wird die Aktivität aller Rezeptorpotentiale (oder synaptischer Potentiale) summiert und das Neuron entscheidet je nach Größe der summierten Aktivität, ob ein Alles-oder-Nichts-Signal ausgelöst wird. Daher ist diese Region des Axons der Ort der Impulsentstehung oder die Triggerzone. Einige Neuronen haben zusätzliche Triggerzonen in den Dendriten, wo die Schwelle für die Auslösung eines Aktionspotentials ebenfalls relativ niedrig ist. Dendritische Triggerzonen erhöhen die Effektivität von Synapsen, die weiter entfernt vom Zellkörper liegen. Die Aktionspotentiale, die in diesen dendritischen Triggerzonen entstehen, depolarisieren dann die Triggerzone am Initialsegment des Axons. Viele Neuronen können auch am Zellkörper Aktionspotentiale generieren, doch die Auslöseschwelle des Somas ist gewöhnlich höher als die des axonalen Initialsegments.

Je stärker überschwellig die Amplitude des Rezeptorpotentials ist, um so stärker ist die Depolarisation und um so höher infolgedessen auch die Frequenz der AP im Axon.

Aktionspotentiale sind äußerst stereotyp. Der unterschiedliche Informationsgehalt liegt also nur in der Frequenz der Wiederholung und in der neuronalen Bahn. Je öfter sich ein AP wiederholt, um so intensiver ist die Reizwahrnehmung. Da sich die Aktionspotentiale bei der Übertragung visueller und olfaktorischer Informationen zum Beispiel nicht unterscheiden, verläuft die Erkennung der unterschiedlichen Informationsgehälter nur über unterschiedliche neuronale Bahnen.

Die funktionelle Vielfalt der Nervenzellen ist auf der molekularen Ebene am deutlichsten.

Das hier vorgestellte Modell ist, obwohl auf die überwiegende Mehrheit der Neuronen anwendbar, eine Vereinfachung und gilt im Detail nicht für alle Neuronen. Beispielsweise generieren einige Neuronen keine Aktionspotentiale. Gewöhnlich sind es lokale Interneuronen, denen eine konduktile Komponente fehlt - sie haben kein oder nur ein sehr kurzes Axon. Bei diesen Neuronen werden die Eingangssignale summiert und breiten sich passiv zur Synapse aus, wo sie direkt eine Transmitterausschüttung bewirken können. Andere Zellen haben kein konstantes Ruhepotential und sind daher spontan aktiv. Selbst ähnlich organisierte Zellen können sich auf molekularer Ebene in wichtigen Einzelheiten unterscheiden. Beispielsweise exprimieren verschiedene Neuronen unterschiedliche Kombinationen von lonenkanälen in ihrer Membran. So sorgt eine Vielfalt von Ionenkanälen für die unterschiedlichsten Schwellen, Erregungseigenschaften und Impulsmustern bei einem Neuron. Daher können Neuronen mit verschiedenen lonenkanälen dieselbe Klasse synaptischer Potentiale in verschiedenen Impulsmustern codieren und ganz verschiedene Signale übermitteln. Neuronen unterscheiden sich auch hinsichtlich ihrer Transmittersubstanzen und Rezeptoren. Pharmaka, die auf das Gehirn wirken, tun dies häufig durch Modifizierung der synaptischen Übertragung. Diese Unterschiede spielen bei ganz alltäglichen Funktionen eine physiologisch wichtige Rolle; sie erklären auch, warum manche Erkrankungen nur eine bestimmte Klasse von Neuronen befallen und andere verschonen. Einige Erkrankungen wirken sich nur auf Motoneuronen aus (zum Beispiel Amyothrophische Lateralsklerose und Poliomyelitis), während

andere, wie Tabes dorsalis (Rückenmarkschwindsucht), hauptsächlich sensorische Neuronen betreffen. Die Parkinson-Krankheit, eine motorische Störung, schädigt eine lokale Population von Interneuronen, die Dopamin als Transmitter benutzen.

Die große Mannigfaltigkeit von Neuronen läßt sich gut am Cerebellum beschreiben. Hier findet man 5 Arten von Nervenzellen, jede mit besonderen Funktionen und charakteristischer Morphologie. Die Purkinje-Zellen im Cerebellum gehören zu den größten Neuronen im Nervensystem der Vertebraten. Ihre Zellkörper haben einen Durchmesser von etwa 80 µm, und ihre Dendriten verzweigen sich extensiv über relativ große Entfernungen, um verschiedene Inputs zu empfangen. Im Gegensatz dazu beträgt der Durchmesser des Zellkörpers der Körnerzelle des Cerebellums nur 6 bis 8 µm. Die dendritischen Fortsätze dieser Zellen reichen nicht weit über den Zellkörper hinaus. Diese Verschiedenheit ist das Ergebnis einer im Verlauf der Entwicklung stattfindenden Differenzierung. Aufgrund selektiv exprimierter Gene synthetisiert jeder Zelltyp nur bestimmte Makromoleküle – Enzyme, Strukturproteine, Membranbausteine und sekretorische Produkte -, andere jedoch nicht. Im wesentlichen entspricht jede Zelle den von ihr gebildeten Makromoleküle. Dennoch sind nicht alle Komponenten eines Neurons spezifisch. Manche Moleküle kommen in allen Zellen des Körpers vor; einige sind charakteristisch für alle Neuronen, andere für einige Gruppen von Neuronen, wiederum andere sind nur auf wenige Nervenzellen beschränkt.

Das sensorische Neuron: Die Zellkörper der primären afferenten Fasern liegen in den Spinalganglien, welche unmittelbar an das Rückenmark grenzen. Die Zellkörper sind rund und haben einen Durchmesser von ungefähr 60 bis 120 µm. Diese Spinalganglionzellen werden als pseudo-unipolare Neuronen klassifiziert, da sie nur einen Fortsatz hervorbringen – ein Axon, welches sich kurz hinter dem Perikaryon in zwei Äste spaltet. Der periphere Ast zieht zum Muskel, der zentrale zum Rückenmark, wo er über Synapsen mit den Motoneuronen, welche die Reflexbewegung kontrollieren, verbunden ist. An seinem rezeptiven Ende windet sich der periphere Ast des sensorischen Axons um eine feine, spezialisierte Muskelfaser, die innerhalb der Muskelspindel liegt – eines für Dehnungen empfindlichen Rezeptors. Vom Muskel aus wandert das periphere Axon im Nervus femoralis zum Zellkörper in einem Spinalganglion in der lumbosacralen Region des Rückenmark. Das sensorische Axon hat einen Durchmesser von 14 bis 18 µm und ist von einer weißen, isolierenden, 8 bis 10 µm starken Markscheide umgeben. Die Markscheide ist in Längsrichtung des Axons regelmäßig von Ranvierschen Schnürringen unterbrochen. An diesen Schnürringen grenzt die Plasmamembran des Axons, das Axolemma, auf einer Strecke von etwa 0,5 µm direkt an den Extrazellulärraum.

Das motorische Neuron: Das sensorische Axon projiziert direkt zu zwei Gruppen von Motoneuronen: solchen, die den gleichen Muskel innervieren, von dem die sensorischen Fasern ausgehen, und solchen, die synergistische Muskeln (andere Muskeln, die beim Strecken des Kniegelenks zusammenwirken) innervieren. Beide Gruppen liegen im Vorderhorn (Cornu ventralis) des Rückenmarks. Motoneuronen haben große Zellkörper von bis zu 80 µm Durchmesser, mit einem aufgrund seiner Größe und seines auffallenden Nucleolus. Im Gegensatz zu Spinalganglionzellen, die keine Dendriten aufweisen, bilden Motoneuronen stark verzweigte dendritische Fortsätze aus. Deren Aufgabe besteht darin, synaptische Impulse von anderen Neuronen zu empfangen. Dies geschieht häufig an spezialisierten kurzen Auswüchsen des Dendriten, die als Dornen (spines) bezeichnet werden. Die meisten Proteine eines Neurons werden im Zellkörper synthetisiert; eine gewisse Syntheseaktivität findet auch in den Dendriten statt, aber nicht in den Axonen. In den Dendriten liegen die an der Proteinsynthese beteiligten Organellen häufig direkt unterhalb eines Dorns. Das Cytoskelett eines Dendrits weicht in gewissem Ausmaßen von dem eines Axons ab. Seine molekulare Zusammensetzung gleicht der des Cytoskeletts des Zellkörpers. Die Zahl der primären Dendriten (Dendriten erster Ordnung) eines Neurons bewegt sich zwischen sieben und achtzehn und jeder verzweigt sich vier- bis sechsmal - gewöhnlich durch gabelförmige Aufspaltung, manchmal aber noch bedeutend stärker. Jeder primäre Dendrit bringt bis zu zehn oder mehr Endverzweigungen hervor, so daß deren Gesamtzahl pro Zelle im allgemeinen 100 überschreitet. Die durchschnittliche Länge eines Dendriten, vom Zellkörper bis zu seinem Ende, entspricht in etwa dem 20fachen Durchmesser des Zellkörpers, aber manche Zweige sind doppelt so lang (die mittlere Länge beträgt ungefähr 1,5 mm).

Die Verzweigungen verlaufen radial, so daß sich der Dendritenbaum eines Rückenmarkmotoneurons über eine Region von 2 bis 3 mm erstrecken kann. Aufgrund dieser ausgeprägten dendritischen Verzweigung kann die Zelle viele Signale empfangen. Obwohl jedes Motoneuron viele Dendriten besitzt, bringt es nur ein Axon hervor, welches von einer spezialisierten Region des Zellkörpers, dem Axonhügel ausgeht. Der Axonhügel und das Initialsegment des Axons haben zusammen eine Länge, die in etwa dem Durchmesser des Zellkörpers entspricht; ab diesem Punkt ist das Axon von der Myelinscheide umgeben. Der Axonhügel und das Initialsegment des Axons fungieren als Triggerzone, welche die vielen, von anderen Zellen übermittelten Signale integriert und das Signal auslöst, welches das Neuron an den Muskel sendet. Nahe am Zellkörper gehen vom motorischen Axon ein bis fünf Kollateralen aus. Diese Äste bezeichnet man als rekurrent, da sie in der Regel mit inhibitorischen Interneuronen in Verbindung stehen, deren Axone zurück zu den Motoneuronen verlaufen. Nahezu die Hälfte der Oberfläche von Axonhügel und Perikaryon und drei Viertel der Dendritenmembran sind von knopfartigen Verdickungen, den synaptischen Boutons, bedeckt. Hierbei handelt es sich um die axonalen Endigungen anderer Neuronen. Das Motoneuron empfängt mehrere Arten von Signalen: exzitatorische Impulse der primären sensorischen Neuronen, exzitatorische und inhibitorische Impulse von Interneuronen, die motorische Aktivitäten kontrollieren, und Feedback-Hemmung durch inhibitorische Interneuronen. All diese synaptischen Inputs werden durch Mechanismen

zusammenaddiert. Die sich daraus ergebende Änderung des Membranpotentials wird in der Triggerzone überwacht, in der die Zellmembran reich an spannungsabhängigen Natriumkanälen ist. Wenn sich diese Kanäle öffnen, entsteht in der Triggerzone ein Aktionspotential. Ein auffallender Unterschied zwischen Motoneuronen und sensorischen Neuronen ist die Lokalisation ihrer synaptischen Inputs. Auf dem Zellkörper und dem Axon im Bereich des Spinalganglions weisen sensorische Neuronen nur wenige oder überhaupt keine synaptischen Bontons auf. Im Gegensatz dazu treffen bei einem Motoneuron die meisten primären und modifizierenden Inputs von Muskelspindeln am Zellkörper und an den Dendriten ein. Das sensorische Neuron erhält primäre Inputs von Muskelspindeln und modifizierende Inputs vom Rückenmark. (Diese modifizierenden Verbindungen - von einem Axon zum anderen - rufen häufig eine präsynaptische Hemmung hervor) Wie eine Untersuchung vieler einzelner Motoneuronen ergab, liegen beinahe alle synaptischen Boutons auf den dendritischen Zweigen und nur 5 % auf dem Zellkörper. Der synaptische Input zur motorischen Zelle erfolgt räumlich sehr geordnet. Die meisten inhibitorischen Synapsen liegen in der Nähe des Zellkörpers, während die exzitatorischen weiter entfernt, entlang der Dendriten, zu finden sind. Jedes Motoneuron hat zwei bis sechs Kontakte mit einem einzigen sensorischen Neuron, und jedes sensorische Neuron hat Kontakte zu 500 bis 1 000 Motoneuronen. Der von der primären sensorischen Zelle verwendete Neurotransmitter ist noch nicht sicher identifiziert worden, aber vielen Hinweisen zufolge handelt es sich um die Aminosäure L-Glutamat. Das Axon eines Motoneurons hat einen Durchmesser von etwa 20 pm; es verläßt das Rückenmark in der vorderen Wurzel (Radix ventralis). Bei dem von uns als Beispiel aufgeführten Kniesehnenreflex tritt das entsprechende Axon in der Lumbosacralregion des Rückenmarks aus und folgt dem Nervus femoralis. Somit verläuft das motorische Axon entlang des gleichen peripheren Pfades wie die sensorische Faser vom Muskel. Wenn das Motoneuron in den Muskel eintritt, spaltet es sich in viele Aste auf. Diese werden immer dünner und haben schließlich einen Durchmesser von nur noch wenigen Mikrometern. Schließlich verlieren diese Zweige ihre Markscheide, wenn sie entlang der Oberfläche von Muskelfasern verlaufen, und bilden dort sogenannte Neuromuskuläre Synapsen aus. An diesen speziellen Strukturen setzen die Motoneuronen den Neurotransmitter Acetylcholin frei. Die neuromuskuläre Synapse ist die am vollständigsten beschriebene und besterforschte aller Synapsen. Zusammenfassend läßt sich sagen: Die am Kniesehnenreflex beteiligten sensorischen und motorischen Neuronen verwenden ähnliche Signalmechanismen, aber sie unterscheiden sich in ihrem Aussehen, in ihrer Lage innerhalb des Nervensystems und in der Verteilung ihrer Axone und Dendriten. All diese cytologischen Besonderheiten haben wichtige Konsequenzen für das Verhalten. Außerdem verwenden beide Zelltypen verschiedene Neurotransmitter (obwohl beide Transmitter erregend wirken) und erhalten sehr unterschiedliche Inputs. Die synaptische Übertragung bei den Motoneuronen, das heißt die Freisetzung von Acetylcholin, erfordert nicht nur ein spezialisiertes Enzym, sondern auch noch mindestens ein besonderes Membranprotein, das nicht von sensorischen Zellen oder von anderen Neuronen synthetisiert wird: ein spezifisches Transportprotein für Cholin, eine wichtige Vorstufe des Transmitters.

- Veränderungen in der Synapsenzahl, die im voll entwickelten Nervensystem bei der Ausbildung des Langzeitgedächtnisses auftreten, schließen die Bildung neuer synaptischer Verbindungen ein, und die filamentösen Moleküle des Cytoskeletts schaffen die Grundlagen für diese neuen Kontakte.

Das Nervensystem setzt sich aus zwei Teilen zusammen: dem Zentralnervensystem, bestehend aus Gehirn und Rückenmark, und dem peripheren Nervensystem, bestehend aus den Ganglien und den peripheren Nerven, die außerhalb von Gehirn und Rückenmark verlaufen. Die beiden Systeme sind zwar anatomisch getrennt, aber funktionell miteinander vernetzt.

Zentralen Nervensystem: Gehirn und Rückenmark

Peripheres Nervensystem: Somatische und autonome Nerven Bestandteile des autonomen NS sind Sympathicus und Parasympathicus

Somatische Nerven: Bilden Kontakt zum Skelett- und Sinnesnervensystem und sind zum Teil kontrollierbar. Der somatische Teil versorgt das ZNS mit sensorischen Informationen über die Stellung von Muskeln und Gliedmaßen sowie über die Außenwelt. Zu diesem Teil gehören sensorische Neuronen der dorsalen Wurzel des Rückenmarks und der Hirnganglien, welche Haut, Muskeln und Gelenke innervieren, besitzen Axone, die in die Peripherie projizieren; diese Axone werden häufig als Bestandteile des somatischen Teils des peripheren Nervensystems betrachtet, obwohl ihre Zellkörper im ZNS liegen.

Autonome Nerven: Bilden Kontakt zu Drüsen, Organen... Sind nicht kontrollierbar. Der autonome Teil des peripheren Nervensystems ist das motorische System für die Eingeweide, die glatte Muskulatur des Körpers sowie für die exokrinen Drüsen. Es besteht aus drei räumlich getrennten Subsystemen: dem sympathischen Nervensystem, dem parasympathischen Nervensystem und dem enteralen oder Darmnervensystem.

Sympathicus: Streß (Noradrenalin) Notfallsystem Zieht Blut aus dem peripheren System

Parasympathicus: Ruhe (Acethylcholin) Erhaltungssystem Verdauung

Darmnervensystem: Kontrolle der Funktion der glatten Darmmuskulatur

Jedes System besitzt Schaltzentren:

Die Hauptfunktionssysteme des Gehirns und des Rückenmarks - die sensorischen und die motorischen Systeme sowie das Motivationssystem - sind über Relaiskerne miteinander vernetzt. Diese Kerne sind nicht bloß einfache Schaltstationen, welche die Signale zu verschiedenen Orten verteilen. Sie sind vielmehr wichtige informationsverarbeitende Zentren, in denen neurale Information sowohl durch Interaktionen zwischen Neuronen in den Relaiskernen als auch durch synaptische Eingänge aus höheren Zentren des Systems modifiziert wird. Relaiskerne enthalten im allgemeinen verschiedene Typen von Nervenzellen, von denen zwei besonders wichtig sind. 1) Lokale Interneuronen besitzen Axone, die auf das Gebiet des Relaiskerns selbst beschränkt sind; sie vermitteln lokale erregende und hemmende synaptische Interaktionen. 2) Projektionsinterneuronen, auch Hauptinterneuronen genannt, übertragen die Ausgangssignale des Kerns; diese Nervenzellen besitzen lange Axone, die den Kern verlassen, um mit Zellen in anderen Regionen des Zentralnervensystems zu kommunizieren. Synaptische Schaltorte gibt es überall im Rückenmark und im Gehirn. Die vielleicht auffälligste Schaltstruktur ist der Thalamus, eine Sammlung von zahlreichen funktionell verschiedenen Kernen. Nahezu die gesamte sensorische Information, die die Großhirnrinde erreicht, wird zuvor im Thalamus verarbeitet. Die Großhirnrinde wiederum sendet absteigende Axone zurück zum Thalamus.

Jedes System setzt sich aus mehreren Bahnen zusammen:

Die sensorischen und motorischen Systeme sowie das Motivationssystem verfügen über anatomisch und funktionell unterschiedliche Subsysteme für besondere Aufgaben. Das Sehsystem zum Beispiel besitzt separate Bahnen zur Analyse von Objekteigenschaften und zum Verfolgen von Bewegung. Diese Bahnen können aber auch zusammenarbeiten, wie beispielsweise beim Lokalisieren bewegter Gegenstände. Ähnlich verfügt das somatosensorische System über anatomisch getrennte Bahnen für Berührung und Schmerz. Das motorische System besteht ebenfalls aus spezialisierten separaten Bahnen, die von den höchsten Zentren der Informationsverarbeitung im Gehirn zum Rückenmark verlaufen. So kontrolliert beispielsweise die Pyramidenbahn die Feinmotorik der Finger und der Hand, während andere motorische Bahnen die Gesamthaltung des Körpers kontrollieren und die Rückenmarksreflexe regulieren.

Jede Bahn ist topographisch organisiert:

Das faszinierendste Merkmal der sensorischen Systeme ist die Tatsache, daß die räumliche Anordnung der Rezeptoren in den peripheren Sinnesorganen - der Retina, der Cochlea des Innenohres oder der Haut - in Punkt-zu-Punkt-Verschaltungsmustern oder topographischen Verschaltungsmustern in den Sinnesbahnen des gesamten Zentralnervensystems beibehalten wird. So projizieren beispielsweise benachbarte Gruppen von Zellen in der Retina zu benachbarten Gruppen von Zellen im Thalamus, welche ihrerseits mit benachbarten Regionen der Sehrinde verschaltet sind. Auf diese Weise erhält man auf jeder Verarbeitungsstufe im Gehirn eine genau strukturierte neurale Karte des Gesichtsfeldes. Nicht alle Teile des Gesichtsfeldes sind auf dieser Karte gleichermaßen repräsentiert. Die zentrale Zone der Retina, der Ort des schärfsten Sehens, wird im visuellen Cortex im Vergleich zur Peripherie der Retina größer abgebildet, weil für die Verarbeitung der detaillierten Information aus dieser Zone eine größere Anzahl von Nervenzellen und synaptischer Verschaltungen erforderlich ist. Auf ähnliche Weise wird die Körperoberfläche durch eine neurale Karte im somatosensorischen Cortex repräsentiert. Wie bei der visuellen Karte werden auch hier nicht alle Areale der Haut gleichermaßen wiedergegeben. Gebiete, die für die sensorische Unterscheidung von besonderer Bedeutung und daher dicht innerviert sind, wie etwa die Fingerspitzen oder die Lippen, weisen mächtigere Verbindungen mit dem Cortex auf und nehmen daher die größten Areale in der corticalen Karte des Körpers ein. Einzigartig ist die Hirnkarte des Hörsystems für Schall. Jedes Schallereignis erregt in Abhängigkeit von seiner Frequenz unterschiedliche Neuronen im Relaiskern. Folglich basiert die Organisation der corticalen Karte für Schall eher auf der Tonhöhe als auf den räumlichen Beziehungen von Schallereignissen.

Signalleitung innerhalb von Nervenzellen:

In der Membran gibt es zwei Arten von Ionenkanälen: passive Kanäle mit einer bestimmten Ruheleitfähigkeit (Ruhemembrankanäle) und gesteuerte Ionenkanäle. Ruhemembrankanäle bleiben normalerweise offen und werden nicht signifikant von Außenfaktoren, etwa der Membranspannung, beeinflußt. Sie sind vor allem wichtig für die Erhaltung des Ruhepotentials, also der elektrischen Potentialdifferenz an der Membran, wenn keine Signalleitung stattfindet. Gesteuerte Kanäle hingegen öffnen und schließen sich als Reaktion auf verschiedene Reize. Die meisten gesteuerten Kanäle sind beim Ruhepotential geschlossen; ihr Öffnen wird durch drei Faktoren beeinflußt: Änderung des Membranpotentials, Ligandenbindung oder mechanische Dehnung der Membran.

Ruhepotential:

Über der inneren und äußeren Oberfläche der Membran einer jeden Nervenzelle breitet sich eine dünne Wolke positiver und negativer Ionen aus. Im Ruhezustand hat die Nervenzelle einen Überschuß an positiven Ladungen an der Membranaußenseite und einen negativen Ladungsüberschuß an der Innenseite. Diese Ladungstrennung wird aufrechterhalten, weil die Ionen nicht frei durch die Lipiddoppelschicht der Membran fließen können. Durch die Ladungstrennung entsteht ein Unterschied des elektrischen Potentials, also eine Spannung, an (,,über") der Membran, die man als Membranpotential bezeichnet. Das Membranpotential (Vm) ist definiert als

Vm = Vi- Va

wobei Vi das Potential im Zellinneren und Va das Potential an der Außenseite ist. Das Membranpotential einer Zelle im Ruhezustand nennt man Ruhemembranpotential oder Ruhepotential. Da man vereinbarungsgemäß das Potential auf der Außenseite der Zelle als Null definiert, ist das Ruhepotential (VR) negativ. Es liegt gewöhnlich zwischen -60 und -70 mV. Jedes elektrische Signal entsteht durch Veränderungen des durch die Zellmembran fließenden elektrischen Stroms, die das Membranpotential kurzfristig von seinem Ruhewert entfernen. Die Ein- und Auswärtsströme einer Zelle werden von (positiv geladenen) Kationen und (negativ geladenen) Anionen getragen, die durch lonenkanäle in der Zellmembran fließen. Die Richtung des Stroms definiert man vereinbarungsgemäß als die Richtung der Nettobewegung der positiven Ladungen. In einer Ionenlösung bewegen sich folglich Kationen in Stromrichtung, Anionen gegen die Stromrichtung.

Immer wenn ein zelleinwärts oder -auswärts gerichteter Nettofluß von Kationen oder Anionen auftritt, verändert dies die Ladungsverteilung an der ruhenden Membran und somit ihre Polarisierung. Eine Verminderung der Ladungstrennung führt zu einem weniger negativen Membranpotential; man nennt das Depolarisation. Ein Anstieg der Ladungstrennung hat ein stärker negatives Membranpotential zur Folge und wird Hyperpolarisation genannt. Die passiven Antworten der Membran auf den Ionenfluß, die nicht zum Öffnen von spannungsgesteuerten lonenkanälen

Führen, nennt man elektrotonische Potentiale. Hyperpolarisierende Antworten sind passiv, genauso wie geringfügige Depolarisationen. Erreicht jedoch die Depolarisation einen kritischen Wert, den sogenannten Schwellenwert, antwortet die Zelle aktiv, das heißt mit der Öffnung von spannungsgesteuerten Ionenkanälen, und produziert nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip ein Aktionspotential.

Die Konzentration an K+ und A- ist im Zellinneren hoch, die von Na+ und Cl- ist außen hoch. Die Membran ist selektiv permeabel für K+. Dadurch wandert K+ nach außen. Es entsteht ein elektrochemisches Potential durch die Ladungstrennung und die resultierende Polarisation. Neben den passiven Kaliumkanälen existieren auch Natriumkanäle, allerdings in sehr viel geringerer Dichte. Natrium strömt also in die Zelle hinein. Dadurch entfernt sich das Membranpotential geringfügig. Durch die Depolarisation strömt sofort Kalium nach außen. Die Potentialdifferenz bleibt also konstant, allerdings reichert sich innen die Natriumkonzentration und außen die Kaliumkonzentration an. Dieser Ausgleich wird Ionenleckstrom genannt. Die ständigen Ionenleckströme können nicht ohne Ausgleichmaßnahmen andauern, da sonst das Ruhepotential zusammenbrechen würde. Hierzu dient die Natrium-Kalium-Pumpe. Sie pumpt unter ATP-Verbrauch 2 K+-Ionen nach innen und 3 Na+-Ionen nach außen. Der Einwärtsstrom der Na+-Ionen wird durch die Pumpe ausgeglichen.

Aktionspotential:

Öffnung spannungsgesteuerter Natriumkanäle. ® Natriumeinstrom übertrifft Kaliumeinstrom ® Depolarisation ® mehr spannungsabhängige Natriumkanäle werden geöffnet (positive Rückkopplung) ® Verschiebung des Membranpotentials in Richtung Na+-Gleichgewichtspotential bei + 55mV (Kaliumausstrom und ClEinstrom verhindern, daß dieser Wert erreicht wird) ® nach kurzer Zeit deaktivieren die Natriumkanäle und öffnen sich spannungsgesteuerte Kaliumkanäle ® Repolarisation bis zum Ruhepotential (allerdings sind die Ionenkonzentrationen jetzt anders)

Aktionspotential: Reiz an der rezeptive Oberfläche der sensorischen Neuronen ® Ionenkanäle für Na+ und K+ öffnen sich durch Zelldehnung ® Rezeptorpotential löst sich aus ® In der Triggerzone öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle, die in der Nähe der Input-Region liegen ® Depolarisation wird verstärkt ® AP wird ausgelöst ® Fortleitung über das Axon ® Transmitterfreisetzung an der Output-Zone

Bei sensorischen Neuronen ist die Dichte der Natriumkanäle am ersten Ranvier-Schnürring des Axons am größten, bei Motoneuronen oder Interneuronen am Axonhügel. Dort findet man auch die niedrigste Schwelle eines Aktionspotentials. Ein bis dort passiv geleitetes Eingangssignal löst dort bei Überschreitung de Schwelle ein oder mehrere AP aus.

Einige Neuronen generieren keine Aktionspotentiale. Dabei handelt es sich meist um lokale Interneurone, die ein so kurzes Axon haben, daß sie die Information passiv weiterleiten. Andere Zellen haben kein konstantes Ruhepotential und feuern spontan.

Nernst-Gleichung: Berechnet das Membranpotential in Bezug auf ein Ion EK = R× T/z× F ln [K+]a/[K+]i (für Gliazellen)

Goldmann-Gleichung:

Obwohl die Na+ und K+-Ströme den Wert des Ruhepotentials bestimmen, ist Vm weder gleich EK noch gleich ENa, sondern liegt zwischen diesen Werten. Wird Vm durch 2 oder mehr Ionenarten bestimmt, dann wird der Einfluß jeder Ionenart auf das Membranpotential sowohl durch die intra- und extrazellulären Konzentrationen als auch durch die Membranpermeabilität für die jeweiligen Ionen bestimmt.

Vm = R× T/F ln PK[K+]a + PNa[Na+]a + PCl[Cl-]i/PK[K+]i + PNa[Na+]i + PCl[Cl-]a

Diese Gleichung gilt nur, wenn Vm sich nicht ändert. Sie basagt, daß der Einfluß einer bestimmten Ionenart auf das Membranpotential um so stärker ist, je größer das Konzentrationsgefälle und je höher die Membranpermeabilität für diese Ionenart ist. Im Grenzfall, wenn die Permeabilität für ein Ion außergewöhnlich hoch ist (z.B. an der Spitze des AP für Natrium), reduziert sich die Goldmann-Gleichung zur Nernst-Gleichung für dieses Ion.

Ersatzschaltkreis:

Ionenkanäle, Konzentrationsgradienten der relevanten Ionen und die Fähigkeit der Membran, Ladung zu speichern kann man alternativ auch als elektrischen Schaltkreis darstellen. Die Kraft, die durch Ladungstrennung und daraus resultierender Entstehung einer Potentialdifferenz entsteht, wird elektromotorische Kraft (EMK) genannt. Man nennt sie auch Batterie. Eine von dieser Energie aufgebaute Spannung entspricht EK (-75mV). Die Ionenkanäle sind als Widerstände betrachtbar. Da sowohl Extrazellulärflüssigkeit als auch Cytoplasma hervorragende Leiter sind, können beide durch einen einfachen Leiter ohne Widerstand repräsentiert werden. Die Membran, die eigentlich keine Ionen leitet, kann unberücksichtigt bleiben. Wir können die ATP-abhängige Na-Ka-Pumpe, die für die Ladung der Batterie sorgt, als Stromgenerator hinzufügen. Die Membrankapazität wird durch einen Kondensator dargestellt.

 

 

Passive Eigenschaften der Neuronen:

  1. Ruhemembranwiderstand
  2. Membrankapazität
  3. Intrazellulärer Längswiderstand von Axon und Dendrit

Der Membranwiderstand beeinflußt die Amplitude der elektrischen Signale:

Wenn wir negative Ladungen durch eine Elektrode injizieren, nimmt die Ladungstrennung über der Membran zu, das Membranpotential wird negativer. Wenn wir einen größeren negativen Strom injizieren, erhalten wir eine stärkere Hyperpolarisation. Bei den meisten Nervenzellen besteht eine lineare Beziehung zwischen der Größe des negativen Stromes und der Amplitude der Hyperpolarisation. Diese Beziehung zwischen Strom und Spannung definiert einen Widerstand, den man Eingangswiderstand, Rin, des Neurons nennt. Die Injektion einer positiven Ladung in die Zelle erzeugt eine Depolarisation. Das Neuron verhält sich immer noch wie ein einfacher Widerstand, aber nur bis zum Schwellenwert, an dem die Zelle ein Aktionspotential auslöst. Jenseits dieses Schwellenwertes verhält sich das Neuron nicht mehr wie ein einfacher Widerstand, was an den speziellen Eigenschaften seiner spannungsgesteuerter Kanäle liegt. Der Eingangswiderstand einer Zelle bestimmt die Größe der Depolarisation, die als Reaktion auf eine Strominjektion entsteht. Nach dem Ohmschen Gesetz ist die Größe der Depolarisation, D V, gegeben durch D V = I× R.

Wenn also 2 Neuronen identische synaptische Stromeingänge erhalten, tritt bei der Zelle mit dem größeren Eingangswiderstand eine größere Änderung des Membranpotentials auf.

Bei einer idealisierten kugelförmigen Nervenzelle ohne Ausläufer hängt der Eingangswiderstand sowohl von der Dichte der Ruhemembrankanäle als auch von der Größe des Neurons ab. Je größer das Neuron, desto größer ist seine Membranoberfläche und desto geringer sein Eingangswiderstand, weil mehr Ruhemembrankanäle zur Ionenleitung vorhanden sind. Um die Widerstände von unterschiedlich großen Nervenzellen vergleichen zu können, sprechen Elektrophysiologen vom spezifischen Membranwiderstand, Rm, also dem Widerstand einer Flächeneinheit der Membran, der in Ohm mal Quadratzentimeter angegeben wird. Der spezifische Membranwiderstand hängt nur von der Dichte und der Leitfähigkeit der Ruhemembrankanäle ab. Um den Gesamteingangswiderstand einer Zelle zu berechnen, dividieren wir den spezifischen Membranwiderstand durch die Membranfläche der Zelle, weil eine große Membranfläche mehr Ruhemembrankanäle enthält und damit einen geringeren Nettowiderstand hat. Für unsere kugelförmigen Neuronen gilt Rin = Rm/4P r2.

Die Membrankapazität verlängert den Zeitlauf der elektrischen Signale:

Die Kapazität eines Kondensators ist direkt proportional zur Fläche seiner Platten. Je größer die Fläche, desto mehr Ladung kann bei einer gegebenen Potentialdifferenz gespeichert werden. Die Kapazität hängt auch vom isolierenden Medium und der Entfernung der beiden Platten zusammen. Alle biologischen Membranen sind aus einem ähnlichen isolierenden Material aufgebaut und haben eine ähnlich große Distanz zwischen den Platten (4nm). Die spezifische Kapazität aller biologischen Membranen Cm beträgt etwa 1µF/cm2. Die Gesamtkapazität Cin einer Zelle entspricht dem Produkt von Cm und der Fläche der Zellmembran: Cin = Cm(4P r2). Aus dieser Formel sehen wir, daß bei einem größeren Neuron viel mehr Ladung und damit auch mehr Strom benötigt wird als bei einem kleineren Neuron, um die gleiche Membranpotentialänderung zu erzeugen. Die Kapazität der Membran reduziert im Endeffekt die Geschwindigkeit, mit der sich das Membranpotential auf einen Strompuls hin ändert. Würde die Membran nur als Widerstand wirken, so würde ein stufenförmiger, auswärtsgerichteter Strompuls das Membranpotential augenblicklich ändern. Wenn die Membran andererseits aber ausschließlich kapazitive Eigenschaften hätte, würde sich das Membranpotential auf denselben stufenförmigen Strompuls hin als einfache Funktion der Zeit kontinuierlich ändern. Nur weil die Membran kapazitive und ohmsche Eigenschaften hat, entspricht die Veränderung des Membranpotentials einer Kombination beider Merkmale.

Die Widerstände von Membran und Axoplasma beeinflussen die Effizienz der Signalleitung:
Signale werden gedämpft. Den Axial- oder Längswiderstand (ra) pro Längeneinheit (1cm) des cytoplasmatischen Widerstandes wir in W /cm angegeben. Durch den cytoplasmatischen Widerstand verlassen injizierte Ionen nahe der Injektionsstelle das Axon in größerer Konzentration als weiter entfernt. Je besser die Isolierung der Membran ist und je besser die Leitungseigenschaften des Axoninneren sind, desto größer ist die Längskonstante des Axons. Das bedeutet, der Strom kann sich im leitfähigen Axoninneren weiter ausbreiten, bevor er durch die Membran austritt. Bei einem Impuls kommt es zu einer passiven Ausbreitung des Depolarisation, bis an anderer Stelle ebenfalls ein Aktionspotential aktiviert wird. Die passive Ausbreitung ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Das Membranpotential ändert sich nur langsam, wenn der Strom klein ist, weil sich auch D Q nur langsam ändert. Genauso muß um so mehr Ladung an der Membran angesammelt werden, je größer die Membrankapazität ist. Folglich muß der Strom länger fließen, um eine bestimmte Depolarisation zu erzeugen. Die Zeit, die eine Depolarisation benötigt, um sich längs des Axons auszubreiten. Ist daher sowohl vom Längswiderstand als auch von der Kapazität pro Länge des Axons abhängig. Deshalb wurde im Laufe der Evolution der Axondurchmesser erhöht und die Membrankapazität durch die Myelinisierung erniedrigt. Das Aktionspotential, das sich wegen der geringen Kapazität im Bereich der Myelinscheide ziemlich schnell zwischen den Schnürringen ausbreitet, verlangsamt sich, sobald es den hochkapazitiven Bereich an einem Schnürring überquert.

Voltage-Clamp-Technik:

Wenn das Membranpotential eines Axons geklemmt wird, dann öffnen oder schließen sich auf die aufgezwungene Potentialänderung hin zwar immer noch die spannungsgesteuerten Ionenkanäle, die Spannungsklemme verhindert jedoch, daß die dabei entstehenden Ströme durch die Membran das vorgegebene Membranpotential beeinflussen. Auf diese Weise kann man die Veränderung der Membranleitfähigkeit für einzelne Ionenarten bei verschiedenen Membranpotentialen messen.

Der Strom durch spannungsgesteuerte Natrium- und Kaliumkanäle läßt sich isolieren:

Wir beginnen mit einem typischen Voltage-Clamp-Experiment, in dem das Membranpotential an seinem Ruhewert geklemmt ist. Wenn man nun ein um 10 mV depolarisierendes Potential anlegt, beobachtet man zuerst, daß ein sehr kurzer Auswärtsstrom den Membrankondensator augenblicklich mit der Strommenge entlädt, die für eine Depolarisation um 10 mV notwendig ist. Diesem kapazitiven Strom Ic folgt ein kleiner Ionenausstrom, de für die Dauer des Spannungssprungs anhält. Am Ende des Spannungssprungs beobachtet man einen kurzen, einwärts gerichteten kapazitiven Strom, und der gesamte Membranstrom kehrt zu Null zurück. Der ionische Gleichgewichtsstrom, den man während der Dauer der Reizung messen kann, fließt durch die Ruhemembrankanäle und wird Leckstrom Il genannt.

Synapsen:

Synapsentyp: Entfernung zwischen prä- und postsynaptischer Zellmembran: Cytoplasmatische Kontinuität: Ultrastrukturelle Komponente: Übertragung durch: Synaptische Verzögerung: Übertragungsrichtung:
Elektrisch 3,5 nm Ja Gap Junctions Ionenstrom Praktisch verzögerungsfrei Gewöhnlich in beide Richtungen
Chemisch 20-40 nm nein Präsynaptische Vesikel und aktive Zone; postsynaptische Rezeptoren Chemische Transmitter signifikant Nur in eine Richtung

Elektrische Synapsen findet man vor allem bei Neuronen, die für Fluchtreaktionen nötig sind. Tintendrüse der Aplysia.

Die gap junctions bestehen aus Connexonen, die aus 6 Connexinen bestehen. Chemische Synapsen können modulierend wirken. Reagieren auf den Ca2+-Einstrom, der bei jedem AP auftritt. In einem Vesikel liegen mehrere Tausend Transmittermoleküle. Gewöhnlich werden nur 2 davon pro Rezeptor benötigt, ihn zu öffnen, bzw. zu schließen. Die Wirkung eines Transmitters hängt meist nicht vom Transmitter selbst ab, sondern vom Rezeptor. So kann Ach unterschiedliche Wirkungen haben (bewirkt bei Vertebraten die Erregung an der motorischen Endplatte, aber auch die Verlangsamung des Herzschlages). Der Rezeptor kann isoliert in der Membran liegen und über mehrere Schritte die Ionenkanäle regulieren (metabotrop) oder aber auch am Ionenkanal liegen (ionotrop).

Neuromuskuläre Synapse:

Acetylcholin als Transmitter, nikotinerger Acetylcholinrezeptor als Rezeptor. Das Axon des Motoneurons innerviert die motorische Endplatte, eine spezialisierte region der Muskelmembran. Jedes Endknöpfchen liegt über synaptischen Einfaltungen. Jedes synaptische Endknöpfchen besitzt spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle, durch die Ca2+ bei einem AP einströmt und die Verschmelzung der Vesikel mit der aktiven Zone auslöst. Durch die Ausschüttung des Transmitters werden in der Muskelzelle Na+-Kanäle geöffnet, es entsteht ein exzitatorisches postsynaptisches Potential, das auch als Endplattenpotential Bezeichnung findet. Die Amplitude dieses Potentials ist ungewöhnlich hoch (70mV). Diese Potentialänderung ist in der Regel groß genug, ein AP auszulösen. Die meisten Neuronen im ZNS bewirken ein postsynaptisches Potential von weniger als 1mV. Die nötige Potentialänderung zur Auslösung eines AP´s muß 10mV betragen. Es sind also mehrere Synapsen nötig.

Umkehrpotential: Dabei handelt es sich um das Membranpotential, bei dem der synaptische Strom die Amplitude 0 hat. Am Umkehrpotential fließt kein Nettostrom. Da der Einwärtsstrom durch die Endplatte von einem ebenso großen Auswärtsstrom kompensiert wird. Depolarisierender und repolarisierender Strom gleichen sich gerade aus.

Transmittergesteuerte Kanäle unterscheiden sich von spannungsgesteuerten Kanälen:

Erstens werden 2 Typen spannungsgesteuerter Kanäle, die K+- und Na+-Kanäle, nacheinander aktiviert, um ein AP zu erzeugen. Dagegen ruft nur ein einziger Typ transmittergesteuerter Kanäle, der nicotinische ACh-Rezeptor, das Endplattenpotential hervor, der sowohl für K+ als auch für Na+ permeabel ist. Ein zweiter Unterschied zwischen ihnen ist der Natriumflux durch spannungsgesteuerte Na+-Kanäle regenerativ ist. Mit zunehmender Depolarisation öffnen sich immer mehr Na+-Kanäle. Dagegen hängt die Anzahl der ACh-aktivierten Kanäle, die sich während des synaptischen Potentials öffnen, von der Menge des ausgeschütteten Acetylcholins ab. Die Depolarisation, die vom Na+-Einstrom durch diese Kanäle erzeugt wird, führt nicht zum öffnen weiterer ACh-Rezeptoren, sie ist daher lokal begrenzt und kann ohne das Mitwirken anderer Ionenkanäle kein AP auslösen. Um ein AP auszulösen, muß ein postsynaptisches Potential benachbarte spannungsgesteuerte Kanäle aktivieren.

Bei einer Reizung der sensorischen Faser am M. quadriceps femoris wird ein IPSP von der gleichen Faser über ein inhibierendes Interneuron an das Motoneuron des M. biceps femoris geleitet.

Integration: Der Nettoeffekt der Inputs an jeder exzitatorischen oder inhibitorischen Synapse hängt von verschiedenen Faktoren ab. Vom Ort der Synapse, von der Größe und Form sowie der Nähe und relativen Stärke anderer erregender oder hemmender Synapsen. Bei Motoneuronen und den meisten Interneuronen wird die Entscheidung, ein AP auszulösen am Axonhügel getroffen. Einige Neuronen in der Großhirnrinde haben eine oder mehrere zusätzliche Triggerzonen innerhalb des Dendritenbaumes. Diese dendritischen Triggerzonen verstärken den schwachen erregenden Input, der in entfernt gelegenen Dendritenregionen eintrifft. Wenn eine Zelle mehrere Triggerzonen besitzt, so addiert jede die lokale Erregung und Hemmung, die durch die benachbarten synaptischen Eingänge hervorgerufen wird. Falls der Nettoinput überschwellig ist, kann ein AP ausgelöst werden, gewöhnlich geschieht dies über spannungsabhängige Ca2+-Kanäle. Diese AP´s werden nicht etwa regenerativ über die Dendriten weitergeleitet, sondern sie breiten sich elektrotonisch zum Zellkörper und zum Axonhügel aus, wo sie mit allen anderen Eingangssignalen der Zelle verrechnet werden. Je größer der Zellkontakt ist, desto höher ist die WS, daß sich 2 aufeinanderfolgende exzitatorische Eingangssignale eines präsynaptischen Neurons summieren. Die Längskonstante der Zelle ist für die Amplitudenverminderung eines depolarisierenden Stromes verantwortlich, der sich passiv ausbreitet. In Zellen mit größeren Längskonstanten breitet sich das Signal mit fast derselben Amplitude bis zur Impulsentstehungszone aus. Synapsen auf Zellkörpern wirken häufig hemmend. Inhibitorische Inputs am Zellkörper öffnen ClKanäle und erhöhen somit die Cl+-Leitfähigkeit, wodurch sich die Depolarisation schwächt. Synapsen auf dendritischen Dornen wirken häufig erregend. Synapsen auf axonalen Endigungen haben häufig modulatorische Funktion. Im Gegensatz zu axosomatischen und axodendritischen Synapsen üben die meisten axoaxonischen Synapsen keinen direkten Einfluß auf die Impulsentstehungszone der postsynaptischen Zelle aus. Statt dessen beeinflussen sie die Aktivität des postsynaptischen Neurons durch Kontrolle der Transmittermenge, die es aus seinen synaptischen Endigungen ausschüttet.

Die Transmitterfreisetzung wird durch den Calciumeinstrom gesteuert:

Normalerweise liegt an der Nervenzellmembran ein sehr großer, einwärtsgerichteter elektrochemischer Ca2+-Gradient vor, der dazu führt, daß es nach der Öffnung der spannungsgesteuerten Ca2+-Kanäle zu einem starken Einstrom von Ca2+ kommt. Obwohl diese Kanäle entlang des Axons sehr spärlich verteilt sin, fand man, daß an den Axonendigungen sehr viele mehr Kanäle sitzen.

Der Transmitter wird in Quanten freigesetzt: Ohne, daß man die Präsynapse stimuliert beobachtet man an der postsynaptischen Seite kleine spontane Potentiale von 0,5 bis 1,0 mV. Ähnliche Beobachtungen hatte man bereits an Säugetiermuskeln und an zentralen Neuronen gemacht. Da die postsynaptischen Potentiale der neuromuskulären Synapse von Vertebraten als Endplattenpotentiale bezeichnet wurden, nannte man die spontan auftretenden Potentiale Miniaturendplattenpotentiale (MEPP).