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B978-3-437-41357-5.00003-X

10.1016/B978-3-437-41357-5.00003-X

978-3-437-41357-5

Entstehung des Ruhemembranpotenzial:Entstehung\"\iRuhemembranpotenzials an einer Neuron:Ruhemembranpotenzial\"\iNervenzelle:Ruhemembranpotenzial\"\iNervenzelle. Der Gesamtvorgang wurde in Teilprozesse zerlegt. Zur Registrierung des Membranpotenzials sind eine intrazelluläre Mikroelektrode und eine extrazelluläre Referenzelektrode mit einem Messinstrument verbunden. Im unteren Bildteil wird das in den oberen Bildteilen gemessene Membranpotenzial angezeigt. a Na+ und K+ sind gleichmäßig im Intra- und Extrazellulärraum verteilt. b Die Na+/K+-Pumpe (Kreissymbol) transportiert K+ in die Zelle hinein und Na+ hinaus. Dadurch entsteht eine ungleichmäßige Ionenverteilung, d.h. ein IonenkonzentrationsgradientIonenkonzentration:Gradient. Dieser Gradient bewirkt eine treibende Kraft (dicke Pfeile), die vom Ort der höheren zum Ort der niedrigeren Konzentration gerichtet ist. Die meist vorhandene Elektrogenität der Na+/K+-Pumpe ist hier nicht berücksichtigt. c Da die Zellmembran unter Ruhebedingungen für K+ durchlässig ist (dagegen praktisch nicht für Na+), folgen die Kaliumionen der treibenden Kraft des Konzentrationsgradienten und strömen aus der Zelle aus. Dadurch entsteht extrazellulär ein positives und intrazellulär ein negatives elektrisches Feld. d Die elektrischen Felder bilden eine zweite treibende Kraft, die die Kaliumionen wieder in die Zelle „zurücktreiben“. Schließlich entsteht ein Gleichgewicht, das sich als K+-Kaliumgleichgewichtspotenzial\"\iGleichgewichtspotenzial messen lässt.

[3.1]

Treibende Kräfte des Ruhemembranpotenzial:treibende Kräfte\"\iRuhemembranpotenzials, die für den Strom von K+ und Natrium:Nervenzellmembran\"\iNa+ durch die Kalium:Nervenzellmembran\"\iIonenstrom:Nervenzellmembran\"\iNervenzellmembran verantwortlich sind.

[3.1]

Registrierung von Ionenstrom:Registrierung\"\iIonenströmen durch Membrankanäle mit der Patch-Clamp-Patch-Clamp-Technik\"\iTechnik. Eine fein ausgezogene Kapillare und eine großflächige Referenzelektrode sind mit einem Gerät zur Konstanthaltung des Membranpotenzials (Voltage-Clamp-Voltage-Clamp-Verstärker\"\iVerstärker) und Registrierung des zur Spannungsklemme notwendigen Stroms verbunden. Befinden sich beide Elektroden weit von der Zelle entfernt im Extrazellulärraum, wird kein Strom registriert (unterer Bildteil links). Saugt man einen Membranfleck, in dem sich ein Kanal befindet, mit der Elektrode an, werden pulsförmige Ströme erfasst (unterer Bildteil rechts). Ö = Öffnung, S = Schließung des Kanals.

[3.2]

Registrierung des Membranpotenzials mit der Mikroelektrodentechnik. Wenn die Mikroelektrode im Intrazellulärraum:Mikroelektrode\"\iIntrazellulärraum liegt (rechter Bildteil), lässt sich das Membranpotenzial (MP) messen (unterer Bildteil rechts).

Veränderung des Membranpotenzial:Veränderung\"\iMembranpotenzials einer Nervenzelle bei erhöhter K+-Kalium:Ionenpermeabilität\"\iPermeabilität (PK+) je nach Ausgangswert des Membranpotenzials (MP). Mit einer Mikroelektrode (ME1) in der Nervenzelle wird das MP gemessen, mit einer anderen (ME2) wird der Ausgangswert des MP eingestellt. Für jeden dieser Ausgangswerte wird die K+-Permeabilität selektiv erhöht. Die Pfeile im rechten Bildteil symbolisieren die – gleichbleibende, von innen nach außen wirkende – Kraft durch die Konzentrationsdifferenz (1), die – sich ändernde, nach intrazellulär wirkende – Kraft durch die Potenzialdifferenz (2) und die Nettokraft (3). Stellt man das MP auf –40 mV ein (oben), ist das Zellinnere vergleichsweise positiv und die Potenzialdifferenz zwischen Intra- und Extrazellulärraum relativ klein. Im Ergebnis strömt K+ aus der Zelle aus. Bei –100 mV als Ausgangs-MP ist die Potenzialdifferenz dagegen sehr groß, sodass viel K+ in die Zelle einströmt.

Spannungsgesteuerte Ionenkanäle, Bau und FunktionIonenkanal:spannungsabhängiger. a Molekularer Aufbau eines Kaliumkanals. Oben links ist der Gesamtkanal mit seinen 4 Untereinheiten, oben rechts eine Untereinheit mit den Segmenten S1–S6 vergrößert dargestellt. In der unteren Reihe ist eine Untereinheit „aufgefaltet“. b Funktionszustände eines spannungsgesteuerten Ionenkanals.

[3.2]

Entstehung eines Aktionspotenzial:Entstehung\"\iAktionspotenzials. a Künstliche Depolarisation:Aktionspotenzial\"\iDepolarisation einer Nervenzelle mithilfe einer externen Stromquelle. Der Versuchsaufbau entspricht dem der Abb. 3.5; ME1 = Mikroelektrode zur Registrierung des Membranpotenzials (MP), ME2 = Mikroelektrode, die an den positiven Pol einer Stromquelle (I) angeschlossen ist. Je nach angelegtem Strom wird das MP mehr oder weniger kompensiert und dadurch vermindert. b Zeitverlauf des Natriumein- und Kaliumausstroms. c Aktionspotenzial, das durch die in b dargestellten Ionenströme entsteht; MS = Membranschwelle, EK+ = Gleichgewichtspotenzial für K+, ENa+ = Gleichgewichtspotenzial für Na+.

Öffnung und Schließung einzelner spannungsgesteuerter IonenkanäleIonenkanal:spannungsabhängiger bei Depolarisation eines Membranfleckens (Patch). a Messanordnung. Dem Patch wird eine rechteckige Depolarisation (Kommandopotenzial) aufgezwungen, und die dadurch ausgelösten Membranströme werden gemessen; Ö = Öffnung, S = Schließung des Kanals, MP = Membranpotenzial. b Messungen des Stroms durch 7 Natriumkanäle bei einem Kommandopotenzial. c Messungen des Stroms durch 7 Kaliumkanäle bei einem Kommandopotenzial. d Addition der Ströme durch die Natriumkanäle zu einem einwärts gerichteten Gesamtstrom. e Addition der Ströme durch die Kaliumkanäle zu einem auswärts gerichteten Gesamtstrom.

[3.2]

Aktivierbarkeit und Aktivierung von NatriumkanälenNatriumkanal:spannungsabhängiger. a Ist das Ruhemembranpotenzial länger anhaltend in negativer Richtung verschoben (verstärkt), nimmt die Aktivierbarkeit der Natriumkanäle zu, bei entsprechender Verschiebung in positiver Richtung nimmt sie ab. Diese Kurve wird auch Inaktivierungs-Inaktivierungskurve\"\i oder H-∞-H-<221E>-Kurve\"\iKurve genannt, da sich der Anteil der bereits inaktivierten Kanäle bei einer (unendlich) lang anhaltenden Membranpotenzialveränderung ablesen lässt. b Bei einem gegebenen Ruhemembranpotenzial hängt die Aktivierung der Natriumkanäle zunächst von der Höhe einer raschen Depolarisation (Membranpotenzial) ab. Bei niedriger extrazellulärer Kalziumkonzentration [Ca2+]a genügen bereits geringere Depolarisationen, um dasselbe Ausmaß an Aktivierung zu erreichen wie unter normaler [Ca2+]a (durchgezogene Linie). Bei erhöhter [Ca2+]a gilt das Umgekehrte.

Refraktärität:Aktionspotenzial\"\iRefraktärität eines Neuron:Refraktärität\"\iNeurons im Anschluss an ein Aktionspotenzial (MS = Membranschwelle, RMP = Ruhemembranpotenzial).

[3.3]

Erregungsauslösung bei intrazellulärer Erregungsauslösung:intrazelluläre Stromeinleitung\"\iStromeinleitung. Künstliche Depolarisation eines kugelförmigen und eines lang gestreckten neuronalen Elements über eine externe Stromquelle. Der Stromfluss wird jeweils rasch auf einen höheren Wert eingestellt. a Über die Mikroelektrode 2 (ME2) wird ein Strom (I) in die kugelförmige Zelle geleitet und gleichzeitig über die Mikroelektrode 1 (ME1) die resultierende Änderung des Membranpotenzials (MP) registriert. b Veränderungen des Membranpotenzials an verschiedenen Stellen (MP1–MP3) einer lang gestreckten neuronalen Struktur (z.B. einer Nervenfaser) während der Einleitung eines konstanten Stroms am linken Ende des Elements. Unterhalb der neuronalen Struktur ist das Ausmaß der resultierenden Membranpotenzialänderung (ΔMP) wiedergegeben. λ = Längskonstante.

Erregungsauslösung:extrazelluläre Stromapplikation\"\iErregungsauslösung bei extrazellulärer Stromapplikation. Änderungen des Membranpotenzials einer Nervenfaser bei extrazellulärer Applikation eines unterschwelligen Stroms langer Dauer über Ballelektroden (positive Anode und negative Kathode) an der Fasermembran. Durch den intra- und extrazellulären Stromfluss verschiebt sich das Membranpotenzial (ΔMP) sowohl zwischen den Strom führenden Polen (intrapolar) als auch außerhalb (extrapolar) der Pole. Diese Verschiebungen werden mit den Mikroelektroden ME1–ME6 abgegriffen und sind in der unteren Kurve wiedergegeben. Die Distanz, in der ΔMP auf den e-ten Teil der maximalen Membranpotenzialänderung (ΔMPmax) abgefallen ist, wird als Längskonstante λ bezeichnet.

Reizzeit-Stromstärke-Reizzeit-Stromstärke-Beziehung\"\iBeziehung für einen peripheren Nerv bei Rechteckreizung. Die Kurve gibt die Beziehungen zwischen Stärke I und Dauer t von Schwellenreizen an.

[3.3]

Lokale Erregung an einer Nervenzelle. a Versuchsaufbau: Über die Mikroelektrode ME1 wird das Membranpotenzial (MP) registriert und über die Mikroelektrode ME2 mithilfe einer externen Stromquelle (I) verändert. b, c Zeitgleiche Registrierung der eingeleiteten Ströme (I; b) und der resultierenden Änderungen des Membranpotenzials (MP; c). Hyperpolarisierende Ströme steigender Amplitude lösen im gesamten Bereich Zunahmen des MP aus. Depolarisierende Ströme steigender Amplitude führen zunächst zu einer entsprechenden Abnahme des MP, ohne dass ein Aktionspotenzial entsteht (unterschwelliger Reiz). Im schwellennahen Bereich bewirken sie eine überproportionale Verminderung des MP (dunkelblaue Fläche, lokale Erregung) und schließlich eine Abnahme des MP, die die Membranschwelle überschreitet und damit ein Aktionspotenzial auslöst (überschwelliger Reiz).

Kontinuierliche und saltatorische ErregungsleitungErregungsleitung:Nerv an einer nicht myelinisierten (links) und myelinisierten (rechts) Nervenfaser. In derselben Zeiteinheit wird bei der kontinuierlichen Erregungsleitung der Weg 1, bei der saltatorischen Erregungsleitung der Weg 2 zurückgelegt. MP = Membranpotenzial, AP = Aktionspotenzial, MS = Membranschwelle. a An der linken Ableitungsstelle läuft ein AP ab, am restlichen Faserteil ist das Ruhemembranpotenzial nachzuweisen. Der rote Pfeil symbolisiert die transmembranösen Kationenströme. b An der Stelle, an der das AP abläuft, hat sich die Polung umgekehrt; somit ist eine Potenzialdifferenz entlang der Membran entstanden, der Ionenströme folgen (rote Pfeile). c An der rechten Elektrode entsteht durch die Ionenströme eine elektrotonische Depolarisation und, sobald die MS erreicht ist, ein AP.

Extrazelluläre PotenzialentstehungPotenzial:extrazelluläres bei der Erregungsleitung an einer Nervenfaser, an der an einem Ort eine extrazelluläre Elektrode (E) liegt. Einwärtsströme sind rot, resultierende Negativierungen im Extrazellulärraum blau und kapazitive Ströme und daraus erwachsene Positivierungen im Extrazellulärraum rot dargestellt. Bei einer aktiven Fortleitung des Aktionspotenzials entlang einer Faser bedingt ein Aktionspotenzial einen Einwärtsstrom, der zu intrazellulären Strömen und letztlich zu kapazitiven Auswärtsströmen führt. Kapazitive Auswärtsströme entstehen, weil die Membran technisch einen Kondensator darstellt, sodass eine Ladungsänderung auf der Innenseite dieser Membran zur Umladung des Kondensators und damit zum Stromfluss über den Kondensator führt, ohne dass hierzu ein Kanal geöffnet werden muss. Dies löst extrazelluläre Ströme auf die Stromsenke hinaus und schließt so den Stromkreis. In den Membranabschnitten, die das Aktionspotenzial bereits durchlaufen hat, gesellen sich zu den kapazitiven noch aktive Kaliumströme (K+) hinzu, da in diesen Bereichen die aktionspotenzialvermittelte Depolarisation auch spannungsabhängige KaliumkanäleKaliumkanal:spannungsabhängiger aktiviert hat. a Zum Zeitpunkt t = n registriert eine extrazelluläre Elektrode zunächst eine kleine Positivierung. b Zum Zeitpunkt t = n + 1 (die Natriumkanalöffnung findet nun genau „unter“ der Elektrode statt) kommt es zu einer steilen Negativierung. c Zum Zeitpunkt t = n + 2 liegt die Elektrode wieder im Bereich der kapazitiven Ströme, die nun durch Kaliumauswärtsströme ergänzt werden; hier zeigt sich wieder eine nunmehr größere Positivierung. Insgesamt ist das extrazellulär registrierte Faserpotenzial (FP) also triphasisch.

Extrazelluläre Aktionspotenzial:extrazelluläre Potenzialableitung\"\iPotenzialableitungPotenzial:extrazelluläres an einer Nervenfaser. St = Elektroden zur elektrischen Stimulation, E1, E2 = Ableitungselektroden, die mit einem Instrument zur Registrierung der elektrischen Spannung (U) verbunden sind. Die rote Fläche E entspricht der Erregungswelle (Aktionspotenzial = AP), die in Pfeilrichtung über die Nervenfaser läuft. Im rechten Bildteil sind die AP, die durch das Registrierinstrument angezeigt werden, als Funktion der Zeit dargestellt und dem aktuellen Verlauf der Erregungswelle im linken Bildteil zugeordnet. Die gestrichelte Senkrechte gibt den Zeitpunkt der Reizung an. a Registrierung von 2 monophasischen Potenzialen entgegengesetzter Polung, die das Bild eines diphasischen Potenzials ergeben (1–4). b Ist der Abstand der Ableitungselektroden kleiner als die räumliche Ausbreitung der Erregungswelle, wird die Erregung vorübergehend von beiden Elektroden erfasst (gestrichelte Potenziale im rechten Bildteil). Daraus resultiert in jedem Fall ein biphasisches Potenzial. c Bei Blockade der Erregungsleitung wird die Erregung nur noch durch eine Elektrode direkt abgeleitet. Es entsteht nur ein monophasisches Potenzial.

Synapsentypen. a Elektrische Synapse:elektrische\"\iSynapse: Connexine\"\iConnexine verbinden prä- und postsynaptische Anteile. b Chemische Synapse:chemische\"\iSynapse: Aus der präsynaptischen Faser wird ein Transmitter freigesetzt, der sich am postsynaptischen Neuron mit einem Rezeptor an einem Membrankanal verbindet. Der Transmitter-Rezeptor-Komplex steuert die Öffnung des Membrankanals.

Transmitter an einer chemischen SynapseSynapse:chemische. Der Transmitter wird in der präsynaptischen Faser synthetisiert, größtenteils in Vesikeln gespeichert und freigesetzt. Er bindet am spezifischen Rezeptor der postsynaptischen (subsynaptischen) Membran und wird schließlich durch Diffusion oder enzymatische Spaltung inaktiviert. Der Transmitter selbst oder seine Abbauprodukte werden teilweise in die präsynaptische Faser rücktransportiert.

[3.4]

Ligandengesteuerter Ionenkanal:ligandengesteuerter\"\iIonenkanal, Bau und Funktion (auch Abb. 3.6). a Molekularer Aufbau des postsynaptischen Anteils einer nikotinergen Acetylcholinsynapse\"\iAcetylcholin(ACh)-Synapse. Oben links ist der Gesamtkanal mit den Untereinheiten α bis δ dargestellt, oben rechts die Untereinheiten vergrößert mit den Segmenten M1 bis M4. In der unteren Zeile ist eine Untereinheit „aufgefaltet“. b Funktionszustände eines ligandengesteuerten Ionenkanals.

[3.5]

Wirkung eines Transmitter-Rezeptor-Transmitter-Rezeptor-Komplex\"\iKomplexes auf einen Membrankanal. G-Protein = guanosintriphosphatbindendes Protein. a Direkte Wirkung, der Rezeptor ist Bestandteil des Kanalproteins. b Indirekte Wirkung, die über cAMP (b1) oder Phosphoinositol (b2) vermittelt wird. Dabei hemmen Gi-Proteine die Adenylatcyclase, während Gs-Proteine sie aktivieren. Gq-Proteine aktivieren die Phospholipase C, die dann ihrerseits Inositoltrisphosphat:Transmitterwirkung\"\iInositoltrisphosphat generiert (auch Abb. 19.7, Abb. 19.8).

Typen von postsynaptischen PotenzialenPotenzial:postsynaptisches. Das Membranpotenzial (MP) des postsynaptischen Neurons wird mit einer Mikroelektrode registriert und ist im rechten Bildteil als Funktion der Zeit dargestellt. Zum Zeitpunkt t0 bindet der Transmitter an den Rezeptor; EPSC/IPSC = exzitatorischer/inhibitorischer postsynaptischer Strom („current“), EPSP/IPSP = exzitatorisches/inhibitorisches postsynaptisches Potenzial. a Ionenströme und Potenziale an einer exzitatorischen Synapse. b Ionenströme und Potenziale an einer inhibitorischen Synapse.

Bestimmung des Gesamtstroms an ligandengesteuerten Ionenkanälen. Ö = Öffnung, S = Schließung des Kanals. a Messanordnung. Einem Membranflecken (Patch) wird ein konstantes Membranpotenzial aufgezwungen. Dann wird ein Transmitter an die Außenseite appliziert, und die durch diese Applikation ausgelösten Membranströme werden gemessen. b Ströme durch 7 Kanäle, die durch den Transmitter geöffnet werden. c Addition der Ströme durch die 7 Kanäle zu einem einwärts gerichteten Gesamtstrom.

[3.5]

Mechanismus der präsynaptischen HemmungHemmung:präsynaptische durch präsynaptische Depolarisation. Die präsynaptischen Fasern 1 und 2 werden elektrisch stimuliert (St1, St2), gleichzeitig wird das Membranpotenzial aus den Endformationen der präsynaptischen Fasern (MP1 und MP2) sowie aus dem postsynaptischen Neuron (MP3) abgeleitet. a Die präsynaptische Faser 1 bildet eine Synapse am postsynaptischen Neuron, das eine Rezeptor-Kanal-Struktur enthält. Die präsynaptische Faser 2 bildet mit der Endformation der präsynaptischen Faser 1 ebenfalls einen synaptischen Kontakt („Synapse an Synapse“). b Eine isolierte Reizung der präsynaptischen Faser 1 (St1) löst in deren Endstruktur ein Aktionspotenzial (AP, MP1) aus, das im postsynaptischen Neuron ein exzitatorisches postsynaptisches Potenzial (EPSP) hervorruft (MP3). Eine isolierte Reizung der präsynaptischen Faser 2 (St2) löst in deren Endstruktur ein AP aus (MP2), das in der Endstruktur der präsynaptischen Faser 1 ein EPSP hervorruft (MP1), während im postsynaptischen Neuron jede Reaktion fehlt (MP3). Bei gekoppelter Reizung beider Fasern (erst Faser 2, dann Faser 1) kann aufgrund der Depolarisation (während des EPSP) in der Endformation der Faser 1 nur ein AP geringer Amplitude und Steilheit entstehen (MP1). Da das Ausmaß der Transmitterfreisetzung von der Änderung des Membranpotenzials abhängt, wird in diesem Fall von der Endformation der Faser 1 eine geringere Transmittermenge freigesetzt. Dementsprechend nimmt das EPSP im postsynaptischen Neuron ab (MP3). Die gekoppelte Aktivierung reduziert also die synaptische Exzitation des postsynaptischen Neurons, die über die Faser 1 vermittelt wird.

Summation und Interaktionen von EPSP und IPSP. Zeitliche und räumliche Summation von exzitatorischen (EPSP) und inhibitorischen postsynaptischen Potenzialen (IPSP) sowie Interaktionen von EPSP und IPSP. An einem postsynaptischen Neuron bilden die Fasern 1 und 2 exzitatorische, die Fasern 3 und 4 inhibitorische Synapsen. Die Aktionspotenziale, die sich über die Fasern 1–4 den zugehörigen Synapsen nähern, werden mithilfe von extrazellulären Elektroden abgeleitet.

[3.1]

Rückwärts-Rückwärtshemmung:Erregungsausbreitung\"\iErregungsausbreitung:Rückwärtshemmung\"\i und Vorwärtshemmung:Erregungsausbreitung\"\iErregungsausbreitung:Vorwärtshemmung\"\iVorwärtshemmung in Neuronennetzen. a Rückwärtshemmung: Eine Erregung des „Startneurons“ (1) resultiert über eine Aktivierung des nachfolgenden inhibitorischen Neurons (2) in einer Hemmung. b Vorwärtshemmung: Eine Erregung des „Startneurons“ (1) aktiviert das nachfolgende inhibitorische Neuron (4) und unterdrückt damit die Erregungsweiterleitung in der parallelen Neuronenkette, verhindert also, dass ein von 2 kommendes Aktionspotenzial in 3 ein Aktionspotenzial auslöst.

[3.1]

Kontrastbildung, laterale Hemmung\"\iKontrastbildung durch laterale Hemmung. Die Frequenz der Aktionspotenziale in den Neuronenketten ist durch die Anzahl der Querstriche auf den Fasern symbolisiert. Exzitatorische Neurone sind grün, inhibitorische Neurone rot dargestellt. a Neuronenketten ohne inhibitorische Neurone. Die Aktivierung der „Zielneurone“ (blaue Fläche unterhalb der Neuronenketten) entspricht derjenigen der Startneurone. b Neuronenketten mit inhibitorischen Neuronen. Durch die Hemmung der Neuronenketten neben der zentralen Kette entsteht ein Hemmungssaum direkt neben der zentralen Aktivierungszone.

Neuronenverband:Hemmung\"\iHemmung:Neuronenverband\"\iHemmung und Neuronenverband:Bahnung\"\iBahnung:Neuronenverband\"\iBahnung. Im linken Bildteil ist eine Neuronenkette aus den exzitatorischen Neuronen 3 und 4 dargestellt. Dem Neuron 3 sind das exzitatorische Neuron 1 und das inhibitorische Neuron 2 vorgeschaltet. Im rechten Bildteil ist für das Neuron 1 eine Daueraktivität aufgezeichnet, d.h., das Neuron 3 erhält einen regelmäßigen exzitatorischen Zustrom. Entladungen des Neurons 2 lösen im Neuron 3 dagegen inhibitorische postsynaptische Potenziale aus, wodurch das Membranpotenzial über den Ruhewert von –70 mV ansteigt und keine neuen Aktionspotenziale mehr entstehen (Inhibition). In der Folge erhält das Neuron 4 keine bahnenden Impulse mehr, wodurch das Membranpotenzial bis zum Ruhewert von –70 mV ansteigt und ebenfalls keine Aktionspotenziale mehr entstehen (Neuronenverband:Disfazilitation\"\iDisfazilitation:Neuronenverband\"\iDisfazilitation). Beendet das inhibitorische Neuron 2 seine Aktivität, überwiegen wieder die exzitatorischen Einflüsse des Neurons 1, und somit wird das Neuron 3 enthemmt (Neuronenverband:Disinhibition\"\iDisinhibition:Neuronenverband\"\iDisinhibition). Die vom Neuron 3 wieder gebildeten Aktionspotenziale führen im Neuron 4 zu einer Bahnung (Fazilitation) und dadurch dazu, dass auch hier wieder Aktionspotenziale gebildet werden.

[3.6]

Neuronenverband:Erregungsspeicherung\"\iNeuronenverband zur Erregungsspeicherung\"\iErregungsspeicherung. Exzitatorische Neurone sind grün, inhibitorische Neurone rot dargestellt. Durch eine einmalige Aktivierung des exzitatorischen Neurons 1 über den Eingang E1 kann in dem Neuronenkreis (Neurone 1–6) bei hinreichender Bahnung eine Erregung gespeichert werden, die über das Neuron 7 immer wieder einem Effektor zufließt. Durch eine Aktivierung des inhibitorischen Neurons 8 über den Eingang E2 kann das Neuron 7 gehemmt und der Zufluss zum Effektor unterbunden werden. Die Erregungsspeicherung im Neuronenkreis bleibt dabei erhalten. Eine Aktivierung des inhibitorischen Neurons 9 über den Eingang E3 hemmt das Neuron 3 und unterdrückt damit die kreisende Erregung (Löschung des Erregungsspeichers).

[3.1]

Abhängigkeit des Membranpotenzial:Gliazellen\"\iGliazellmembranpotenzials von der neuronalen Erregung. Ein Anstieg der extrazellulären K+-KonzentrationKaliumkonzentration:extrazelluläre, wie sie bei anhaltender neuronaler Erregung vorkommt, führt zur Depolarisation des Gliazellmembranpotenzials. Im jeweils linken Bildteil sind die Ableitungsanordnungen mit intrazellulären Mikroelektroden, im rechten Bildteil die entsprechenden Registrierungen wiedergegeben. a Die extrazelluläre Applikation von K+ führt zu einer durchgehenden Depolarisation der Gliazelle. b Das Aktionspotenzial im Neuron entsteht, indem Na+ ein- und K+ ausströmt. c Bei einer Serie von Aktionspotenzialen in einem Neuron steigt die extrazelluläre K+-Konzentration deutlich an. In benachbarten Gliazellen kommt es dadurch zur durchgehenden Depolarisation.

Räumliche K+-Pufferung durch Gliazellen. Kaliumpufferung\"\iGliazelle:Kaliumpufferung\"\iEin Neuron befindet sich in unmittelbarer Nachbarschaft zum Ende einer Kette von Gliazellen. Das Membranpotenzial (MP) des Neurons wird mit einer Mikroelektrode registriert und ist als Funktion der Zeit wiedergegeben. Das MP der Gliazellen ist in Zuordnung zur gesamten Ausdehnung der Zellkette dargestellt. Bei einer Serie von Aktionspotenzialen im Neuron steigt die extrazelluläre K+-KonzentrationKaliumkonzentration:extrazelluläre und bewirkt eine Depolarisation der benachbarten Gliazelle. Diese Depolarisation breitet sich elektrotonisch auf die übrige Gliazellkette aus. In der Nähe des Neurons ist das K+-Kaliumgleichgewichtspotenzial:Gliazellen\"\iGleichgewichtspotenzial (EK+) der Gliazelle weniger negativ als das MP, sodass K+ in die Gliazelle einströmt. Am anderen Ende der Gliazellkette ist das MP weniger negativ als das EK+, sodass K+ aus der Gliazelle ausströmt. Auf diese Weise wird K+ – in Abhängigkeit von der neuronalen Aktivität – im Gewebe umverteilt.

Aufbau der Blut-Hirn-Blut-Hirn-Schranke:Aufbau\"\iSchranke. Anatomisches Substrat der Blut-Hirn-Schranke sind die Endothelzelle:Blut-Hirn-Schranke\"\iEndothelzellen der Hirnkapillaren, zwischen den Astrozyten verbleiben dagegen so große Spalten, dass auch große Moleküle hindurchtreten können. a Räumliche Anordnung. b Querschnitt.

Regional gesteigerte Durchblutung beim Sprechen. Die beim Sprechen aktivierten Hirnregionen werden stärker durchblutet. Solche regionalen Steigerungen der Durchblutung sind sensitive Indikatoren für funktionelle Aktivierungen des Gehirns. Rot = Anstieg der Durchblutung auf Werte über 20% des Ausgangswertes, gelb = Anstieg auf Werte unter 20%.

Regulierende Faktoren der Hirndurchblutung:Regulation\"\iHirndurchblutungGehirn:Durchblutung. Die neurogene Regulation hat ihren Schwerpunkt an den in der Pia mater gelegenen Arterien (große Gefäße), die funktionsabhängige und metabolische Regulation wird dagegen eher an den Arteriolen im Gewebe wirksam.

Autoregulation der Hirndurchblutung:Autoregulation\"\iGehirn:Autoregulation\"\iHirndurchblutungGehirn:DurchblutungAutoregulation:Durchblutung. Im autoregulierten Bereich wird die Durchblutung bei wechselndem Perfusionsdruck weitgehend konstant gehalten. Wegen des niedrigen intrakranialen Drucks kann der Perfusionsdruck in erster Näherung mit dem arteriellen BlutdruckBlutdruck:arterieller gleichgesetzt werden. Bei hohen Perfusionsdrücken können die Hirngefäße gegen den Innendruck keine ausreichende Gegenkraft entwickeln: Sie werden aufgedehnt, ihr Widerstand sinkt, und die Hirndurchblutung steigt stärker an, als durch die Druckerhöhung zu erwarten ist. Bei niedrigem Perfusionsdruck reicht die Dilatation der Hirngefäße nicht aus, um die Durchblutung aufrechtzuerhalten. Bei extrem niedrigem Druck (Herzstillstand) verengen sich die Gefäße durch ihre elastischen Rückstellkräfte.

Zentralnervöse Veränderungen bei akutem Durchblutungsstopp des Gehirns.

Gehirn:InfarktIonenkonzentrationen von K+, Na+ und Cl im Intra- und Extrazellulärraum von erregbaren Zellen (Nervenzellen, Skelett- und Herzmuskelfasern) bei Warmblütern. Die Werte schwanken stark je nach Untersuchungsverfahren und untersuchtem Gewebe.Ionenkonzentration:IntrazellulärraumIonenkonzentration:ExtrazellulärraumIntrazellulärraum:IonenkonzentrationenExtrazellulärraum:Ionenkonzentrationen

Tab. 3.1
Ion Intrazellulärraum Extrazellulärraum
K+ 120–150 mmol/l 4–5 mmol/l
Na+ 5–15 mmol/l 140–150 mmol/l
Cl 4–5 mmol/l 120–150 mmol/l

Einteilung der Nervenfasern nach Erlanger und Gasser.

[3.3]

Tab. 3.2
Faserdurchmesser Fasergruppe Leitungsgeschwindigkeit (etwa) Funktion
3–20 μm 80–120 m/s motorische Impulse, afferente Impulse von Muskelspindeln und Sehnenorganen
β 60 m/s Berührungsimpulse der Haut
γ 40 m/s efferente Impulse zu den kontraktilen Abschnitten der intrafusalen Muskelfasern
δ 20 m/s Impulse von Mechanorezeptoren, Kalt-, Warm- und Schmerzrezeptoren der Haut (rasche Schmerzfasern)
1–3 μm B 10 m/s präganglionäre vegetative Fasern
1 μm (marklos) C 1 m/s postganglionäre vegetative Fasern und afferente Fasern des Grenzstrangs, Impulse von Mechano-, Kalt- und Warmrezeptoren, langsame Schmerzfasern

Einteilung der Nervenfasern nach Lloyd und Hunt.

Tab. 3.3
Faserdurchmesser Fasergruppe Leitungsgeschwindigkeit (etwa) Funktion
13 μm I 80–120 m/s Ia: afferente Impulse von MuskelspindelnIb: afferente Impulse von Sehnenorganen
9 μm II 60 m/s Berührungsimpulse der Haut
3 μm III 15 m/s afferente Impulse von tiefen Mechanorezeptoren des Muskels
1 μm (marklos) IV 1 m/s langsame Schmerzfasern

Rezeptortypen für Glutamat und GABA mit einigen ihrer wichtigsten Agonisten und Antagonisten sowie ihrer Wirkung auf Ionenströme und Zellmetabolismus (metabotrope Wirkung).Rezeptor:GlutamatRezeptor:GABANMDA-Rezeptor:GlutamatrezeptorenKainat-RezeptorGlutamat:WirkungenGlutamat:RezeptorenGABA:WirkungenGABA:RezeptorenAntagonist:GlutaminAntagonist:GABAAMPA-Rezeptor

Tab. 3.4
Transmitter Rezeptortypen Wirkung Agonist Antagonist
Ionenströme Gesamtwirkung
Glutamat NMDA-Rezeptor ↑ für Na+, K+, Ca2+ depolarisierend (exzitatorisch) N-Methyl-D-Aspartat APV
AMPA-Rezeptor ↑ für Na+, K+, (Ca2+) AMPA CNQX
Kainat-Rezeptor ↑ für Na+, K+ Kainat CNQX
metabotroper Glutamatrezeptor Metabolismus tACPD MCPG
GABA GABAA-Rezeptor ↑ für Cl hyperpolarisierend (inhibitorisch) Muscimol Bicucullin, Picrotoxin
GABAB-Rezeptor ↑ für K+ Baclofen Saclofen
GABAC-Rezeptor ↑ für Cl CACA TPMPA, Picrotoxin

AMPA = α-Amino-3-Hydroxy-5-Methylisoxazol-4-Propionsäure; tACPD = trans-(±)-1-Amino-1,3-Cyclopentandicarbonsäure; APV = 2-Amino-5-Phosphovaleriansäure; CNQX = 6-Cyano-7-Nitroquinoxalin-2,3-Dion; MCPG = α-Amino-4-Carboxy-α-Methylphenylessigsäure; CACA = cis-4-Aminocrotonsäure; TPMPA = (1,2,5,6-Tetrahydropyridin-4-yl) Methylphosphinsäure

Zusammensetzung von Blutplasma und Liquor.Proteine:LiquorProteine:BlutplasmaNatrium:LiquorNatrium:BlutplasmaLiquor cerebrospinalis:ZusammensetzungKalzium:LiquorKalzium:BlutplasmaKalium:LiquorKalium:BlutplasmaGlukose:LiquorGlukose:BlutplasmaChlorid:LiquorChlorid:Blutplasma

Tab. 3.5
Substanz Blutplasma Liquor
Natrium 145 mmol/l 147 mmol/l
Kalium 4,6 mmol/ll 3 mmol/l
Kalzium 2,5 mmol/ll 1,2 mmol/l
Chlorid 102 mmol/ll 120 mmol/l
Glukose 5 mmol/ll 3,3 mmol/l
Proteine 75 g/ll 0,2 g/l

Allgemeine Neurophysiologie

  • 3.1

    Ruhemembranpotenzial16

    • 3.1.1

      Elektrolyte im Intra- und Extrazellulärraum16

    • 3.1.2

      Treibende Kräfte des Ruhemembranpotenzials16

    • 3.1.3

      Änderungen des Ruhemembranpotenzials20

  • 3.2

    Aktionspotenzial22

    • 3.2.1

      Spannungsabhängige Ionenkanäle22

    • 3.2.2

      Ablauf des Aktionspotenzials23

    • 3.2.3

      Charakteristika des Aktionspotenzials24

    • 3.2.4

      Reiz und Erregungsauslösung27

  • 3.3

    Erregungsleitung30

    • 3.3.1

      Typen der Erregungsleitung30

    • 3.3.2

      Extrazelluläre Potenziale32

    • 3.3.3

      Leitungsgeschwindigkeit von Nervenfasern33

    • 3.3.4

      Stofftransport in Nervenfasern (intraaxonaler Transport)33

  • 3.4

    Erregungsübertragung35

    • 3.4.1

      Formen der Erregungsübertragung35

    • 3.4.2

      Transmitter und Transmitter-Rezeptor-Komplex36

    • 3.4.3

      Postsynaptische Potenziale38

    • 3.4.4

      Aspekte der Erregungsübertragung40

  • 3.5

    Erregungsausbreitung im Neuronenverband43

    • 3.5.1

      Prinzipien der Erregungsausbreitung43

    • 3.5.2

      Erregungsspeicherung im Neuronenverband45

  • 3.6

    Physiologie der Gliazellen46

    • 3.6.1

      Beeinflussung des Mikromilieus47

    • 3.6.2

      Funktionen bei der synaptischen Übertragung48

  • 3.7

    Blut-Hirn-Schranke, Liquor cerebrospinalis48

    • 3.7.1

      Blut-Hirn-Schranke49

    • 3.7.2

      Blut-Liquor-Schranke und Liquor cerebrospinalis49

  • 3.8

    Hirndurchblutung50

    • 3.8.1

      Werte in Ruhe und bei Aktivierung50

    • 3.8.2

      Regulation51

Zur Orientierung

Die zentrale Aufgabe des Nervensystems besteht darin, Informationen aufzunehmen, weiterzuleiten, zu verarbeiten und (wieder) abzugeben. Zur Erfüllung dieser Aufgabe werden im Wesentlichen elektrische Signale benutzt. Folgende Nervensystem:GrundmechanismenGrundmechanismen können beobachtet werden:

  • Entwicklung von Bioelektrizität an den Membranen einzelner Neurone (Ruhemembranpotenzial)

  • Änderungen der bioelektrischen Aktivität zur Verschlüsselung von Informationen (Aktionspotenziale)

  • Weiterleitung der Aktivitätsänderungen (Erregungsleitung)

  • Übertragung der Bioelektrizität auf andere Neurone (Erregungsübertragung und ausbreitung im Neuronenverband)

  • Einstellung des neuronalen Mikromilieus als Voraussetzung für die Entstehung bioelektrischer Signale (Physiologie der Gliazellen)

Ruhemembranpotenzial

Zellmembran:RuhemembranpotenzialRuhemembranpotenzialNeuron:RuhemembranpotenzialNervenzelle:RuhemembranpotenzialMembranpotenzial:RuheR. Köhling, E.-J. Speckmann, D. Swandulla

Zur Orientierung

Über der Membran einer Nervenzelle – wie über fast allen anderen Zellmembranen des Organismus – besteht ein elektrisches Potenzial. Dieses Membranpotenzial oder Ruhemembranpotenzial entsteht nach den Regeln der allgemeinen Elektrizitätslehre durch einen Ionenstrom. Das Membranpotenzial bildet die Grundlage für eine bioelektrische Aktivität, die zur Codierung und Weiterleitung von Informationen dient.

Elektrolyte im Intra- und Extrazellulärraum

Intrazellulärraum:ElektrolyteExtrazellulärraum:ElektrolyteElektrolyte:IntrazellulärraumElektrolyte:ExtrazellulärraumIntra- und extrazellulär befinden sich in Wasser gelöste Salze. Natriumchlorid (Kochsalz, NaCl) und Kaliumchlorid (KCl) sind von großer Bedeutung für die Funktion von Nerven- und Muskelzellen. In wässriger Lösung sind diese Salze in ihre Bestandteile Natrium, Kalium und Chlorid zerfallen. Die bei dieser Dissoziation entstandenen Teilchen sind geladen und können in einem elektrischen Feld wandern. Sie werden als (Natrium-, Kalium- und Chlorid-)IonenIonen bezeichnet:
  • Natrium- und Kaliumionen haben eine positive Ladung (Na+, K+). Deshalb werden sie durch den negativen Pol eines elektrischen Felds (Kathode) angezogen und dementsprechend als KationenKationen bezeichnet.

  • Chloridionen sind negativ geladen (Cl) und heißen AnionenAnionen, da sie zum positiven Pol eines elektrischen Felds (Anode) wandern. Neben den Chloridionen kommen besonders im Intrazellulärraum auch große, nur schwer bewegliche Anionen, die Proteine, vor.

Treibende Kräfte des Ruhemembranpotenzials

Ruhemembranpotenzial:treibende KräfteDie elektrische Aktivität an Nervenzellen entsteht in den folgenden – theoretischen – Teilprozessen, die auch für ihre Aufrechterhaltung verantwortlich sind (Abb. 3.1).
Natrium-Kalium-Pumpe
Ruhemembranpotenzial:Natrium-Kalium-PumpeIm thermodynamischen Gleichgewicht wären Na+ und K+ gleichmäßig zwischen intra- und extrazellulärem Raum verteilt (Abb. 3.1a). In der Membran der Nervenzelle befindet sich jedoch ein Transportsystem (Na+/K+-Na+/K+-Pumpe:RuhemembranpotenzialIntrazellulärraum:Na+/K+-PumpeExtrazellulärraum:Na+/K+-PumpePumpe), das Na+ aus der Zelle heraus- und gleichzeitig K+ in die Zelle hineinbringt (Abb. 3.1b). Intrazellulär steigt dadurch die K+-Konzentration, während die Na+-Konzentration abfällt. Im Extrazellulärraum ist es umgekehrt.

MERKE

Na+ und K+ werden Ischämie:GehirnInfarkt:GehirnHirntod:FeststellungHirntod:DefinitionHirndrucksteigerungGehirn:DrucksteigerungjeweilsHirntod:Diagnostik vom Ort der niedrigeren zum Ort der höheren Konzentration transportiert.

Energiebereitstellung für die Na+/K+-PumpeNa+/K+-Pumpe:EnergiebereitstellungDer „bergauf“ gerichtete Kationenaustausch, der bildlich als Na+/K+-Pumpe bezeichnet wird, setzt die Bereitstellung von Energie aus dem Zellstoffwechsel voraus. Dabei werden zunächst Substrate geliefert, z.B. in Form von Glukose und Sauerstoff. Diese Substrate werden im Zellinneren umgewandelt und die gewonnene Energie durch die Synthese von Adenosintriphosphat (ATP (Adenosintriphosphat):Na+/K+-PumpeATP) aus Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat (P) zellständig gespeichert. Im ATP-Molekül liegt die Energieform vor, die für die Aktivitäten der Zellen unmittelbar genutzt werden kann. Wird ATP in seine Ausgangsbestandteile ADP und P gespalten, wird die gespeicherte Energie wieder freigegeben und kann für eine Umstrukturierung des großen Pumpenmoleküls in der Nervenzellmembran verwendet werden. Gekoppelt an diese Konformationsänderungen wird K+ in die Zelle hinein- und Na+ aus der Zelle herausbefördert, und zwar in einer Stöchiometrie von 2 K+/3 Na+/1 ATP. Die Aktivität der Na+/K+-Pumpe wird von der Konzentration der Ionen an beiden Seiten der Membran bestimmt: Je mehr Na+ im Intrazellulärraum und je mehr K+ im Extrazellulärraum ist, desto intensiver ist der Ionenaustausch.
Weil die Na+/K+-Pumpe durch Na+ und K+ aktiviert und dabei ATP in ADP und P gespalten wird, heißt sie auch Na+/K+-ATPase.
Elektrogenität der Na+/K+-PumpeNa+/K+-Pumpe:ElektrogenitätElektrogenität, Na+/K+-PumpeDie aktiven Ionentransportprozesse können direkt zum Ruhemembranpotenzial beitragen. Dabei ist ein aktiver K+- und Na+-Transport durch die Zellmembran Elektroneutralitätelektroneutral, wenn Kationen äquivalent ausgetauscht werden: Es wird keine Ladung verschoben, und es entsteht kein Potenzial. Die meisten Na+/K+-Pumpen erzeugen jedoch ein Potenzial, sind also elektrogen. Sie befördern z.B. 3 Na+-Ionen aus der Zelle heraus und 2 K+-Ionen hinein und verändern somit das Membranpotenzial:ElektrogenitätMembranpotenzial.
Insgesamt führt die Tätigkeit der Na+/K+-Pumpe dazu, dass die ursprünglich gleichmäßig verteilten Ionen jetzt ungleichmäßig verteilt sind und diese Verteilung auch aufrechterhalten wird (Abb. 3.1b).
Ionenkonzentrationsgradienten als erste treibende Kraft
Entstehung des GradientenRuhemembranpotenzial:IonenkonzentrationsgradientenIonenkonzentration:GradientDurch die Wirkung der Ionenpumpe befinden sich in der Zelle schließlich sehr viele K+- und wesentlich weniger Na+-Ionen (und extrazellulär umgekehrt). Das bedeutet, dass sich über der Membran ein Konzentrationsgradient für Na+ und K+ ausgebildet hat. Die intrazelluläre K+-Kalium:IonenkonzentrationenKonzentration ist etwa 30-mal höher als die extrazelluläre und die extrazelluläre Konzentration von Natrium:IonenkonzentrationenNa+ 10–30-mal höher als die intrazelluläre (Tab. 3.1). Auch für Chlorid:IonenkonzentrationenCl bildet sich durch die Wirkung eines aktiven, energieverbrauchenden Transports ein Konzentrationsgradient über der Membran aus. So ist die extrazelluläre Cl-Konzentration ca. 30-mal höher als die intrazelluläre (Tab. 3.1).

MERKE

Aus den Konzentrationsgradienten für die Ionen resultiert eine erste treibende, d.h. auf eine Bewegung hinzielende Kraft (dicke Pfeile in Abb. 3.1). Sie ist vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration gerichtet, d.h., sie treibt K+ aus der Zelle heraus und Na+ umgekehrt in die Zelle hinein (Abb. 3.2 oben).

Ionenkanäle in der MembranZellmembran:IonenkanalMembran:IonenkanalIonenkanal:MembranDie treibenden Kräfte, die durch die Konzentrationsgradienten entstehen, können nur dann zu Ionenbewegungen führen, wenn die Membran für Ionen durchlässig ist. Im Modell der Abb. 3.1 ist sie das für K+ – für Na+ jedoch nicht. Porenförmige Ionenkanäle, von Eiweißkörpern gebildet, ermöglichen diese Permeabilität (Abb. 3.6 und Abb. 3.20). Sie zeichnen sich durch 2 Eigenschaften aus:
  • IonenselektivitätIonenselektivitätZellmembran:IonenkanalIonenkanal:Membran: Die Kanäle lassen nur bestimmte Ionen passieren, was einerseits auf der Größe der hydratisierten Ionen im Verhältnis zum Kanaldurchmesser beruht, während andererseits „Energiehürden“ in den Kanälen eine Rolle spielen, die sich u.a. aus der Bindungsaffinität des hindurchtretenden Ions im Kanal ergeben.

  • Wechsel der Membran:IonenkanalKonformationZellmembran:Ionenkanal (Abb. 3.6b): Ionenkanäle nehmen unterschiedliche Konformationszustände an. Sie können für die betreffenden Ionen durchlässig (offen, aktiviert) oder undurchlässig (geschlossen, inaktiviert) sein.

Registrierung von Ionenströmen durch MembrankanäleZellmembran:Registrierung von IonenströmenIonenstrom:RegistrierungIonenströme durch Membrankanäle werden mit der sog. Spannungsklemme (Voltage-Clamp; Abb. 3.3) registriert. Dabei wird über einer Membran, die Ionenkanäle enthält, ein Potenzial eingestellt und konstant gehalten. Um dieses Potenzial auf einen konstanten Wert „klemmen“ zu können, muss jeder Ionenstrom, der durch Membrankanäle fließt, durch einen Gegenstrom kompensiert werden. Der zur Kompensation zugeführte Strom entspricht damit dem Ionenstrom durch die Membrankanäle bei dem eingestellten Potenzial. Er kann registriert und aufgezeichnet werden (Abb. 3.8 und Abb. 3.23).
Möchte man die Ströme durch einzelne Kanäle erfassen, saugt man mit einer Kapillare einen mikroskopisch kleinen Membranfleck (Patch) an, in dem sich ein Kanal befindet bzw. der nur wenige Kanäle enthält. Mithilfe einer Modifikation der Voltage-Clamp-Methode kann das Potenzial über dem Membranfleck eingestellt und der Stromfluss durch Einzelkanäle aufgezeichnet werden (Abb. 3.3). Bei einer solchen „Patch-Patch-Clamp-TechnikClamp“-Registrierung zeigt sich, dass die meisten Membrankanäle, abhängig vom jeweiligen Kanaltyp und Aktivierungszustand des Kanals, bei konstantem Potenzial schnell zwischen geöffnetem und geschlossenem Zustand wechseln.
Kaliumauswärtsstromund MembranpotenzialKalium:AuswärtsstromMembranpotenzial:KaliumauswärtsstromDie Zellmembran ist unter Ruhebedingungen für K+ durchlässig. Diese Permeabilität für K+ ist durch Ionenkanäle gegeben, die offen sind, ohne dass sie durch eine Potenzialverminderung an der Membran (s.a. Kap. 3.2.2) oder durch die Wirkung eines Transmitters (Kap. 3.4.2) aktiviert wurden. Daher werden diese Ionenkanäle als KaliumleckkanalKaliumleckkanäle bezeichnet. So diffundiert zunächst nur K+ durch die Membran. Aufgrund des Konzentrationsgradienten strömt sehr viel K+ durch die offenen Kanäle aus der Zelle heraus und vergleichsweise wenig in die Zelle hinein, sodass sich ein Nettoauswärtsstrom von K+ ergibt. Es entsteht ein elektrisches Feld, dessen negativer Pol im Zellinneren liegt (Abb. 3.1c, Abb. 3.2). Dieser Strom über die Leckkanäle ist Ursache des Ruhemembranpotenzial:KaliumauswärtsstromMembranpotenzial:KaliumauswärtsstromRuhemembranpotenzials: Fließt ein Kaliumleckstrom von etwa 100 Picoampere (10–10 A) über einen Widerstand (Leckkanäle) von etwa 1 Gigaohm (109 Ω), dann fällt nach dem Ohmschen Gesetz eine Spannung von 100 Millivolt (100 mV) ab, was etwa dem Ruhemembranpotenzial entspricht, das üblicherweise bei –80 mV liegt. Damit die Zelle weder schrumpft noch platzt, müssen die positiven und negativen Ladungen innerhalb und außerhalb der Zelle dabei im Gleichgewicht liegen; dies gilt auch für die Gesamtzahl der osmotisch aktiven Teilchen. So findet sich letztlich etwa genauso viele Na+- wie Cl-Ionen extrazellulär, während die intrazelullären K+-Ionen durch die großen Eiweißanionen ausgeglichen werden, die in der Zelle verbleiben.
Messung des MembranpotenzialsMembranpotenzial:MessungDie Höhe des Membranpotenzials kann an einzelnen Neuronen mit Mikroelektroden (Glasröhrchen mit einem Spitzendurchmesser von 0,1–1 μm) gemessen werden (Abb. 3.4). Eine solche Spitze kann man in eine Nervenzelle einführen, ohne sie in ihrer Aktivität zu stören. Füllt man das Innere des Glasröhrchens mit einer Elektrolytlösung, erhält man eine elektrisch leitende Verbindung zum Intrazellulärraum:MembranpotenzialmessungIntrazellulärraum. Um das Membranpotenzial zu messen, wird dann noch eine weitere, meist größere Elektrode im Extrazellulärraum:ReferenzelektrodeExtrazellulärraum angebracht (Referenzelektrode:MembranpotenzialmessungReferenzelektrode). Verbindet man nun die intra- und die extrazelluläre Elektrode mit einem Gerät zur Messung der elektrischen Spannung, wird direkt das Membranpotenzial angezeigt. Das intrazelluläre Potenzial kann aber nicht nur mit einer solchen „scharfen Mikroelektrode“ registriert werden, sondern auch mit der Patch-Clamp-Technik (Abb. 3.3). Dazu wird der Membranfleck („Patch“) nicht nur angesaugt, sondern mit einer speziellen Elektrode eröffnet, um einen elektrischen Zugang zum Zellinneren zu erhalten (sog. Whole-Cell-Whole-Cell-ConfigurationConfiguration der Patch-Clamp-Technik).
Das elektrische Feld als zweite treibende Kraft und das Kaliumgleichgewichtspotenzial
Entstehung des FeldesRuhemembranpotenzial:elektrisches FeldKaliumgleichgewichtspotenzialGleichgewichtspotenzial:KaliumFeld:elektrischesMembranpotenzial:RuheDas durch den K+-Ausstrom entstehende Membranpotenzial bildet eine zweite treibende Kraft für die Ionenbewegung: K+ wandert aufgrund seiner positiven Ladung in einem elektrischen Feld zum negativen Pol. Das bedeutet, dass K+ durch die intrazelluläre Negativität, die mit dem Ausstrom dieser Ionen progredient wächst, in zunehmendem Maße angezogen wird.

MERKE

Die zweite treibende Kraft, die aus dem elektrischen Feld resultiert und K+ in das Zellinnere hineinzieht, wirkt der ersten treibenden Kraft entgegen. Daher ist der K+-Ausstrom begrenzt. Er sistiert, sobald beide Kräfte im Gleichgewicht stehen.

Das dabei gemessene Membranpotenzial wird als Kaliumgleichgewichtspotenzial bezeichnet (Abb. 3.1d). In diesem Gleichgewichtszustand wandert ebenso viel K+ in Richtung des Konzentrationsgefälles durch die Membran nach außen wie in Richtung des Potenzialgradienten umgekehrt wieder in die Zelle zurückgezogen wird. Der Nettokaliumstrom ist also gleich null.

MERKE

Das K+-Gleichgewichtspotenzial liegt bei den meisten Warmblüterneuronen zwischen –80 und –90 mV. Der Intrazellulärraum:KaliumgleichgewichtspotenzialIntrazellulärraum ist dabei gegen den Extrazellulärraum:KaliumgleichgewichtspotenzialExtrazellulärraum negativ geladen.

Berechnung des GleichgewichtspotenzialsGleichgewichtspotenzial:BerechnungDas Gleichgewichtspotenzial (ÄquilibriumpotenzialÄquilibriumpotenzial E) wird durch das Verhältnis der Ionenkonzentration:GleichgewichtspotenzialberechnungIonenkonzentrationen im Intra- und Extrazellulärraum bestimmt. Es lässt sich – unter der Annahme, dass die Membran nur für Ionen eines Typs, z.B. für K+, durchlässig ist – nach der Nernst-Nernst-GleichungGleichung berechnen:
Dabei ist R = allgemeine Gaskonstante (8,3 J × K–1 × mol–1 bzw. V × A × s × K–1 × mol–1), T = absolute Temperatur (K; 273 + Grad Celsius), z = Wertigkeit des Ions (negativer Wert bei Anionen), F = Faraday-Faraday-ZahlZahl (96.500 °C × mol–1 bzw. A × s × mol–1); V = Volt, A = Ampere, s = Sekunde, K = Kelvin, J = Joule.
Fasst man die Konstanten der Gleichung zusammen und transformiert den natürlichen (ln) in den dekadischen Logarithmus (log x = 0,4343 × ln x), ergibt sich im vorliegenden Fall für eine Temperatur von 37 °C:
Bei einem Verhältnis der K+-Konzentration (mmol/l) im intra- und extrazellulären Raum von 120 : 4 (Tab. 3.1) resultiert daraus für das K+-GleichgewichtspotenzialGleichgewichtspotenzial:Kalium (EK+):
Weitere Einflüsse auf das Ruhemembranpotenzial
Ruhemembranpotenzial:EinflüsseMembranpotenzial:RuheDurch die Summe der Teilprozesse, die in Abb. 3.1 dargestellt sind, ist das Ruhemembranpotenzial an neuronalen Membranen charakterisiert. Es stimmt häufig weitgehend mit dem K+-Gleichgewichtspotenzial überein, kann aber an erregbaren Zellen auch von ihm abweichen.
An natürlichen Membranen ist die Permeabilität für verschiedene Ionensorten komplizierter als im Modell der Abb. 3.1. So sind die meisten Membranen auch für Na+ und Cl durchlässig. Ein Vergleich der relativen Permeabilitäten (P) ergibt dabei:
Pk+:PNa+:PCl-=1:0,04:0,45
Da bei Na+ beide treibenden Kräfte in das Zellinnere gerichtet sind (Abb. 3.2), reicht der Ionenstrom:RuhemembranpotenzialIonenstrom durch das „Na+-Leck“ bereits aus, um das Ruhemembranpotenzial vom K+-Gleichgewichtspotenzial in positive Richtung zu verschieben. Ist die Nervenzellmembran auch für Cl permeabel, stellt sich eine zum K+-Konzentrationsgradienten reziproke Konzentrationsverteilung im intra- und extrazellulären Raum ein (Tab. 3.1). Das ist darauf zurückzuführen, dass die nichtpermeablen Anionen im Zellinneren den Ausstrom von K+ und damit das Membranpotenzial bestimmen und dass sich Cl dem Membranpotenzial entsprechend verteilt. Die relativen Permeabilitäten erlauben eine genauere Berechnung des Membranpotenzials, indem man die Nernst-Gleichung zur Goldman-Hodgkin-Katz-Goldman-Hodgkin-Katz-GleichungGleichung erweitert:
Dabei sind [K+]i, [Na+]i und [Cl]i die intrazellulären und [K+]a, [Na+]a und [Cl]a die extrazellulären Konzentrationen der Ionen.

MERKE

Membranpotenziale an Nerven- und Muskelzellen entstehen durch die ungleiche Verteilung der verschiedenen Ionensorten im Intra- und Extrazellulärraum und die selektive Permeabilität der neuronalen Membran. Der Ionenstrom, der schließlich das Membranpotenzial aufbaut, wird durch die Kräfte bestimmt, die sich aus dem ionalen Konzentrationsgradienten und dem elektrischen Feld ergeben.

Änderungen des Ruhemembranpotenzials

Ruhemembranpotenzial:ÄnderungenMembranpotenzial:RuheBefindet sich eine Nervenzelle in Ruhe und ist sie dabei keinen äußeren Einflüssen unterworfen, stellt sich die Polarisation der Membran beim Ruhemembranpotenzial ein. Jeder Wert des Membranpotenzials, der im Vergleich dazu näher bei Null liegt, bedeutet, dass die Polarisation der Membran weniger stark ausgeprägt ist. Eine solche Veränderung der Polarisation in Richtung Nullwert wird als Depolarisation:DefinitionDepolarisation bezeichnet. Ihr steht die Hyperpolarisation:DefinitionHyperpolarisation gegenüber, also die Verstärkung der Polarisation. In Analogie dazu wird die Membranpolarisation unter Ruhebedingungen auch NormopolarisationNormopolarisation genannt.

MERKE

Depolarisation = Abschwächung des Membranpotenzials, d.h. Verschiebung zur positiven Seite.

Hyperpolarisation = Verstärkung des Membranpotenzials, d.h. Verschiebung zur negativen Seite.

Verschiebungen des Membranpotenzials können auf verschiedenen Mechanismen beruhen, unter denen Veränderungen der Konzentrationsgradienten und der Permeabilitäten der beteiligten Ionen eine besondere Rolle spielen.
Änderungen der Ionenkonzentrationsgradienten
Ionenkonzentration:GradientK+ ist intrazellulär höher konzentriert als extrazellulär. Wenn die K+-Ruhemembranpotenzial:IonenkonzentrationsänderungKaliumkonzentration:RuhemembranpotenzialIonenkonzentration:RuhemembranpotenzialKonzentration extrazellulär steigt, nimmt diese Konzentrationsdifferenz ab. Dementsprechend diffundiert dann weniger K+ pro Zeiteinheit aus der Zelle, und das Membranpotenzial wird positiver (Depolarisation:IonenkonzentrationDepolarisation). Eine Depolarisation stellt sich auch ein, wenn die K+-Konzentration im Extrazellulärraum über lange Zeit niedrig ist und daher K+ aus dem Zellinneren „ausgewaschen“ und auf diesem Wege der Konzentrationsgradient reduziert wird.
Im Vergleich zu K+ haben Änderungen der Na+-Natriumkonzentration:RuhemembranpotenzialKonzentration einen geringeren Effekt auf das Ruhemembranpotenzial, weil die Membran bei diesem Potenzial für Na+ weniger gut permeabel ist.Lösung:kardioplegeKardioplegieHerzstillstand, künstlicher

Klinik

Künstlicher HerzstillstandEin chirurgischer Eingriff am Herzen (Bypass, Herzklappenersatz, Korrektur angeborener Herzfehler) erfordert eine reversible Stilllegung des Organs. Ein solcher künstlicher Herzstillstand wird erreicht, indem die Aorta abgeklemmt wird und Lösungen mit hoher K+-Konzentration (> 20 mM) für die Perfusion der Koronararterien und des Myokards verwendet werden (sog. kardioplege Lösungen). Wird zusätzlich zur Erhöhung der K+-Konzentration die Na+-Konzentration gesenkt und damit eine ähnliche Ionenverteilung wie im Intrazellulärraum hergestellt, spricht man in der Klinik von einer „intrazellulären“ Lösung. Auch Blut kann als Vehikel für die Kardioplegie benutzt werden, indem man Kaliumionen zusetzt. Durch die hohen K+-Konzentrationen werden Depolarisationen der Herzmuskelfasern hervorgerufen. Sie führen schließlich dazu, dass der Herzmuskel unerregbar wird (Abb. 3.9a) und aufhört zu schlagen. Damit wird das Herz in einem diastolischen (schlaffen) Zustand einer sicheren Operation zugänglich.

Dieser Abschnitt wurde unter klinischer Beratung von H. H. Scheld, Münster, erstellt.

Änderungen der Ionenpermeabilitäten
DieLösung:intrazelluläreDepolarisation:HerzstillstandIonenpermeabilität, Änderung Höhe des Ruhemembranpotenzials wird auch durch die Permeabilität für verschiedene Ionensorten bestimmt:
  • Wird die Durchlässigkeit der Membran für Na+ Natrium:Ionenpermeabilitätbei gegebener Konzentrationsdifferenz erhöht, strömt mehr Na+ pro Zeiteinheit in die Zelle und führt zu einer Depolarisation.

  • Eine Permeabilitätssteigerung Kalium:Ionenpermeabilitätfür K+ bewirkt bei einem Ruhemembranpotenzial von etwa –60 mV eine Hyperpolarisation der Membran bis hin zum K+-Gleichgewichtspotenzial.

Die durch Permeabilitätsänderungen ausgelösten Verschiebungen des Ruhemembranpotenzials hängen in ihrer Richtung und Amplitude davon ab, welchen Wert das aktuelle Membranpotenzial in Bezug zum Gleichgewichtspotenzial für das betreffende Ion hat (Abb. 3.5).

MERKE

Das Membranpotenzial wird durch eine Steigerung der K+-Permeabilität:

  • negativer (Hyperpolarisation:KaliumpermeabilitätHyperpolarisation), wenn das Ausgangspotenzial positiver ist als das K+-Gleichgewichtspotenzial,

  • positiver (Depolarisation:KaliumpermeabilitätDepolarisation), wenn das Ausgangspotenzial negativer ist als das K+-Gleichgewichtspotenzial und

  • dies jeweils umso mehr, je weiter sich das Ausgangspotenzial vom K+-Gleichgewichtspotenzial entfernt.

Entsprechende Gesetzmäßigkeiten ergeben sich für Verschiebungen des Membranpotenzials, die durch selektive Änderungen der Na+- und Cl-Permeabilitäten ausgelöst werden.

ZUSAMMENFASSUNG

Nervenzellmembran und Elektrolyte

Nervenzellen besitzen Membranen, die aus Phospholipiden bestehen und in einer Doppelschicht angeordnet sind. Große Eiweißmoleküle (Proteine) sind in diese Lipiddoppelschicht eingelagert. Bestimmte Eiweißmoleküle durchsetzen die Membran, bilden porenförmige Ionenkanäle und haben damit Kontakt zur intra- und extrazellulären Seite.
Im Intra- und Extrazellulärraum befinden sich in Wasser gelöste Salze. Na+-, K+-, Ca2+- und Cl-Ionen sind von großer Bedeutung für die Zellfunktion. Sie sind asymmetrisch im Intra- und Extrazellulärraum verteilt (Tab. 3.1), was im Wesentlichen durch die – energieverbrauchende – Na+/K+-Pumpe bewirkt wird. Sie transportiert Na+ aus der Zelle heraus und gleichzeitig K+ in die Zelle hinein.

Treibende Kräfte des Ruhemembranpotenzials

Die Konzentrationsgradienten der Ionen sind vom Ort der jeweils höheren zum Ort der niedrigeren IonenkonzentrationIonenkonzentration:Gradient gerichtet. Na+ wird so in die Zelle hinein- und umgekehrt K+ aus der Zelle herausgetrieben. Das funktioniert aber nur, wenn die Membran für diese Ionen permeabel ist. Unter Ruhebedingungen ist dies vor allem für K+ der Fall. Die Kaliumkanäle sind überwiegend geöffnet („Leckkanäle“), ohne vorher durch das Membranpotenzial aktiviert worden zu sein. Der Ausstrom von K+ durch diese Kanäle in den Extrazellulärraum ist wesentlich dafür verantwortlich, dass sich über der Zellmembran ein elektrisches Feld aufbaut und ein Membranpotenzial entsteht.
Das durch den Ausstrom von K+ entstehende Potenzial ist die zweite treibende Kraft, die K+ wieder in das Zellinnere hineinzieht und somit der ersten treibenden Kraft entgegenwirkt. Sie begrenzt daher den Kaliumausstrom. Sobald beide Kräfte im Gleichgewicht sind, sistiert der Kaliumausstrom. Das Membranpotenzial, bei dem dies geschieht, wird als K+-Gleichgewichtspotenzial bezeichnet. Es liegt bei den meisten Warmblüterneuronen zwischen –80 und –90 mV.

Änderungen des Ruhemembranpotenzials

Das K+-Gleichgewichtspotenzial bestimmt entscheidend die Größe des Ruhemembranpotenzials, d.h. jenes Potenzials über der Membran, das den Ruhezustand der Nervenzellen charakterisiert. Eine Verschiebung des Membranpotenzials zum Positiven wird als Depolarisation, eine Verschiebung zum Negativen als Hyperpolarisation bezeichnet. Für Verschiebungen des Membranpotenzials spielt eine Änderung der Ionenpermeabilitäten der Membran eine wichtige Rolle.

Aktionspotenzial

R. AktionspotenzialKöhling, E.-J. Speckmann, D. Swandulla

Zur Orientierung

Zur Erzeugung und Weiterleitung von Signalen (Information) muss sich das Membranpotenzial ändern. Diese Änderungen werden durch kurz dauernde Ionenströme über die Zellmembran erzielt. Die dabei entstehenden impulsförmigen Membranpotenzialschwankungen charakterisieren den Aktivitätszustand einer Nervenzelle; sie werden als neuronale Erregungen oder Aktionspotenziale bezeichnet.

Spannungsabhängige Ionenkanäle

Aktionspotenziale als Informationsträger
Das Ionenkanal:spannungsabhängigerAktionspotenzial:InformationsträgerRuhemembranpotenzial istMembranpotenzial:spannungsabhängige Ionenkanäle konstant, weil sich die Permeabilität der am Potenzialaufbau beteiligten Ionenkanäle nicht verändert. Neurone verfügen jedoch über ein zweites Kanalsystem, das seine K+- und Na+-Leitfähigkeit für kurze Perioden ändern kann, wenn sich das Ruhemembranpotenzial vermindert. Durch Leitfähigkeitsänderungen dieser sog. spannungsgesteuerten Ionenkanäle (s.u.) kann sich das Membranpotenzial ändern.

MERKE

Die Variationen des Membranpotenzials werden als Aktionspotenziale bezeichnet und eignen sich zur Verschlüsselung (Codierung) von Informationen. Die Aktionspotenziale verschiedener Zelltypen können sich in ihrer Form erheblich unterscheiden. Sie spiegeln insgesamt die durch eine Depolarisation:AktionspotenzialDepolarisation ausgelöste neuronale Entladung wider und werden daher als neuronale Erregungen dem Ruhemembranpotenzial gegenübergestellt.

Aufbau und Funktion spannungsgesteuerter Ionenkanäle
Die für die Entstehung des Aktionspotenzials wichtigen spannungsgesteuerten Ionenkanäle Natriumkanal:spannungsabhängigerKalziumkanal:spannungsabhängigerKaliumkanal:spannungsabhängigersind jeweils für K+, Na+ oder Ca2+ selektiv durchlässig. Dementsprechend werden sie als Kalium-, Natrium und Kalziumkanäle bezeichnet. Ihre Permeabilität nimmt zu, wenn die Membran depolarisiert wird.
AufbauSpannungsgesteuerte KanäleIonenkanal:spannungsabhängiger (Abb. 3.6a) bestehen aus 4 Untereinheiten (Domänen; I–IV) und jede Untereinheit aus 6 Segmenten (α-Helices; S1–S6). Die Segmente sind in die Membran eingelagert und gehen durch extra- sowie intrazelluläre Aminosäurenketten ineinander über. Die Ionenpore selbst wird wahrscheinlich durch die Segmente 5 und 6 sowie durch die sie verbindende Aminosäurenkette aller 4 Untereinheiten gebildet. Der intrazellulären N-terminalen Aminosäurenkette wird für die Inaktivierung (s.u.) eine Bedeutung beigemessen.
FunktionszuständeDieIonenkanal:spannungsabhängiger spannungsgesteuerten Ionenkanäle können mindestens 3 Funktionszustände annehmen (Abb. 3.6b):
  • Geschlossen und aktivierbar: Die Kanäle sind in Ruhe geschlossen und können durch eine Depolarisation aktiviert, d.h. geöffnet, werden.

  • Geöffnet: Die Kanäle wurden durch eine Depolarisation aktiviert und sind geöffnet. Beim Öffnen wird das Kanalmolekül umgelagert. Die dabei auftretenden Ladungsverschiebungen sind als sog. Torströme (Gating Currents) messbar.

  • Inaktiviert: Die geöffneten Kanäle inaktivieren sich noch während der Depolarisation. Eine Depolarisation kann sie in diesem Zustand der Inaktivierung („sekundäre“ Geschlossenheit) nicht aktivieren und öffnen. Erst eine Repolarisation der Membran kann die Kanäle wieder aktivierbar machen.Ionenkanal:spannungsabhängiger

Lokalanästhetika:spannungsabhängiger Ionenkanal Tetrodotoxin, spannungsabhängiger Ionenkanal

Klinik

Pharmakaeinfluss auf IonenkanälePharmaka können die Funktionen spannungsgesteuerter Ionenkanäle beeinflussen: Tetrodotoxin (TTX) und verschiedene Lokalanästhetika (z.B. Lidocain) blockieren z.B. die Öffnung von Natriumkanälen, Tetraethylammonium (TEA) die Öffnung von Kaliumkanälen und anorganische zweiwertige Ionen (z.B. Cd2+), biologische Toxine oder sog. organische Kalziumantagonisten (Diphenylalkylamine, Dihydropyridine; Kap. 9.2, Kap. 11.3.3) die Öffnung von Kalziumkanälen. Die Inaktivierung des Natriumkanals ist durch Veratridin blockierbar.

Ablauf des Aktionspotenzials

Membranschwelle
Die Lidocain, spannungsabhängiger IonenkanalTetraethylammonium, spannungsabhängiger IonenkanalVeratridin, spannungsabhängiger IonenkanalKalziumantagonisten:spannungsabhängiger IonenkanalMembranschwelleAktionspotenzial:AblaufDepolarisation einer Nervenzelle im Labor (Abb. 3.7) entspricht in Amplitude und Form zunächst den kleinen Änderungen des „injizierten“ Stroms (s.a. Abb. 3.14). Erreicht die Depolarisation bei Erhöhung der Stromstärke jedoch einen kritischen Wert, ändert sich plötzlich die Permeabilität der spannungsgesteuerten Membrankanäle. Weil damit die Schwelle zu neuen Membranprozessen überschritten wird, charakterisiert man diesen Potenzialwert als Membranschwelle (Abb. 3.7c).
Entstehung von Aktionspotenzialen: Natriumeinwärtsstrom
Öffnung der Natriumkanäle und DepolarisationNatrium:EinwärtsstromAktionspotenzial:NatriumeinwärtsstromBei Überschreiten der Membranschwelle werden zunächst die Natriumkanäle geöffnet (aktiviert). In diesem Zustand sind für Na+ beide treibenden Kräfte – sowohl der Konzentrationsgradient als auch das elektrische Feld – auf das Zellinnere gerichtet (s.a. Abb. 3.2), sodass sehr viel Na+ in das Neuron strömt (Abb. 3.7b). Damit fließen zahlreiche Kationen in die Zelle, und der Nettostrom positiver Ladungen ist einwärts gerichtet. Das Membranpotenzial wird Membranpotenzial:Natriumeinwärtsstromzur positiven Seite verschoben (vermindert). Durch diese weitere Depolarisation steigtDepolarisation:Natriumeinwärtsstrom die Permeabilität der Natriumkanäle zusätzlich an. Deshalb nimmt in einer ersten Phase der Na+-Einstrom rasch zu – im Sinne einer positiven Rückkoppelung (Depolarisation → Na+-Einstrom → Verstärkung der Depolarisation → Verstärkung des Na+-Einstroms usw.). Schließlich strömt so viel Na+ in die Zelle hinein, dass das Membranpotenzial seine Polung wechselt, d.h., der positive Pol liegt nun im Intrazellulärraum (Abb. 3.7c). Damit ist die Depolarisation also „über die Null-Linie hinausgeschossen“. Der Betrag der Membranpotenzialänderung, der im positiven Bereich liegt, wird OvershootNatrium:Einwärtsstrom Overshoot:Natriumeinwärtsstromgenannt.
Drosselung des NatriumeinstromsIn der zweiten Phase wird der Na+-Einstrom zunehmend gedrosselt und schließlich beendet. Dafür sind 2 Mechanismen verantwortlich:
  • Die Natriumkanäle schließen sich nach kurzer Zeit (bei Nervenzellen nach ca. 1 ms) selbstständig (Inaktivierung; Abb. 3.6b).

  • Das Membranpotenzial nähert sich dem Na+-Gleichgewichtspotenzial, das im positiven Bereich liegt (Abb. 3.7c); während des Overshoots ist die treibende Kraft für Na+, die sich aus dem elektrischen Feld ergibt, in ihrer Richtung bereits umgekehrt: Na+ wird durch die Positivität des Zellinneren abgestoßen.

Durch das „Abschalten“ des Na+-Einstroms wird die Depolarisation des Neurons abgeschlossen und die Repolarisation Repolarisation:Einleitungeingeleitet.

MERKE

Entstehung von Aktionspotenzial:EntstehungAktionspotenzialen: Die Natriumkanäle öffnen sich, es strömt unter positiver Rückkoppelung so viel Na+ ein, dass sich das Membranpotenzial umkehrt und ein Overshoot entsteht. Durch die Positivität des Zellinneren wird Na+ jetzt abgestoßen, gleichzeitig werden die Natriumkanäle inaktiviert, sodass die Depolarisation des Neurons abgeschlossen ist.

Beendigung von Aktionspotenzialen: Kaliumauswärtsstrom
Öffnung der KaliumkanäleAktionspotenzial:KaliumauswärtsstromKalium:AuswärtsstromDieKaliumkanal:spannungsabhängiger durch die beendete Depolarisation eingeleitete Repolarisation während eines Aktionspotenzials wird dadurch beschleunigt und unterstützt, dass kurze Zeit nach der Öffnung der Natriumkanäle auch die Permeabilität der Kaliumpermeabilität:AktionspotenzialKaliumkanäle zunimmt. Der daraus resultierende K+-Ausstrom steigt jedoch nur vergleichsweise langsam an und erreicht sein Maximum erst, wenn der Na+-Einstrom bereits zurückgeht (Abb. 3.7b).
OvershootWährend des OvershootsKalium:Auswärtsstrom, wennOvershoot:Kaliumauswärtsstrom das elektrische Feld umgedreht und damit das Zellinnere positiv ist, wird K+ durch die geöffneten Kaliumkanäle aus der Zelle herausgedrückt (s.a. Abb. 3.2). Wie beim Na+-Strom wird die Menge der ausströmenden K+-Ionen dadurch bestimmt, wie weit die Kanäle geöffnet sind und welchen Abstand das aktuelle Membranpotenzial vom K+-Gleichgewichtspotenzial hat (Abb. 3.5).
Drosselung des KaliumausstromsWeilKalium:Auswärtsstrom die Kaliumkanäle (wie die Natriumkanäle) selbstständig inaktivieren und sich das aktuelle Membranpotenzial wieder an das Gleichgewichtspotenzial für K+ annähert, nimmt der K+-Ausstrom schließlich wieder ab.

MERKE

Beendigung von Aktionspotenzial:BeendigungAktionspotenzialen: Die Kaliumkanäle öffnen sich kurz nach den Natriumkanälen, der gesteigerte K+-Ausstrom baut das Membranpotenzial wieder auf und beendet das Aktionspotenzial (Abb. 3.7c), die Kaliumkanäle schließen sich dann wieder.

Öffnung und Schließung spannungsgesteuerter Ionenkanäle
Ionenkanal:spannungsabhängigerDas Öffnungs- und Schließungsverhalten einzelner spannungsgesteuerter Ionenkanäle lässt sich mit der Patch-Clamp-Registrierung Patch-Clamp-Technik:spannungsabhängiger Ionenkanalerfassen (Abb. 3.3). Dazu werden einzelne Kanäle durch die Patch-Elektrode umschlossen und die elektrische Spannung über den Membranflecken plötzlich für eine bestimmte Dauer gesenkt (Kommandopotenzial; Abb. 3.8a). Der Stromfluss durch die einzelnen Kanäle erlaubt einen Rückschluss auf ihre Funktion.
Die Kanäle öffnen sich pulsförmig. Sie lassen für kurze Zeit einen Ionenstrom fließen, schließen sich und öffnen sich dann erneut. NatriumkanäleNatriumkanal:spannungsabhängiger öffnen sich dabei nur zu Beginn des depolarisierenden Kommandopotenzials (Abb. 3.8b), bei KaliumkanälenKaliumkanal:spannungsabhängiger setzt die Öffnung dagegen vergleichsweise später ein und bleibt bis zum Ende der Depolarisation bestehen (Abb. 3.8c). Während dieser Unterschied zwischen Natrium- und Kaliumkanälen noch recht deutlich ist, öffnen und schließen Natrium- bzw. Kaliumkanäle auch untereinander nicht völlig einheitlich (Abb. 3.8b, c). Addiert man jedoch die Ströme auf, die während desselben Kommandopotenzials durch mehrere Kanäle fließen, ergibt sich als Summe ein Gesamtstrom (Abb. 3.8d, e), der unter vergleichbaren Bedingungen immer einen ähnlichen Verlauf zeigt. Aus den Gesamtströmen lassen sich die Natriumeinwärts- und Kaliumauswärtsströme während eines Aktionspotenzials ableiten (Abb. 3.7b).
Nachpotenziale
Hyperpolarisierendes NachpotenzialDaAktionspotenzial:Nachpotenzial der Nachpotenzial, hyperpolarisierendesKaliumauswärtsstromKalium:Auswärtsstrom bei zahlreichen Nervenzellen den NatriumeinwärtsstromNatrium:Einwärtsstrom überdauert, kehrt mit Beendigung des Aktionspotenzials das Membranpotenzial nicht nur auf den Ruhewert zurück, sondern erreicht vorübergehend Werte, die in der Nähe des K+-Gleichgewichtspotenzials liegen. Dadurch folgt auf das Aktionspotenzial ein sog. hyperpolarisierendes Nachpotenzial (Abb. 3.7c). Solche Nachpotenziale können aber auch dadurch entstehen, dass eine elektrogene Na+/K+-Pumpe ihre Aktivität steigert (s.o.).
Depolarisierendes NachpotenzialWirdAktionspotenzial:Nachpotenzial der NatriumeinwärtsstromNatrium:Einwärtsstrom mit Ablauf eines Aktionspotenzials verzögert abgeschaltet und der KaliumauswärtsstromKalium:Auswärtsstrom nur abgestuft eingeschaltet, kann sich auch ein depolarisierendes Nachpotenzial entwickeln.
Hyper- und depolarisierende Nachpotenziale sind für die Einstellung der Wiederholungsrate von Aktionspotenzialen von großer Bedeutung („Refraktärität“, s.u.).

Charakteristika des Aktionspotenzials

AutoregenerationAktionspotenzial:CharakteristikaDie Aktionspotenzial:AutoregenerationÄnderungen des Membranpotenzials Membranpotenzial:Autoregenerationwährend des Aktionspotenzials dauern insgesamt nur wenige Millisekunden und verlaufen damit impuls-, spitzen- oder nadelförmig. Sie sind aufgrund der Schließungsmechanismen der Membrankanäle autoregenerativ.
Alles-oder-nichts-RegelBei einerAktionspotenzial:Alles-oder-nichts-RegelAlles-oder-nichts-Regel kurz dauernden (elektrisch induzierten) Depolarisation (Abb. 3.7) Depolarisation:Alles-oder-nichts-Regel ist die Amplitude eines ausgelösten Aktionspotenzials unabhängig von der Höhe der Depolarisation: Wenn die Depolarisation die Membranschwelle erreicht, ist die Amplitude des Aktionspotenzials auch bei einer weiteren Zunahme der Depolarisation stets maximal. Diese Reaktionsweise einer neuronalen Membran bezeichnet man als Alles-oder-nichts-Regel. Sie ist bei allen erregbaren Membranen anzutreffen.

MERKE

Die Alles-oder-nichts-Regel besagt nicht, dass die Amplitude von Aktionspotenzialen unter allen Bedingungen konstant ist.

Abhängigkeit vom AusgangsmembranpotenzialDie Aktionspotenzial:AusgangsmembranpotenzialAmplitude der Aktionspotenziale wird vom Na+-Einstrom und damit von der Anzahl der bei einer Erregung aktivierten Natriumkanäle bestimmt. Der aktuelle Na+-Einstrom ist vom Ausgangsmembranpotenzial (also in der Regel vom Ruhemembranpotenzial) Ruhemembranpotenzial:Aktionspotenzialabhängig (Abb. 3.9a). Wenn das Ruhemembranpotenzial zur positiven Seite verschoben (vermindert) ist und diese Depolarisation für eine Weile bestehen bleibt, nimmt die Zahl der aktivierbaren NatriumkanäleNatriumkanal:spannungsabhängiger und damit der Na+-Einstrom ab. Dadurch werden Amplitude und häufig auch Steilheit der Aktionspotenziale reduziert.
Abhängigkeit vom extrazellulären IonenmilieuBei einem Aktionspotenzial:extrazelluläres Ionenmilieugegebenen Ruhemembranpotenzial werden – in einem weiten Potenzialbereich – umso mehr Natriumkanäle aktiviert, je stärker die Depolarisation ist (Abb. 3.9b). Diese Beziehung zwischen Amplitude der Depolarisation und Ausmaß der Kanalaktivierung ist vom extrazellulären Ionenmilieu abhängig, z.B. – mit klinischer Relevanz (s.u.) – von der extrazellulären Ca2+-Konzentration: SinktKalziumkonzentration:Aktionspotenzial die Ca2+-Konzentration im Extrazellulärraum, ist das Membranpotenzial u.a. wegen der geringeren Absättigung negativer Proteinladungen auf der Membran (Oberflächenladungen) positiver (vermindert), und dann genügen bereits geringere Depolarisationen, um dasselbe Ausmaß an Kanalaktivierung zu erreichen wie unter normalen Ca2+-Konzentrationen (Abb. 3.9b). Bei einer Depolarisation wird also die Membranschwelle unter diesen Umständen eher überschritten und die neuronale Erregbarkeit ist gesteigert. Eine Anhebung der extrazellulären Ca2+-Konzentration hat den umgekehrten Effekt.

MERKE

Kalzium wirkt stabilisierend auf erregbare Membranen.

Tetanie Muskulatur:glatte Hypokalzämie:Tetanie Kalziumkonzentration:Tetanie Karpopedalspasmen Kribbelparästhesie Pfötchenstellung, Tetanie\b Skelettmuskulatur:Tetanie

Klinik

TetanieSinkt die Ca2+-Konzentration im Blut (Hypokalzämie), steht eine Übererregbarkeit des Nervensystems im Vordergrund der klinischen Erscheinungen (Tetanie). Charakteristisch sind unkontrollierte Kontraktionen der Skelettmuskulatur, z.B. die Pfötchenstellung der Hände und Streckkrämpfe der Beine, sog. Karpopedalspasmen. Auch bei der glatten Muskulatur (z.B. der Bronchien) sind Spasmen zu beobachten. Kribbelparästhesien der Hände und Perioralregion sind Zeichen dafür, dass auch das sensorische System übererregt ist.

Die Ca2+-Konzentration kann zu niedrig sein, wenn über längere Zeit zu wenig Kalzium mit der Nahrung zugeführt, zu wenig Kalzium im Darm resorbiert oder zu wenig Parathormon bzw. zu viel Kalzitonin freigesetzt wird (Kap. 19.2.9). Auch ein alkalischer pH-Wert des Blutes, z.B. bei Hyperventilation oder bei häufigem Erbrechen, senkt die Ca2+-Konzentration, weil Ca2+ vermehrt an Proteine gebunden wird.

Eine niedrige Ca2+-Konzentration ist in der Regel leicht korrigierbar, indem Kalzium verabreicht und der pH-Wert im Blut zur azidotischen Seite (Hypoventilation oder CO2-Rückatmung aus einem Beutel) verschoben wird.

Dieser Abschnitt wurde unter klinischer Beratung von E. B. Ringelstein, Münster, erstellt.

RefraktäritätAktionspotenzial:RefraktäritätDie AbhängigkeitRefraktärität:Aktionspotenzial des Na+-Einstroms vom Ausgangsmembranpotenzial (Abb. 3.9a) hat zur Folge, dass eine (elektrisch induzierte) Depolarisation, die während eines Aktionspotenzials appliziert wird, auch bei Anwendung hoher Depolarisationsamplituden kein weiteres Aktionspotenzial auslösen kann.

MERKE

Die neuronale Membran verhält sich während des Ablaufs einer Erregung gegenüber weiteren induzierten Depolarisationen Depolarisation:Refraktäritätrefraktär.

In der späten Repolarisationsphase des Aktionspotenzials und während der folgenden Nachpotenziale sind die Natriumkanäle zunehmend wieder aktivierbar. In dieser Phase kann also eine zweite Depolarisation wieder ein Aktionspotenzial auslösen.
Nach dem Aktionspotenzial ist die Membranschwelle (MS) zunächst weit vom Ruhemembranpotenzial entfernt (Abb. 3.10) und stellt sich nur langsam wieder auf den Ausgangswert ein.

MERKE

Die zur Auslösung eines weiteren Aktionspotenzials notwendige Depolarisation muss umso größer sein, je früher sie sich an das vorangehende Aktionspotenzial anschließt. Amplitude und Steilheit der folgenden Aktionspotenziale sind zunächst erheblich reduziert und nähern sich erst mit weiterem Abstand zum vorangegangenen Aktionspotenzial wieder dem Ausgangswert (Abb. 3.10).

Man kann 2 Phasen der Refraktärität voneinander unterscheiden:
  • In der absoluten Refraktärphase, die an Refraktärität:absoluteNervenzellen etwa die Dauer des Aktionspotenzials umfasst, ist auch durch induzierte Depolarisationen höchster Amplitude kein weiteres Aktionspotenzial auslösbar.

  • An die absolute schließt sich die relative Refraktärphase an. Während Refraktärität:relativedieser Periode können zwar wieder Aktionspotenziale hervorgerufen werden, jedoch sind dazu höhere Depolarisationsamplituden als zur Auslösung des vorangehenden Aktionspotenzials erforderlich.

Durch die Refraktärzeit ist die Wiederholungsfrequenz für neuronale Erregungen begrenzt (Kap. 3.2.2).

Reiz und Erregungsauslösung

Reize

MERKE

Jeder äußere Einfluss, der in der Lage ist, eine erregbare Struktur bis zur Membranschwelle:ReizMembranschwelle zu depolarisieren, wird als Reiz:DefinitionReiz bezeichnet.

Als Reize ReizErregungsauslösungkönnen grundsätzlich verschiedene physikalische und chemische Größen wirksam werden. Zur Untersuchung der Reizwirkungen hat sich die Verwendung elektrischer Ströme als besonders zweckmäßig erwiesen, da sie sich nach Intensität, Steilheit der Änderung und Dauer beliebig abstufen lassen und gut messbar sind. Außerdem verursachen künstliche Reizungen mit elektrischen Strömen vergleichsweise geringe Schädigungen der Gewebe.
Erregungsauslösung bei intrazellulärer Stromeinleitung
Kugelförmige neuronale ElementeErregungsauslösung:intrazelluläre StromeinleitungEs entsteht zunächst eine steile Depolarisation, die an Depolarisation:intrazelluläre Stromeinleitungallen Membranabschnitten kugelförmiger Zellen in derselben Form auftritt (Abb. 3.11a). Der Verlauf dieser Depolarisation ergibt sich daraus, dass sich die Membran wie ein Kondensator verhält (bei dem der erste Strom für den Spannungsaufbau gebraucht wird). Mit zunehmender Depolarisation wird zudem für K+ die Kraft aus dem elektrischen Feld kleiner (s.a. Abb. 3.2), sodass ein vermehrter (hyperpolarisierender) K+-Ausstrom resultiert (s.a. Abb. 3.5). So erreicht die Depolarisation – sich immer mehr abflachend – schließlich einen Endwert.

MERKE

Diese durch einen injizierten Strom ausgelöste Änderung des Membranpotenzial:intrazelluläre StromeinleitungMembranpotenzials wird als elektrotonisches Potenzial:elektrotonischesPotenzial oder ElektrotonusElektrotonus bezeichnet.

Langgestreckte neuronale ElementeDie ausgelösten Änderungen des Membranpotenzials unterscheiden sich in Abhängigkeit vom Ort erheblich:
  • Am Ort der Stromzufuhr steigt das elektrotonische Potenzial steil an. Die Steilheit der Depolarisation nimmt mit der Entfernung von der stromzuführenden Elektrode ab. Das ist darauf zurückzuführen, dass der depolarisierende Strom den Widerstand des Intrazellulärraums überwinden muss.

  • Auch der Endwert der elektrotonischen Depolarisation nimmt mit der Entfernung vom Ort der Strominjektion ab (Abb. 3.11b).

Ein Maß für diese Ausbreitung elektrotonischer Potenzialänderungen ist die Längskonstante λ. Dabei Längskonstante <03BB>:intrazelluläre Stromeinleitungkennzeichnet die Längskonstante die Entfernung, in der die Amplitude der maximalen elektrotonischen Potenzialänderung am Ort der Stromzufuhr auf ca. 37% (= e–1, e = Basis des natürlichen Logarithmus) abgefallen ist. Die Ausbreitung elektrotonischer Potenziale ist für die Prozesse der Erregungsleitung und Erregungsübertragung von großer Bedeutung.
Extrazelluläre Stromapplikation
Änderungen des Membranpotenzials können auch Membranpotenzial:extrazelluläre Stromapplikationdurch eine Stromapplikation über extrazelluläre Elektroden erreicht werden (Abb. 3.12). Zwischen den Elektroden fließt Strom durch den Extrazellulär- und den Intrazellulärraum. Damit intrazellulär Strom fließen kann, wird die Membran im Bereich der Anode und Kathode überquert. Diese transmembranösen Ströme verändern (in Analogie zum Versuch in Abb. 3.11) das Membranpotenzial: Im Bereich der Kathode entsteht eine Depolarisation, im Bereich Depolarisation:extrazelluläre Stromapplikationder Anode eine Hyperpolarisation. Diese Hyperpolarisation:extrazelluläre StromapplikationMembranpotenzialänderungen sind nicht auf den Bereich der Stromelektroden begrenzt, sondern lassen sich auch im sog. intra- und extrapolaren Bereich nachweisen. Die Amplitude der De- und Hyperpolarisation hat ihr Maximum unter den Elektroden und fällt nach beiden Seiten entsprechend der Längskonstante λ ab. Die Längskonstante <03BB>:extrazelluläre StromapplikationWirkungen eines Stromflusses sind also unter Kathode und Anode gegensinnig. Man unterscheidet daher zwischen einem Katelektrotonus und einem KatelektrotonusAnelektrotonus.Nerv:Leitungsgeschwindigkeit

Klinik

Bestimmung der NervenleitungsgeschwindigkeitBei der Nervenreizung zur Bestimmung der Nervenleitungsgeschwindigkeit (Kap. 3.3.3) werden die zu untersuchenden Nervenfasern über Elektroden gereizt, die an entsprechenden Hautstellen angelegt werden. Um örtlich eine möglichst hohe Stromdichte zu erzeugen, ist eine der Elektroden kleinflächig ausgebildet. Sie wird als differente Elektrode möglichst nahe an den zu prüfenden Nerv herangebracht und gegen eine großflächige, indifferente Elektrode geschaltet. Beim Einschalten des Stroms (= Schließen des Stromkreises) entsteht an der Kathode eine Depolarisation (Abb. 3.12). Beim Ausschalten (= Öffnen des Stromkreises) bildet sich an der Anode die Hyperpolarisation zurück, d.h., das Membranpotenzial bewegt sich ebenfalls in Richtung Depolarisation. Beide Vorgänge können Aktionspotenziale auslösen, die – entsprechend ihrer Entstehung – als Kathodenschließungserregung oder als Anodenöffnungserregung bezeichnet werden. Die Entstehung der Anodenöffnungserregung wird noch dadurch unterstützt, dass durch die vorausgehende Hyperpolarisation die Aktivierbarkeit der Natriumkanäle zugenommen hat (s.a. Abb. 3.9a).

Reizung
RechteckströmeNervenreizung:NervenleitungsgeschwindigkeitNervenleitungsgeschwindigkeit:BestimmungAnelektrotonusKathodenschließungserregungAnodenöffnungserregungEine rasche Änderung RechteckstromNervenreizung:Rechteckströmedes in ein Neuron oder eine Nervenfaser eingeleiteten Stroms verschiebt das Membranpotenzial nur relativ langsam (Abb. 3.11a). Die Membranschwelle wird also nicht augenblicklich erreicht und der „Reizstrom“ muss eine Zeit lang eingeschaltet bleiben, bis die Membranschwelle erreicht ist und ein Aktionspotenzial entsteht. Je schwächer der Reiz ist, desto länger muss er einwirken, wobei diese Reizzeit-Stromstärke-Beziehung nicht linear istReizzeit-Stromstärke-Beziehung (Abb. 3.13). Als Rheobase wird die Rheobaseminimale Stärke eines Schwellenreizes bei „unendlicher“ Reizdauer bezeichnet, die zur Erregung des Nervs führt. Die Chronaxie ist die Dauer Chronaxiedes Schwellenreizes bei doppelter Rheobase. Sie dient in der Klinik z.B. der Verlaufskontrolle von Muskellähmungen.

MERKE

Zur Erregungsauslösung sind eine ausreichende Amplitude und eine ausreichende Dauer des Reizstroms notwendig (sog. überschwelliger Reiz). Dabei kann die Verkürzung der Reizdauer in einem beschränkten Rahmen durch eine Erhöhung der Reizamplitude kompensiert werden.

WechselströmeDie Wechselstrom:NervenreizungNervenreizung:WechselströmeGesetzmäßigkeiten bei der Wirkung elektrischer Reize zur Auslösung von Aktionspotenzialen lassen sich grundsätzlich auch auf Wechselströme anwenden. Ein Wechselstrom ist eine Folge von einzelnen Stromstößen wechselnder Polung. Da sich bei Wechselströmen, die einer Sinuskurve entsprechen, die Anstiegssteilheit und die Dauer des Einzelimpulses mit der Frequenz ändern, ist die Schwellenreizstärke zur Auslösung einer Erregung frequenzabhängig. Aufgrund des Aktivierungs- und Inaktivierungsverhaltens neuronaler Ionenkanäle (Abb. 3.9), der Kondensatoreigenschaften der Membran (Abb. 3.11a) und des Abstands des Ruhemembranpotenzials von der Membranschwelle (u.a.) ergibt sich für verschiedene neuronale Strukturen ein Frequenzoptimum zur Erregungsauslösung, das sich zur selektiven Aktivierung von Nervenzellelementen, z.B. von Fasergruppen in gemischten Nerven, heranziehen lässt.Feld:elektrisches

Klinik

DiathermieBei Wechselstromfrequenzen von 106 Hz und mehr treten Reizwirkungen auf Nervenzellen und Muskelfasern auch unter Einwirkung hoher Stromstärken nicht mehr auf. Solche Wechselströme werden zur Erwärmung tiefer liegender Gewebe mithilfe der sog. Diathermie herangezogen. Diese Verfahrensweise beruht darauf, dass ein Strom, der durch einen Widerstand fließt, Wärme erzeugt. Die Wärmemenge, die dabei entsteht, nimmt mit der Größe des Widerstands, mit dem Quadrat der Stromstärke und der Dauer des Stromflusses zu.

ElektrosmogElektrogeräte erzeugen durch ihre Stromversorgung elektrische und magnetische Felder, die man umgangssprachlich als „Elektrosmog“ bezeichnet. Prinzipiell können energiereiche elektrische Felder bei niederfrequenter Anwendung Nervenzellen und Muskelfasern stimulieren und bei hochfrequenter Anwendung zur Wärmebildung führen (s. Diathermie). Ebenso lassen sich magnetische Felder zur Reizung von Nervenzellen heranziehen, wenn z.B. ein sich rasch änderndes Magnetfeld, das außerhalb des Kopfes erzeugt wird, im Hirngewebe einen Stromfluss induziert, der seinerseits Aktionspotenziale auslöst. Im Fall des Elektrosmogs sind die magnetischen Felder allerdings sehr inhomogen und fallen mit zunehmender Entfernung von der Quelle stark ab. Es gibt bisher keinen eindeutigen Nachweis, dass Elektrosmog das menschliche Hirngewebe beeinflusst.

Dieser Abschnitt wurde unter klinischer Beratung von C. E. Elger, Bonn, erstellt.

Lokale Erregung
Bei Verminderung des Wechselstrom:DiathermieDiathermieElektrosmogErregung:lokaleMembranpotenzials bis zur Membranschwelle werden Aktionspotenziale ausgelöst. Bei schwellennahen Depolarisationen sind darüber hinaus noch Reaktionen der neuronalen Membran feststellbar (Abb. 3.14). Dabei wirkt sich ein injizierter depolarisierender Strom stärker aus als ein gleicher hyperpolarisierender Strom, weil entsprechend der Inaktivierungskurve des Natriumstroms (Abb. 3.9a) bei depolarisierteren Potenzialen vermehrt Natriumkanäle geöffnet und folglich auch inaktiviert werden. Die zusätzliche Depolarisation (dunkelblaue Fläche in Abb. 3.14c) bleibt auf den Bezirk der elektrotonischen Verminderung des Membranpotenzials beschränkt und wird deshalb als lokale Erregung oder lokale Antwort bezeichnet. Nur in Antwort, lokalediesem Bezirk steigt der Na+-Einstrom an, was aber nicht ausreicht, um den K+-Ausstrom in allen Teilen der Nervenzelle zu übertreffen. So bleibt ein Aktionspotenzial aus (s.a. Abb. 3.7 und Abb. 3.9b).

ZUSAMMENFASSUNG

Spannungsgesteuerte Ionenkanäle

Zur Erzeugung und Weiterleitung von Signalen im Nervensystem muss sich das Membranpotenzial von Neuronen ändern. Neurone verfügen über Membrankanäle, die am Ruhemembranpotenzial geschlossen und aktivierbar sind. Verringert sich das Membranpotenzial (Depolarisation) bis zu einem bestimmten Wert (Membranschwelle), ändert sich die Konformation des Kanalproteins, d.h., es entsteht eine wassergefüllte Pore in der Membran. Für kurze Zeit lassen die Kanäle dann – jeweils selektiv für Natrium- oder Kaliumionen – sehr viel Na+ und K+ durch diese Poren passieren.

Aktionspotenzial

Bei Überschreiten der Membranschwelle werden zunächst Natriumkanäle geöffnet. Na+ strömt in die Zelle und verstärkt die Depolarisierung der Zellmembran – bis das Membranpotenzial für kurze Zeit positive Werte annimmt (Overshoot). Die geöffneten Natriumkanäle gehen dann rasch in einen geschlossenen inaktivierten Zustand über, womit die Depolarisation des Neurons beendet wird. Anschließend kommt es zur Repolarisation –hauptsächlich durch das Öffnen von Kaliumkanälen, durch die K+ aus der Zelle ausströmt, was zu einer Hyperpolarisation der Membran führt. Das Membranpotenzial wird wieder aufgebaut und das Aktionspotenzial beendet.
Solange die Natriumkanäle im geschlossenen inaktivierten Zustand sind, können auch sehr starke Depolarisationen kein weiteres Aktionspotenzial auslösen (absolute Refraktärphase). Während der späten Repolarisationsphase des Aktionspotenzials gehen jedoch immer mehr Natriumkanäle wieder in den geschlossenen aktivierbaren Zustand über. Damit beginnt die relative Refraktärphase, in der wieder Aktionspotenziale ausgelöst werden können – allerdings mit weitaus höheren Depolarisationsamplituden, als zur Auslösung des ursprünglichen Aktionspotenzials notwendig waren. Die Refraktärzeit begrenzt so die Wiederholungsfrequenz für neuronale Erregungen.

Erregungsleitung

R. Köhling, E.-J. Nerv:ErregungsleitungErregungsleitung:NervSpeckmann, D. Swandulla

Zur Orientierung

Die Aktionspotenziale der Nervenzellen sind ein bioelektrisches Ereignis, das der Verschlüsselung und Weiterleitung von Informationen dient. Den Transport der codierten Information leisten die Nervenfasern, die mithilfe von Ionenströmen entlang der Fasermembran in der Lage sind, Aktionspotenziale weiterzuleiten.

Typen der Erregungsleitung

Kontinuierliche Erregungsleitung
Erregungsleitung:NervErregungsleitung:NervNerv:ErregungsleitungDie bei der Erregungsleitung ablaufenden Prozesse werden im Folgenden mit großer zeitlicher Dehnung nacheinander dargestellt (Abb. 3.15).
In einer Nervenfaser, die mit dem Extrazellulärraum in direkter Verbindung steht, sind an 2 Stellen Mikroelektroden eingeführt. Zunächst läuft an der linken Ableitungsstelle ein Aktionspotenzial ab (Abb. 3.15a), der restliche Faserteil weist noch das Ruhemembranpotenzial auf. Infolge des Kationeneinstroms während der Erregung hat das Potenzial an der linken Ableitungsstelle seinen positiven Pol im Intra- und seinen negativen Pol im Extrazellulärraum. Am übrigen Faserteil liegt die umgekehrte Polung vor. Dadurch hat sich neben der Potenzialdifferenz über der Membran (also dem Membranpotenzial) eine zweite Potenzialdifferenz entlang der Membran ausgebildet. Im Intrazellulärraum hat sie ihren positiven Pol am linken Ableitungspunkt und ihren negativen Pol in den benachbarten Faserbezirken. Für den Extrazellulärraum gelten die umgekehrten Verhältnisse.
Aufgrund dieses elektrischen Felds strömen Kationen im Intrazellulärraum von der linken zur rechten Elektrodenposition und im Extrazellulärraum in umgekehrter Richtung (Abb. 3.15b). Durch diese Ionenströme entlang der Ionenstrom:ErregungsleitungNervenfasermembran kommt es an der rechten Ableitungsstelle zu einer elektrotonischen Depolarisation. Aufgrund der Kondensatoreigenschaften der Membran verhalten sich die Ströme so, als ob Ionen die unerregte Membran von innen nach außen durchsetzen würden. Das ist jedoch bei dem steilen Anstieg der Ausgleichsströme für die betrachtete Periode nur unwesentlich der Fall.
Wird bei einer elektrotonischen Depolarisation an der rechten Elektrode die Membranschwelle erreicht, entsteht ein Aktionspotenzial (Abb. 3.15c). Damit ist das Aktionspotenzial von der linken Membranstelle nach rechts geleitet worden. An nicht myelinisierten Fasern wird auf diese Weise die Erregung auf die jeweils unerregten Nachbarbezirke der Nervenfaser übertragen (kontinuierliche Erregungsleitung).

MERKE

Nervenfasern ohne Myelinscheide:ErregungsleitungMyelinscheide: kontinuierliche Erregungsleitung, Nervenfasern mit Myelinscheide: saltatorische Erregungsleitung.

Saltatorische Erregungsleitung
Nerv:ErregungsleitungIst eine Nervenfaser von Myelinscheiden umgeben (Abb. 3.15), breiten sich die elektrotonischen Längsströme aufgrund des hohen Isolationswiderstands der Myelinscheiden und damit des geringen Leckstroms über die Membran bis zum nächsten Ranvier-Schnürring aus (Abb. 3.15b). Ranvier-Schnürring:ErregungsleitungDort wird die Membran wiederum bis zur Membranschwelle depolarisiert und damit ein Aktionspotenzial ausgelöst (Abb. 3.15c). Die Erregung hat also die Markscheidenregion übersprungen und wird weiterhin sprunghaft von Schnürring zu Schnürring geleitet: Das Aktionspotenzial pflanzt sich bei dieser saltatorischen Erregungsleitung schneller fort als bei der kontinuierlichen (s.a. Tab. 3.2 und Tab. 3.3).

Klinik

Multiple Sklerose (MS)Bei der MS handelt es sich um einen multilokulären und bevorzugt um die Hirnventrikel auftretenden Zerfall der Myelinscheiden im ZNS (Entmarkungserkrankung des ZNS). Als Ursache werden viral getriggerte Immunprozesse angenommen, die die körpereigenen Markscheiden zerstören (Autoaggressionskrankheit). Durch den Myelinscheidenzerfall wird die Erregungsleitung verzögert (Abb. 3.15) und zum Teil sogar unterbrochen. Als Folge sind Störungen in allen Teilen des Nervensystems möglich (Visusstörung, Augenmuskellähmungen, spastische Lähmungen der Extremitäten, Ataxie, Blasenstörungen, Demenz). Als ein Leitsymptom gilt die Latenzverlängerung der visuell evozierten Potenziale, die Folge der Retrobulbärneuritis des N. opticus ist (Kap. 6.1.1).

Dieser Abschnitt wurde unter klinischer Beratung von E. B. Ringelstein, Münster, erstellt.

Extrazelluläre Potenziale

Extrazelluläre Potenzialentstehung
An einer Membranstelle, Potenzial:evoziertesMyelinscheide:Multiple SklerosePotenzial:extrazelluläresüber die eine Erregung läuft, werden nacheinander 3 Ströme registriert (Abb. 3.16):
  • Zunächst tritt der dem Aktionspotenzial vorauseilende elektrotonische Längsstrom auf, der sich wie ein Längsstrom, elektrotonischerAuswärtsstrom positiver Ionen verhält (Abb. 3.16a).

  • Darauf folgt der Einwärtsstrom von Na+ während des Aktionspotenzials (Abb. 3.16b).

  • Die Folge wird durch einen weiteren Auswärtsstrom beschlossen. Er besteht wiederum in einem elektrotonischen Längsstrom von der bereits repolarisierten zur erregten Membranstelle (Abb. 3.16c).

Im Gegensatz zum ersten kann der zweite Auswärtsstrom in der Regel nur eine geringe depolarisierende Wirkung entfalten, da die Permeabilität für K+ während der Repolarisationsphase des Aktionspotenzials noch erhöht ist (s.a. Abb. 3.7).
Alle diese Ionenströme führen im Extrazellulärraum zu komplexen Extrazellulärraum:PotenzialentstehungPotenzialänderungen, die dort mit Elektroden abgegriffen werden können. Extrazellulär registrierte Aktionspotenziale haben dabei eine erheblich geringere Amplitude als intrazellulär abgeleitete. Das liegt v.a. am elektrischen Kurzschluss, den das umgebende Gewebe verursacht. Mit geeigneten Anordnungen sind jedoch die Aktionspotenziale von Nerven- und auch von Muskelfasern zuverlässig als Elektroneurogramm (ENG) und Elektromyogramm (EMG) zu registrieren.
Extrazelluläre Registrierung der Erregung: bipolare und unipolare Ableitung
Bipolare AbleitungErregungenAbleitung:bipolare können extrazellulär registriert werden, wenn 2 Elektroden direkt an eine Nerven- oder Muskelfaser angelegt werden (Abb. 3.17):
  • Befinden sich die beiden Ableitungselektroden E1 und E2 an 2 unerregten Stellen der Nervenfaser, ist keine Potenzialdifferenz nachweisbar.

  • Wird das eine Ende der Faser durch einen elektrischen Reiz (St) erregt, läuft das ausgelöste Aktionspotenzial (AP) über die gesamte Faser.

  • Wenn es an der Elektrode E1 vorbeiläuft, zeigt das Registrierinstrument eine Potenzialdifferenz an (1 in Abb. 3.17a), die sich wieder zurückbildet, wenn sich das AP zwischen den beiden Ableitungselektroden befindet (2 in Abb. 3.17a).

  • Sobald die Erregungswelle den Faseranteil unter der Elektrode E2 durchläuft, ergibt sich erneut eine Potenzialdifferenz zur inzwischen wieder unerregten Stelle unter der Elektrode E1.

  • Aufgrund der Polung des Registrierinstruments hat der Ausschlag in der Registrierung die Richtung gewechselt (3 in Abb. 3.17a).

Berücksichtigt man nur die negative Potenzialschwankung, die bei der Erregungsausbreitung mit hoher Amplitude im Extrazellulärraum entsteht (Abb. 3.16), erhält man als Ausdruck einer einzelnen Erregungswelle insgesamt ein diphasisches AP (4 in Abb. 3.17a). Aktionspotenzial:diphasischesSeine Komponenten können – je nach Länge der Erregungswelle und Abstand der Elektroden – voneinander getrennt sein (4 in Abb. 3.17a) oder unmittelbar ineinander übergehen (Abb. 3.17b).
Ist die Erregungsleitung zwischen E1 und E2 z.B. durch eine Verletzung blockiert, das Gewebe aber erhalten, ergibt sich statt des diphasischen ein monophasisches AP (Abb. 3.17c).
Unipolare AbleitungAktionspotenzial:monophasischesAktionspotenzialeAbleitung:unipolare vom monophasischen Typ erhält man auch – wiederum unter alleiniger Berücksichtigung der Hauptkomponente des extrazellulären Potenzials (Abb. 3.16) –, wenn sich nur eine Ableitungselektrode an der erregungsleitenden Struktur befindet (differente Elektrode), die andere Elektrode dagegen weit entfernt vom Ort der Erregungsentstehung – d.h. im vorliegenden Fall von der Nervenfaser – lokalisiert ist (indifferente Elektrode).

Leitungsgeschwindigkeit von Nervenfasern

MERKE

Ein Aktionspotenzial breitet sich umso schneller über eine Nervenfaser aus (die elektrotonische Depolarisation ist umso schneller und die Faserlängskonstante Längskonstante <03BB>:Nervenleitungsgeschwindigkeitλ umso größer), je

  • mehr Na+ in die Faser einströmt, d.h., je größer der Strom zur Depolarisation benachbarter Membranabschnitte ist,

  • dicker die Faser ist, d.h., je geringer der intrazelluläre Widerstand,

  • höher der Membranwiderstand ist, d.h., je schlechter der Strom über die Membran fließen kann.

Einteilung der NervenfasernNervenleitungsgeschwindigkeitNervenfaser:LeitungsgeschwindigkeitNerv:LeitungsgeschwindigkeitNervenfasern werden je nach Nerv:EinteilungDurchmesser, Geschwindigkeit und Funktion nach Erlanger und Gasser (Tab. 3.2) oder nach Klassifikation:Erlanger und GasserErlanger-Gasser-EinteilungLloyd und Hunt (Tab. 3.3) eingeteiltKlassifikation:Lloyd und HuntLloyd-Hunt-Einteilung. Erlanger und Gasser unterscheiden in den Gruppen A, B und C sensorische (afferente), somatomotorische und vegetative (efferente) Fasern, Lloyd und Hunt nur sensorische Fasern der Gruppen I–IV. Die Gruppen I–III entsprechen dabei im Wesentlichen dem Fasertyp A nach Erlanger und Gasser und die Gruppe IV dem Typ C.

Stofftransport in Nervenfasern (intraaxonaler Transport)

StofftransportDie Stofftransport:NervenfaserNervenfaser:StofftransportAxoneNerv:Stofftransport von Nervenzellen dienen Axon:Stofftransportmit ihrer erregbaren Membran nicht nur der Fortleitung von bioelektrischen Signalen und damit dem Transport von Informationen, sondern mit ihrem schlauch- oder röhrenförmigen Intrazellulärraum auch dem Transport von Stoffen. Da Axone mehr als einen Meter lang werden können, liefe der Stofftransport insbesondere bei großen Molekülen viel zu langsam ab, wenn er nur über Diffusionsvorgänge vermittelt würde; daher ist daneben auch von anderen Prozessen mit speziellen Trägermechanismen auszugehen.
TransportformenDer Stofftransport ist prinzipiell schnell, langsam, anterograd (vom Zellkörper zur Axonendigung gerichtet) und retrograd (von der Axonendigung zum Zellkörper gerichtet) möglich:
  • Der schnelle anterograde Transport erreicht eine Stofftransport:anterograderGeschwindigkeit von bis zu 40 cm pro Tag. Als Transportmedium dienen Vesikel und Ribosomen, die an Vesikel, StofftransportTubuli und Ribosomen:StofftransportFilamenten entlang transportiert werden. Dabei wird ATP verbraucht.

  • Der langsame anterograde Transport bewegt Komponenten des Stofftransport:anterograderZellskeletts sowie Enzyme mit einer Geschwindigkeit von 0,1–0,5 cm/d.

  • Der retrograde Transport (bis zu 20 cm/d) ist in Stofftransport:retrogradernoch nicht endgültig geklärter Weise für die Aufrechterhaltung der Eiweißsynthese im Zellkörper von Bedeutung.

Klinik

Störungen des intraaxonalen TransportsDurch Schadstoffe und durch Stoffwechselstörungen kann der intraaxonale Transport eingeschränkt werden. Dadurch sind viele unterschiedliche Erkrankungen des Nervensystems möglich:

  • Ist der schnelle anterograde Transport blockiert, treten v.a. in der Skelettmuskulatur denervationsähnliche Veränderungen auf. Dazu gehören unwillkürliche Kontraktionen einzelner Faserbündel eines Muskels (faszikuläre Zuckungen). Gleichzeitig werden die betroffenen Muskelfasern auch außerhalb der Endplattenregion gegenüber Acetylcholin empfindlich.

  • Fällt der retrograde Transport aus, fehlen Stoffe, die für die Aufrechterhaltung von Struktur und Funktion der Neurone von Bedeutung sind. Von der Peripherie her fallen die Axone aus und gehen schließlich unter (sog. „dying back“). Dadurch sind die Funktionen des sensorischen, motorischen und vegetativen Nervensystems gestört (Polyneuropathie). Die Symptome beginnen distal und schreiten langsam nach proximal fort.

Krankheitserreger im intraaxonalen TransportViren können offensichtlich intraaxonal transportiert werden. Gelangt z.B. das Herpes-simplex-Virus in die Haut, wird es von Nervenfasern aufgenommen und in ihnen zum ZNS transportiert. So kann der retrograde Transport eine Rolle bei der Entstehung entzündlicher Neuropathien spielen. Vermutlich gelangt das die Poliomyelitis („Kinderlähmung“) auslösende Poliovirus über Nervenfasern in das ZNS, bewirkt dort den Untergang von Neuronen und führt so schließlich zu ausgeprägten Lähmungen. In ähnlicher Weise soll das Toxin des Tetanusbazillus über Nervenfasern in das Vorderhorn des Rückenmarks gelangen, wo es Hemmungsprozesse an den α-Motoneuronen unterdrückt. Dadurch kommt es zu einer exzessiv gesteigerten Grundspannung der Skelettmuskulatur.

Dieser Abschnitt wurde unter klinischer Beratung von E. B. Ringelstein, Münster, erstellt.

ZUSAMMENFASSUNG

Aktionspotenziale, die der Verschlüsselung und Weiterleitung von Informationen dienen, werden mithilfe von Ionenströmen (Kationen) entlang der Nervenfasermembran weitergeleitet. Die Kationen folgen dabei elektrischen Feldern – im Intrazellulärraum und Extrazellulärraum in entgegengesetzter Richtung – und führen bei Erreichen der Membranschwelle zu einer Fortleitung des Aktionspotenzials entlang der Faser.

Typen der Erregungsleitung

In nicht myelinisierten Fasern wird auf diese Weise die Erregung auf die jeweils unerregten Nachbarbezirke der Nervenzellfaser übertragen (kontinuierliche Erregungsleitung). In myelinisierten Fasern breiten sich Längsströme aufgrund des hohen Isolationswiderstandes der Myelinscheiden und des damit verringerten Leckstroms über die Membran bis zum nächsten sog. Ranvier-Schnürring aus. Dort wird die Membran wieder bis zur Membranschwelle depolarisiert und ein Aktionspotenzial ausgelöst. Die Erregung selbst hat somit die Markscheidenregion übersprungen und wird weiterhin sprunghaft von Schnürring zu Schnürring geleitet. Bei dieser saltatorischen Erregungsleitung breitet sich das Aktionspotenzial wesentlich schneller aus als bei der kontinuierlichen.

Leitungsgeschwindigkeit

Es können Nervenfasern mit unterschiedlicher Leitungsgeschwindigkeit unterschieden werden. Die Geschwindigkeit, mit der sich ein Aktionspotenzial entlang einer Nervenfaser ausbreitet, hängt von der Amplitude des Natriumeinwärtsstroms bei der Erregung, dem Faserdurchmesser und der Höhe des Membranwiderstandes ab. Je größer die Faserlängskonstante λ ist, desto schneller ist die Leitungsgeschwindigkeit der Nervenfaser.

Erregungsübertragung

R.Polyneuropathie, retrograder Transportdying backViren, intraaxonaler TransportTetanus, intraaxonaler TransportHerpes-simplex-Virus:intraaxonaler TransportPoliomyelitis, intraaxonaler Transport Köhling, E.-J. Speckmann, D. ErregungsübertragungSwandulla

Zur Orientierung

Informationen werden im Nervensystem in Sequenzen von Aktionspotenzialen verschlüsselt und über Nervenfasern weitergeleitet. Zur Verarbeitung müssen die Informationen auf andere Neurone und Effektorzellen übertragen werden. Bei der Erregungsübertragung sind verschiedene Mechanismen möglich. Meist setzen ankommende Aktionspotenziale aus den Endstrukturen der vorgeschalteten Nervenfasern sog. Überträgerstoffe (Transmitter) frei, wodurch in den nachgeschalteten Zellen Ionenströme über die Zellmembran und damit Membranpotenzialänderungen ausgelöst werden.

Formen der Erregungsübertragung

Informationen werden von einer Erregungsübertragung:FormenNervenzelle auf eine andere über Synapsen weitergegeben (Kap. 2.1), die sich nach morphologischen und funktionellen Kriterien in 2 Typen differenzieren lassen:
Elektrische SynapsePrä- und postsynaptische Anteile Synapse:elektrischesind über einen „Tunnel“ direkt miteinander verbunden (Abb. 3.18a), über den Ionen (und damit elektrotonische Ströme), Wasser und niedermolekulare Substanzen von einer Zelle in die andere gelangen. Solche Verbindungen werden Gap Junctions (Nexus) genannt. Jede der Gap Junctions:elektrische Synapsebeiden Nexus siehe Gap Junctionsbeteiligten Zellen bildet den Tunnel zur Hälfte aus (Hemiconnexone) und setzt ihn dabei aus 6 Hemiconnexonezellartspezifischen – identischen oder verschiedenen – Untereinheiten (Connexinen) zusammen. Die Hemiconnexone Connexinekönnen somit homomer (gleichartig) oder heteromer (unterschiedlich) zusammengesetzt sein:
  • Homomere Hemiconnexone stellen eine im Wesentlichen ohmsche elektrische Verbindung zwischen Zellen dar; elektrische Signale werden entsprechend dem ohmschen Gesetz reduziert, wobei sich Spannungsänderungen auf 1–20% des Ausgangswertes verringern.

  • Heteromere Hemiconnexone können auch gleichrichtende Eigenschaften haben und so Strom nur in eine Richtung leiten (Reizleitungssystem des Herzens).

Chemische SynapseDie Membranen der prä- und Synapse:chemischepostsynaptischen Struktur sind durch den synaptischen Spalt voneinander getrennt (Abb. 3.18b). Die Erregung wird durch chemische Substanzen (Transmitter) vermittelt (Kap. 3.4.2).

Transmitter und Transmitter-Rezeptor-Komplex

Synthese, Freisetzung und Inaktivierung von Transmittern
TransmitterDiese chemische Substanz wird in der Transmitter:Synapsenpräsynaptischen Struktur synthetisiert und in Vesikeln gespeichert (Abb. 3.19). Diese liegen
  • als Reservepool frei im synaptischen Endknopf und

  • als unmittelbar freisetzbare Vesikel („readily releasable pool“) unmittelbar mit der präsynaptischen Membran verbunden (an der sog. aktiven Zone) vor.

Diese Verbindung wird über das Vesikelprotein Synaptobrevin und 2 Membranproteine (Syntaxin, SynaptobrevinSNAP25), vermittelt, die Syntaxinzusammen den sogSNAP25. SNARE-Komplex bilden.
FreisetzungEineTransmitter:Freisetzung über SNARE-Komplexdie präsynaptische Faser laufende Erregung depolarisiert die präsynaptische Struktur. Dadurch steigt die intrazelluläre Ca2+-Konzentration, sodass Ca2+ an ein weiteres Vesikelprotein, Synaptotagmin, bindet und dieses zu einer SynaptotagminInteraktion mit dem SNARE-Komplex bringt. Dadurch wird die Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Membran herbeigeführt und der Transmitter wird in den synaptischen Spalt freigesetzt (Abb. 3.19). Der Transmitter verbindet sich mit spezifischen Eiweißkörpern in der Membran des postsynaptischen Neurons. Die den Transmitter aufnehmenden Moleküle werden Membranrezeptoren oder einfach Rezeptoren genannt. Sie sind funktionell Rezeptor:Transmitterdirekt mit Membrankanälen gekoppelt oder aktivieren intrazelluläre Botenstoffsysteme.
InaktivierungNach der Rezeptorbindung wird der Transmitter:InaktivierungTransmitter durch enzymatische Spaltung inaktiviert (Abb. 3.19) oder diffundiert aus dem Synapsenbereich heraus. Häufig werden er oder seine Abbauprodukte in die präsynaptische Struktur zurücktransportiert.
Wirkungen des Transmitter-Rezeptor-Komplexes auf assoziierte Ionenkanäle
KanaltypSobald sich der Transmitter-Rezeptor-KomplexIonenkanal:Transmitter-Rezeptor-KomplexTransmitter an den Membranrezeptor anlagert, öffnet sich der mit dem Rezeptor verbundene Membrankanal. Die Leitfähigkeit dieses Kanals wird also durch Transmitter bestimmt. In der neuronalen Membran sind liganden- oder transmittergesteuerte Kanäle funktionell gesehen der dritte Ionenkanal:ligandengesteuerterTyp von Membrankanälen – neben den Ionenkanälen, die für die Entstehung des Ruhemembranpotenzials (Kap. 3.1.2) und die Generierung von Aktionspotenzialen (Kap. 3.2.1) verantwortlich sind.

MERKE

Ligandengesteuerte Ionenkanäle weisen eine hohe Spezifität für Transmitter sowie eine hohe Selektivität für die durch den geöffneten Kanal hindurchströmenden Ionen auf. Kanäle dieses Typs erhalten ihre Bezeichnung nach ihrem Hauptliganden (z.B. Glutamat- oder GABA-Kanal; Tab. 3.4).

AufbauDer ligandengesteuerte KanalIonenkanal:ligandengesteuerter (z.B. einer nikotinergen Acetylcholinsynapse, Abb. 3.20a) besteht unter funktionellen Gesichtspunkten aus einem Rezeptor zur Aufnahme des Transmitters und einer Ionophore zur Leitung des Ionenstroms. Häufig wird die Bezeichnung „Rezeptor“ für beide Strukturen verwendet. Das gesamte Rezeptor-Kanal-Molekül setzt sich aus 5 UntereinheitenRezeptor-Kanal-Molekül (2 α, β, γ, δ) zusammen, diese wiederum aus 4 Segmenten (M1–M4), die in die Membran eingelagert sind und über extra- und intrazelluläre Aminosäurenketten ineinander übergehen (s.a. Kap. 3.2.1, Abb. 3.6a). Zwei der Untereinheiten sind identisch (α-Untereinheiten). Sie besitzen die Bindungsstellen für Acetylcholin.
FunktionszuständeBei den ligandengesteuerten IonenkanälenIonenkanal:ligandengesteuerter sind mindestens 3 Funktionszustände möglich (Abb. 3.20b):
  • Geschlossen und aktivierbar: Die Kanäle sind geschlossen und können durch die Bindung eines Transmitters aktiviert, d.h. geöffnet werden.

  • Geöffnet: Die Kanäle wurden durch die Bindung eines Transmitters geöffnet.

  • Desensitisiert: Die Kanäle werden während der Bindung eines Transmitters wieder geschlossen und sind dann nicht wieder aktivierbar, also dem Transmitter gegenüber unempfindlich.

Mechanismen der Kanalöffnung durch einen Transmitter-Rezeptor-Komplex
PrinzipienDie Membrankanäle Transmitter-Rezeptor-Komplex:Kanalöffnungkönnen durch einen Transmitter-Rezeptor-Komplex grundsätzlich auf 2 Wegen geöffnet werden:
  • Direkte Wirkung (Abb. 3.21a): Der Rezeptor ist Bestandteil des Kanalproteins (ionotroper Rezeptor). Im Moment der Rezeptor:ionotroperTransmitterbindung ändert sich die Konformation der Kanalproteine und der Membrankanal öffnet sich. Löst sich der Transmitter vom Rezeptor, ist der Membrankanal sofort wieder verschlossen. So wirkt z.B. GABA, wenn es sich mit dem GABAA-Rezeptor verbindet.

  • Indirekte Wirkung (Abb. 3.21b): Der Transmitter-Rezeptor-Komplex (metabotroper Rezeptor) aktiviert in einem ersten Rezeptor:metabotroperSchritt ein guanosintriphosphatbindendes Protein (G-ProteinG-Protein:Rezeptor). Über intrazelluläre Botenstoffe (sog. Second Messenger) werden spezifische Second Messenger:metabotroper RezeptorPhosphorylierungsvorgänge stimuliert, die schließlich zur Kanalöffnung führen.

Second MessengerAls Second Messenger sind z.B. das unter der Einwirkung der Adenylatcyclase aus ATP gebildete cAMP (Abb. 3.21b1) oder Phosphoinositole (Abb. 3.21b2) wirksam. Der Phosphoinositol, Second MessengerTransmitter Noradrenalin wirkt über cAMP, wenn er sich mit dem sog. Noradrenalin-β-Rezeptor verbindet, und über den Phosphoinositolzyklus, wenn er sich mit dem Noradrenalin-α1-Rezeptor verbindet (Kap. 19.2).

MERKE

Die Kontrolle von Membrankanälen über Second-Messenger-Systeme trägt entscheidend zur funktionellen Plastizität des Nervensystems bei.

Postsynaptische Potenziale

Exzitatorische und inhibitorische postsynaptische Potenziale
Postsynaptisches PotenzialDie Potenzial:postsynaptischesnach einer Transmitterbindung geöffneten Membrankanäle lassen Ionen hindurchströmen. Diese transmembranösen Ionenströme (postsynaptischen Ströme, „postsynaptic currents“, PSCsIonenstrom:postsynaptischer) verändern die postsynaptic currentPolarisation der „subsynaptischen“ Membran, ein sog. postsynaptisches Potenzial entsteht (PSP). Es breitet sich über elektrotonische Ströme auf die umliegenden postsynaptischen Membranabschnitte aus.

MERKE

Das veränderte Membranpotenzial der postsynaptischen Membran wird als postsynaptisches Potenzial bezeichnet.

Die Polung der postsynaptischen Potenziale hängt von der ionalen Zusammensetzung der synaptischen Ströme und damit von der Richtung des dominierenden Stroms ab.
Dabei ergeben sich 2 Typen von postsynaptischen Potenzialen:
  • exzitatorische (erregende) postsynaptische Potenziale (EPSP)

  • inhibitorische (EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potenzial)hemmende) postsynaptische Potenziale (IPSP)

EPSPBeiPotenzial:postsynaptisches den EPSP öffnet der EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potenzial)Transmitter-Rezeptor-Komplex Kanäle, die für Na+ und K+ permeabel sind (Abb. 3.22a). Natriumkanal:exzitatorisches postsynaptisches PotenzialKaliumkanal:exzitatorisches postsynaptisches PotenzialBei einem Ruhemembranpotenzial von etwa –70 mV strömt aufgrund des Konzentrationsgradienten und des elektrischen Felds viel Na+ in die Nervenzelle ein (auch Abb. 3.2), aber nur wenig K+ aus ihr heraus, da sich das Ruhemembranpotenzial nahe am K+-Gleichgewichtspotenzial befindet (auch Abb. 3.1, Abb. 3.2). Der überwiegende Na+-Einstrom bedeutet einen Nettoeinwärtsstrom von Kationen, der die sub- und postsynaptischen Membrananteile depolarisiert und exzitatorischer postsynaptischer Strom (EPSC) genannt wird. Da sich Strom:exzitatorischer postsynaptischerdamit das Membranpotenzial der Membranschwelle nähert und demzufolge die Auslösung eines Aktionspotenzials wahrscheinlicher wird, bezeichnet man synaptische Depolarisationen als exzitatorische (erregende) postsynaptische Potenziale (EPSP). Synaptische Verbindungen, an denen EPSP ausgelöst werden, werden exzitatorische Synapsen genannt.
IPSPDerPotenzial:postsynaptisches Transmitter-Synapse:exzitatorischeRezeptor-Komplex IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potenzial)öffnet Kanäle für K+ oder Cl (Abb. 3.22b). K+ Kaliumkanal:inhibitorisches postsynaptisches Potenzialströmt aus Chloridkanal:inhibitorisches postsynaptisches Potenzialder Zelle heraus, Cl in die Zelle hinein, wodurch die sub- und postsynaptischen Membrananteile hyperpolarisiert werden. Der Strom wird entsprechend inhibitorischer postsynaptischer Strom (IPSC) genannt, die Strom:inhibitorischer postsynaptischersynaptischen Hyperpolarisationen werden als inhibitorische (hemmende) postsynaptische Potenziale (IPSP) bezeichnet und an inhibitorischen Synapsen beobachtet.

MERKE

Synaptische Depolarisation:synaptischeDepolarisationen werden als exzitatorische postsynaptische Potenziale (EPSP) bezeichnet, synaptische Hyperpolarisation:synaptischeHyperpolarisationen als inhibitorische postsynaptische Potenziale (IPSP).

Gesamtströme bei ligandengesteuerten Ionenkanälen
Synapse:inhibitorischeIonenkanal:ligandengesteuerterDas Öffnungs- und Schließungsverhalten einzelner ligandengesteuerter IonenkanäleIonenkanal:ligandengesteuerter lässt sich mit der Patch-Clamp-Registrierung erfassen (auch Abb. 3.3, Patch-Clamp-Technik:ligandengesteuerter IonenkanalAbb. 3.8). Dazu werden einzelne Kanäle durch die Patch-Elektrode umschlossen und bei konstanter Spannung an ihrer Außenseite mit einem Transmitter in Kontakt gebracht (Abb. 3.23a).
Nach Applikation des Transmitters öffnen sich die Kanäle pulsförmig (Abb. 3.23b). Registriert man die Ströme von verschiedenen Kanälen, zeigt sich, dass das Muster von Öffnung und Schließung unterschiedlich ist und auch bei einem einzelnen Kanal bei mehreren aufeinander folgenden Transmitterapplikationen variiert. Addiert man jedoch die Ströme auf, die bei einer Transmitterapplikation durch mehrere Kanäle fließen, ergibt sich als Summe ein Gesamtstrom (Abb. 3.23c), der unter vergleichbaren Bedingungen immer einen ähnlichen Verlauf zeigt. Dabei entspricht ein einwärts gerichteter Gesamtstrom einem EPSC (Abb. 3.22a), ein auswärts gerichteter einem IPSC (Abb. 3.22b).
Abhängigkeit der EPSP und IPSP vom Membranpotenzial
Die Intensität Membranpotenzial:inhibitorisches postsynaptisches PotenzialMembranpotenzial:exzitatorisches postsynaptisches PotenzialIPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potenzial):MembranpotenzialEPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potenzial):Membranpotenzialtransmittergesteuerter Ionenströme und damit die Amplitude postsynaptischer Potenziale wird bei gegebenem Membranwiderstand durch die treibenden Kräfte für die beteiligten Ionen bestimmt (auch Abb. 3.2, Abb. 3.5). Die Ausprägung postsynaptischer Potenziale hängt damit vom Ausgangsmembranpotenzial ab:
  • Das EPSP wird umso kleiner, je näher das MembranpotenzialPotenzial:postsynaptisches bei 0 mV liegt; bei ca. −10 mV kehrt sich die Polarität der EPSP-Amplitude um (EPSP-Gleichgewichtspotenzial, EEPSP).

  • Das IPSPPotenzial:postsynaptisches wird umso kleiner, je weiter das Membranpotenzial von 0 mV entfernt ist; bei ca. −70 mV kehrt sich die Polarität der IPSP-Amplitude um (IPSP-Gleichgewichtspotenzial, EIPSP; auch Abb. 3.5).

Insgesamt treten synaptische Exzitationen bei Hyperpolarisationen und synaptische Inhibitionen bei Depolarisationen der Neurone in den Vordergrund.
Abhängigkeit der EPSP und IPSP vom Transmitter

MERKE

Die Polarität postsynaptischer Potenziale wird durch die Kombination von Transmitter-Rezeptor-Komplex und Ionenselektivität der assoziierten Membrankanäle bestimmt.

Im ZNS wirken Substanzen Transmitter:inhibitorisches postsynaptisches PotenzialTransmitter:exzitatorisches postsynaptisches PotenzialwieEPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potenzial):TransmitterabhängigkeitIPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potenzial):Transmitterabhängigkeit ZNS (zentrales Nervensystem):TransmitterAcetylcholinAcetylcholin:Transmitter und Glutaminsäure exzitatorisch. Inhibitorisch Glutamat:Transmitterwirken dagegen GABA (v.a. in rostralen Anteilen des GABA:TransmitterZNS), Glycin (v.a. in kaudalen Anteilen des Glycin:TransmitterZNS), Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) und Serotonin:TransmitterDopamin. Dabei wird die Wirkung im Dopamin:TransmitterEinzelnen durch verschiedene Rezeptortypen bestimmt (Tab. 3.4).
Im peripheren Nervensystem entfalten einige dieser Substanzen – in Abhängigkeit von der Rezeptor-Kanal-Kombination – an den Zielzellen sowohl eine exzitatorische als auch eine inhibitorische Wirkung.

Klinik

Exzitotoxizität bei EpilepsieBei einer exzessiven Steigerung der Erregung im Neuronenverband, wie sie z.B. bei großen und lang anhaltenden epileptischen Anfällen vorkommt, können Nervenzellen untergehen. Dieser toxische Effekt einer „Übererregung“ ist offensichtlich auf die Wirkung exzitatorischer Transmitter (Exzitotoxizität) zurückzuführen.

GlutamatIn den Neuronennetzen des ZNS gehört Glutamat zu den wichtigsten exzitatorischen Transmittern. Wenn die Konzentration von Glutamat im Extrazellulärraum und damit die Aktivierung der entsprechenden Rezeptoren (Tab. 3.4) einen kritischen Wert überschreitet, gehen die Nervenzellen unter. Dabei kann die Glutamatkonzentration nicht nur bei einer Übererregung ansteigen, sondern auch, wenn die Gliazellen weniger Glutamat aufnehmen (Kap. 3.6), z.B. bei einer metabolischen Erschöpfung oder wenn die extrazelluläre K+-Konzentration infolge einer zerebralen Durchblutungsstörung (Hirnischämie) oder einer Hirnblutung ansteigt.

NMDA-Rezeptor und KalziumFür die zellschädigende Wirkung von Glutamat ist in erster Linie der NMDA-Rezeptor verantwortlich. Wird er aktiviert, diffundiert neben Na+ auch Ca2+ in die Zelle (Tab. 3.4). Eine hohe Glutamatkonzentration führt also letztlich zur Ca2+-Überladung in der Zelle. Dadurch werden Kaskaden enzymatischer Reaktionen angestoßen, die u.a. zum Abbau von Strukturproteinen und zur Auflösung der Zellmembran führen.

Dieser Abschnitt wurde unter klinischer Beratung von O.W. Witte, Jena, erstellt.

Aspekte der Erregungsübertragung

Synapsenlokalisation
Synaptische Kontakte sind über die Epilepsie:ExzitotoxizitätSynapse:ErregungsübertragungErregungsübertragung:Synapsenlokalisationgesamte Oberfläche einer Nervenzelle verteilt. Man unterscheidet zwischen axodendritischen, axosomatischen und axoaxonalen Synapsen (Abb. 2.1c). Für die Funktion der Synapsen ist wichtig:
  • Membrankanäle, die für die Generierung von Aktionspotenzialen verantwortlich sind, befinden sich überwiegend an Soma und Axon.

  • Aufgrund des elektrotonischen Potenzialabfalls (Abb. 3.11b) nimmt die funktionelle Wirkung der Synapsen mit der Entfernung vom Soma ab.

MERKE

Somanahe Synapsen haben im Hinblick auf die Auslösung von Aktionspotenzialen die größte Effizienz. Synapsen in entfernten Dendriten beeinflussen dagegen die Auslösung neuronaler Erregungen nur geringfügig.

Post- und präsynaptische Hemmung
Postsynaptische HemmungDie durch IPSP ausgelösten Hemmungen Hemmung:postsynaptischewerden an der postsynaptischen Membran wirksam. Man fasst sie daher unter dem Begriff „postsynaptische Hemmung“ zusammen.
Präsynaptische HemmungDaneben gibt es einen anderen Hemmungstyp, derHemmung:präsynaptische an der präsynaptischen Membran angreift. Eine solche Hemmung wird durch den von der Synapse selbst ausgeschütteten Transmitter oder durch einen anderen Transmitter vermittelt, der von einem Transmitter:präsynaptische Hemmungzusätzlichen, die Präsynapse ansteuernden Neuron, freigesetzt wird. Eine Sonderform der präsynaptische Hemmung beruht auf einer verminderten Freisetzung exzitatorischer Transmitter und wurde bisher vor allem im Rückenmark gefunden. Hier konnte die präsynaptische Depolarisation von primär afferenten Fasern abgeleitet werden („primäre afferente Depolarisation“, PAD).
Mechanismen der präsynaptischen HemmungDasHemmung:präsynaptische morphologische Substrat dieser Hemmungsform besteht in „Synapsen an Synapsen“, wobei in Abb. 3.24 eine besondere Form beschrieben ist, bei der es präsynaptisch zu einer Depolarisation kommt. Weitere Formen der Depolarisation:präsynaptische Hemmungpräsynaptischen Hemmung hängen nicht von einer Vordepolarisation des synaptischen Endknopfes ab, sondern werden über eine direkte Hemmung des Transmitterausschüttungsmechanismus vermittelt. Dies ist u.a. bei metabotropen α2-, Opioid-, Adenosin- und Glutamatrezeptoren der Fall.
Zeitliche und räumliche Summation von EPSP und IPSP
Potenzial:postsynaptischesFür die Informationsverarbeitung im IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potenzial):SummationEPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potenzial):SummationNervensystem ist die Möglichkeit der Summierung postsynaptischer Potenziale durch ein Neuron von herausragender Bedeutung (Abb. 3.25).
Zeitliche Summation (zeitliche Bahnung)Läuft über Faser 2 in Abb. 3.25 ein Bahnung:zeitliche, postsynaptisches PotenzialAktionspotenzial (AP), entsteht im postsynaptischen Neuron ein EPSP, das aber die Membranschwelle nicht erreicht. Somit entsteht kein AP. Folgt jedoch in derselben Faser ein zweites AP so schnell, dass das erste EPSP noch nicht beendet ist, addieren sich die postsynaptischen Potenziale zu einer größeren synaptischen Depolarisation, die nun die Membranschwelle erreicht und ein AP auslöst. In diesem Fall bestimmt das Zeitintervall zwischen 2 präsynaptischen AP auf einer Faser die Summation; deshalb wird dieser Mechanismus als zeitliche Summation oder auch als zeitliche Bahnung („für die Erregungsübertragung“) bezeichnet.
Räumliche Summation (räumliche Bahnung)Derselbe Effekt kann auch dadurch Bahnung:räumliche, postsynaptisches Potenzialentstehen, dass 2 und mehr exzitatorische Synapsen gleichzeitig oder mit einer kleinen Zeitverzögerung aktiviert werden. Ein solcher Fall liegt vor, wenn nahezu gleichzeitig je ein AP über die Fasern 1 und 2 in Abb. 3.25 läuft. Die Summation wird hier also dadurch hervorgerufen, dass mehrere voneinander getrennte Synapsen gleichzeitig aktiviert werden. Da damit die räumliche Ausdehnung des Membranareals zunimmt, in dem synaptische Ströme eingeschaltet werden, wird dieser Mechanismus als räumliche Summation oder als räumliche Bahnung bezeichnet.

MERKE

In der Regel liegen an einem postsynaptischen Neuron simultan zeitliche und räumliche Summationen vor. Summationen lassen sich sowohl für EPSP als auch für IPSP nachweisen. Durch eine Summation von IPSP kann das Membranpotenzial natürlich nur bis zum Gleichgewichtspotenzial dieser postsynaptischen Potenziale (EIPSP) zunehmen.

Interaktionen von EPSP und IPSP
Potenzial:postsynaptisches„Verrechnet“ werden nicht nur IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potenzial):InteraktionenEPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potenzial):Interaktionenpostsynaptische Potenziale desselben Typs, sondern auch postsynaptische Potenziale entgegengesetzter Polarität: Entsteht durch eine gleichzeitige Aktivierung der Fasern 1 und 2 in Abb. 3.25 ein EPSP, wird durch räumliche Summation die Membranschwelle überschritten und ein AP ausgelöst. Geht den EPSP jedoch durch Aktivierung der Faser 3 ein IPSP unmittelbar voraus, wird die Membranschwelle nicht erreicht, und die AP in den Fasern 1 und 2 werden durch das postsynaptische Neuron nicht fortgeleitet. Die Information wird also nicht oder zumindest nicht in der ursprünglichen Form weitergegeben.

ZUSAMMENFASSUNG

Formen der Erregungsübertragung

Die entlang einer Nervenfaser fortgeleiteten Aktionspotenziale bringen elektrische Informationen zum Faserende, von wo die eintreffenden Signale auf andere Neurone oder Effektorzellen übertragen werden müssen. Die Strukturen dieser Zell-Zell-Kommunikation werden unter dem Oberbegriff Synapsen zusammengefasst. Synapsen besitzen einen präsynaptischen (präsynaptische Endigung) und einen postsynaptischen Anteil, der sich in der Membran des nachgeschalteten Neurons befindet. Es lassen sich morphologisch und funktionell 2 Typen von Synapsen unterscheiden:
  • Bei elektrischen Synapsen (Gap Junctions) sind prä- und postsynaptische Seite durch Proteine (Connexine) direkt miteinander verbunden. Die Connexine bilden tunnelartige Strukturen, durch die Ionen und niedermolekulare Substanzen von einer Zelle in die andere gelangen. Ihren Namen haben elektrische Synapsen erhalten, weil die Erregung bei diesen Synapsen durch elektrotonische Ströme übertragen wird.

  • Bei chemischen Synapsen sind Prä- und Postsynapse durch einen Spalt voneinander getrennt. Die Erregung wird durch chemische Substanzen (Transmitter) übertragen, die in der präsynaptischen Endigung gespeichert sind. In chemischen Synapsen wird die in der präsynaptischen Endigung einlaufende Erregung in ein chemisches Signal transformiert.

Transmitter und Transmitter-Rezeptor-Komplex

Durch die Depolarisation der präsynaptischen Endigung strömt Ca2+ über spannungsabhängige Kalziumkanäle in die Zelle ein. Die damit erhöhte präsynaptische Ca2+-Konzentration trägt entscheidend zur Ausschüttung der Transmitter- oder Überträgerstoffe in den synaptischen Spalt bei.
Der Transmitter wird in der präsynaptischen Struktur synthetisiert und überwiegend in Vesikeln gespeichert. Nachdem er ausgeschüttet wurde und an den postsynaptischen Rezeptor gebunden hat, wird er inaktiviert, indem er entweder enzymatisch gespalten wird (Acetylcholin) oder aus dem synaptischen Spalt herausdiffundiert (z.B. Glutamat). Häufig wird die Überträgersubstanz auch durch Transportproteine wieder in die präsynaptische Struktur aufgenommen.
Die Transmitter binden an spezifische Rezeptoren in der postsynaptischen Membran. Diese sind entweder funktionell direkt mit Membrankanälen gekoppelt (ionotrope Rezeptoren) oder aktivieren intrazelluläre Botenstoffsysteme (metabotrope Rezeptoren):
  • Bindet der Transmitter an einen ionotropen Rezeptor, ändert sich die Konformation des Kanalproteins, was zur – fast sofortigen – Öffnung des Kanals führt. Bereits während der Bindung des Transmitters kann der Rezeptor aber wieder in einen geschlossenen, nicht aktivierbaren Zustand übergehen (Desensitisierung). Beispiele für einen solchen Mechanismus sind die Aktivierung von Chloridkanälen durch den Transmitter GABA oder die Aktivierung bestimmter Kationenkanäle durch den Neurotransmitter Glutamat.

  • Bindet der Transmitter an einen Rezeptor, der nicht identisch mit einem Kanalprotein ist, kommt es zur Aktivierung von G-Proteinen und in weiteren Schritten zur Wirkung auf Membrankanäle. Beispiel hierfür ist die Wirkung des Neurotransmitters Dopamin.

Postsynaptische Potenziale

Durch die transmittergesteuerte Öffnung von Membrankanälen werden postsynaptische Ströme („postsynaptic currents“, PSCs) aktiviert. Sie führen zu einer Änderung des postsynaptischen Membranpotenzials. Es können exzitatorische (EPSP) und inhibitorische postsynaptische Potenziale (IPSP) unterschieden werden. Bei EPSP wird die postsynaptische Membran depolarisiert, bei IPSP hyperpolarisiert. Im Fall der EPSP wird bei Erreichen der Membranschwelle ein Aktionspotenzial ausgelöst.

Verschaltungen von Neuronen

Sind Neuronen synaptisch zu einem Verband zusammengeschaltet, lassen sich einige Grundschaltungen differenzieren, in denen divergierende und konvergierende Erregungsausbreitung, rückwärts und vorwärts gerichtete Hemmungsprozesse, Kontrastbildung sowie zirkuläre Erregungsprozesse zur Informationsspeicherung stattfinden (Kap. 3.5).

Erregungsausbreitung im Neuronenverband

R. Köhling, E.-J. Speckmann, D. Neuronenverband:ErregungsausbreitungErregungsausbreitung:NeuronenverbandSwandulla

Zur Orientierung

Durch die Mechanismen der Erregungsübertragung ergeben sich an Neuronen vielfältige Möglichkeiten der Informationsverarbeitung. Von diesen Möglichkeiten wird Gebrauch gemacht, wenn einzelne Neurone zu einem Verband zusammengeschaltet sind. Dabei lassen sich einige Grundschaltungen differenzieren, in denen divergierende und konvergierende Erregungsausbreitungen, rückwärts und vorwärts gerichtete Hemmungsprozesse, Kontrastbildungen sowie zirkuläre Erregungsflüsse zur Informationsspeicherung stattfinden.

Prinzipien der Erregungsausbreitung

Divergenz- und Konvergenzprinzip
In einer Neuronenkette, bei der Erregungsausbreitung:PrinzipieneinzelneAktionspotenzial:Erregungsausbreitung Neurone mit exzitatorischen Synapsen (sog. exzitatorische Neurone) geradlinig hintereinander geschaltet sind, wird ein Aktionspotenzial die gesamte Neuronenkette vom „Startneuron“ bis zum „Zielneuron“ durchlaufen, wenn man voraussetzt, dass an jeder synaptischen Umschaltstelle ein überschwelliges EPSP entsteht. Häufig sind Neuronenketten jedoch über Axonkollateralen mit parallel verlaufenden Ketten synaptisch verbunden, sodass es – je nach Bahnungsniveau – 2 Möglichkeiten der Erregungsausbreitung gibt:
DivergenzBesteht eine hinreichende Bahnung, wird ein Neuronenverband:DivergenzErregungsausbreitung:DivergenzDivergenz:ErregungsausbreitungAktionspotenzial, das in einem einzelnen Startneuron entsteht, über alle angekoppelten Neuronenketten weitergegeben.
KonvergenzIst das Bahnungsniveau in den Neuronenverband:KonvergenzKonvergenz:ErregungsausbreitungErregungsausbreitung:KonvergenzNeuronenketten so niedrig, dass ein einzelnes Aktionspotenzial nicht weitergeleitet wird, kann die Erregung nur weitergeleitet werden, wenn von zahlreichen Startneuronen Aktionspotenziale über Axonkollateralen auf ein nachgeschaltetes Neuron zulaufen und dort durch räumliche Bahnung ein Aktionspotenzial auslösen.

MERKE

Nicht jedes Aktionspotenzial wird im Nervenzellverband fortgeleitet, vielmehr kann die Erregung selektiert werden. Bei der Erregungsausbreitung im ZNS sind Divergenz und Konvergenz meist eng miteinander vernetzt.

Rückwärts- und Vorwärtshemmung
Werden inhibitorische Neurone in Netzwerke eingefügt, die aus exzitatorischen Neuronen bestehen, eröffnen sich weitere Verschaltungsmöglichkeiten (Abb. 3.26):
RückwärtshemmungStartneurone können über Axonkollateralen mit Rückwärtshemmung:ErregungsausbreitungNeuronenverband:RückwärtshemmungErregungsausbreitung:Rückwärtshemmunginhibitorischen Neuronen exzitatorisch verknüpft sein. Bei einer ausreichenden Bahnung löst jedes Aktionspotenzial in den Startneuronen ein Aktionspotenzial in den inhibitorischen Neuronen aus. Wenn die inhibitorischen Neurone ihre Axone zu den Startneuronen zurücksenden (Abb. 3.26a), folgt auf jedes Aktionspotenzial des Startneurons ein IPSP. Da während dieses IPSP in der Regel kein Aktionspotenzial auslösbar ist, begrenzt diese Rückwärtshemmung die Wiederholungsfrequenz der Aktionspotenziale im Startneuron (Erregungsbegrenzung).
VorwärtshemmungAndererseits ist es möglich, dass die Vorwärtshemmung:ErregungsausbreitungNeuronenverband:VorwärtshemmungErregungsausbreitung:Vorwärtshemmunginhibitorischen Neurone mit Nervenzellen in Nachbarketten verbunden sind (Abb. 3.26b). Dadurch entstehen Hemmungsprozesse, die als Vorwärtshemmung bezeichnet werden. Sie spielen u.a. bei der Kontrastbildung im sensorischen System eine besondere Rolle (s.u.).
Kontrastbildung durch laterale Hemmung
Vorwärtshemmungen sind die Grundlage Neuronenverband:KontrastbildungKontrastbildung, laterale HemmungHemmung:lateraleErregungsausbreitung:Kontrastbildungfür Vorwärtshemmung:KontrastbildungKontrastphänomene (Abb. 3.27): Werden die Aktionspotenziale, die von „Startneuronen“ ausgehen, nicht nur exzitatorischen, sondern auch inhibitorischen Neuronen zugeleitet, wird auf der Ebene der „Zielneurone“ ein Aktivitätsfokus von einem Hemmungssaum umgeben.

MERKE

Durch laterale Hemmungen nimmt die „Abbildungsschärfe“ eines peripher wirksamen Aktivierungsmusters in übergeordneten Strukturen des ZNS zu.

Disinhibition (Enthemmung) und Disfazilitation (Entbahnung)
Bei der Erregungsausbreitung in Neuronenverband:DisinhibitionNeuronenverband:DisfazilitationErregungsausbreitung:DisinhibitionErregungsausbreitung:DisfazilitationDisinhibition:ErregungsausbreitungDisfazilitation:ErregungsausbreitungNeuronenverbänden wirken synaptische Exzitationen und Inhibitionen nicht nur auf die unmittelbar postsynaptischen Neurone, sondern auch auf die nachgeschalteten Nervenzellen. Wenn eine Neuronenkette über eine exzitatorische Synapse verbunden ist (3 und 4 in Abb. 3.28) und über ein vorgeschaltetes Neuron (1 in Abb. 3.28) einen kontinuierlichen exzitatorischen Antrieb erhält, wird diese Erregung zunächst regelmäßig weitergeleitet.
Entbahnung (Disfazilitation)Wird das Anfangsneuron der Neuronenkette (3 in Abb. 3.28) durch ein vorgeschaltetes inhibitorisches Neuron direkt gehemmt (2 in Abb. 3.28), wird das nachgeschaltete Neuron (4 in Abb. 3.28) weniger stark gebahnt, die Schwelle nicht mehr erreicht, und es entstehen keine Aktionspotenziale mehr. Dieser Effekt wird als Entbahnung (Disfazilitation) bezeichnet. Grundsätzlich ist eine solche Blockade möglich durch:
  • eine postsynaptische Hemmung des vorgeschalteten Neurons (Abb. 3.28)

  • eine präsynaptische Hemmung am terminalen Axon des vorgeschalteten Neurons (Abb. 3.24)

Enthemmung (Disinhibition)Stellt das inhibitorische, vorgeschaltete Neuron (2 in Abb. 3.28) seine Aktivität ein, überwiegt wieder der exzitatorische Antrieb, und es entstehen – wie in der Ausgangssituation – wiederholt Aktionspotenziale (Abb. 3.28). Es liegt also eine Enthemmung (Disinhibition) vor. Dadurch kommt es schließlich wieder zu einer Bahnung (Fazilitation).

MERKE

Bei der Erregungsausbreitung im Neuronenverband verschieben Inhibition bzw. Disfazilitation das Membranpotenzial in Richtung Hyperpolarisation und Fazilitation bzw. Disinhibition in Richtung Depolarisation.

Klinik

Entladungsmuster bei EpilepsienBei normaler Funktion des ZNS weisen die Nervenzellen eines Verbandes asynchrone Entladungsmuster auf, die in der Regel aus einzelnen Aktionspotenzialen oder aus Zweier- oder Dreiergruppen von Aktionspotenzialen bestehen. Dagegen sind bei epileptischen Anfällen kurze, hochfrequente Serien von Aktionspotenzialen nachzuweisen, die in allen Neuronen eines Verbandes zur gleichen Zeit, also hochsynchronisiert, auftreten und durch Depolarisationen hoher Amplitude („paroxysmal depolarization shifts“) ausgelöst werden. Dieser Zustand „höchster funktioneller Ordnung“ ist nicht mit einer normalen Funktion des Nervensystems vereinbar.

SymptomatikAls Epilepsien bezeichnet man Krankheiten, bei denen es aufgrund einer Fehlleistung des Gehirns wiederholt zu plötzlich auftretenden, vorübergehenden Funktionsstörungen des Organismus kommt. Dabei können sowohl das motorische (z.B. Muskelzuckungen, Stürze) als auch das sensorische System (Empfindungen, Wahrnehmungen, vegetative Störungen, z.B. der Herz-Kreislauf-Funktion) betroffen sein.

AnfallstypenBei einigen der vielfältigen epileptischen Anfälle deuten die klinischen und elektroenzephalografischen Veränderungen (Kap. 6.1) an, dass zumindest im Anfang nur ein begrenzter Teil einer Hirnhemisphäre epileptische Aktivität zeigt (Partialanfälle, fokale oder lokale Anfälle). Bei anderen deuten die ersten klinischen Zeichen bereits darauf hin, dass sich die epileptische Aktivität auf beide Hirnhemisphären erstreckt (generalisierte Anfälle).

Dieser Abschnitt wurde unter klinischer Beratung von P. Wolf, Bielefeld/Bethel, erstellt.

Erregungsspeicherung im Neuronenverband

Im Nervensystem sind neuronale VerschaltungenBahnung:Neuronenverbandparoxysmal depolarization shiftsFazilitationEpilepsie:EntladungsmusterEpilepsie:SymptomatikEpilepsie:AnfallstypenErregungsspeicherungNeuronenverband:Erregungsspeicherung weit verbreitet, in denen einzelne Aktionspotenziale und Folgen von Aktionspotenzialen „aufbewahrt“ werden können. Dazu sind die Neurone so miteinander verknüpft, dass die Erregungen wieder zum Startneuron zurückkehren (Abb. 3.29).

MERKE

Das Grundelement von Verschaltungen zur Erregungsspeicherung ist also eine kreisförmige Anordnung exzitatorischer Neuron:exzitatorisches, ErregungsspeicherungNeurone. Die einmalige Aktivierung des Eingangs genügt dabei, um bei ausreichender Bahnung die Erregung kreisen zu lassen.

Kreisende ErregungSetzt man voraus, dass an allen synaptischen UmschaltstationenErregung:kreisende eine ausreichende Bahnung vorliegt, wird ein einzelnes Aktionspotenzial, das über den Eingang E1 in Abb. 3.29 in die Schaltung gelangt, durch die exzitatorischen Neurone 1 und 7 einem Effektor zugeleitet. Gleichzeitig wird es über eine Axonkollaterale des Neurons 1 in den Neuronenkreis eingespeist und durch die Neurone 2–6 fortgeleitet. Nach einer Latenz, die durch die Leitungsgeschwindigkeit der Axone und die synaptischen Prozesse bestimmt wird, kehrt die Erregung zum Neuron 1 zurück und gelangt von dort erneut über Neuron 7 zum Effektor bzw. wieder in den Neuronenkreis.
ModifizierungenDiese Prozesse können modifiziert werden (Abb. 3.29), indem die Anzahl der „kreisenden“ Erregungen erhöht (über E1), der Zugang zum Effektor kontrolliert (über E2) oder die Erregungsausbreitung im Neuronenkreis unterbunden wird (über E3).
Neuronale Schaltungen, in denen Aktionspotenziale einzeln oder zu Mustern zusammengefasst „aufbewahrt“ werden können und die damit die Möglichkeit zur Informationsspeicherung bieten, bilden offensichtlich die strukturelle Grundlage des Kurzzeitgedächtnisses (Kap. 6.3).

Physiologie der Gliazellen

Kurzzeitgedächtnis:kreisende ErregungR. Köhling, E.-J. Speckmann, D. Swandulla

Zur Orientierung

Sowohl bei der Entstehung und Leitung von Aktionspotenzialen als auch bei der Erregungsübertragung von einer Zelle auf die nächste fließt K+ aus dem Zellinneren heraus. Eine extrazelluläre K+-Ansammlung würde das Ruhemembranpotenzial vermindern und schließlich die Erregungsentstehung beeinträchtigen. Die Gliazellen sorgen jedoch für eine Umverteilung von K+ und tragen damit entscheidend zur Einstellung des extrazellulären ionalen Mikromilieus während neuronaler Aktivität bei. Daneben spielen Gliazellen eine wichtige Rolle bei der synaptischen Übertragung, da sie Transmitter aufnehmen, um- und abbauen.

Beeinflussung des Mikromilieus

Im ZNS sind die Neurone von Gliazellen umgeben (s.a. Kap. 2.1).Gliazelle:Physiologie
Ionenkanäle in GliazellmembranenIn der Membran der Gliazellen gibt es Kanäle, Kaliumkanal:GliazellmembranIonenkanal:Gliazellmembrandie für K+ andauernd permeabel sind (KapKaliumpermeabilität:Gliazellen. 3.1). Dadurch entstehen – wie bei den Neuronen – K+-Konzentrationsgradienten, elektrische Felder (auch Abb. 3.2a) und in der Folge Membranpotenziale (Abb. 3.30, auch Abb. 3.1). Da die „Leckströme“ anderer Ionen sehr klein sind, stellt sich das Membranpotenzial beim K+-Gleichgewichtspotenzial ein und liegt damit bei etwa –80 mV. Spannungsabhängige (Kap. 3.2.1) und ligandengesteuerte Ionenkanäle (Kap. 3.4.2), wie sie für Neurone beschrieben wurden, sind auch bei Gliazellen anzutreffen. Sie sind jedoch offensichtlich auf spezielle Typen von Astrozyten und Oligodendrozyten sowie auf frühe ontogenetische Entwicklungsperioden und Gliatumoren beschränkt.

MERKE

Gliazellen können weder Aktionspotenziale noch postsynaptische Potenziale generieren – dazu sind die Ströme, die insgesamt durch die Membrankanäle fließen, im Verhältnis zur hohen K+-Permeabilität zu klein. Gliazellen kommen damit als informationsverarbeitende Elemente nicht – zumindest nicht direkt – in Betracht.

Abhängigkeit des MembranpotenzialsDie Höhe des Membranpotenzials an Gliazellen wird vom transmembranösen K+-Membranpotenzial:GliazellenGliazelle:MembranpotenzialKonzentrationsgradienten bestimmt und hängt damit von der neuronalen Kaliumkonzentration:Gradient, GliazellenAktivität ab: Bei einer neuronalen Erregung sammelt sich K+ extrazellulär an (Abb. 3.30b), was dazu führt, dass das K+-Gleichgewichtspotenzial und damit das Membranpotenzial der Gliazellen abnimmt (Abb. 3.30a). Neurone und Gliazellen sind auf diese Weise funktionell verknüpft.

MERKE

Bei einer Folge von neuronalen Aktionspotenzialen steigt die extraneuronale K+-Konzentration an, und es kommt zu einer anhaltenden Depolarisation:GliazellenDepolarisation der benachbarten Gliazellen.

Räumliche „Kaliumpufferung“Weil Gliazellen untereinander durch Gap Junctions (Kap. 3.4.1Gliazelle:Kaliumpufferung\b) verbundenKaliumpufferung sind und ein weitverzweigtes Netz bilden und weil ihr Membranpotenzial vom Aktivitätsniveau benachbarter Neurone abhängt, ergibt sich der Mechanismus der räumlichen Kaliumpufferung. Er trägt entscheidend zur Konstanthaltung des extrazellulären Ionenmilieus bei (Abb. 3.31) und hat im Extrazellulärraum:GliazellenWesentlichen 2 Konsequenzen:
  • Sie verhindert eine hohe extrazelluläre K+-Konzentration im neuronalen „Aktivitätsherd“. Das neuronale Ruhemembranpotenzial wird damit nicht kritisch vermindert und die Erregungsentstehung ist nicht beeinträchtigt.

  • In Gewebearealen, die entfernt vom neuronalen „Aktivitätsherd“ liegen, steigt die extrazelluläre K+-Konzentration infolge der weiten Verzweigung der Gliazellen nur geringfügig. Diese Veränderung kann dennoch dazu führen, dass das Membranpotenzial in diesen Arealen etwas vermindert ist und die Nervenzellen damit leichter erregbar sind. Das hat unter extremen Bedingungen, z.B. bei epileptischen Anfällen, möglicherweise eine Bedeutung für die neuronale Synchronisierung (Kap. 3.5).

Funktionen bei der synaptischen Übertragung

Synapsen sind von Gliazellen umhüllt (auch Abb. 2.1Synapse:Gliazellen). Diese Gliazelle:Synapsenenge Nachbarschaft bildet die Voraussetzung für eine Mitwirkung von Gliazellen an der synaptischen Transmission:
  • Gliazellen verhindern durch ihre räumliche Anordnung eine Ausbreitung des freigesetzten Transmitters.

  • Gliazellen können Transmitter aufnehmen, Transmitter:Gliazellensie haben z.B. sehr effektive Transportsysteme für die Transmitter GABA und Glutamat (Kap. 3.4.2). Daneben nehmen sie GABA:Gliazellenauch Glutamat:GliazellenSerotonin (5-HT), Noradrenalin, Dopamin (Transporter hemmbar u.aSerotonin:Gliazellen. durch KokainNoradrenalin:Gliazellen und Dopamin:GliazellenAmphetamine), Adenosin und Histamin auf.

  • Gliazellen bauen GABA unterAdenosin:Gliazellen Mitwirkung derHistamin:Gliazellen GABA-Transaminase vollständig ab und formen Glutamat durch die Glutaminsynthetase zu Glutamin um.

  • Gliazellen setzen Glutamin frei, das dann von den Neuronen aufgenommen und wieder zu Glutamat umgebaut wird.

Blut-Hirn-Schranke, Liquor cerebrospinalis

E.-J. Speckmann, W. Kuschinsky

Zur Orientierung

Im gesamten Organismus sind die Zellen der einzelnen Organe von einer Extrazellulärflüssigkeit umgeben, deren Zusammensetzung in engen Grenzen reguliert wird. Das ZNS ist gegenüber Schwankungen in der Zusammensetzung der umgebenden Flüssigkeit besonders geschützt: Zum einen sind die Zellen im ZNS vom Liquor cerebrospinalis umgeben, der über die Plexus choroidei in seiner Zusammensetzung reguliert und konstant gehalten wird; zum anderen sind die Kapillaren, die das Gehirn und das Rückenmark versorgen, durch die Blut-Hirn-Schranke so abgedichtet, dass nur ein selektiver Transport von Stoffwechselsubstraten abläuft, während andererseits die Atemgase aufgrund ihrer Lipidlöslichkeit frei diffundieren können.

Blut-Hirn-Schranke

Anatomie und Schrankenfunktion
Anatomisches Substrat der Blut-Hirn-Schranke Blut-Hirn-Schrankesind die Endothelzellen der Hirnkapillaren (Abb. 3.32). Sie Endothelzelle:Blut-Hirn-Schrankebesitzen besondere Eigenschaften, die für die Barrierefunktion verantwortlich sind:
  • Tight Junctions verschließen die Räume zwischen den Tight Junctions:Blut-Hirn-SchrankeEndothelzellen vollständig. Eine Passage ist also nur durch die Endothelzellen selbst möglich.

  • Die lipidhaltige Membran der Endothelzellen ist für wasserlösliche Moleküle nur wenig durchlässig.

  • Enzyme in den Endothelzellen können Transmitter inaktivieren; Adrenalin, das aus dem Transmitter:Blut-Hirn-SchrankeNebennierenmark freigesetzt wird Adrenalin:Blut-Hirn-Schrankeund im Blut zirkuliert, erreicht das Gehirn in veränderter Form. Umgekehrt kann aber auch Adrenalin, das aus Neuronen im Gehirn stammt, nicht unverändert ins Blut gelangen.

Astrozyten umgeben mit ihren Fortsätzen die Hirnkapillaren. Durch die AstrozytenSpalten zwischen den Fortsätzen (Gap Junctions) können auch große Moleküle hindurchtreten; Gap Junctions:Blut-Hirn-Schrankedie Astrozyten leisten somit keinen Beitrag zur Barrierefunktion der Blut-Hirn-Schranke.
Austauschfunktion der Blut-Hirn-Schranke
Für den Stoffaustausch zwischen Blut und Blut-Hirn-Schranke:AustauschfunktionHirngewebe über die Blut-Hirn-Schranke stehen 3 Wege zur Verfügung, wovon der erste weniger, die beiden letzten stärker selektive Transportmechanismen darstellen.
Passage lipidlöslicher SubstanzenWeil die Membranen der Endothelzellen Lipide enthalten, sind sie für lipidlösliche Substanzen kein Hindernis. Neben den Atemgasen O2 und CO2 können auch Narkosegase und lipidlösliche Blutbestandteile die Endothelzellen und damit die Blut-Hirn-Schranke entlang ihrem Partialdruck- bzw. Konzentrationsgradienten passiv passieren. Für die Passage sind die physikalischen Eigenschaften der jeweiligen Substanzen maßgeblich, also das Ausmaß der Lipidlöslichkeit.
Carriervermittelter TransportDas Gehirn benötigt große Mengen an D-GlukoseGlukose:Gehirnstoffwechsel Transport:carriervermittelter, Blut-Hirn-Schrankeals Substrat seines Stoffwechsels. D-Glukose ist nicht lipidlöslich und wird mithilfe spezifischer Transportsysteme an den Membranen der Gefäßendothelien über die Blut-Hirn-Schranke vom Blut ins Hirngewebe transportiert. WeitereGlukose:Blut-Hirn-Schranke spezifische Carriersysteme aus der Familie der sog. Solute Carriers (SLC) vermitteln u.a. den Transport von Laktat, Solute CarrierPyruvat, Ketonkörpern und Acetat (MCT).
Aktiver TransportPyruvat, Blut-Hirn-SchrankeLaktat:Blut-Hirn-SchrankeAnTransport:aktiver den Ketonkörper:Blut-Hirn-SchrankeAcetat:Blut-Hirn-SchrankeGefäßendothelien laufen auch aktive Transportvorgänge ab. Grundlage des aktiven Transports ist die Existenz einer membranständigen Na+/K+-ATPase. Die funktionelle Bedeutung dieser sog. ABC-Transporter (ABC = „ATP-binding cassette“, ABC-Transporter:Blut-Hirn-SchrankeMembrantransporter mit der Fähigkeit zur ATP-Bindung) liegt nicht nur darin, dass sie die Ionen- und Flüssigkeitszusammensetzung des Extrazellulärraums des Gehirns regulieren, sondern auch den Transport von Substanzen aus dem Gehirn aktiv steuern. Ein wichtiges Protein ist in diesem Zusammenhang das P-Glykoprotein, welches auch bei der Arzneimittelentgiftung des Gehirns eine Rolle spielt.

Blut-Liquor-Schranke und Liquor cerebrospinalis

PermeabilitätBei einigen Kapillaren des Liquor cerebrospinalisBlut-Liquor-SchrankeGehirns sind die Zwischenzellräume durchlässiger als bei den übrigen Kapillaren. Solche etwas weiter geöffneten Interzellularspalten sind am Plexus choroideus zu finden. Vom Ventrikelliquor werden die Plexuskapillaren nur noch durch eine Ependymschicht getrennt, die mäßig durchlässig ist. Damit ist das Substrat der Blut-Liquor-Schranke epithelialer Natur, während die Blut-Hirn-Permeabilität, Blut-Liquor-SchrankeBlut-Liquor-Schranke:PermeabilitätSchranke in den Kapillaren liegt.

MERKE

Die Blut-Liquor-Schranke hat andere Permeabilitätscharakteristika als die Blut-Hirn-Schranke.

Durch die Blut-Liquor-Schranke können bestimmte Vitamine und Nukleotide aus dem Blut in den Liquor und damit ins Hirngewebe gelangen. Vor allem aber ermöglicht diese strukturelle Anordnung die Produktion eines Großteils des Liquor cerebrospinalis.
Liquorbildung und resorptionDie Zusammensetzung des Liquors weicht von der eines reinen Plasma-Ultrafiltrats ab (Tab. 3.5). Es sind also aktive Transportvorgänge beteiligt, wenn der Liquor am Plexusependym gebildet wird. Dadurch kann die Zusammensetzung des Liquor cerebrospinalis sehr exakt reguliert werden. Die Resorption des Liquors ist hingegen ein rein passiver Liquor cerebrospinalis:ResorptionVorgang. Er wird durch den hydrostatischen Druckgradienten zwischen Liquor und Hirnvenenblut im Bereich der Arachnoidalvilli und der Wurzeltaschen der Hirn- und Spinalnerven bestimmt.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Blut-Hirn-Schranke im Kapillarendothel und in den Tight Junctions verhindert den Eintritt zahlreicher wasserlöslicher Substanzen aus dem Blut in das Gehirn. Sie ermöglicht mithilfe unterschiedlicher Carrier auch den Transfer von Nährstoffen in das Gehirn und den selektiven Austransport auch körperfremder Substanzen. Außerdem können lipidlösliche Verbindungen, insbesondere die Atemgase, die Blut-Hirn-Schranke frei passieren.

Hirndurchblutung

W. Kuschinsky, E.-J. Speckmann

Zur Orientierung

Die Gehirndurchblutung ist eng an den Funktionszustand des Gehirngewebes gekoppelt. Mittler der lokalen Koppelung sind Signalstoffe, die funktions- (K+) und stoffwechselabhängig (H+, Adenosin) vom Hirngewebe freigesetzt werden und hierdurch die Widerstandsgefäße des Gehirns beeinflussen. Neben dieser Vasomotorik verfügen die Hirngefäße über eine Autoregulation, welche die Durchblutung konstant hält, wenn sich die Perfusionsdrücke ändern. Die Ischämie des Gehirns hat innerhalb von Sekunden Funktionsausfälle zur Folge, die je nach dem Ausmaß der Ischämie schon nach wenigen Minuten irreversibel werden können.

Werte in Ruhe und bei Aktivierung

Normalwerte
Durch das Gehirn fließen unter Ruhebedingungen ca. 50 ml Blut/100 g Hirngewebe und Minute. Der O2-Verbrauch liegt bei ca. 3 ml O2/100 g Hirngewebe und Gehirn:DurchblutungDurchblutung:GehirnHirndurchblutungSauerstoffverbrauch:GehirnMinute. Der Sauerstoff wird zur Oxidation von Glukose verwendet. Der Energiebedarf des Gehirns liegt bei 15% des Energiebedarfs des Gehirn:EnergiebedarfGesamtorganismus. Neben GlukoseGlukose:Gehirnstoffwechsel können Ketonkörper als zusätzliches Substrat des Ketonkörper:GehirnstoffwechselHirnstoffwechsels herangezogen werden – aber nur, wenn die Plasmakonzentration der Ketonkörper auf das Mehrfache des Normalwerts erhöht ist, wie dies beim mehrtägigen Fasten oder bei diabetischer Ketoazidose der Fall ist.

MERKE

Durchblutung und O2-Verbrauch des Gehirns sind regional unterschiedlich hoch, wobei in der grauen Substanz 3–4-fach höhere Werte als in der weißen Substanz zu finden sind.

Hirndurchblutung bei funktioneller Aktivierung
Bei einer funktionellen Aktivierung einzelner Hirnareale steigt die Durchblutung lokal in diesen Hirnarealen an (Abb. 3.33). Dadurch wird der erhöhte Bedarf an O2 und Glukose gedeckt. Der erhöhte Energiebedarf entsteht durch die Aktivierung von energiefordernden Pumpen in den Zellmembranen des aktivierten Gewebes (Kap. 3.1.2). Diese Pumpen garantieren die ungleichmäßige Ionenverteilung zwischen den Zellen und der Extrazellulärflüssigkeit des Gehirns, die sonst durch Ionenströme über die Membran der zellulären Elemente des Gehirns verändert würde (auch Kap. 3.2, Kap. 3.4).
Nachweismethoden
Die Methoden zur Messung der Hirndurchblutung basieren auf dem Fick'schen Prinzip (Kap. 9.2.9). Dabei wird in der Regel Fick'sches Prinzip:Hirndurchblutunggemessen, wie stark eine Indikatorsubstanz regional ausgewaschen wird. Um zu messen, wie hoch der regionale Stoffwechsel (verändert) ist, wird die Anreicherung von radioaktiver 2-Desoxyglukose, einem Glukoseanalog, mit der Positronenemissionstomografie (PET) bestimmt. Die PET wird auch eingesetzt,Positronenemissionstomografie:Hirndurchblutung um neben der Hirndurchblutung die Dichte von Rezeptoren zu bestimmen (Kap. 6.1). Im Gegensatz zu diesen quantitativen invasiven Methoden erlaubt die nichtinvasive funktionelle MagnetresonanztomografieMagnetresonanztomografie:funktionelle (fMRT, fMRI) eine qualitative Abschätzung von lokalen Funktionsänderungen im Gehirn anhand von Signalen, die u.a. durch Durchblutung und Oxygenierung bestimmt werden (Kap. 6.1).

Regulation

Gehirn:DurchblutungDie Hirndurchblutung wird über die Hirndurchblutung:RegulationWiderstandsgefäße des Gehirns reguliert. Deren glatte Muskeln erhalten bei einer lokalen funktionellen Aktivierung bestimmte Signale.
Regulierende Faktoren
Lokale FaktorenDie Signale sind lokale, funktionsabhängige und metabolische Faktoren, die aus den aktivierten Zellen freigesetzt werden, über die Extrazellulärflüssigkeit des Gehirns zu den Widerstandsgefäßen gelangen und diese dilatieren. Der wichtigste funktionsabhängige Faktor ist das K+, das bei jedem Aktionspotenzial freigesetzt wird. Kalium:HirndurchblutungZusätzlich wirksam sind stoffwechselabhängige, d.h. metabolische Faktoren wie H+ und Adenosin. Ihre Bildung hängt vom Verhältnis zwischen O2-Adenosin:HirndurchblutungBedarf und O2-Angebot ab. Wie eine erhöhte K+-Konzentration rufen auch eine erhöhte H+- und Adenosin-Konzentration eine Dilatation der Hirngefäße hervor. Gemeinsam ist diesen funktions- und stoffwechselabhängigen Faktoren, dass sie lokal wirksam werden. Sie werden jeweils an der Stelle freigesetzt, an der die Aktivität erhöht ist, und können dort eine Mehrdurchblutung auslösen.
Allgemeine FaktorenDie Hirngefäße stehen unter verschiedenen weiteren regulatorischen Einflüssen, die mehr global als regional wirksam werden und im Prinzip auch an den Gefäßen vieler anderer Organe zu finden sind (Abb. 3.34):
  • Eine sympathische Innervation kann eine tonisierende konstriktorische Wirkung auf Blutgefäße ausüben, die allerdings im Vergleich zu anderen Organen – wie Haut oder Skelettmuskel – von geringer Bedeutung ist.

  • Eine gegengerichtete, mäßig dilatierende Wirkung übt das Endothel auf die glatte Gefäßmuskulatur über die Freisetzung von Stickstoffmonoxid (NO) und Derivaten der Arachidonsäure aus.

  • Zusätzlich kann die Abscherung des Gefäßendothels durch das vorbeiströmende Blut eine weitere Dilatation vorgeschalteter Blutgefäße verursachen (durchblutungsabhängige Dilatation). Hierdurch wird die Durchblutungszunahme optimiert.

  • Wird das Blut zähflüssiger (Viskositätsanstieg), sinkt die Durchblutung. Unter physiologischen Bedingungen wird eine solche Durchblutungsabnahme durch eine Vasodilatation verhindert, die es ermöglicht, dass die Hirndurchblutung und damit der Sauerstoff- und Glukosetransport zum Gehirn unverändert bleiben.

Autoregulation
Autoregulation:DurchblutungGehirn:DurchblutungEin weiterer Faktor, dessen Änderung eine Hirndurchblutung:AutoregulationGehirn:AutoregulationReaktion der Hirngefäße verursacht, ist der Perfusionsdruck des Gehirns. Der Druck, mit dem das Gehirn perfundiert wird, wird unter physiologischen Bedingungen praktisch durch den arteriellen BlutdruckBlutdruck:arterieller bestimmt. Der intrakraniale Druck, der in entgegengesetzter Richtung wirksam ist, also vom Gehirngewebe zum Gefäßsystem hin, beträgt normalerweise nur wenige mmHg.Blutdruck:arterieller
zerebralerPerfusionsdruck=mittlererarterieller Blutdruck-intrakranialerDruck
Autoregulation ist definiert als Konstanz der Durchblutung bei wechselnden Perfusionsdrücken (Kap. 9.2.6) – zumindest wenn diese nicht zu stark vom physiologischen Perfusionsdruck abweichen. Die Zusammenhänge zwischen Gefäßreaktion, Durchblutung und Gefäßwiderstand bei unterschiedlichen Perfusionsdrücken sind in Abb. 3.35 dargestellt. Blutdruck:Blutdruckarterieller

Klinik

HirndrucksteigerungUnter pathophysiologischen Bedingungen, z.B. beim Hirnödem, kann der intrakraniale Druck so stark ansteigen, dass der Perfusionsdruck für eine adäquate Gewebeversorgung nicht mehr ausreicht: Die Grenzen des Autoregulationsbereichs sind dann erreicht.

Ischämie des GehirnsTypischerweise entsteht eine Ischämie (Mangeldurchblutung) im Gehirn durch einen Gefäßverschluss. Klinisch äußert sich das als Schlaganfall, beispielsweise mit neurologischen Ausfallerscheinungen (z.B. Lähmungen, sensorische Defekte), weil das nicht mehr oder nur noch schlecht durchblutete Hirngewebe zu wenig O2 und Substrate erhält. Kann das Gefäß nicht wieder eröffnet werden (therapeutisch oder spontan), geht Gehirngewebe schon nach Minuten irreversibel zugrunde (Hirninfarkt), und die Ausfallerscheinungen bleiben bestehen. Ein vollständiger Durchblutungsstopp, z.B. als Folge eines Herzstillstands, kann die Hirnfunktion in ihrer Gesamtheit lähmen (Abb. 3.36).

Feststellung des HirntodsDas Erlöschen der Hirnfunktion führt in wenigen Sekunden zum Atemstillstand und damit zum Tod. Durch die Entwicklung der Medizintechnik und der Intensivmedizin, etwa bei der künstlichen Beatmung, ist es möglich, dass Organe eines Patienten für einen begrenzten Zeitraum überleben können, auch wenn die Hirnfunktion nicht mehr vorhanden ist. Diese Situation führte zu einer veränderten Definition des Todes. Es wird zwischen dem Hirntod und dem biologischen Tod unterschieden (dissoziierter Hirntod).

Dieser Abschnitt wurde unter klinischer Beratung von K. van Ackern, Mannheim, verfasst.

Der Hirntod wird als der Tod des Menschen bestimmt, weil das Gehirn als das Zentrum des personalen Lebens gilt. Er wird definiert als Zustand des irreversiblen Erloschenseins der Gesamtfunktion des Gehirns, des Kleinhirns und des Hirnstamms, bei einer durch kontrollierte Beatmung noch aufrechterhaltenen Herz-Kreislauf-Funktion. Die Feststellung des Hirntods entbindet den Arzt von der weiteren Behandlung.

Die Hirntoddiagnostik stützt sich in der Bundesrepublik Deutschland auf die Empfehlungen der Bundesärztekammer. Diese Empfehlung lautet:

  • Vorliegen einer akuten schweren primären oder sekundären Hirnschädigung, Ausschluss von Intoxikationen, neuromuskulärer Blockade, Unterkühlung, Kreislaufschock, endokrinem oder metabolischem Koma als Ursache für den Ausfall der Hirnfunktion

  • Feststellung der klinischen Symptome von Koma, Hirnstammareflexie (u.a. Korneal-, Husten-, Schluckreflex) und Atemstillstand

  • Nachweis der Irreversibilität des Hirnfunktionsverlustes

Diese Befunde müssen übereinstimmend von 2 Ärzten festgestellt und dokumentiert werden. Beide Ärzte müssen über mehrjährige Erfahrung in der Intensivbehandlung von Patienten mit schwerer Hirnschädigung verfügen.

Bei einer beabsichtigten Organentnahme zur Transplantation müssen beide Ärzte unabhängig von einem Transplantationsteam sein. Die Kriterien zur Feststellung des Hirntods sind grundsätzlich so angelegt, dass sie durch rein klinische Beobachtungen mit der notwendigen Sicherheit möglich sind. Die Feststellung des Hirntods nach den von der Bundesärztekammer vorgegebenen Kriterien gilt auch für eine mögliche Organentnahme.

Dieser Abschnitt wurde unter klinischer Beratung von K. van Ackern, Mannheim, verfasst.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Prinzipien, nach denen die Durchblutung des Gehirns reguliert wird, sind von denen anderer Organe weniger verschieden, als früher angenommen wurde. Es finden sich eher quantitative als qualitative Unterschiede. So spielt im Gehirn das Kalium eine wichtige Rolle im Rahmen der lokalen Koppelung zwischen neuronaler Aktivität und Durchblutung. Auch die Autoregulation (= weitgehende Konstanz der Durchblutung bei wechselndem Perfusionsdruck) hat eine ähnliche Bedeutung wie an anderen Organen. Im Gegensatz zu anderen Organen muss beim Perfusionsdruck des Gehirns neben dem arteriellen Blutdruck auch der intrakraniale Druck berücksichtigt werden, der unter pathophysiologischen Bedingungen ansteigen und zu Hirndrucksymptomen führen kann.

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