Aktionspotenzial – Grundlage der Informationsweiterleitung

Was ist ein Aktionspotenzial?

Über Aktionspotenziale werden Informationen in Form von elektrischer Erregung von Nervenzellen weitergeleitet. Bei einem Aktionspotenzial handelt es sich um eine kurzfristige elektrische Spannungsänderung an der Membran einer Nervenfaser, die durch einen überschwelligen Reiz ausgelöst wird – also einen Reiz, der einen gewissen Schwellenwert erreicht hat.

Aktionspotenzial Nervenzelle – Verlauf

Ruhepotenzial
Ohne eine Reizwirkung von außen weisen die Membranen von Nervenzellen bzw. deren Axone ein Ruhepotenzial auf. Dieses Ruhepotenzial liegt im negativen Bereich bei etwa $-$70 Millivolt (mV):
An der Außenseite der Axonmembranen befinden sich positiv geladene Natriumionen ($Na^{+}$) und negativ geladene Chloridionen ($Cl^{-}$).
Auf der Innenseite der Membranen befinden sich positiv geladene Kaliumionen ($K^{+}$) und negativ geladene organische Anionen.
Da Stoffe naturgemäß vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration strömen, sind $Na^{+}$-Ionen bestrebt, in das Innere der Membran zu wandern, und $K^{+}$-Ionen sind bestrebt, nach außen zu gelangen. Doch nur die $K^{+}$-Ionen können die Membran durch entsprechende Ionenkanäle überwinden und nach außen strömen.
Durch die $Na^{+}$-Ionen und die zusätzlichen $K^{+}$-Ionen an der Außenseite ist im Ruhepotenzial die Außenseite der Axonmembranen leicht positiv geladen – und die Innenseite ist leicht negativ geladen.

Depolarisation
Dieses Potenzial kann durch Reize von außen verändert werden. Dabei löst nicht jeder Reiz eine Reaktion aus. Reize unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts führen keine Reaktion herbei. Nur wenn die Spannung den Schwellenwert überschreitet, wird das Potenzial an den Membranen für ein bis zwei Millisekunden komplett umgepolt. Die Reaktion auf einen Reiz wird entweder vollständig oder überhaupt nicht ausgelöst. Dieses Phänomen wird als Alles-oder-nichts-Prinzip bezeichnet.
Die Depolarisation verläuft folgendermaßen:
Im Ruhezustand sind die spannungsgesteuerten Ionenkanäle geschlossen.
Nach Erreichen des Schwellenwerts öffnen sich die $Na^{+}$-Kanäle.
Es strömen mehr $Na^{+}$-Ionen in das Innere der Axonmembranen, als $K^{+}$-Ionen nach außen strömen.
Das negative Membranpotenzial verändert sich von etwa $-$60 bis $-$80 Millivolt zu einer schwach positiven Spannung von etwa 30 Millivolt. Diese Umpolung wird als Depolarisation bezeichnet.

Refraktärzeit
Refraktärzeit ist der Zeitraum während und nach der Ausbildung eines Aktionspotenzials, in dem sich die $Na^{+}$-Kanäle schließen und eine Zeit lang nicht für neue Reize ansprechbar sind. In dieser Zeit kann eine erregte Nervenzelle nicht erneut auf einen Reiz reagieren.

Repolarisation
$K^{+}$-Ionenkanäle arbeiten etwas langsamer als $Na^{+}$-Ionenkanäle und daher öffnen sie sich mit einer zeitlichen Verzögerung. Durch den anschließenden Ausstrom von $K^{+}$-Ionen wird die Depolarisation wieder ausgeglichen und das Membranpotenzial sinkt erneut in den negativen Bereich.

Hyperpolarisation
Für einen kurzen Moment kann das Potenzial sogar etwas negativer ausfallen als das Ruhepotenzial: Dies bezeichnet man als Hyperpolarisation.

Rückkehr zum Ruhepotenzial
Zwar ist das Ruhepotenzial von der elektrischen Ladung aus gesehen wieder hergestellt, doch befinden sich nach der Repolarisation $Na^{+}$-Ionen im Inneren des Axons und $K^{+}$-Ionen außerhalb der Axonmembran. Natrium-Kalium-Ionenpumpen stellen die ursprüngliche Ionenverteilung auf der Innen- und Außenseite der Axonmembranen wieder her. Unter Energieverbrauch, also dem Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP), strömen $K^{+}$-Ionen wieder nach innen und $Na^{+}$-Ionen wieder nach außen. Es handelt sich um einen gegenläufigen Transport von 3 $Na^{+}$ gegen 2 $K^{+}$ über die Zellmembran. Auf diese Weise wird nach und nach die Ausgangsposition des Ruhepotenzials wieder hergestellt.

Aktionspotenzial – Funktion des Nervensystems

Durch das Nervensystem halten Menschen Kontakt mit der Umwelt. Augen, Ohren, Nase, Zunge und Sensoren in der Haut nehmen Reize aus der Umwelt wahr und leiten sie als elektrische Impulse weiter zum Zentralen Nervensystem. Doch auch Informationen aus dem Inneren des Körpers werden wahrgenommen.
Sticht man sich beispielsweise in die Hand, leiten Nervenzellen diesen Reiz vom Sinnesorgan (hier: die Haut) zum Gehirn. Hierbei spricht man von hinführenden, sensorischen oder auch afferenten Nervenbahnen und insgesamt von dem sensorischen Nervensystem. Im Gehirn wird der eintreffende Reiz verarbeitet und auf das motorische Nervensystem übertragen. Die vom Gehirn wegführenden Nervenfasern bezeichnet man entsprechend als motorische oder auch efferente Nervenbahnen. Mit dem motorischen Nervensystem reagiert der Organismus auf die Signale, indem es die Muskulatur steuert. Die Reaktion auf einen schmerzhaften Stich ist zum Beispiel das Wegziehen der Hand.

Dabei werden die elektrischen Impulse und die dadurch bedingten Ladungsverschiebungen Stück für Stück durch das Axon transportiert. Wenn das Ende des Axons erreicht ist, wird die Erregung durch die Synapsen auf die Dendriten der nächsten Nervenzelle übertragen, bis das Ziel erreicht ist: Das Ziel beim sensorischen Nervensystem ist das zentrale Nervensystem (Rückenmark und Gehirn). Beim motorischen Nervensystem ist das ausführende Organ das Ziel.