Seite 9: Humberto Maturana: Biologie und Erkenntnis

Anhang - Theorie Nervenimpuls

Wie funktioniert ein Nervenimpuls?

Die besonderen Eigenschaften, die es dem Neuron gestatten, Informationen an andere Zellen zu übermitteln, sind in der Zellmembran enthalten. Der Nervenimpuls ist die Bewegung chemischer Teilchen durch die Axonmembran, und das nur in dem kleinen Abschnitt des Axons, wo sich der Nervenimpuls zu einem gegebenen Zeitpunkt befindet. Das wichtigste chemische Teilchen, das beim Nervenimpuls die Axonmembran durchquert, ist das Natriumatom, allerdings als geladenes Atom, als Ion.

Das Axon kann man sich als lange dünne Röhre vorstellen, die von der Nervenzellmembran umschlossen ist. Innerhalb der Membran ist die innere Substanz des
Axons, außerhalb der Membran die extrazelluläre Flüssigkeit, die Gewebsflüssigkeit. Innere Substanz (enthält z.B. viele Proteinmoleküle & wenig Natrium) und äußere Flüssigkeit (wenig Protein, viel Natrium) haben sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzungen. Wichtigstes Ereignis beim Nervenimpuls ist die Bewegung von Natriummolekülen durch die Zellmembran von außen nach innen. Sie dringen durch die kleinen Kanäle in die Membran ein. Diese Natriumkanäle sind normalerweise geschlossen, doch wenn der Nervenimpuls entsteht, springen sie kurzfristig auf und lassen das Natrium herein.

Nervenzellen erzeugen elektrische Ströme (Gehirnaktivität läßt sich durch Kontakte an der Kopfhaut aufzeichnen). Bei den Natriumteilchen, die während des Aktionspotentials die Axonmembran von außen nach ihnen durchqueren, handelt es sich um Ionen (Teilchen mit elektrischer Ladung). Kochsalz besteht aus Natrium- und Chloridionen. Wenn man Salz in Wasser auflöst, befinden sich dort die Natrium- und Chloridionen mit einer bestimmten elektrischen Ladung. Natriumionen haben eine Ladung von +1 und die Chloridionen eine Ladung von -1. Atome bestehen aus einem Kern mit positiv geladenen Protonen (sowie Neutronen ohne Ladung) und einer "Schale" aus negativ geladenen Elektronen. Innerste Schale = 2 Elektronen, alle äußeren = 8 Elektronen.

Beim Natrium sind im Kern genauso viele Protonen wie in der Schale Elektronen sind, es ist elektrisch neutral. Natrium ist ein hochgiftiges, explosives silberfarbenes Metall. Besonders heftig reagiert es mit Wasser: Taucht man ein Stück Natrium in Wasser, so entflammt es sich und explodiert.

Das Element Chlor ist ein giftiges grünes Gas. Es ist genauso wie Natrium elektrisch neutral, aber sehr reaktionsfähig. Am stabilsten sind Atome, wenn die äußerste Schale vollständig ist. Am reaktionsfähigsten sind Atome, wenn sie nur ein Elektron in der äußeren Schale haben (weil sie bestrebt sind, es abzugeben) oder wenn ihnen nur eines in der äußeren Schale fehlt (weil sie bestrebt sind es sich von anderen Atomen zu holen).

Natrium hat nur ein Elektron in der äußeren Schale, Chlor dagegen sieben. Wenn man Natrium und Chlor zusammenbringt, reagieren sie sofort und heftig miteinander. Sie vervollständigen sich gegenseitig, das Ergebnis ist Kochsalz! Sie sind Ionen geworden (Natrium +1, Chlor -1). Natriumchlorid.

In Wasser gelöste Stoffe haben in der Regel Ionenform, also elektrische Ladungen. Nur einige wenige kleine Ionen - Natrium, Chlorid, Kalium und Kalzium - sind an der Aktivität der Neuronen beteiligt. Proteinmoleküle, die großen aus Aminosäuren bestehenden Moleküle, die der Stoff des Lebens sind, kommen hauptsächlich innerhalb der Körperzellen, auch der Nervenzellen, vor, seltener außerhalb der Zellen im Blut oder in anderen Körperflüssigkeiten.

In Wasser gelöst besitzen Proteine gewöhnlich ionische Form und sind negativ geladen, wie Chloridionen. Folglich gibt es sehr viel mehr negative Ladungen innerhalb der Nervenzellen als außerhalb. Deshalb liegt ein Spannungsunterschied zwischen den beiden Seiten der Nervenzellmembran vor - das innere Milieu ist im Verhältnis zum äußeren negativ. Dieses Spannungsgefälle ist erstaunlich hoch, nahezu ein Zehntel Volt. Wenn wir einige Nervenzellen entsprechend hintereinanderschalten könnten, würden wir mit ihnen - obwohl sie doch so winzig sind - soviel Spannung erzeugen wie eine Taschenlampenbatterie.

Das ist nicht nur eine theoretische Spekulation: Der Zitteraal kann einige Hundert Volt erzeugen, die ausreichen um einen Beutefisch zu töten, weil er spezialisierte Nervenzellen besitzt, die in genau dieser Weise hintereinandergeschaltet sind. Es ist durchaus möglich, daß der Mechanismus, dessen sich in diesem Beispiel Zellen zur Erzeugung von Elektrizität bedienen, eines Tages wirtschaftlich genutzt wird.

Der Nervenimpuls ist also ein Prozeß, der in erster Linie auf Natriumionen beruht, die eine positive elektrische Ladung haben. Wenn sich eine Nervenzelle im Ruhestand befindet, sind fast alle Natriumionen außerhalb der Zelle. Wegen der Proteinmoleküle ist das Zellinnere im Verhältnis zum äußeren Milieu negativ, so daß es eine sehr starke elektrische Kraft gibt, die bestrebt ist, die Natriumionen in die Zelle zu ziehen. Die Nervenzellmembran durchziehen Natriumkanäle, Löcher, durch die die Natriumionen hindurchschlüpfen können.

Im Ruhezustand sind diese Kanäle durch Tore verschlossen, so daß die Natriumionen nicht ins Zellinnere gelangen können. Doch wenn sich der Nervenimpuls an einer bestimmten Stelle des Axons entwickelt, springen die Tore der Natriumkanäle in diesem Bereich für einen sehr kurzen Zeitraum auf, und die Natriumionen strömen herein. An dieser Stelle wechselt die Spannung an der Innenseite der Membran von negativ zu positiv, weil die Natriumionen positive Ladungen haben, die sie nach innen bringen. Dies ist der Nervenimpuls - ein kurzer örtlicher Einbruch positiv geladener Natriumionen.

Wenn der Nervenimpuls an einer bestimmten Stelle der Axonmembran eintrifft (und er erfaßt an dieser Stelle die gesamte Axonmembran), springen in der Nachbarschaft die geschlossenen Pforten der Natriumkanäle, die wie spannungsabhängige elektrische Schalter funktionieren, kurzfristig auf, so daß der Nervenimpuls ein Stück weiter gelangt. So wandert der Nervenimpuls das Axon entlang.

Wenn sich die Membranspannung nur geringfügig verändert, so daß das Innere ein bißchen positiver wird und über dem normalen negativen Wert des Ruhezustandes liegt, werden die "Schalter" der geschlossenen Natriumpforten ausgelöst, und die Pforten springen auf. Sie werden also elektrisch gesteuert und haben einen Schwellen- oder Auslösewert, der schon durch eine leichte Verminderung der negativen Spannung des Ruhepotentials an der Innenseite der Membran erreicht wird. Wenn an der Innenseite der Membran diese Schwellenspannung eintritt, werden die Natriumschalter betätigt. Sie öffnen sich nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip und erzeugen das Aktionspotential.

An der Stelle, wo der Nervenimpuls auftritt, strömem positiv geladene Natriumionen ins Innere. Sie sammeln sich innerhalb der Axonenmembran, unterhalb der benachbarten, noch geschlossenen Pforten, wodurch das Potential an dieser Stelle innerhalb der Membran ein bißchen positiver wird. Und dies veranlaßt die geschlossenen Natriumpforten, sich dort zu öffnen.

Unter normalen Bedingungen beginnt das Aktionspotential seinen Weg an der Stelle, wo das Axon aus dem Zellkörper austritt, und pflanzt sich im Axon fort bis zu dessen synoptischen Endungen. Aber wie fängt der Nervenimpuls an?

Die Dendriten empfangen über die Synapse von anderen Axonen chemische Substanzen, die zu kleinen Veränderungen des elektrischen Potentials an der Zellmembran führen. Der Zellkörper und die Dendriten besitzen in der Regel keine spannungsgesteuerten Natriumkanäle wie das Axon. Wenn also das Membranpotential des Zellkörpers um einen bestimmten positiven Betrag vom Wert des Ruhezustandes abweicht, beginnen die nächstgelegenen Natriumkanäle aufzuspringen, und das sind diejenigen, die sich am Axonansatz befinden.

Sobald der Impuls die Endung erreicht, löst er den Prozeß der synaptischen Übertragung aus. Wenn sich die Transmittermoleküle an den Rezeptormolekülen festsetzen, rufen die aktivierten Rezeptormoleküle Veränderungen in der Zellmembran hervor, die ihrerseits zu Erregung (Exzitation - die Synapse läßt das Membranpotential im Inneren auf einen etwas positiveren Wert ansteigen) oder Hemmung (Inhibition - die Spannung im Inneren der Zellmembran wird negativer, so daß der Schwellenwert für die Auslösung des Nervenimpulses unerreichbar wird) führen.

Meist bewirken inhibitorische Synapsen dies durch kurzfristige Öffnung von Chloridkanälen in der Zellmembran. Chloridionen befinden sich vor allem im äußeren Milieu und haben negative Ladungen. Wenn sie durch die Membran ins Innere gelangen, lassen sie die Membran im Inneren noch negativer werden als im Ruhezustand. Diese beiden Prozesse sind die grundlegenden Wirkungen der Synapsen auf den Nervenimpuls.

04.04.2017 © seit 03.2006 Sabrina Ulbrich
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