1.) Einleitung:

1.) Einleitung:
Wenn man unser Nervensystem und moderne Computer vergleicht fällt erstaunlicherweise
auf, dass das Nervensystem ungleich komplexer ist. Dazu ein kurzer Überblick:
Das menschliche Nervensystem besteht aus mehr als 10^11 Neuronen, die zur
Informationsaufnahme und -weiterleitung zusammengeschaltet sind. Ein Neuron besteht aus
dem Soma (Zellkörper) mit verzweigten Fortsätzen, den Dendriten, und einem langen,
unverzweigten Axon. Dieses ist von einer Myelinscheide umgeben, die in regelmäßigen
Abständen von den Ranvier- Schnürringen durchbrochen ist und in den synaptischen
Endknöpfchen endet. Die Endknöpfchen setzten wiederum an Dendriten und am Soma der
nächsten Zelle an.
Die Zellmembran wirkt in einer Zelle wie ein Kondensator in der Physik. Ein Kondensator ist
ein Bauelement, das fähig ist, elektrische Ladung zu speichern und zu trennen und besteht aus
zwei Elektroden und einer isolierenden Schicht dazwischen. In der Biologie herrschen
verschiedene Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle während die Membran
durch ihre Semipermeabilität als isolierende Schicht wirkt (Ladungstrennung). Das Zellinnere
ist dem Äußeren gegenüber negativ. Die häufigsten Ionen innen sind Kaliumionen und
verschiedene Anionen. Im positiven Zelläußeren findet man hauptsächlich Natrium- und
Chloridionen. Dieser Zustand wird Ruhepotential (RP) genannt und liegt bei ca. -70 mV.
Hierzu können wir einen erneuten Vergleich aus der Physik hinzuziehen. Die Definition des
RPs überschneidet sich mit der einer Kapazität. Diese ist das Maß für die Fähigkeit eines
Systems elektrische Ladung zu speichern (beim Kondensator zusätzlich abhängig von der
anliegenden Spannung). Wenn eine solche ruhende Nervenzelle gereizt wird, entsteht bei
Erreichen eines Schwellenwerts (ca. -40 mV) ein Aktionspotential (AP). Durch
Natriumeinstrom und Kaliumausstrom entsteht eine starke Depolarisation, die nach kurzer
Zeit abklingt und nach der Repolarisation wieder das RP erreicht. Damit die Ionenarten
strömen können gibt es spezifische Kanäle. Während die Kaliumkanäle nur ein träges Tor
besitzen, haben die Natriumkanäle ein schnell agierendes Aktivierungstor und ein ebenfalls
langsameres Inaktivierungstor. Das AP wird bei Vertebraten zur Signalübertragung auf
nachfolgende Neuronen immer wieder sequenziell an den Ranvier- Schnürringen des Axons
aufgebaut (saltatorische Erregungsleitung). Die eigentliche Signalübertragung zwischen
Zellen findet mittels elektrischer oder chemischer Synapsen statt. Summation bedeutet, dass
entweder durch mehrere positiv zusammenwirkende Synapsen (räumliche Summation) oder
durch einen Reiz, der eine längere Zeit andauert und somit mehrere Depolarisationen addiert
(zeitliche Summation), ein AP entsteht.
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Am Soma bzw. an den Dendriten kann man die sogenannte Amplitudenmodulation
beobachten. Das bedeutet, dass die Spannung über der Membran abnimmt und das
Membranpotenzial proportional zur Stärke des Reizes in den positiven Bereich schießt. An
einem Computer betrachtet, wäre dies an einer unterschiedlich hohen Amplitude sichtbar. Am
Axon hingegen findet man eine so genannte Freqenzmodulation. Die Amplitude der hier
fortgeleiteten APs bleibt gleich, lediglich die Frequenz nimmt bei steigender Stärke zu. Der
Grund dafür ist, dass bei stärkerer Reizgabe auch ein größerer Membranbereich depolarisiert
wird. Die flächenmäßig größere Depolarisation betrifft somit auch mehr Natrium. Kanäle. Da
sich dadurch mehrere Kanäle öffnen, entsteht auch das AP schneller.
Nach einem AP kann nicht sofort das nächste AP entstehen. Den Grund dafür liegt bei der
sog. Refraktärzeit. Sie ist die Zeit in der die Ionenkanäle sich wieder regenerieren. Während
der Regeneration werden die Natriumkanäle vom inaktivierbaren Zustand, in dem sie sich
nicht öffnen können, ein Zustand, in dem also kein neues AP entstehen kann, in den
aktivierbaren Zustand, den Ausgangszustand überführt. Man kann die Refraktärzeit außerdem
in zwei Abschnitte gliedern. In der so genannten absoluten Refraktärzeit ist keinerlei
Erregnung der Neuronen möglich, weil die Natriumkanäle noch inaktivierbar sind. Auf die
absolute folgt die relative Refraktärzeit, in der nur durch einen besonders starken Reiz ein
weiteres AP entstehen kann, weil die Kanäle in dieser Phase sich erst langsam zu öffnen
beginnen. Ein stärkerer Reiz ist deshalb nötig, damit eine ausreichend große Fläche
depolarisiert werden kann und somit genügende Natriumkanäle geöffnet werden können.
Aus unserem Vorbereitungsskript stellen sich für uns folgende Fragen: Wie reagiert ein
einzelnes Neuron auf Veränderungen der Ionenkonzentrationen, Reizungen und weitere
chemische und physikalische Parameter? Wie interagieren Tausende von Nervenzellen
miteinander?
2.) Material und Methode
Verwendet wird das Computerprogramm MadSim zur Simulation neuronaler Aktivitäten. Mit
diesem Programm ist es möglich Neuronen und Nervensysteme zu erzeugen und diese
verschiedenen Einflüssen und Reizen auszusetzen.
1. Messung an einem einzelnen isolierten Neuron
Wir werden mit dem Programm vertraut gemacht und bekommen eine Einführung zu den
allgemeinen Funktionen. Wir erstellen ein einzelnes Neuron.
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Abhängigkeit des Membranpotentials von der Kalium- Außenkonzentration
Mit der Annahme, dass zu viel Kalium außerhalb der Nervenzelle vorliegt, testen wir
die Reaktion auf verschiedene Kaliumkonzentrationsverhältnisse.
Reaktion eines Neurons auf elektrische Reizung
Bei Öffnung einer Box zur Änderung der Parameter kann man die Ladung und Reize
auf Neuronen individuell festlegen.
Depolarisierende Reize
Wir lassen positive Reize auf das Neuron wirken und beobachten, ab welchem
Wert ein AP zustande kommt.
Hyperpolarisierende Reize
Im Gegensatz dazu lassen wir nun negative Reize auf das Neuron wirken und
beobachten ob ein AP zustande kommt.
Ionenströme während eines APs
Beobachtung des Kalium- und Natriumstroms während eines APs.
Natrium- und Kalium-Kanäle blockieren
Auswirkung der Blockade von Natrium- und Kalium-Kanälen. Dazu setzten
wir die Leitfähigkeit jeweils auf Null herunter.
Messung der Refraktärzeit
Im nächsten Versuch gilt es herauszufinden, wie schnell bei einem sehr starken Reiz
2 APs aufeinender folgen können.
2. Synaptische Wechselwirkungen zwischen wenigen Neuronen
Es wird ein weiteres Neuron erstellt. Das erste wird mittels einer Synapse mit dem
zweiten verbunden.
Wirkung verschiedener Synapsen
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Die Leitfähigkeit von elektrischen Synapsen, sowie von Na- und K- Synapsen wird
verändert. Wir testen, ab welchem Wert jeweils ein AP am zweiten Neuron zustande
kommt.
Synaptische Summation
Getestet wird bei welcher Reizdauer durch einen eigentlich unterschwelligen Reiz ein
AP am zweiten Neuron auftritt.
3.)Ergebnisse
1. Messung an einem einzelnen isolierten Neuron
Versuch 1.1:
Tab. 1: Abhängigkeit des Membranpotentials von der Kalium- Außenkonzentration
Konzentrationsverhältnis K+
Ek [mV]
Ruhepotential [mV]
10/1
-58
-38
10/2
-40,5
-20,5
10/3
-30,3
-10,3
10/4
-23,1
-3,1
10/5
-17,5
+3,5
Unsere erste Beobachtung zu Versuch 1.1 ist dass das Ruhepotential abhängig vom KaliumGleichgewichtspotential ist. Durch die Erhöhung des Kalium-Konzentrationsverhältnisses
steigt das Ruhepotential auf einen Wert der über dem Schwellenwert liegt. Bei einer KKonzentration von 10/1, innen zu außen, erhalten wir viele APs. Bei allen folgenden
Messungen, mit immer stärker erhöhter Kalium-Aussenkonzentration, erhält man nur noch
ein AP.
Versuch 1.2.1:
Tab. 2: Reaktion eines Neurons auf depolarisierende Reize
Reizstärke [A]
Amplitude [mV]
1,00 E-11
0,6
1,00 E-10
5,9
2,00 E-10
11,7
Frequenz [Hz]
4
Latenzzeit [ms]
3,00 E-10
17,6
4,00 E-10
23,9
5,00 E-10
AP
51,33
58,6
6,00 E-10
AP
69,83
26,8
7,00 E-10
AP
80,906
15,2
8,00 E-10
AP
87,41
9,8
Bei der Gabe immer stärkerer Reize an ein Neuron, steigt die Amplitude immer weiter, bis
der Schwellenwert überschritten wird. Ab diesem Zeitpunkt entstehen APs, wobei auch die
Frequenz und die Latenzzeit abgelesen werden können. Die zunehmende Frequenz und damit
sinkende Latenzzeit, kommen durch weitere Erhöhung der Reizstärke zustande.
Versuch 1.2.2:
Tab 3: Reaktion eines Neurons auf hyperpolarisierende Reize
Reizstärke [A]
Amplitude [mV]
-1,00 E-11
-0,6
-1,00 E-10
-5,8
-8,00 E-10
-46,9
Nun reizt man das Neuron mit negativen (hyperpolarissierenden) Reizen, worauf die
Amplitude immer weiter in den negativen Bereich sinkt. Der Schwellenwert wird nie erreicht,
es gibt kein AP.
Versuch 1.2.3:
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rot: Natriumstrom; blau: Kaliumstrom; grün: Calciumstrom
Diagramm 1: Darstellung der Na-K- Kurven während eines APs
Zu Beginn öffnen sich die Natrium-Kanäle und Natrium strömt sehr schnell in die Zelle
(erster steiler Abfall der roten Kurve bis zum ersten Tiefpunkt). Während sich das Potential
immer mehr dem Na- Gleichgewichtspotential annähert, wird der Natriumioneneinfluss
langsamer, weil die ihn anziehende negative Ladung schwächer wird (kurzer Anstieg der
Kurve nach dem ersten Tiefpunkt). Durch die Depolarisation öffnen sich auch die trägeren
Kaliumkanäle und Kalium strömt aus der Zelle (große, blaue Kurve).Dadurch wird das
Potential negativer und folglich strömt Natrium wieder verstärkt ein (zweiter roter Peak).
Beide Kanalarten schließen sich mehr oder weniger schnell und die Ionenkonzentrationen
innen und außen normalisieren sich wieder.
Versuch 1.2.4:
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Diagramm 2: Blockierung der Natriumkanäle
Bei Blockade der Natriumkanäle kommt es zu einer Depolarisation, worauf sich die
Kaliumkanäle öffnen, der Schwellenwert wird erreicht, aber es kommt kein AP zustande.
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Diagramm 3: Blockierung der Kaliumkanäle
Blockiert man die Kaliumkanäle kommt es zu einem AP, es gibt aber keine Repolarisation.
Das Potenzial wird zwar kurz wieder etwas negativer, weil die Membran noch etwas
durchlässig für Kalium ist, aber das Potenzial bleibt so positiv, dass sich kein AP mehr
erzeugen lässt.
Versuch 1.3:
Auslöseschwelle für AP: -1,385 E-9 A
Ende der relativen Refraktärzeit: 8,45 ms
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2. Synaptische Wechselwirkung zwischen wenigen Neuronen
Versuch 2.1:
Tab. 4: Wirkung verschiedener Synapsen
Na- Synapse
Soma
Dendrit
Elektr. Synapse
K- Synapse
Dendrit
Soma
Leitfähigkeit
Amplitude [mV] Amplitude [mV] Amplitude [mV] Amplitude [mV]
1,00 E-9
1,8
0,4
0,5
-0,3
5,00 E-9
8,5
1,7
2,3
-1,4
1,00 E-8
16
3,4
4,5
-2,7
5,00 E-8
AP
15,5
18,6
-9,3
1,00 E-7
AP
28,4
AP
-13,3
5,00 E-7
AP
AP
AP
Beim Versuch 2.1 vergleichen wir verschiedene Synapsen. Bei der Natrium-Synapse
unterscheiden wir ob die Synapsenendknöpfchen am Dendriten oder am Soma ansetzen. Im
ersten Fall tritt ein AP erst bei einer Leitfähigkeit von 5,00E-7 auf, im Gegensatz zu der
Synapse, die am Soma ansetzt. Hier wird bereits ab einer Leitfähigkeit von 5,00E-8 ein AP
generiert. Die elektrische Synapse ist schneller als die Na- Synapse am Dendrit und langsamer
als diese am Soma. An der Kaliumsynapse findet nie eine Depolarisation statt. An den
negativen Werten aus unserer Tabelle ist eine stetige Hyperpolarisation zu entnehmen. Somit
kann es selbstverständlich nie zu einem AP kommen.
Versuch 2.1:
Tab. 5: Synaptische Summation
Reizdauer [ms]
Amplitude [mV]
2
17,7
10
22
20
22,5
30
27,5
50
AP
100
AP
65,645
200
AP
65,645
9
Frequenz [Hz]
Wir betrachten die zeitliche Summation an sich unterschwelliger, aber zusammen
genommener den Schwellenwert überschreitender Reize (Anstieg der Amplitude bis erreichen
des Schwellenwertes). Trotz ansteigender Reizdauer bleibt die Frequenz nach der Entstehung
von APs gleich.
4.) Diskussion:
Versuch 1.1
Die Kaliumkonzentration außerhalb der Zelle erhöht, was bei der ersten Messung zu einem
Ruhepotential von ca. -38 mV führt. Dieser Wert liegt knapp über dem Bereich des
Schwellenwertes. Auf Grund dessen werden immer wieder APs erzeugt, obwohl keine
Reizung der Zelle vorliegt. Die Hyperpolarisation nach dem AP kann den Schwellenwert
gerade noch unterschreiten, wodurch wiederum ein neues AP ausgelöst werden kann. Dies
lässt sich mit Hilfe der Kanalzustände erklären. Wird der Schwellenwert unterschritten
schließt sich das Aktivierungstor des Natrium- Kanales und das Inaktivierungstor beginnt sich
langsam zu öffnen, der Kanal wird also wieder aktivierbar. Das Ruhepotential kehrt zum
Ausgangswert zurück. Auf Grund der regenerierten wieder aktivierbaren Natrium- Kanäle
entstehen weitere APs. Bei allen weiteren Messungen wird das RP um ein solches Maß
verändert, dass es immer weit positiver als der Schwellenwert ist. Dies bedeutet, dass
wiederum ohne einen Reiz ein AP entsteht, wobei in diesen Fällen der Schwellenwert bei der
Hyperpolarisation nach dem AP nicht mehr unterschritten werden kann und somit die
Natriumkanäle nicht wieder aktivierbar sind. Auf Grund dessen kann kein weiteres AP
entstehen. Die Zelle kann nicht mehr in ihrer Funktion agieren; sie ist tot.
Versuch 1.2.1
Im Versuch 1.2.1. induzierten wir dem Neuron Reize zunehmender Stärke. Bei schwachen
Reizen wird die Membran nur leicht depolarisiert, wobei die Amplitude proportional zum
Reiz größer wird. Es kommt aber kein AP zustande, da der Schwellenwert nicht überschritten
wird. Auch am Axon gibt es eine Amplitudenmodulation, wenn der Schwellenwert nicht
erreicht wird; es also keine positive Rückkoppelung durch Na- Kanäle gibt, da diese sich
nicht öffnen. Ab dem Wert 5,00 E-10 A kann man die Frequenz und Latenzzeit, durch die
Entstehung von APs, messen. Wenn der Reiz stärker wird, nimmt die Frequenz zu und sinkt
die Latenzzeit (Zeit von Reizgabe bis zur Reaktion). Die Frequenz nimmt immer mit
Zunahme der Reizstärke zu. Rein theoretisch ist mit Unterschreitung des Schwellenwertes
nach einem AP ein erneutes AP möglich. Dazu wird allerdings ein wesentlich stärkerer Reiz
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als im Ruhezustand benötigt. Denn je größer der Reiz ist, desto größer ist die Membranfläche
die depolarisiert wird und damit zusammenhängend werden auch automatisch mehr
Natriumkanäle geöffnet, was wiederum dazu führt, dass das folgende AP schneller generiert
wird. Eine schnellere AP- Abfolge bringt wiederum eine höhere Frequenz mit sich.
Versuch 1.2.2
Im Vergleich zum vorherigen Versuch sieht man im Versuch 1.2.2., dass die Amplitude mit
zunehmendem Reiz immer weiter ausschlägt, aber in den negativen Bereich, wodurch der
Schwellenwert nie erreicht werden kann. Somit kann auch kein AP entstehen.
Versuch 1.2.3
Im Ruhezustand ist das Tor des Kalium- Kanals geschlossen, ebenso wie das Aktivierungstor
des Natrium- Kanals. Das zweite Tor des Natrium- Kanals, das Inaktivierungstor ist geöffnet.
Bei Ankunft des Reizes öffnet sich das Aktivierungstor des Na- Kanals. Sobald der Einstrom
des Natriums das Schwellenpotential erreicht, öffnen sich weitere Na- Kanäle wodurch ein
AP ausgelöst wird. Durch eine Zunahme der positiven Ladungen im Zellinneren nimmt die
Einstromstärke ab, da die Stärke des elektrischen Gradienten abnimmt. Bei einem bestimmten
positiven Wert im Zellinneren öffnen sich die Kalium- Kanäle (Anstieg blaue Kurve). Dies
hat zur Folge, dass wieder verstärkt Natrium einströmt. Nach kurzem ungehindertem
Einstrom schließen sich die Natrium- Inaktivierungstore. Weiterhin strömt Kalium aus,
wodurch das Zellinnere wieder negativer wird. Das Natriumaktivierungstor schließt sich
schnell, gleichzeitig beginnt sich langsam das Inaktivierungstor wieder zu öffnen. Das
Kaliumtor schließt sich auch, aber langsamer, weswegen es zu einer kurzen Hyperpolarisation
kommt. Nun kehren alle Werte zur Ausgangssituation zurück.
Versuch 1.2.4
Nun wollen wir Vergiftungen durch Blockade von Natrium- bzw. Kaliumkanälen simulieren.
Dazu setzten wir in Versuch 1.2.4 die Leitfähigkeit jeweils auf Null herunter.
Natrium- Kanäle werden blockiert: Es kann kein AP zustande kommen, da die Natriumkanäle
sich nicht öffnen können aber spannungsabhängige, aktivierbare Na- Kanäle sind die
Grundlage für die Bildung eines APs.
Kalium- Kanäle sind blockiert: Ein AP kommt, aufgrund der aktivierten Na-Kanäle, zustande.
Da diesmal die K-Kanäle blockiert sind, kann kein Kalium ausströmen, wodurch keine
Repolarisation stattfinden kann.
Versuch 1.3
Unser Ergebniswert ist -1.385E-9A, dies ist also der kleinste Reiz bei dem es zur
Überschreitung des Schwellenwertes kommt. Dies gilt für die Reizdauer von 2 ms.
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Als nächstes untersuchen wir, wie schnell einzelne APs bei gerade überschwelligen Reizen
aufeinander folgen können. Durch unsere Messungen ergibt sich ein Wert von 8.45 ms, was
das Ende der relativen Refraktärzeit darstellt.
Versuch 2.1
Das Signal, das am Soma hereinkommt, ist wegen des kürzeren Weges schneller als ein
dendritenempfangenes Signal, kommt somit schneller am Axonhügel an und ist folglich an
dieser Stelle noch nicht so sehr abgeschwächt (graduiertes Potential am Soma/Dendrit). Die
elektrische Synapse ist aufgrund der rein elektrischen Übertragung mittels Gap Junctions
schneller als die Na-Synapse am Dendriten, aber langsamer als die am Soma. An der
Kaliumsynapse findet nie eine Depolarisation statt. An den negativen Werten aus unserer
Tabelle ist eine stetige Hyperpolarisation zu entnehmen. Somit kann es selbstverständlich nie
zu einem AP kommen.
Versuch 2.2
Die gleich bleibende Frequenz nach der Entstehung von APs, beruht darauf dass der Reiz
nicht stärker, sondern nur länger wird. Wie in Versuch 1.2.1. oben schon erklärt nimmt die
Frequenz nämlich nur bei zunehmender Reizstärke zu.
Die Summation entsteht dadurch dass das Ruhepotential leicht depolarisiert wird (der Reiz ist
noch zu schwach zum Auslösen eines APs). Beim Eintreffen des zweiten Reizes ist
postsynaptisch noch eine gewisse Restdepolarisation vorhanden, wodurch die Amplitude des
zweiten Reizes größer wird. Die Depolarisationen werden durch den fortbestehenden Reiz
einander aufaddiert. Wenn der Reiz lange genug andauert (siehe Ergebnis oben), kommt es zu
einem bzw. mehreren APs.
5.) Literaturverzeichnis
•
Biologie, Campbell/ Reece, Spektrum Verlag
•
Tierphysiologie, Eckert, Thieme
•
Zoologie, Wehner/ Gehring, Thieme
•
Kurzlehrbuch Physiologie, Huppelsberg/ Walter, Thieme
•
Physik für Mediziner, Harten, Springer
•
www.wikipedia.de
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