Aktionspotenziale verstehen: Wie Neuronen feuern & kommunizieren

Die elektrische Sprache des Nervensystems

Ein Aktionspotenzial ist das grundlegende elektrische Signal des Nervensystems – eine schnelle, vorübergehende Umkehr des Membranpotenzials, die sich entlang der Axone fortpflanzt. Ob ein Neuron feuert, hängt von der Integration synaptischer Eingänge am Axonhügelschenkel (AIS) ab.

Die Entscheidung zu feuern: Summation & Schwelle

Jedes Neuron erhält tausende synaptische Eingänge – erregende (EPSPs) und hemmende (IPSPs). Das postsynaptische Membranpotenzial ist die algebraische Summe aller aktiven PSPs:

• EPSPs: Depolarisierend (Na⁺/Ca²⁺-Instrom); machen Feuern wahrscheinlicher.
• IPSPs: Hyperpolarisierend (Cl⁻-Instrom oder K⁺-Efflux); machen Feuern unwahrscheinlicher.

Wenn die netto Depolarisation die Schwelle erreicht (typischerweise −55 bis −50 mV), öffnen spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle explosionsartig und erzeugen ein Aktionspotenzial. Dies ist ein alles-oder-nichts-Ereignis – keine partiellen Spitzen.

Integration: Räumliche & zeitliche Summation

• Räumliche Summation: Gleichzeitige EPSPs von mehreren Synapsen addieren sich.
• Zeitliche Summation: Schnelle aufeinanderfolgende EPSPs derselben Synapse summieren sich vor dem Verfall.
• IPSPs subtrahieren von dieser Summe (Shunting-Hemmung).

Der Axonhügelschenkel (AIS) hat die höchste Dichte spannungsgesteuerter Na⁺-Kanäle und die niedrigste Schwelle – er ist die „Auslöserzone“.

Phasen des Aktionspotenzials

1. Depolarisation: Na⁺-Instrom → Membranpotenzial schießt auf +30 bis +50 mV.
2. Repolarisation: Na⁺-Kanäle inaktivieren; spannungsgesteuerte K⁺-Kanäle öffnen → K⁺-Efflux stellt Negativität wieder her.
3. Nachhyperpolarisation (AHP): K⁺-Kanäle schließen langsam → Membran sinkt unter den Ruhepotential (−70 bis −80 mV).
4. Refraktärperioden: Absolut (Na⁺-Kanäle inaktiviert); Relativ (AHP erfordert stärkeren Reiz).

Wichtigste Determinanten von Schwelle & Erregbarkeit

• Kanäledichte und Subtyp (Nav1.6 am AIS).
• Synapsenzahl, Stärke, Lage (proximal > distal).
• Neuromodulatoren (Dopamin, Acetylcholin) verändern Kanalkinetik und synaptischen Gewinn.
• Intrinsische Eigenschaften: Leckkanäle, I_h-Strom, Ca²⁺-aktivierte K⁺-Kanäle.

Fortpflanzung

• Myelinisierte Axone: Saltatorische Leitung – springt zwischen den Ranvierschen Schnürringen; schnell, energieeffizient.
• Unmyelinisierte Fasern: Kontinuierliche Leitung; langsamer.

Dieses Integrieren-und-Feuern-Mechanismus liegt allen neuronalen Berechnungen zugrunde – von Reflexen bis zum Bewusstsein.