Nervenimpulse breiten sich aus, wenn sich Ionen durch die Nervenzellmembran bewegen und über Neurotransmitter von einer Nervenzelle zur anderen übertragen werden.
Als Ergebnis der Evolution des Nervensystems von Mensch und anderen Tieren gab es komplexe Informationsnetzwerke, deren Prozesse auf chemischen Reaktionen basieren. Das wichtigste Element des Nervensystems sind spezialisierte neuronale Zellen. Neuronen bestehen aus einem kompakten Körper einer Zelle, der einen Kern und andere Organellen enthält. Von diesem Körper gehen mehrere verzweigte Prozesse aus. Die meisten dieser Prozesse, die Dendriten genannt werden, dienen als Kontaktstellen für den Empfang von Signalen aus anderen Neuronen. Ein Prozess ist in der Regel der längste, Axon genannt, und überträgt Signale an andere Neuronen. Das Ende des Axons kann sich mehrfach verzweigen, und jeder dieser kleineren Zweige kann sich mit dem nächsten Neuron verbinden.
In der äußeren Schicht des Axons befindet sich eine komplexe Struktur
Die aus einer Vielzahl von Molekülen besteht, die als Kanäle fungieren, durch die Ionen in die Zelle eindringen und sie verlassen können. Ein Ende dieser Moleküle, das sich ablenkt, verbindet sich mit dem Zielatom. Die Energie der anderen Teile der Zelle wird dann genutzt, um das Atom aus der Zelle zu drücken, während ein Prozess, der in die entgegengesetzte Richtung wirkt, ein anderes Molekül in die Zelle injiziert. Die wichtigste ist die Molekularpumpe, die Natriumionen aus der Zelle entfernt und Kaliumionen (Natrium-Kalium-Pumpe) in sie einspritzt.
Wenn die Zelle in Ruhe ist und keine Nervenimpulse ausführt, bewegt die Natrium-Kalium-Pumpe die Kalium-Ionen innerhalb der Zelle und führt die Natrium-Ionen nach außen (stellen Sie sich eine Zelle mit Süßwasser vor, die von Salzwasser umgeben ist). Aufgrund dieses Ungleichgewichts erreicht die Potentialdifferenz auf der Axonmembran 70 Millivolt (ca. 5% der Spannung einer herkömmlichen AA-Batterie).
Ändert sich jedoch der Zellzustand und wird das Axon durch einen elektrischen Impuls stimuliert, wird das Gleichgewicht auf der Membran gestört und die Natrium-Kalium-Pumpe beginnt für kurze Zeit in die entgegengesetzte Richtung zu arbeiten. Positiv geladene Natriumionen dringen in das Axon ein und Kaliumionen werden ausgeschleust. Für einen Moment wird die innere Umgebung des Axons positiv. In diesem Fall werden die Kanäle der Natrium-Kalium-Pumpe verformt, wodurch der weitere Natriumzufluss blockiert wird, und Kaliumionen treten weiterhin aus, und die anfängliche Potentialdifferenz wird wieder hergestellt. In der Zwischenzeit verbreiten sich Natriumionen im Inneren des Axons und verändern die Membran im unteren Teil des Axons. Gleichzeitig ändert sich der Zustand der darunter befindlichen Pumpen, was zur weiteren Ausbreitung des Impulses beiträgt. Eine plötzliche Spannungsänderung durch die schnelle Bewegung von Natrium- und Kaliumionen wird als Aktionspotenzial bezeichnet. Wenn das Aktionspotenzial einen bestimmten Punkt des Axons durchläuft, schalten sich die Pumpen ein und stellen den Ruhezustand wieder her.
Das Aktionspotenzial breitet sich eher langsam aus - nicht mehr als ein Bruchteil eines Zolls pro Sekunde. Um die Geschwindigkeit der Impulsübertragung zu erhöhen (da es letztlich nicht geeignet ist, dass das vom Gehirn gesendete Signal erst nach einer Minute die Hände erreicht), sind die Axone von einer Myelinhülle umgeben, die den Zu- und Abfluss von Kalium und Natrium verhindert. Die Myelinhülle ist nicht kontinuierlich - in bestimmten Abständen kommt es zu Brüchen, und der Nervenimpuls springt von einem "Fenster" zum anderen und erhöht so die Geschwindigkeit der Impulsübertragung.
Wenn der Impuls das Ende des Hauptkörpers des Axons erreicht, muss er entweder auf das nächste darunterliegende Neuron übertragen werden, oder, wenn wir über Gehirnneuronen sprechen, durch zahlreiche Zweige vieler anderer Neuronen. Für ein solches Getriebe wird ein ganz anderes Verfahren verwendet als für die Impulsübertragung entlang des Axons. Jedes Neuron ist von seinem Nachbarn durch einen kleinen Schlitz getrennt, der als Synapse bezeichnet wird. Das Potential der Aktion kann nicht über diesen Slot springen, also müssen Sie einen anderen Weg finden, um den Impuls auf das nächste Neuron zu übertragen. Am Ende jedes Prozesses befinden sich winzige Beutel, die sogenannten (präsynaptischen) Blasen, die jeweils spezielle Verbindungen - Neurotransmitter - enthalten. Wenn das Aktionspotenzial dieser Blasen einsetzt, werden die Moleküle der Neurotransmitter freigesetzt, die die Synapsen durchqueren und die spezifischen molekularen Rezeptoren auf der Membran der darunter liegenden Neuronen verbinden. Wenn ein Neurotransmitter angeschlossen ist, ist das Gleichgewicht auf der Neuronenmembran gestört. Nun werden wir prüfen, ob ein solches Ungleichgewicht zu einem neuen Handlungspotenzial führt (Neurophysiologen suchen noch nach einer Antwort auf diese wichtige Frage).
Sobald die Neurotransmitter den Nervenimpuls von einem Neuron zum nächsten übertragen haben, können sie einfach diffundieren, chemisch zersetzt werden oder zu ihren Blasen zurückkehren (dieser Prozess wird lose als Rückeroberung bezeichnet). Ende des 20. Jahrhunderts wurde eine bemerkenswerte wissenschaftliche Entdeckung gemacht: Es stellt sich heraus, dass Medikamente, die die Freisetzung und Rückgewinnung von Neurotransmittern beeinflussen, den psychischen Zustand einer Person radikal verändern können. Prozac* und ähnliche Antidepressiva blockieren die Wiederaufnahme des Serotonin-Neurotransmitters. Die Parkinson-Krankheit scheint mit einem Mangel an Dopamin-Neurotransmittern im Gehirn verbunden zu sein. Forscher, die sich mit Grenzbedingungen in der Psychiatrie beschäftigen, versuchen zu verstehen, wie diese Verbindungen den menschlichen Geist beeinflussen.
Auf die grundsätzliche Frage, was ein Neuron dazu veranlasst, das Handlungspotenzial zu initiieren, gibt es noch keine Antwort - in der Fachsprache der Neurophysiologen ist der Mechanismus der "Auslösung" eines Neurons unklar. In dieser Hinsicht sind die Gehirnneuronen, die von Neurotransmittern empfangen werden können, die von Tausenden von Nachbarn gesendet werden, besonders interessant. Über die Verarbeitung und Integration dieser Impulse ist wenig bekannt, obwohl viele Arbeitsgruppen an diesem Problem arbeiten. Wir wissen nur, dass das Neuron dabei ist, eingehende Impulse zu integrieren und zu entscheiden, ob es das Aktionspotenzial initiiert und den Impuls weiterleitet oder nicht. Dieser grundlegende Prozess steuert die Funktion des gesamten Gehirns. Kein Wunder, dass dieses größte Geheimnis der Natur zumindest heute ein Rätsel für die Wissenschaft bleibt: Sobald Neurotransmitter den Nervenimpuls von einem Neuron zum nächsten passieren, können sie einfach diffundieren, chemisch zersetzt werden oder zu ihren Blasen zurückkehren (dieser Prozess wird locker als Reverse Capture bezeichnet). Ende des 20. Jahrhunderts wurde eine bemerkenswerte wissenschaftliche Entdeckung gemacht: Es stellt sich heraus, dass Medikamente, die die Freisetzung und Rückgewinnung von Neurotransmittern beeinflussen, den psychischen Zustand einer Person radikal verändern können. Prozac* und ähnliche Antidepressiva blockieren die Wiederaufnahme des Serotonin-Neurotransmitters. Die Parkinson-Krankheit scheint mit einem Mangel an Dopamin-Neurotransmittern im Gehirn verbunden zu sein. Forscher, die sich mit Grenzbedingungen in der Psychiatrie beschäftigen, versuchen zu verstehen, wie diese Verbindungen den menschlichen Geist beeinflussen.
Auf die grundsätzliche Frage, was ein Neuron dazu veranlasst, das Handlungspotenzial zu initiieren, gibt es noch keine Antwort - in der Fachsprache der Neurophysiologen ist der Mechanismus der "Auslösung" eines Neurons unklar. In dieser Hinsicht sind die Gehirnneuronen, die von Neurotransmittern empfangen werden können, die von Tausenden von Nachbarn gesendet werden, besonders interessant. Über die Verarbeitung und Integration dieser Impulse ist wenig bekannt, obwohl viele Arbeitsgruppen an diesem Problem arbeiten. Wir wissen nur, dass das Neuron dabei ist, eingehende Impulse zu integrieren und zu entscheiden, ob es das Aktionspotenzial initiiert und den Impuls weiterleitet oder nicht. Dieser grundlegende Prozess steuert die Funktion des gesamten Gehirns. Kein Wunder, dass dieses größte Geheimnis der Natur zumindest heute noch ein Geheimnis für die Wissenschaft bleibt!