Erregungsleitung und Schmerzlinderung

Kontinuierliche Erregungsleitung

Ein Aktionspotenzial entsteht an einer Stelle der Axonmembran und muss weiterwandern, ohne schwächer zu werden. Das gelingt durch die positive Rückkopplung der spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle: Öffnen sie sich, strömt Na⁺ ein, die Membran depolarisiert, weitere Kanäle öffnen sich.

Bei einem marklosen Axon (z. B. Riesenaxon des Tintenfischs, an dem Hodgkin und Huxley forschten) läuft das so ab:

Ablauf:

1. An der erregten Stelle strömt Na⁺ ein; innen wird die Membran positiv (Depolarisation).

2. Zwischen erregter und benachbarter Stelle fließen lokale Ionenströme (Ausgleichsströme) im Axoninneren und außen.

3. Dadurch wird die Nachbarstelle bis zum Schwellenwert depolarisiert, und ihre Na⁺-Kanäle öffnen sich: ein neues Aktionspotenzial.

4. Dies wiederholt sich Stück für Stück entlang des gesamten Axons. Das Aktionspotenzial behält dabei seine Höhe (Alles-oder-Nichts-Gesetz).

Warum nur in eine Richtung? Hinter der erregten Zone sind die Na⁺-Kanäle inaktiviert; die Membran ist dort in der Refraktärzeit und nicht erregbar. Der Ausgleichsstrom kann das Gebiet hinter dem Aktionspotenzial daher nicht erneut erregen. Nur die Zone vor dem Aktionspotenzial ist erregbar, also läuft die Erregung vorwärts.

Saltatorische Erregungsleitung

Viele Axone der Wirbeltiere sind von einer Myelinscheide umgeben. Sie wird von Gliazellen gebildet (im ZNS von Oligodendrozyten, im PNS von Schwann-Zellen) und wirkt wie eine elektrische Isolierung. Etwa alle 0,2 bis 2 mm ist sie durch Ranvier'sche Schnürringe unterbrochen. Nur dort liegt die Axonmembran frei, und nur dort sitzen viele spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle.

Das Prinzip:

• Unter der Myelinscheide kann kaum Strom durch die Membran fließen.

• Der Ausgleichsstrom fließt deshalb durchs Axoninnere schnell bis zum nächsten Schnürring, und zwar mit nur geringem Verlust, sodass dort der Schwellenwert noch überschritten wird.

• Dort wird der Schwellenwert überschritten, das Aktionspotenzial entsteht neu. Die Erregung „springt“ (lateinisch saltare): saltatorische Erregungsleitung.

Vorteile: höhere Geschwindigkeit (bis über 100 m/s), weniger Ionenströme und damit weniger Na⁺/K⁺-ATPase-Arbeit (Energie), kleinerer Axondurchmesser (Platz).

Rechnen mit Leitungsgeschwindigkeiten

Störungen der Erregungsleitung

Die Leitung eines Aktionspotenzials kann man mit Mikroelektroden und einem Oszilloskop messen. Die Messkurve zeigt die Membranspannung $U$ über der Zeit: Ruhepotenzial etwa $-70\,\text{mV}$, nach Überschreiten des Schwellenwerts steiler Anstieg (Depolarisation, Na⁺-Einstrom), dann Abfall (Repolarisation, K⁺-Ausstrom) und kurze Hyperpolarisation. Misst man an zwei Stellen eines Axons, erscheint die Kurve an der zweiten Stelle zeitlich verzögert. Aus der Verzögerung und dem Abstand der Elektroden berechnet man die Leitungsgeschwindigkeit.

Bei Multipler Sklerose (MS) greift das Immunsystem die Myelinscheiden im ZNS an. Es entstehen entmarkte Bereiche (Plaques).

Folgen für die Leitung:

1. Ohne Isolierung fließt der Ausgleichsstrom über die Membran ab. Der Strom erreicht den nächsten Schnürring geschwächt.

2. Der Schwellenwert wird verzögert oder gar nicht erreicht: Die Leitung wird langsamer, im Extremfall bricht sie ab (Leitungsblock).

3. Zusätzlich liegen freigelegte Kanäle (z. B. K⁺-Kanäle) in der Membran, die den Ausgleichsstrom weiter schwächen. Das Medikament 4-Aminopyridin blockiert diese K⁺-Kanäle: Weniger K⁺ strömt aus, die Depolarisation bleibt länger bestehen, und das Signal kann den Abschnitt leichter überwinden.

Symptome hängen vom betroffenen Nerv ab: Sehstörungen (Sehnerv), Taubheitsgefühle (sensorische Bahnen), Lähmungen und Gangstörungen (motorische Bahnen).

Evolution und Vergleich der Leitungsarten

Wie kann ein Signal schnell sein? Zwei Wege: ein dickes Axon (geringerer Längswiderstand) oder Myelinisierung. Dicke Axone brauchen viel Platz: Ein Axon mit der Geschwindigkeit eines markhaltigen Axons von 10 µm müsste marklos etwa 50-mal so dick sein. Im Rückenmark oder Gehirn könnten so nur wenige Axone verlaufen.

Myelinisierte Axone sparen außerdem Energie: Nur an den Schnürringen strömen Ionen, also muss die Na⁺/K⁺-ATPase deutlich weniger Ionen zurücktransportieren.

Erst dadurch konnten Wirbeltiere in kleinem Körper sehr viele schnelle Leitungsbahnen unterbringen und komplexe Nervensysteme entwickeln. Tintenfische kompensieren das Fehlen von Myelin mit einzelnen Riesenaxonen, etwa für die Fluchtreaktion.

Schmerzlinderung

Ein Schmerzreiz wird von Nozizeptoren in Aktionspotenziale umgewandelt, über Axone ins Rückenmark und Gehirn geleitet und dort an Synapsen weitergegeben. Substanzen können an zwei Stellen eingreifen:

Lokalanästhetika (z. B. Lidocain beim Zahnarzt) blockieren spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle im Axon. Ohne Na⁺-Einstrom wird der Schwellenwert nicht erreicht, es entsteht kein Aktionspotenzial. Der Schmerz gelangt nicht zum Gehirn. Weil das Mittel direkt an die Nerven des Zahns gespritzt wird, wirkt es nur lokal; im Blut wird es schnell verdünnt und abgebaut.

Zur Erinnerung an die erregende chemische Synapse (ausführlich im Abschnitt „Chemische Synapse und exogene Substanzen“): Erreicht ein Aktionspotenzial die präsynaptische Endigung, öffnen sich spannungsgesteuerte Ca²⁺-Kanäle. Der Ca²⁺-Einstrom löst die Verschmelzung von Vesikeln mit der Membran aus, der Transmitter gelangt in den synaptischen Spalt. Er bindet nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an Rezeptorproteine (ligandengesteuerte Ionenkanäle) der postsynaptischen Membran. Na⁺ strömt ein, es entsteht ein EPSP; danach wird der Transmitter abgebaut oder wieder aufgenommen.

Opioide (z. B. Morphin) binden an Opioidrezeptoren in Schmerzbahnen. Sie hemmen die Transmitterfreisetzung an der präsynaptischen Endigung und dämpfen die Erregung der nächsten Zelle. Die Weiterleitung im Axon bleibt intakt, aber die Übertragung an der Synapse wird gehemmt.

Zur Stellungnahme (Bewertungskompetenz): Gewichte Nutzen (starke Wirkung bei akuten und Tumorschmerzen), Risiken (Toleranz, Abhängigkeit, Atemdepression bei Opioiden; Taubheit und Herz-Kreislauf-Wirkungen bei Überdosierung von Lokalanästhetika) und Alternativen (Ibuprofen, Physiotherapie, Psychotherapie). Begründe am Ende deine Entscheidung.

Zurück zum Anfang: Beim Zahnarzt blockiert Lidocain die Na⁺-Kanäle der Schmerzaxone. Der Reiz entsteht, aber es wird kein Aktionspotenzial weitergeleitet. Der Fußreflex beim Stolpern ist dagegen schnell, weil markhaltige Axone saltatorisch leiten.

Auf einen Blick

• Kontinuierlich (marklos): Ausgleichsströme depolarisieren die Nachbarstelle bis zum Schwellenwert. Die Refraktärzeit sichert eine Richtung.

• Saltatorisch (markhaltig): Myelin isoliert, Aktionspotenziale entstehen nur an Schnürringen. Schneller, energiesparender und platzsparender.

• Multiple Sklerose: Myelinabbau, Leitung verlangsamt oder blockiert.

• Lokalanästhetika blockieren spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle; Opioide hemmen die Transmitterfreisetzung an Synapsen.

• Leitungszeit: $t = s / v$.