Physik

Elektrische Ströme in dem enorm komplexen System von Milliarden von Nerven in unserem Körper ermöglichen es uns, die Welt zu spüren, Teile unseres Körpers zu kontrollieren und zu denken. Diese sind repräsentativ für die drei Hauptfunktionen der Nerven. Erstens transportieren Nerven Botschaften von unseren Sinnesorganen und anderen zum zentralen Nervensystem, bestehend aus Gehirn und Rückenmark. Zweitens transportieren Nerven Nachrichten vom Zentralnervensystem zu Muskeln und anderen Organen. Drittens übertragen und verarbeiten Nerven Signale innerhalb des zentralen Nervensystems. Die schiere Anzahl der Nervenzellen und die unglaublich größere Anzahl von Verbindungen zwischen ihnen macht dieses System zu dem subtilen Wunder, das es ist. Nervenleitung ist ein allgemeiner Begriff für elektrische Signale, die von Nervenzellen übertragen werden. Es ist ein Aspekt der Bioelektrizität oder elektrische Effekte in und von biologischen Systemen erzeugt. Nervenzellen, richtig Neuronen genannt, sehen anders aus als andere Zellen — sie haben zum Teil viele Zentimeter lange Ranken, die sie mit anderen Zellen verbinden. (Siehe Abbildung 1.) Signale gelangen über Synapsen oder Dendriten zum Zellkörper und stimulieren das Neuron, sein eigenes Signal zu erzeugen, das entlang seines langen Axons an andere Nerven- oder Muskelzellen gesendet wird. Signale können von vielen anderen Orten eintreffen und an andere übertragen werden, wodurch die Synapsen durch den Gebrauch konditioniert werden, was dem System seine Komplexität und seine Lernfähigkeit verleiht.

Abbildung 1. Ein Neuron mit seinen Dendriten und langen Axonen. Signale in Form von elektrischen Strömen erreichen den Zellkörper durch Dendriten und über Synapsen und stimulieren das Neuron, sein eigenes Signal zu erzeugen, das über das Axon gesendet wird. Die Anzahl der Verbindungen kann weit größer sein als hier gezeigt.

Das Verfahren, mit dem diese elektrischen Ströme erzeugt und übertragen werden, ist komplexer als die einfache Bewegung freier Ladungen in einem Leiter, aber es kann mit Prinzipien verstanden werden, die bereits in diesem Text diskutiert wurden. Die wichtigsten davon sind die Coulomb-Kraft und die Diffusion. Abbildung 2 zeigt, wie eine Spannung (Potentialdifferenz) über der Zellmembran eines Neurons im Ruhezustand erzeugt wird. Diese dünne Membran trennt elektrisch neutrale Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Ionenkonzentrationen, wobei die wichtigsten Sorten Na +, K + und Cl– sind (dies sind Natrium-, Kalium- und Chlorionen mit einzelnen Plus- oder Minusladungen, wie angegeben). Wie in diskutiert Molekulare Transportphänomene: Diffusion, Osmose, und verwandte Prozesse, Freie Ionen diffundieren von einem Bereich hoher Konzentration in einen Bereich niedriger Konzentration. Die Zellmembran ist jedoch semipermeabel, was bedeutet, dass einige Ionen sie durchqueren können, während andere dies nicht können. Im Ruhezustand ist die Zellmembran für K+ und Cl- durchlässig und für Na+ undurchlässig. Die Diffusion von K + und Cl- erzeugt somit die Schichten positiver und negativer Ladung auf der Außen- und Innenseite der Membran. Die Coulomb-Kraft verhindert, dass die Ionen in ihrer Gesamtheit diffundieren. Sobald sich die Ladungsschicht aufgebaut hat, verhindert die Abstoßung gleicher Ladungen, dass sich mehr bewegt, und die Anziehung ungleicher Ladungen verhindert, dass mehr beide Seiten verlässt. Das Ergebnis sind zwei Ladungsschichten direkt auf der Membran, wobei die Diffusion durch die Coulomb-Kraft ausgeglichen wird. Ein winziger Bruchteil der Ladungen bewegt sich und die Flüssigkeiten bleiben neutral (andere Ionen sind vorhanden), während eine Ladungstrennung und eine Spannung über der Membran erzeugt wurden.

Abbildung 2. Die semipermeable Membran einer Zelle hat innen und außen unterschiedliche Ionenkonzentrationen. Die Diffusion bewegt die K + und Cl– Ionen in die gezeigte Richtung, bis die Coulomb-Kraft die weitere Übertragung stoppt. Dies führt zu einer Schicht positiver Ladung auf der Außenseite, einer Schicht negativer Ladung auf der Innenseite und somit zu einer Spannung über der Zellmembran. Die Membran ist normalerweise für Na+ undurchlässig.

Abbildung 3. Ein Aktionspotential ist der Spannungsimpuls in einer Nervenzelle, der hier grafisch dargestellt ist. Es wird durch Bewegungen von Ionen über die Zellmembran verursacht, wie gezeigt. Depolarisation tritt auf, wenn ein Reiz die Membran für Na + -Ionen durchlässig macht. Die Repolarisation folgt, wenn die Membran wieder für Na + undurchlässig wird und K + von hoher zu niedriger Konzentration wechselt. Langfristig hält der aktive Transport die Konzentrationsunterschiede langsam aufrecht, aber die Zelle kann hunderte Male in schneller Folge feuern, ohne sie ernsthaft zu erschöpfen.

Die Trennung der Ladung erzeugt eine Potentialdifferenz von 70 bis 90 mV über die Zellmembran. Während dies eine kleine Spannung ist, ist das resultierende elektrische Feld (E = V / d) über die nur 8 nm dicke Membran immens (in der Größenordnung von 11 MV / m!) und hat grundlegende Auswirkungen auf seine Struktur und Permeabilität. Wenn nun das Äußere eines Neurons bei 0 V liegt, hat das Innere ein Ruhepotential von etwa -90 mV. Solche Spannungen werden über die Membranen von fast allen Arten von tierischen Zellen erzeugt, sind aber in Nerven- und Muskelzellen am größten. Tatsächlich fließen 25% der von Zellen verbrauchten Energie in die Schaffung und Aufrechterhaltung dieser Potenziale.

Elektrische Ströme entlang der Zellmembran werden durch jeden Reiz erzeugt, der die Permeabilität der Membran verändert. Die Membran wird somit vorübergehend durchlässig für Na +, das dann sowohl durch Diffusion als auch durch die Coulomb-Kraft einströmt. Dieser Einschlag von Na + neutralisiert zuerst die innere Membran oder depolarisiert sie und macht sie dann leicht positiv. Die Depolarisation bewirkt, dass die Membran wieder für Na + undurchlässig wird, und die Bewegung von K + bringt die Zelle schnell auf ihr Ruhepotential zurück oder repolarisiert sie. Diese Abfolge von Ereignissen führt zu einem Spannungsimpuls, der als Aktionspotential bezeichnet wird. (Siehe Abbildung 3.) Nur kleine Bruchteile der Ionen bewegen sich, so dass die Zelle viele hundert Mal feuern kann, ohne die überschüssigen Konzentrationen von Na + und K + abzubauen. Schließlich muss die Zelle diese Ionen auffüllen, um die Konzentrationsunterschiede aufrechtzuerhalten, die Bioelektrizität erzeugen. Diese Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Beispiel für einen aktiven Transport, bei dem Zellenergie verwendet wird, um Ionen über Membranen gegen Diffusionsgradienten und die Coulomb-Kraft zu bewegen.

Das Aktionspotential ist ein Spannungsimpuls an einer Stelle auf einer Zellmembran. Wie wird es als Nervenimpuls entlang der Zellmembran und insbesondere entlang eines Axons übertragen? Die Antwort ist, dass die sich ändernde Spannung und die elektrischen Felder die Permeabilität der benachbarten Zellmembran beeinflussen, so dass dort der gleiche Prozess stattfindet. Die benachbarte Membran depolarisiert, beeinflusst die Membran weiter unten und so weiter, wie in Abbildung 4 dargestellt. Somit löst das an einer Stelle stimulierte Aktionspotential einen Nervenimpuls aus, der sich langsam (etwa 1 m / s) entlang der Zellmembran bewegt.

Abbildung 4. Ein Nervenimpuls ist die Ausbreitung eines Aktionspotentials entlang einer Zellmembran. Ein Stimulus bewirkt an einer Stelle ein Aktionspotential, das die Permeabilität der benachbarten Membran verändert und dort ein Aktionspotential verursacht. Dies wirkt sich wiederum auf die Membran weiter unten aus, so dass sich das Aktionspotential langsam (elektrisch) entlang der Zellmembran bewegt. Obwohl der Impuls darauf zurückzuführen ist, dass Na + und K + über die Membran gehen, entspricht er einer Ladungswelle, die sich entlang der Außen- und Innenseite der Membran bewegt.

Einige Axone, wie in Abbildung 1, sind mit Myelin ummantelt, das aus fetthaltigen Zellen besteht. Abbildung 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Axons mit Myelinscheiden, die charakteristisch durch unmyelinisierte Lücken (sogenannte Ranvier-Knoten) getrennt sind. Diese Anordnung verleiht dem Axon eine Reihe interessanter Eigenschaften. Da Myelin ein Isolator ist, verhindert es, dass Signale zwischen benachbarten Nerven springen (Übersprechen). Zusätzlich übertragen die myelinisierten Regionen elektrische Signale mit einer sehr hohen Geschwindigkeit, wie es ein gewöhnlicher Leiter oder Widerstand tun würde. In den myelinisierten Regionen liegt kein Aktionspotential vor, so dass in ihnen keine Zellenergie verbraucht wird. Es gibt einen IR-Signalverlust im Myelin, aber das Signal wird in den Lücken regeneriert, wo der Spannungsimpuls das Aktionspotential bei voller Spannung auslöst. So überträgt ein myelinisiertes Axon einen Nervenimpuls schneller, mit weniger Energieverbrauch und ist besser vor Übersprechen geschützt als ein unmyelinisiertes. Nicht alle Axone sind myelinisiert, so dass Übersprechen und langsame Signalübertragung ein Merkmal für den normalen Betrieb dieser Axone sind, eine weitere Variable im Nervensystem.

Die Degeneration oder Zerstörung der die Nervenfasern umgebenden Myelinscheiden beeinträchtigt die Signalübertragung und kann zu zahlreichen neurologischen Effekten führen. Eine der prominentesten dieser Krankheiten kommt vom körpereigenen Immunsystem, das das Myelin im zentralen Nervensystem angreift — Multiple Sklerose. MS-Symptome sind Müdigkeit, Sehstörungen, Schwäche von Armen und Beinen, Gleichgewichtsverlust und Kribbeln oder Taubheitsgefühl in den Extremitäten (Neuropathie). Es ist eher geeignet, jüngere Erwachsene zu treffen, vor allem Frauen. Ursachen können von Infektionen, umweltbedingten oder geografischen Einflüssen oder Genetik herrühren. Im Moment gibt es keine bekannte Heilung für MS.

Die meisten tierischen Zellen können ihr eigenes Aktionspotential auslösen oder erzeugen. Muskelzellen ziehen sich zusammen, wenn sie feuern, und werden oft durch einen Nervenimpuls dazu veranlasst. Tatsächlich sind Nerven- und Muskelzellen physiologisch ähnlich, und es gibt sogar Hybridzellen wie im Herzen, die Eigenschaften von Nerven und Muskeln aufweisen. Einige Tiere, wie der berüchtigte elektrische Aal (siehe Abbildung 6), verwenden Muskeln, die so gruppiert sind, dass sich ihre Spannungen addieren, um einen Schock zu erzeugen, der groß genug ist, um Beute zu betäuben.

Abbildung 5. Ausbreitung eines Nervenimpulses entlang eines myelinisierten Axons von links nach rechts. Das Signal wandert sehr schnell und ohne Energieeintrag in die myelinisierten Regionen, verliert jedoch an Spannung. Es wird in den Lücken regeneriert. Das Signal bewegt sich schneller als in unmyelinisierten Axonen und ist von Signalen in anderen Nerven isoliert, wodurch das Übersprechen begrenzt wird.

Abbildung 6. Ein elektrischer Aal lässt seine Muskeln spielen, um eine Spannung zu erzeugen, die die Beute betäubt. (Bildnachweis: chrisbb, Flickr)