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Die Entstehung des Aktionspotentials in Nervenzellen

Der Nobelpreis für Physiologie oder für Medizin ging 1963 an Sir John Eccles, Alan Lloyd Hodgkin und Andrew Fielding Huxley für ihre Arbeiten zu den Ionen-Mechanismen, die an der Erregung und Hemmung der zentralen und peripheren Areale der Zellmembran von Nervenzellen beteiligt sind.

Ihre Arbeit war bahnbrechend und sollte die entscheidenden Ergebnisse für die kontroverse Debatte zwischen den zwei rivalisierenden Theorien dieser Zeit liefern: chemische versus elektrische synaptische Signalübertragung.

Der entscheidenden Sieg der chemischen Theorie musste allerdings warten bis zu  der intrazellulären Aufzeichnung an dem neuromuskulären Verbindungspunkten zwischen Nerven Zellen von Fatt und Katz.

Sir John Eccles untersuchte die grundlegenden Prozesse der Erregung und Hemmung von Neuronen. Er wählte den Kniesehnenreflex als Modell Er ist  leicht zu untersuchen, weil er auf nur zwei Nervenzellen basiert: ein sensorisches Neuron bildet im Rückenmark eine Synapse mit einem motorischen Neuron.

Indem er eine feine Mikroelektrode, deren Spitze einen Durchmesser von nur 0.0005 mm hatte, in einzelne Nervenzellen im Rückenmark einführte, zeigte Sir Eccles dass bei diesen Zellen ein Ruhepotential von ungefähr -70 Millivolt an der Zellmembran anliegt.

Wenn ein Impuls bei der Zelle ankommt, der zu einer Erregung führt, depolarisiert die Zelle (über -70 mV). Wenn der Impuls andererseits eine Hemmung auslöst, erfährt die Membran eine Hyperpolarisation, die das Ruhepotential noch unterschreitet.

Ein einzelnes exzitatorisches (erregendes) postsynaptisches Potential (EPSPs) reicht nicht aus, um in einer Nervenzelle ein Aktionspotential auszulösen. Die Summe mehrerer EPSPs aus vielen Neuronen, die Synapsen an einem bestimmten Motoneuron haben, kann in diesem jedoch sehr wohl ein Aktionspotential auslösen.

Andererseits können inhibitorische (hemmende) postsynaptische Potentiale (IPSPs) diese Summe der EPSPs schmälern und das Neuron davon abhalten zu feuern. Eccles demonstrierte anhand elektrischer Bedingungen das Phänomen neuronaler Erregung und Hemmung.

Seine Arbeit hatte grundlegende Bedeutung für das Verständnis der Entstehung von Nervenimpulsen und deren Weiterleitung. Sie trug bei zu einem besseren Verständnis, des Wesens des Ionen Transfers durch die Zellmembran, das im Folgenden von Hodgkin und Huxley weiter erforscht wurde.

Beide Wissenschaftler arbeiteten zusammen um das physio-chemische Wesen der Nervenimpulse zu entschlüsseln. Der Nervenimpuls ist ein übertragenes elektrisches Event, das durch das Axon selbst hervorgerufen wird, wenn dessen Membran depolarisiert wird.

Während die Nervenimpulse übersteigt das Aktionspotential den Wert des Ruhepotentials an der Membran um 35%. Dies führt zu einem Membranpotential von ungefähr 100mV,  das für ungefähr eine Millisekunde andauert.

Das Aktionspotential rollt wie eine Welle über den Nerv und ist eine grundlegende Einheit im Code mit dessen Hilfe Nervenzellen miteinander kommunizieren und Instruktionen aus dem Gehirn an motorische und sensorische Zellen weitergeben.

Die Axone der Nervenzellen enthalten Kalium Ionen, die von der Zellmembran am diffundieren in die natriumreichen Körperflüssigkeiten gehindert werden. Das Ruhepotential der Nervenzelle entsteht durch ein unterschiedliches elektrisches Potential, das durch die erhöhte Konzentration der Kalium Ionen im Inneren der Nervenzelle aufgebaut wird.

Hodgkin und Huxley beobachteten die Depolarisierung von Nervenzellen am Riesentintenfisch, der Axone mit einem Durchmesser von circa 0,7 mm hat. Im Vergleich zu den 0,015 mm der Axone von Säugetieren ist das groß.

Sie sahen, dass die Depolarisierung einen Einstrom von Natrium Ionen ins Innere des Axons initiierte, was zu einer Anstiegs-Phase des Nervenimpulses führte.

Der Anstieg kommt schnell zu einem Ende und wird durch einen erneuten Einstrom von Kalium Ionen aus dem Axon in der abklingenden Phase abgelöst. Das Natrium-Kalium-Gleichgewicht  erklärt die Nervenimpulse in quantitativen physio-chemischen Begriffen.

Der Beitrag dieser drei Wissenschaftler zum Wissenszuwachs auf diesem Gebiet beeinflusste die Forschung für ein weites Feld von neurologischen Störungen.


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