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Die Funktionsmechanismen von Nervenzellen Nervenzellen haben eine negative Innenladung und dieses Membranpotenzial wird durch die ununterbrochene Aktivität von Membranpumpen ständig aufrechterhalten.

1.

Zellkern

Enthält die DNA der Nervenzelle.

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2.

Zellkörper

Enthält das Zellplasma und alle weiteren zentralen Zellorganellen.

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3.

Axonhügel



Ist ein spezieller Membran-Ort der Nervenzelle, der viele spannungsabhängige Ionenkanäle enthält.

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Der Axonhügel ist der Entstehungsort von Aktionspotentialen bei überschwelligen Potentialen.

4.

Dendriten



Dendriten sind Auswüchse, die mit anderen Nervenzellen über synaptische Verbindungen in Kontakt stehen. Sie dienen der Informationsaufnahme von anderen Nervenzellen.

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5.

Synapsen Elektrische Synapsen

 

Stehen mit Dendriten anderer Nervenzellen in direktem Kontakt, sodass Erregungen direkt weitergegeben werden können.

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Chemische Synapsen

Stehen mit Dendriten andere Nervenzellen indirekt in Kontakt.

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6.

Zwischen chemischen Synapsen und Dendriten befindet sich noch ein sogenannter synaptischer Spalt, weshalb die Erregungen mit Hilfe von Neurotransmittern weitergeleitet werden müssen. Axon

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7.

Leitet die Erregungen vom Zellkörper weg und stellt die funktionelle Verbindungen zu Muskelfasern und zu anderen Nervenzellen dar. Schwann’sche Zellen

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Schützen und ernähren die Nervenzellen.

Das Ruhepotential Was ist das Ruhepotential von Nervenzellen? 

Das Ruhepotential ist der negativ geladene Zustand einer unerregten Nervenzelle!

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In menschlichen Axonen beträgt die gemessene Spannung des Ruhepotentials ca. -70mV.

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Diese Spannung kommt zustande, weil innerhalb und außerhalb des Axons eine ungleiche Verteilung von Ionen vorliegt.

Warum muss das Ruhepotential ständig aufrechterhalten werden? 

Wie wir bereits wissen, stellt das Nervensystem das Informations- und Kommunikationssystem des Körpers dar, das auf der Erzeugen, Verarbeiten und Weiterleiten von elektrischen Impulsen basiert.

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Das Ruhepotential ist die Grundlage der Entstehung von elektrischen Impulsen (Aktionspotentialen).

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Ohne Ruhepotential können also keine elektrischen Impulse erzeugt werden. Wird das Ruhepotential also nicht ständig aufrechterhalten bzw. nach einem elektrischen Impuls wiederhergestellt, versagt das Nervensystem, was zum Tod führen würde.

Die Entstehung des Ruhepotentials Siehe Blatt separat (Zeichnung) Das Gleichgewichtspotential [ca. -85mV]

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Im Normalzustand befinden sich viele positiv geladene Kalium-Ionen im Axoninneren und im Extrazellularraum (außerhalb) deutlich weniger.

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Dies führt dazu, dass positiv geladene Kalium-Ionen aus dem Axoninneren ausströmen, um den Konzentrationsunterschied auszugleichen.

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Durch den Ausstrom dieser positiv geladenen Ionen wird die Spannung im Zellinneren der Axone negativer.

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Der sogenannte elektrische Gradient wird negativer.

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Die Kalium-Ionen strömen jedoch nur so lange aus, bis sich elektrischer Gradient und Konzentrationsgradient exakt ausgleichen!

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Dieser Zustand liegt bei einer Spannung von ca. -85mV vor und wird Gleichgewichtspotential genannt!

Der Natrium-Ionen-Leckstrom

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Bei der Entstehung des Gleichgewichtspotentials wird der elektrische Gradient im Axoninneren negativer.

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Diese negativer werdende Spannung zieht positiv geladene Natrium-Ionen an, die infolgedessen ins Axoninnere einströmen.

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Man spricht hier vom Natrium-Ionen-Leckstrom.

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Der elektrische Gradient wird dadurch wieder positiver.

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Das theoretische Gleichgewichtspotential [ca. -85mV] wird zum sogenannten Ruhepotential [ca. -70mV]. Die Natrium/Kalium-Pumpe

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Die Natrium-Ionen strömen aufgrund des negativen elektrischen Gradienten ständig ins Axoninnere. Dadurch wird das Axoninnere logischerweise immer positiver.

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In der Theorie würden die Natrium-Ionen so lange einströmen, bis der elektrische Gradient komplett ausgeglichen wäre.

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Es muss jedoch unbedingt verhindert werden, dass die Spannung positiver als -70mV wird.

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Um die notwendige, negative Spannung von -70mV aufrechtzuerhalten, muss der Natrium-Ionen-Leckstrom also ausgeglichen werden!

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Dafür sorgen die ATP-abhängigen Natrium/Kalium-Pumpen.

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Sie sind in der Lage, Natrium-Ionen aus dem Axoninneren zu transportieren.

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Unter Verbrauch von ATP werden jeweils 3 Natrium-Ionen aus dem Axoninneren heraus transportiert und im Gegenzug wieder 2 Kalium-Ionen ins Innere der Axone.

Auf diese Art und Weise baut eine Nervenzelle das Ruhepotential [-70mV] auf und kann es anschließend aufrechterhalten!

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8.

Gleichzeitig fungieren sie als elektrische Isolierung der Axone, sodass Aktionspotentiale nur noch an den Schnürringen gebildet werden können, wodurch die Fortleitungsgeschwindigkeit stark erhöht wird. Schnürringe

 

Sind die Stellen der Axone, an denen sich keine Schwann’schen Zellen befinden. An den Axonen können Aktionspotentiale nur an der Schnürringen entstehen, wodurch eine schnellere Erregungsleitung zustande kommt.

Das Aktionspotential DEFINITION

Neurone empfangen also auf ihrer Membran jede Sekunde Tausende von synaptischen Aktivierungen, die lokal das Membranpotenzial verändern. Das heißt, das Bild vom Ruhepotenzial ist nur eine Momentaufnahme. In Wirklichkeit schwankt das Membranpotential eines Neuron ständig auf und ab; zuweilen dreht es sich sogar durch die lokale Einwirkung vieler erregender synaptischer Eingänge, so dass kurzzeitig die Innenseite des Neurons relativ zur Außenseite ein positive elektrische Ladung besitzt. Wenn diese elek. Umkehrung am AXONHÜGEL passiert, also dem Ort auf der Zelle an dem das Soma in das Axon übergeht, kann ein AP ausgelöste werden. Das AP ist eine kurze Umkehrung des Membranpotenzials, bei der die Innenseite des Axons positiv wird. AP wandert ohne in seiner Stärke abzunehmen und sehr schnell das Axon bis zu seinen Terminalien entlang. Die Nervenzelle kann die Stärke des AP nicht variieren. Sie sind nur in der Lage, durch die Häufigkeit der AP pro Zeiteinheit und durch das zeitliche Muster der Entladungen detaillierte Informationen weiterzugeben. Frequenz und Zeitmuster der Entladungen sind somit die Sprach die Nervenzellen. Das AP selbst ist nur ein „Alles oder nichts Prinzip“ . Das Aktionspotential beschreibt eine kurzweilige, immer gleich ablaufende Abweichung des Membranpotentials einer Nervenzelle vom Ruhepotential, die als elektrisches Signal über die Axone weitergeleitet werden kann.

Bildlich gesprochen sind die Aktionspotentiale die Sprache der Nervenzellen, die ihnen die Kommunikation miteinander, mit den Muskeln usw. ermöglichen.

DAS AKTIONSPOTENTIAL Der genaue Ablauf eines Aktionspotentials 1.

Ruhepotential 

2.

Während des Ruhepotentials beträgt das Membranpotential eine Spannung von ungefähr [-70mV]. Alles-oder-Nichts-Gesetz

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Über die Dendriten werden Reize von umliegenden Nervenzellen aufgenommen, verrechnet und zum Axonhügel weitergeleitet.

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Man unterscheidet zwischen erregenden Reizen / Synapsen, die das Membranpotential positiver werden lassen und hemmenden Reizen / Synapsen, die das Membranpotential negativer werden lassen.

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Diese ankommenden Reize müssen zusammen einen bestimmten Schwellenwert von [-50mV] überschreiten, um ein Aktionspotential auszulösen.

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Ist dies der Fall, entsteht am Axonhügel ein Aktionspotential, dass immer gleich abläuft und über das Axon weitergeleitet wird.

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Wird die Schwelle von [-50mV] nicht überschritten, passiert nichts!

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Dieses Prinzip wird „Alles-oder-Nichts-Gesetz“ genannt!

3.

Depolarisation 

Die Depolarisation beschreibt die schnelle Änderung des Membranpotentials vom Ruhepotential [-70mV] hin zu einer positiven Spannung von [+50mV].

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Reichen die Reize aus, um den Schwellenwert von [-50mV] zu überschreiten, kommt es zur Depolarisation.

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Es kommt zur Öffnung von spannungsgesteuerten Natrium-Ionenkanälen, die sich am Axonhügel befinden und daraufhin zum Einstrom von Natrium-Ionen in das Zellinnere.

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Der Einstrom der positiv geladenen Natrium-Ionen sorgt dafür, dass das Membranpotential positiver wird.

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Durch die Änderung des Membranpotentials öffnen sich weitere spannungsgesteuerte Natrium-Ionenkanäle und noch mehr Natrium-Ionen strömen ein. Das Membranpotential steigt dadurch auf [+50mV]!

 4.

Repolarisation 

[-70mV].

Die Repolarisation beschreibt die schnelle Wiederherstellung des Ruhepotentials von

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Nach der Depolarisation schließen sich die Natrium-Ionenkanäle wieder recht schnell.

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Danach sind sie für eine kurze Zeit inaktiv und nicht zu öffnen, dies ist die sogenannte Refraktärphase!

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Während der Refraktärphase können selbst starke Reize kein neues Aktionspotential auslösen.

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Erst nach Wiederherstellung des Ruhepotentials können die Natrium-Ionenkanäle erneut geöffnet werden.

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Um das Ruhepotential wiederherzustellen, öffnen sich nun spannungsgesteuerte Kalium-Ionenkanäle.

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Die positiv geladenen Kalium-Ionen beginnen aus dem Zellinneren auszuströmen, wodurch das Membranpotential wieder sinkt.

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Die Kalium-Ionenkanäle schließen sich erst wieder, wenn das Ruhepotential von [70mV] wiederhergestellt ist.

5.

Hyperpolarisation 

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6.

Die Kalium-Ionenkanäle sind im Vergleich zu den Natrium-Ionenkanälen beim Schließen etwas träger. Es dauert ein wenig länger, bis alle Kalium-Ionenkanäle wieder geschlossen sind. In diesem Zeitraum diffundieren noch ein paar Kalium-Ionen aus der Zelle heraus und die Spannung sinkt kurzfristig auf [-80mV] also unter das Ruhepotential. Ruhepotential

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Zum Schluss müssen die Ionenkonzentrationsunterschiede wieder ausgeglichen werden und das Ruhepotential wiederhergestellt werden. Verantwortlich dafür sind die Natrium-Kalium-Pumpe

Aktionspotential Phasen und Ablauf einfach erklärt Nervenzellen kommunizieren ber elektrische Reize. Das sogenannte Aktionspotential ist das Membranpotential, welches beim aktiven Neuron zu messen ist. Das Aktionspotential entsteht am Axonhgel, welcher vor dem Beginn des Axons liegt. Dabei werden ber elektrische Reize, die von außen kommen bestimmte Spannungsgesteuerte Kanäle ge(ffnet. Daraufhin k(nnen Natrium-Ionen ins Zellinnere gelangen. Die Folge daraus ist, dass sich das Potential an der Membran ändert, weil mehr positive Ionen nach innen gelangen. Dieser Vorgang ist der Beginn der Depolarisation (1). Depolarisation hießt also, wenn das Membranpotenzial positiv wird. Wenn eine hohe Depolarisation im Bereich des Axonhgels vorliegt , kann ein AP erzeugt werden. Diese Spannung muss nun erst einmal eine bestimmte Schwelle berschreiten, damit der Reiz weitergeleitet wird. Hier geht es nach dem Alles-oder-Nichts-Gesetz. Entweder Die Potentialdifferenz reicht um die Schwelle zu berschreiten (2), dann wird der Reiz komplett bertragen oder sie reicht nicht, dann wird eben nichts weitergeleitet. ( Beispiel: Streichholz anznden, zu schwacher Druck/Reibung: geht nicht. Richtig viel Druck: Streichholz brennt = Alles oder Nichts Prinzip) Ist die Schwelle berschritten gehen Schlagartig etliche

spannungsabhängigne Na+-Kanäle auf, sodass noch viel mehr Natrium in die Zelle gelangt. Es kommt zur kompletten Depolarisation (3). Es gelangen so viele Natrium-Ionen in die Zelle, dass die Konzentration im intrazellulären Raum sogar gr(ßer ist als außerhalb. Damit dieser Vorgang aber nicht ewig so weiterläuft haben die Natrium-Kanäle eine Art Schutz gegen zu hohe Spannung. Steigt die Spannung ber einen bestimmten Wert gehen die Natrium-Kanäle wieder zu und die Kalium-Kanäle gehen auf (4). Die Natrium-Kanäle sind nun fr eine kurze Zeit refraktär, das hießt dass die nicht mehr fr eine bestimmte Zeit aufgehen – sie erholen sich quasi.

( Refraktärzeit: Na+ Kanäle schließen sich, wenn Spannung über bestimmten Wert ist, und können nicht wieder erneut geöffnet werden, bevor nicht die Membran ihren Ruhepotenzialwert erreicht hat) Durch die Kalium-Kanäle gelangen nun durch die enorm hohe Konzentration viele Kalium-Ionen wieder in den extrazellulären Raum. Die Repolarisierung (5) hat eingesetzt, das Ausgangspotential wird wieder hergestellt. (Repolarisierung heißt,nach erfolgtem AP sinkt die elek. Ladung im

Neuron wieder in Richtung Ruhepotential.) Da die Kalium-Kanäle allerdings zu langsam sind, zu spät reagieren, kommt es zunächst zur Hyperpolarisierung (6). Dabei fällt das Membranpotential unter das Ruhepotential, sodass alle spannungsabhängigen Kanäle zugehen. Nun setzt die Natrium-Kalium-Ionenpumpe ein und stellt das Ruhepotential wieder her, indem sie ihre Arbeit tut. ( 3 Na+ Ionen raus, 2 K+ Ionen rein). Der Vorgang dauert ca 2ms. Das Neuron ist nun fr das nächste AP bereit.

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Depolarisation: Zelle wird positiver, Aktionspotentiale können leichter ausgelöst werden Hyperpolarisation: Zelle wird negativer, Auslösung von Aktionspotentiaen ist erschwert.

Was versteht man unter einer Depolarisation bzw. einer Hyperpolarisation des Membranpotentials? 1. 2. 3.

Depolarisation Verringerung des Ruhepotentials (EPSP) z.B. von -70mV auf -40 Hyperpolarisation Erhöhung des Ruhepotentials (IPSP) z.B. von -70 mV auf -90 Repolarisation Wiederherstellung des Ruhemembranpotentials nach einem Aktionspotential Fallbeispiel Yokota Kugelfischrestaurant und TETRODOTOXIN Ohne funktionsfähige NA+ Kanäle kann kein AP gebildet werden. Tetrodotoxin verschließt jedoch fr mehrere Stunden diese Kanäle. Tetrodotoxin, schließt die Natrium Kanäle seiner Nervenzellen. Nervenzellen arbeiten elektrisch. Elektrisch geladene Atome mssen ständig die Aussenhlle der Poren passieren. Natrium- Ion war

eins dieser Atome. Ohne funktionsfähige Na+ Kanäle kann kein Aktionspotential gebildet werden. TXT(Tetrodotoxin) verschließt aber fr viele Stundne genau diese Kanäle. Die Wirkung entfaltet sich hauptsächlich in der Peripherie des ZNS, also in den Axonen der Motorneuronen, die zu den Muskeln fhren sowie dem sensorischen System. Taubheitsgefhl u. Lähmung der Muskeln. Der Tod kommt durch die Lähmung der Atemmuskulatur zustande. DIE REISE DES AKTIONPOTENTIALS Axonhgel-> gesamtes Axon-> bis es am Ende die Präsynapse erreicht hat. Allerdings vezweigt es sich ein Axon in Tausende von kleinen Terminalien. Wie verhält sich ein Axon hierbei? Es läuft ber sämtliche Seitenäste entlang ohne kleiner zu werden. Ein Axon ist wie eine Einbahnstraße: das AP läuft immer von Axonhgel in Richtung Präsynapse und niemals in umgekehrter Richtung. Vom Axonhgel kann man nur in zwei Richtungen gehen: entlang des Axons zur Präsynapse oder in umgekehrter Richtung zum Soma und dann zu den Dendriten. In Richtung Soma kann das AP nicht entstehen, da dort die spannungsabhängigen NA+ Kanäle fehlen. Diese sind auf dem Axon nicht aber auf dem Soma. Und vor allem sind sie unabdingbar fr die Entstehung eines AP. Ohne sie entsteht nur eine normale Depolarisation, die schnell wieder verebbt. Durch diesen Unterschied in der Verteilung der spannungsabhängigen Na+ Kanäle bekommt das AP seine Richtungsgebung und fängt an, das Axon entlang zu laufen.

Warum breitet sich das Aktionspotenzial nur in eine Richtung aus? Da nach Ablauf eines APs die Membran für kurze Zeit unerregbar ist (absolute Refraktärphase), kann das AP nur in eine Richtung weiterlaufen. Natriumkanäle können sich erst wieder in der Refraktärzeit (Ruhepotenzial) öffnen. Ein Aktionspotential kann nur in eine Richtung fortgeführt werden, da die zurückliegende Membran nicht erregt werden kann.(spannungsabhängige NA+ Kanäle fehlen) Dies liegt an den spezifischen Eigenschaften der Natrium Kanäle. Sie sind nach der Depolarisationsphase geschlossen und inaktiv. Heißt, die Na+ Kanäle sind refraktär. Das bedeutet, dass diese Kanäle keine Na+ Ionen mehr durchlassen und die Na+ Leitfähigkeit gegen null geht.

Beispiel: AP geht von Rechts nach links: An der Stelle, an der das AP beginnt, befinden sich somit auf der rechten Seite refraktäre Na+ Kanäle und auf der linken Seite aktivierbare Na+ Kanäle ( super Leitfähigkeit) Deshalb breitet sich das AP nicht in beide Richtungen aus, sondern nur von rechts nach links. Beispiel: Wenn das AP von links nach rechts verläuft. halt andersrum

Myelinisierte Axone Die Geschwindigkeit, mit der das AP sich von Zelle zu Zelle fortpflanzt, ist sehr unterschiedlich und hängt von nur zwei Parametern ab: DURCHMESSER DES AXONS + MYELINISERUNG Axondurchmesser: Dicke leiten schneller als dünne, haben weniger elektrischen Innenwiderstand, Der Durchmesser eines Axons hat also einen direkten Einfluss auf die Leitgeschwindigkeit. Myelinisierung:

Myelinisierung: Erh(hung der neuronalen Leitfähigkeit Myelinschicht dienen als elektrische Isolation des Axons. Dadurch ist eine schnelle Erregungsleitung bis zu 120 m / s m(glich. „saltatorische Spannungsleitung“ → die Aktionspotentiale springen von Ranvier'schem Schnrring zu Schnrring Gliazellen ( 2 Typen) wickeln sich mit ihren Fortsätzen um das Axon. Das danach folgende Segment setzt nicht direkt am ersten an sondern lässt ein Stck frei, so dass in regelmäßigen Abständen das Stckchen Axon nackt bleibt. Diese Lcke nennt man Ranvier´schen Schnrring. Dadurch wird die Leitfähigkeit erh(ht. Was ist eine saltatorische Erregungsleitung? Die isolierende Myelinisierung der Axone wird durch die Ranvierschen Schnürringe unterbrochen. Das Aktionspotenzial tritt nur an den Schnürringen auf und springt von Schnürring zu Schnürring.

Was ist saltatorische Erregungsleitung? Myelinisierte Nervenfasern haben Einschnürungen (Ranviersche Schnürringe), entlang derer das Aktionspotential sprungartig weitergeleitet wird. Diese Art Weiterleitung heißt saltatorisch und ist viel schneller. An der Stelle der Ranvier ´schen Schnürrung ist die Axonoberfläche frei sowie vollgepackt mit spannungsabhängigen NA+ Kanälen. An dieser Stelle entfacht sich das AP erneut, breitet sich als Depolarisation durch das nächste Myelinsegment aus , entfacht sich erneut am nächsten Ranvier´schen Schnürring usw. Saltare = Springen (ital) Die Menschen hinter den Entdeckungen Hodgkin + Huxley: zeigten,die Eigenschaften des Membranpotentials und des AP im Detail, hierfr Nobelpreis Funktionsweise der Natrium-Kalium-Pumpe: (nach Hodgkin & Huxley, 1952) Zusammengefasst: Cl- Ionen: Hohe Konzentration außen;  Diffusion nach innen, aber h(here negative Ladung innen  Abstoßung. Bei – 70 mV entsteht ein Gleichgewicht zwischen Konzent...