Reizcodierung - grundsätzliche Überlegungen

Bildung von Aktionspotenzialen

Wir hatten ja in den ersten Kapiteln der Neurobiologie gesehen, dass die Dendriten eines Neurons die Aufgabe haben, Informationen von außerhalb der Nervenzelle zu empfangen und in elektrische Informationen umzuwandeln. Diese elektrischen Informationen werden in Form von Membranpotenzial-Änderungen, also in Form von Depolarisierungen oder Hyperpolarisierungen, zum Soma der Nervenzelle weitergeleitet. Dabei schwächen sich die De- und Hyperpolarisierungen allerdings mit der Zeit und mit zunehmender Ausbreitung ab - ähnlich wie die Wellen, die entstehen, wenn man einen Stein ins Wasser wirft.

Wenn eine solche Depolarisierung allerdings den Axonhügel erreicht und dort immer noch einen Wert von ca. -30 mV hat, entsteht dort ein Aktionspotenzial.

Das Alles-oder-Nichts-Gesetz stellt klar: Wenn das Membranpotenzial am Axonhügel einen Schwellenwert von ca. -30 mV überschreitet, dann entsteht ein vollständiges Aktionspotenzial mit einer Amplitude von ca. +30 mV. Liegt das Membranpotenzial am Axonhügel unter diesem Wert, dann passiert gar nichts.

Codierung der Reizintensität

Damit haben wir aber ein grundlegendes Problem noch nicht gelöst: Wieso können wir beim Sehen "hell" und "sehr hell" unterscheiden? Oder beim Hören "laut" und "sehr laut"? Mit anderen Worten: Wieso können wir überhaupt verschiedene Intensitäten eines Reizes wahrnehmen, wenn die Bildung von Aktionspotenzialen dem Alles-oder-Nichts-Gesetz unterliegt?

Theoretisch könnte die Reizintensität durch die Höhe des Aktionspotenzials codiert werden: kleiner Reiz = Peak bei +10 mV, starker Reiz = Peak bei +30 mV. Aus physiologischen Gründen (Gleichgewichtspotenziale der Kalium- und Natrium-Ionen) ist eine solche Amplitudenmodulation aber an dem Axon einer Nervenzelle nicht möglich, es gilt das Alles-oder-Nichts-Gesetz.

In der Technik gibt es neben der Amplitudenmodulation auch die Frequenzmodulation. Auch die Natur hat dieses Prinzip umgesetzt: Die Amplitude eines jeden Aktionspotenzials ist immer gleich hoch, aber die Anzahl der pro Sekunde gebildeten Aktionspotenziale kann variieren: kleiner Reiz = niedrige AP-Frequenz, starker Reiz = hohe AP-Frequenz. Dieses Verfahren funktioniert am Axon einer Nervenzelle sehr gut.

Ein überschwelliges Membranpotenzial am Axonhügel wird in eine Folge von Aktionspotenzialen umgesetzt. Dabei gilt: Je stärker der Schwellenwert überschritten wird, desto mehr Aktionspotenziale werden pro Sekunde gebildet.

Da das Membranpotenzial am Axonhügel von der Intensität der Reize beeinflusst wird, die auf die Dendriten oder das Soma der Nervenzelle einwirken, kann man sagen: Die Reizintensität wird am Axonhügel durch die Aktionspotenzialfrequenz codiert.

Experimentelle Untersuchungen

Schauen wir und dazu einen berühmten Versuch an, den Zimmermann bereits 1972 an dem Fuß einer Katze durchgeführt hat:

Aktionspotenzialfrequenz in Abhängigkeit von der Reizintensität
Autor: Ulrich Helmich 2020, Lizenz: siehe Seitenende

Zimmermann belastete die Druckrezeptoren von Katzenfüßen mit verschiedenen Gewichten und leitete mit einer aufwendigen Apparatur die jeweils erzeugten Aktionspotenziale ab. Das Ergebnis spricht für sich: Je höher die Reizintensität, desto größer die Aktionspotenzialfrequenz.

So weit der Überblick über das Thema Reizcodierung. Wenn Sie mehr wissen wollen, gehen Sie bitte auf meine Vertiefungsseiten.

• Logarithmische Reizcodierung
• Transduktion, Rezeptorpotenzial und AP-Frequenz