Das Aktionspotenzial Schritt für Schritt erklärt

Ein Aktionspotenzial ist eine kurze, sich selbst fortpflanzende Umkehr der elektrischen Spannung an der Membran einer Nervenzelle. Es dauert etwa eine bis zwei Millisekunden und folgt dem Alles-oder-nichts-Prinzip: Wird die Schwelle erreicht, läuft es immer in voller Stärke ab, wird sie nicht erreicht, entsteht keines. In Biopsychologie-Klausuren wird fast immer nach den Phasen und den beteiligten Ionen gefragt.

Ausgangspunkt: das Ruhepotenzial

In Ruhe ist das Zellinnere gegenüber dem Außen negativ geladen, typischerweise um etwa −70 mV. Zwei Dinge sind dafür verantwortlich:

• Ungleiche Ionenverteilung: Innen ist viel Kalium (K⁺), außen viel Natrium (Na⁺) und Chlorid (Cl⁻).
• Selektive Durchlässigkeit: In Ruhe ist die Membran vor allem für Kalium durchlässig. Kalium strömt nach außen, bis elektrische Anziehung und Konzentrationsgefälle sich die Waage halten.

Die Natrium-Kalium-Pumpe hält diese Verteilung unter Energieverbrauch aufrecht. Sie transportiert pro Zyklus drei Natriumionen nach außen und zwei Kaliumionen nach innen.

Die Phasen des Aktionspotenzials

1. Reiz und Schwelle. Eingehende Signale verschieben das Membranpotenzial am Axonhügel. Erreicht es die Schwelle von etwa −55 mV, öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle.
2. Depolarisation. Natrium strömt schnell ein. Das Potenzial steigt steil an und wird kurzzeitig positiv, bis etwa +30 bis +40 mV. Dieser positive Teil heißt Overshoot.
3. Repolarisation. Die Natriumkanäle schließen sich und werden inaktiviert. Gleichzeitig öffnen sich spannungsgesteuerte Kaliumkanäle, Kalium strömt aus, das Potenzial fällt.
4. Hyperpolarisation. Die Kaliumkanäle schließen sich langsam, deshalb sinkt das Potenzial kurz unter den Ruhewert.
5. Rückkehr zum Ruhepotenzial. Die Ionenverteilung wird wiederhergestellt.

Refraktärzeit

Während der absoluten Refraktärzeit kann kein neues Aktionspotenzial ausgelöst werden, weil die Natriumkanäle inaktiviert sind. Während der relativen Refraktärzeit ist es möglich, aber nur mit einem stärkeren Reiz. Die Refraktärzeit sorgt dafür, dass das Signal nur in eine Richtung läuft und begrenzt die maximale Feuerrate. Weil jedes Aktionspotenzial gleich stark ist, wird Reizintensität über die Frequenz codiert, nicht über die Höhe.

Weiterleitung entlang des Axons

In marklosen Axonen läuft die Erregung kontinuierlich weiter, was langsam ist. In myelinisierten Axonen springt sie von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten. Diese saltatorische Erregungsleitung ist deutlich schneller und spart Energie. Bei Erkrankungen wie Multipler Sklerose wird die Myelinscheide geschädigt, was die Weiterleitung stört.

An der Synapse

Erreicht das Aktionspotenzial die Endknöpfchen, öffnen sich Calciumkanäle. Der Calciumeinstrom löst die Ausschüttung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt aus. Diese binden an Rezeptoren der nachfolgenden Zelle und erzeugen dort ein exzitatorisches (EPSP) oder inhibitorisches postsynaptisches Potenzial (IPSP). Am Axonhügel der Empfängerzelle werden diese Potenziale räumlich und zeitlich summiert. Nur wenn die Summe die Schwelle erreicht, entsteht dort ein neues Aktionspotenzial.

Lerntipp

Zeichne die Kurve des Aktionspotenzials mehrmals aus dem Gedächtnis und beschrifte an jeder Phase, welche Kanäle offen sind und welches Ion in welche Richtung strömt. Wenn du das ohne Vorlage kannst, bist du für die meisten Klausurfragen zu diesem Thema vorbereitet.

Weiterlernen

Neuron, Synapse und die Hirngrundlagen von Verhalten sind im Skript Neuropsychologie erklärt. Zusammen mit Allgemeiner Psychologie I und II bekommst du es im Prüfungspaket Allgemeine & Biopsychologie. Einen Überblick über das Fach gibt der Artikel Neuropsychologie: Grundlagen von Gehirn und Verhalten.

Häufige Fragen

Warum ist das Ruhepotenzial negativ?

Weil in Ruhe vor allem Kaliumkanäle offen sind. Kalium strömt aus der Zelle, positive Ladung geht verloren, und innen bleibt ein negativer Überschuss zurück.

Was bedeutet das Alles-oder-nichts-Prinzip?

Ein Aktionspotenzial entsteht entweder vollständig oder gar nicht. Ein stärkerer Reiz erzeugt kein größeres Aktionspotenzial, sondern mehr Aktionspotenziale pro Zeit.

Was ist der Unterschied zwischen EPSP und Aktionspotenzial?

Ein EPSP ist eine kleine, abgestufte Depolarisation, die sich abschwächt. Erst wenn mehrere EPSPs zusammen die Schwelle am Axonhügel erreichen, entsteht ein Aktionspotenzial.