Saltatorische Erregungsleitung

Aufbau und Grundlagen

Myelin ist eine fetthaltige Substanz, die Axone umhüllt und somit eine isolierende Hülle, die Myelinscheide, bildet. Während diese Myelinscheide im zentralen Nervensystem (ZNS) aus Oligodendrozyten besteht, sind es im peripheren Nervensystem (PNS) die Schwann-Zellen. Die Myelinscheide eines Axons besitzt mehrere Unterbrechungen in gleichmäßigen Abständen, die man als Ranvier-Schnürring bezeichnet. Diese nicht myelinisierten Abschnitte sind  etwa 1-2 Mikrometer lang.

An diesen Ranvier-Schnürringen ist die Dichte spannungsgesteuerter Natriumkanäle besonders hoch, wodurch die Depolarisation und somit die erneute Entstehung eines Aktionspotentials begünstigt wird.

Der Abschnitt zwischen zwei Ranvier-Schnürringen wird als Internodium bezeichnet. An dieser Stelle ist das Axon durch die Myelinscheide stark isoliert, was wiederum die passive elektrische Weiterleitung unterstützt.

Mechanismus

Wenn ein Neuron auf einen Reiz trifft, der eine bestimmte Schwelle überschreitet, öffnen sich die spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle am Axonhügel. Nun können Natriumionen in die Nervenzelle einströmen und ein Aktionspotential auslösen. Dadurch erfolgt eine lokale Depolarisation, die sich dann unter der Myelinschicht bis zum nächsten Ranvier-Schnürring ausbreitet. Das Myelin isoliert das Axon, indem es den Ausstrom von Ionen verhindert, wodurch der Reiz in seiner Intensität größtenteils erhalten bleibt.

Wenn die Depolarisation den nächsten Ranvier-Schnürring erreicht und dort den Schwellenwert überschreitet, öffnen sich dort erneut die spannungsgesteuerten Natriumkanäle, wodurch ein neues Aktionspotential entsteht. Dieser Mechanismus findet  in einer unglaublichen Geschwindigkeit entlang des Axons statt, die mit der Startgeschwindigkeit eines Flugzeuges (circa 250-300 km/h) vergleichbar ist.

Das Aktionspotential muss also im Gegensatz zur kontinuierlichen Erregungsleitung nicht an jedem Membranabschnitt neu generiert werden, was sowohl Zeit, als auch Energie spart.

Myelinisierte Axone weisen eine hoch strukturierte Verteilung spannungsgesteuerter Ionenkanäle auf, wobei die Na⁺-Kanäle in den Lücken der Myelinscheide (Ranvier-Schnürringe) eine besonders hohe Dichte aufweisen. Die Myelinscheide verhindert durch ihre Isolierung das Austreten von Ionen über die Membran. Dadurch breitet sich die Depolarisation passiv entlang des Axons unter der Myelinscheide aus, bis sie den nächsten Ranvier-Schnürring erreicht. Dort wird sie durch die erneute Öffnung spannungsgesteuerter Na⁺-Kanäle regeneriert. Durch diesen Prozess der regenerativen Depolarisation „springt“ das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring, bis es das Axonende erreicht. Dieser gesamte Prozess wird als saltatorische Erregungsleitung bezeichnet und spielt eine wichtige Rolle bei der schnellen Ausbreitung von Aktionspotentialen im Nervensystem.

Vorteile

Wie bereits erwähnt, ist die saltatorische Erregungsleitung des Aktionspotentials in myelinisierten Neuronen deutlich schneller als die kontinuierliche Ausbreitung in nicht myelinisierten Neuronen, selbst wenn der Durchmesser der myelinisierten Axone häufig vergleichsweise kleiner ist.

Darüber hinaus ist sie energieeffizienter, da sich die Depolarisation passiv unter der Myelinscheide ausbreitet und sich lediglich an den Ranvier-Schnürring aktiv regeneriert. Dadurch wird weniger Energie benötigt als bei der kontinuierlichen Ausbreitung, bei der jedes Segment des Axons einer aktiven Depolarisation unterzogen wird. Des Weiteren wird die Erhaltung der Signalstärke durch die Isolierung der Myelinscheide gewährleistet, die ein Austreten von Ionen durch die Membran des Neurons verhindert und die zuverlässige Übertragung von Impulsen über große Distanzen hinweg sicherstellt.