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Der Prozess der Erregung und Leitung in myelinisierten Nervenfasern von Wirbeltieren ist durch seine diskontinuierlichen und saltatorischen Merkmale gekennzeichnet. Zweifelsohne leiten sich diese Unterscheidungsmerkmale aus den folgenden histologischen und physiologischen Eigenschaften dieser Nervenfasern ab.

• Die Myelinscheide, die den Achsenzylinder dieser Nervenfasern bedeckt, ist an jedem Ranvier-Knoten mehr oder weniger regelmäßig unterbrochen.
• Der Stromfluss in und um diese Nervenfasern wird durch die Isolierung des Achsenzylinders mit der Myelinscheide eingeschränkt.
• Die kortikale Schicht des Achsenzylinders am Ranvier-Knoten ist in der Lage, Aktionspotentiale in einer Alles-oder-nichts-Weise als Reaktion auf den Durchgang von nach außen gerichtetem elektrischem Strom zu produzieren.
• Das an einem Ranvier-Knoten erzeugte Aktionspotential erzeugt an den benachbarten Knoten einen starken, nach außen gerichteten Stromimpuls.

• 1 Myelinscheide und Ranvier-Knoten
• 2 Elektrische Isolation des Achsenzylinders durch die Myelinscheide
• 3 Kapazitiver Stromfluss durch die Myelinscheide
• 4 Nach innen gerichteter Strom bei Erregung eines Ranvier-Knotens
• 5 Erzeugung von all-or-keine Aktionspotentiale durch einen einzelnen Ranvier-Knoten
• 6 Sicherheitsspanne bei der Nervenleitung
• 7 Saltatorische Leitung – Eine historische Darstellung
• 8 Referenzen
• 9 Siehe auch

Myelinscheide und Ranvier-Knoten

Elektrische Isolierung des Achsen-Zylinder durch die Myelinscheide

Im Jahr 1934, kurz nach der Entwicklung der Technik der chirurgischen Isolierung einer motorischen Nervenfaser, die den Gastrocnemius-Muskel der Kröte innerviert, in G. Katos Labor wurde von M. Kubo und S. Ono eine Entdeckung gemacht, die darauf hinwies, dass die Myelinscheide einen starken Einfluss auf die Wirksamkeit eines Reizstromimpulses ausübt.

Abbildung 1: Die Schwellenintensität eines langen Stromimpulses zur Erregung einer motorischen Nervenfaser aufgetragen gegen die Entfernung von den Ranvier-Knoten. B stellt eine Batterie dar. Die Stimulationskathode (Pipettenelektrode mit einem Durchmesser von 100 \(\mu\)m an der Spitze) wurde in einem flachen Becken mit Kochsalzlösung schrittweise entlang der Nervenfaser verschoben. Die Alles-oder-Nichts-Muskelzuckung wurde als Index für die Nervenerregung herangezogen.

Bei der Messung der Schwellenintensitäten von Stromimpulsen, die mit Hilfe einer Pipettenelektrode an eine in einem flachen Pool von Kochsalzlösung schwimmende Nervenfaser abgegeben wurden, wurde festgestellt, dass die Schwelle ein scharfes Minimum erreicht, wenn die stimulierende Kathode in der Nähe eines der Knoten platziert wird, und ein scharfes Maximum, wenn sich die Elektrodenspitze an dem Punkt auf halbem Weg zwischen zwei benachbarten Knoten befindet. Aus umfangreichen Analysen dieser und weiterer experimenteller Befunde werden folgende Schlussfolgerungen abgeleitet.

• Der ohmsche Widerstand der Myelinscheide ist sehr hoch.
• Der Erregungsprozess wird von einer Nervenfaser durch einen nach außen gerichteten Stromfluss am Knoten ausgelöst.

Kapazitiver Stromfluss durch die Myelinscheide

Kurz vor dem Zweiten Weltkrieg fand man eine Möglichkeit, Aktionsströme aus einem kurzen Segment einer Nervenfaser aufzuzeichnen, indem man die umgebende Kochsalzlösung durch enge Luftspalte in unabhängige Pools aufteilte. (Siehe Abbildung 2.)

Abbildung 2: Links: Schematische Darstellung des Aufbaus für die Aufzeichnung von Aktionsströmen aus einem kurzen (l mm langen) myelinisierten Segment einer isolierten Nervenfaser und ein Beispiel für die erhaltenen Aufzeichnungen. Rechts: Aufzeichnung des Aktionsstroms von einem kurzen Segment einschließlich eines Ranvier-Knotens. Um einen Impuls zu evozieren, der durch die Stelle der Aufzeichnung geleitet wird, wurde ein kurzer elektrischer Schock an die Faser in der Nähe ihres proximalen Endes abgegeben.

Die linke Aufzeichnung in der Abbildung zeigt den Zeitverlauf des Stroms, der eine kurze myelinisierte Region einer Nervenfaser zu dem Zeitpunkt durchquert, wenn ein Impuls durch die Region läuft. Beachten Sie, dass das Intervall zwischen den beiden Spitzen des transienten Stroms nach außen mit der internodalen Leitungszeit zusammenfällt (~2mm / 20mm pro msec). Offensichtlich werden diese beiden Spitzen durch kapazitiven Stromfluss durch die Myelinscheide in Verbindung mit dem Einsetzen eines Aktionspotentials am Knoten \(N_{1}\) und am \(N_{2}\) im oberen Diagramm erzeugt. Aus diesem und anderen verwandten Experimenten wird gefolgert, dass sich die Myelinscheide wie ein einfacher elektrischer Kondensator mit einem hohen Parallelwiderstand verhält.

Einwärtsstrom in Verbindung mit der Erregung eines Ranvier-Knotens

Abbildung 2, rechts, zeigt den Zeitverlauf des Aktionsstroms, der die Oberfläche eines kurzen Abschnitts einer Nervenfaser durchquert, der einen Ranvier-Knoten (\(N_{1}\)) enthält. Er wird zu dem Zeitpunkt aufgezeichnet, wenn ein Impuls durch den Abschnitt läuft. Offensichtlich repräsentiert die erste Auslenkung nach oben den nach außen gerichteten Strom, der mit der Entwicklung eines Aktionspotentials am proximalen Knoten (\(N_{0}\)) verbunden ist.

Durch die Untersuchung der Wirkung einer Anästhesielösung, die dem distalen Pool und dem mittleren Pool mit Kochsalzlösung zugesetzt wurde, konnte gezeigt werden, dass die scharfe Abwärtsauslenkung den nach innen gerichteten Strom repräsentiert, der durch das Einsetzen eines Aktionspotentials am mittleren Knoten (\(N_{1}\)) initiiert und durch das Einsetzen eines Aktionspotentials am distalen Knoten (\(N_{2}\)) beendet wird.

Produktion von Alles-oder-nichts-Aktionspotentialen durch einen einzelnen Ranvier-Knoten

Aktionspotentiale, die durch einen einzelnen Ranvier-Knoten entwickelt werden, können aufgezeichnet werden, indem der distale Teil einer isolierten Nervenfaser an einen Verstärker mit einer hohen Eingangsimpedanz angeschlossen wird, gefolgt von einer Anästhesie aller Knoten auf der proximalen Seite des untersuchten Knotens. (Siehe Abbildung 3.)

Hier werden elektrische Antworten vom Knoten \(N_{1}\) ausgelöst, indem kurze Spannungsimpulse zwischen dem Pool mit normaler Kochsalzlösung (in den \(N_{1}\)) und dem proximalen Teil der Faser (durch einen schmalen Luftspalt von dem Pool mit normaler Kochsalzlösung getrennt) abgegeben werden. Die beobachteten Aktionspotenziale haben eine Amplitude von etwa 110 mV und weisen eine abrupte Anstiegsphase und eine allmählich abfallende Phase auf, gefolgt von einem leicht beschleunigten Abfall des Potenzials am Ende. Man beachte, dass vollwertige Aktionspotentiale in einer Alles-oder-Nichts-Weise erzeugt werden, wenn das Potential innerhalb des Knotens durch die angelegten Pulse auf den Schwellenwert (im vorliegenden Fall etwa 20 mV) angehoben wird.

Sicherheitsabstand bei der Nervenleitung

Die Erzeugung eines Aktionspotentials an einem Knoten einer Nervenfaser wird von einem lokal zirkulierenden Stromfluss zwischen dem erregten Knoten und dem benachbarten Ruheknoten begleitet. Es wurde wiederholt nachgewiesen, dass der am Nachbarknoten erzeugte Abwärtsstrom weitaus intensiver ist als derjenige, der zur Erregung eines Knotens im Ruhezustand erforderlich ist. Mit anderen Worten: Der Prozess der sukzessiven Wiedererregung der Knoten durch den lokalen Strom (Strömchen, Hermann, 1879) verläuft mit einer beträchtlichen Sicherheitsspanne. In diesem Zusammenhang ist zu bedenken, dass der kapazitive Stromfluss durch die Myelinscheide eine strenge untere Grenze für die Zeit setzt, die der Erregungsprozess (d.h. die abrupte Änderung der EMK) für den Sprung von einem Knoten zum nächsten benötigt.

Saltatorische Erregungsleitung – Ein historischer Abriss

Im Winter 1938 untersuchte der Autor (I. Tasaki) im physiologischen Labor der Keio Universität in Tokio die Wirkung von Anästhetika auf isolierte einzelne Nervenfasern. Zu dieser Zeit gab es auf der Grundlage früherer Experimente an einzelnen Nervenfasern unter Verwendung der Technik der tripolaren Stimulation zahlreiche Hinweise darauf, dass die Nervenfaser durch die Myelinscheide elektrisch isoliert ist und dass ein sich ausbreitender Nervenimpuls durch einen nach außen gerichteten Stromfluss durch die nicht isolierte Oberfläche des Achsenzylinders an den Ranvier-Knoten erzeugt wird.

An einem Abend beschloss der Autor, die Wirkung einer 3 mM Kokain-Ringer-Lösung zu untersuchen, die auf einen kurzen Abschnitt – einschließlich eines einzelnen Ranvier-Knotens – eines motorischen Nervenfaser-Gastrocnemius-Präparats aufgetragen wurde. Um die Erregbarkeit des Knotens vor und nach der Applikation des Anästhetikums zu testen, wurde wie zuvor die Technik der tripolaren Stimulation angewendet.

Unmittelbar nach der Applikation der Kokain-Ringer-Lösung auf den einzelnen Knoten konnte nachgewiesen werden, dass die verwendete Kokain-Konzentration hoch genug war, um den untersuchten Knoten komplett unerregbar zu machen. Als die Wirkung eines stimulierenden Schocks, der auf die Nervenfaser appliziert wurde, getestet wurde, wurde überraschenderweise mit großer Aufregung festgestellt, dass keine Blockierung der Leitung durch die Anästhesielösung herbeigeführt wurde. Das heißt, ein im proximalen Teil der Faser evozierter Nervenimpuls wurde über einen völlig unerregbaren Knoten zum distalen Teil der Faser geleitet. Es stellte sich sofort die spannende Frage: Wie kann ein Nervenimpuls durch eine nicht erregbare Region einer Nervenfaser wandern?

Die meisten Physiologen gingen damals von der Annahme aus, dass Nervenimpulse kontinuierlich im Inneren des Achsenzylinders wandern. Als die oben genannte überraschende experimentelle Tatsache ans Licht kam, wurde sofort klar, dass die Gültigkeit dieser alten, weithin akzeptierten Annahme in Frage gestellt werden musste.

Weitere Experimente ergaben folgende Tatsachen:

• Jede mechanische oder osmotische Verletzung, die der betäubten Region zugefügt wird, blockiert sofort die Nervenleitung in dieser Region.
• Die Anwendung der Anästhesielösung ausschließlich auf das myelinisierte Segment einer Nervenfaser führt zu keiner signifikanten Veränderung der Erregbarkeit der Faser.
• Wenn ein Abschnitt der Faser, der zwei aufeinanderfolgende Knoten umfasst, anästhesiert wird, kommt es gelegentlich zu einem Leitungsblock.
• Wenn drei oder mehr Knoten in der stark anästhesierten Region eingeschlossen sind, kann keine Leitung von Nervenimpulsen über diese Region beobachtet werden.

Es war nicht schwer, ein vernünftiges Verständnis für all diese experimentellen Befunde zu gewinnen. Kurz vor der Durchführung dieser Experimente untersuchte A. L. Hodgkin (1937) den Mechanismus der Leitungsblockade, die durch mechanische Kompression des Frosch-Ischiasnervs (Stamm) hervorgerufen wurde, und erklärte die erhaltenen Ergebnisse auf der Grundlage der Hermann’schen Lokalstromtheorie. Dabei zeigte sich, dass die Hermannsche Theorie eine völlig zufriedenstellende Erklärung für alle oben genannten experimentellen Befunde bietet. Die von ihm vertretene Erklärung lautet wie folgt.

„Ein Aktionspotential, das von dem in normale Ringerlösung getauchten Knoten erzeugt wird, erzeugt einen nach außen gerichteten Stromfluss an den benachbarten Knoten. Dieser Strom ist so stark, dass er selbst nach fortschreitender Abschwächung in der anästhesierten Region, die einen oder zwei Knoten einschließt, noch in der Lage ist, den ersten normalen Knoten auf der distalen Seite der anästhesierten Region zu erregen. Ein Leitungsblock findet statt, wenn der vom proximalen normalen Knoten ausgehende Strom nach außen für den Knoten auf der distalen Seite der anästhesierten Region unterschwellig wird.“

In der Tat konnte durch die Messung der Schwellenstärken von Test-Elektroschocks, die am distalen Knoten appliziert wurden, entscheidend nachgewiesen werden, dass der erwartete kaum unterschwellige Strom den distalen Knoten durchquert, wenn der Leitungsblock tatsächlich stattfindet. Darüber hinaus wurde der Nachweis erbracht, dass die Salzlösung außerhalb der Nervenfaser direkt als Strompfad am Prozess der Re-Stimulation aufeinanderfolgender Knoten beteiligt ist. Das Manuskript, das all diese frühen Beobachtungen zur saltatorischen Reizleitung beschreibt, wurde in die USA geschickt und 1939 im American Journal of Physiology veröffentlicht.

In den folgenden Jahren wiederholte, bestätigte und erweiterte der Autor diese frühen Beobachtungen, indem er Aktionsströme von isolierten einzelnen Nervenfasern mit einem selbst konstruierten Kathodenstrahl-Oszilloskop aufzeichnete. Als die Zeit für die Veröffentlichung der neuen Ergebnisse gekommen war, musste eine neue Schwierigkeit überwunden werden, die sich aus der unruhigen Weltlage jener Zeit ergab. Da es unmöglich wurde, eine Veröffentlichung des neuen Materials in den USA anzustreben, mussten die ersten beiden Manuskripte (in deutscher Sprache) über die sibirische Eisenbahn nach Frankfurt geschickt werden. Als die sibirische Route 1941 nicht mehr verfügbar war, wurden die Manuskripte per U-Boot über Südamerika nach Frankfurt geschickt.

Abbildung 4: Dr. Ichiji Tasaki. Das Foto wurde 1954 aufgenommen, zu einem entscheidenden Zeitpunkt in seiner Karriere.

Lange Zeit nach Kriegsende stellte man fest, dass alle nach Deutschland gesandten Manuskripte vom Pflügerschen Archiv angenommen und veröffentlicht wurden. Etwa zu dieser Zeit ging in Tokio die Nachricht ein, dass neue Experimente zur saltatorischen Leitung von A. F. Huxley und R. Stämpfli durchgeführt wurden.

Viel später, hier an den National Institutes of Health, wurden die absoluten Werte des Widerstandes und der Kapazität der Myelinscheide und anderer Teile der Nervenfaser mit einer einigermaßen zuverlässigen Methode gemessen (1955). Außerdem konnte der zeitliche Verlauf des Aktionspotentials, das von einem einzelnen Ranvier-Knoten entwickelt wird, mit ziemlicher Genauigkeit bestimmt werden (1956). Diese Daten bildeten eine Grundlage für die quantitative Analyse des Phänomens der saltatorischen Reizleitung in myelinisierten Nervenfasern (vgl. Tasaki, 1982).

Ranvier, L. (1871) Contribution á l’histologie et á la physiologie des nerfs périphériques. C. R. 73, 1168-1171.

Hermann, L. (1879) Handbuch der Physiologie., Theil 1. 1-196, Vogel, Leibzig.

Kato, G. (1934) Microphysiology of Nerve, Maruzen, Tokyo.

Tasaki, I. (1939) Am. J. Physiol. 127: 211-227.

Tasaki, I., und Takeuchi, T, (1941) Pflügers Arch ges. Physiol. 244: 696-711; und (1942) 245; 764-782.

Huxley, A. F., und Stämpfli, R. (1949) J. Physiol. 108: 315-339.

Hodgkin, A. L. (1937) J. Physiol. 90: 183 – 232.

Tasaki, I. (1982) Physiology and Electrochemistry of Nerve Fibers, Academic Press,New York.

Siehe auch

Elektrophysiologie, Neuron, Neuronale Erregbarkeit