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Ein eingehender Reiz kann nun bewirken, daß das Membranpotential einen positiveren Wert als -50 mV erreicht. Ab dieser Spannung nämlich öffnen sich Kanäle in der Membran und eine plötzlicher Ionenstrom gemäß dem vorhandenen Gefälle setzt ein.
Ändert sich an einer Nervenfaser zunächst örtlich begrenzt die Spannungsdifferenz auf besagte -50 mV, so aktivieren sich erst die Natriumkanäle ein Stück weiter in Richtung der vorgesehenen Leitrichtung. Derartige Kanäle sind proteingesteuerte Passagen in der Membran, in denen freier Durchlaß speziellen Molekülen gewährt wird. Daraufhin strömen in großem Umfang Na+-Ionen in das Zellinnere, das somit positiv auf 30 mV geladen wird. Sogleich erfolgt die Schließung dieser Kanäle, und andere Kanäle öffnen sich. Diese lassen nun K+-Ionen nach außen ausströmen. Der Ausstrom von Kationen bewirkt somit eine neuerliche negative Ladung der Nervenzelle. Diese Depolarisierung des Membranpotentials pflanzt sich äußerst schnell durch das ganze Axon fort.
Der Overshoot von -70 mV auf +30 mV erfolgt in etwa 0,5-1 ms; dem ebenso raschen Abfall folgt eine Refraktärphase, in der die Nervenzelle noch nicht wieder erregbar ist. Sie gliedert sich in die absolute Refraktärphase, in der keine weitere Leitung möglich ist, da die Zelle erst im Begriff ist, das Ruhepotential zu regenerieren, und die relative, in der die Reizschwelle gehoben ist, d. h. ein stärkerer Reiz einwirken muß, um eine Fortpflanzung einzuleiten. Die Refraktärphase verhindert somit auch die Möglichkeit, daß der Impuls in der Nervenzelle rückwärts laufen könnte.
Eine weitere Einschränkung des Alles-oder-Nichts-Prinzips ist die Tatsache, daß auch unterschwellige Reize ein Aktionspotential auslösen können, wenn mindestens zwei in einem Zeitraum von maximal 100 ms die Nervenzelle erregen. Dieses Phänomen wird als Summation der Reizwirkung bezeichnet.
Das Rezeptorpotential, das durch den Reiz generiert wird, ist proportional zur physikalischen Reizstärke. Das Aktionspotential hingegen weist stets die gleiche Amplitude auf. Je stärker der Reiz ist, desto höher ist das Rezeptorpotential und desto öfter wird ein Aktionspotential ausgelöst. Die ursprüngliche Information der Reizstärke ist nun als Frequenz (Aktionspotentiale/Zeiteinheit) verschlüsselt. Wäre die Höhe des Aktionspotentials der Informationsträger (Amplitudenmodulation), würde die Potentialhöhe bei langen Leitstrecken (beim Menschen bis zu 1 m Länge) viel leichter verändert und die Information verfälscht. Daher ist die Frequenzmodulation ein sichereres Übertragungsmittel. An der nächsten Synapse wird die frequenzmodulierte Information wieder demoduliert. Je höher diese Frequenz, desto mehr Neurotransmitter werden freigesetzt.
In marklosen Fasern ist die Geschwindigkeit des Impulses proportional zur Quadratwurzel des Durchmessers. Eine Vervierfachung des Querschnitts führt also zur Verdoppelung der Impulsgeschwindigkeit. Die saltatorische Leitung jedoch ermöglicht eine weitaus schnellere Leitung aufgrund der sprunghaften Fortpflanzungsart, wenn auch damit ein erhöhter Energieverbrauch einhergeht.
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