Codierung von Information

Ein einzelnes Aktionspotenzial sieht bei einem schwachen und bei einem starken Signal gleich aus — die Information über die Stärke muss also anders verschlüsselt sein.

• Codierung:Übersetzung einer Information (Stärke und Dauer eines Signals) in eine bestimmte Form des elektrischen oder chemischen Signals. Nervenzellen wechseln dabei zwischen zwei Codes.
• Abgestufte Potenziale:lokale Änderungen des Membranpotenzials, deren Höhe stufenlos variieren kann, z. B. EPSP an Dendriten und Zellkörper oder das Endplattenpotenzial; sie folgen nicht dem Alles-oder-Nichts-Gesetz.
• Amplitudencodierung:Die Stärke steckt in der Höhe (Amplitude) eines abgestuften Potenzials: Je mehr Transmitter wirkt, desto größer das EPSP.
• Abschwächung:Abgestufte Potenziale breiten sich nur passiv aus und werden dabei mit jedem Millimeter kleiner; nach wenigen Millimetern sind sie verschwunden.
• Frequenzcodierung:Am Axon sind alle Aktionspotenziale gleich hoch (Alles-oder-Nichts). Die Stärke steckt in der AP-Frequenz, der Anzahl der APs je Sekunde (Einheit Hertz, Hz); die Dauer des Signals steckt in der Dauer der AP-Folge.
• Höchstfrequenz:Während der absoluten Refraktärzeit (etwa 1–2 ms) entsteht kein neues AP. Die Frequenz ist deshalb auf einige 100 Hz begrenzt; stärkere Signale lassen sie dann nicht weiter steigen.
• Weite Strecken:Jedes AP wird entlang des Axons immer wieder neu gebildet und kommt unverändert an. Die Abstände zwischen den APs, also die Frequenz, bleiben über die ganze Länge erhalten — auch über einen Meter.

Auf dem Weg durch eine Nervenzelle und über die Synapse wird die Information zweimal umgeschrieben.

• Axonhügel:Hier kommt die Depolarisation aus Dendriten und Zellkörper an. Liegt sie unter dem Schwellenwert (≈ −50 mV), entsteht kein AP.
• Amplitude → Frequenz:Nach jedem AP und seiner Refraktärzeit wird der Schwellenwert umso schneller wieder erreicht, je stärker die Depolarisation ist: Je weiter sie über dem Schwellenwert liegt, desto höher die AP-Frequenz.
• Endknöpfchen:Jedes ankommende AP öffnet spannungsgesteuerte Ca²⁺-Kanäle. Bei höherer AP-Frequenz strömt je Zeit mehr Ca²⁺ ein, und mehr Vesikel entleeren ACh in den synaptischen Spalt.
• Frequenz → Amplitude:Mehr ACh öffnet mehr ligandengesteuerte Na⁺-Kanäle der postsynaptischen Membran: Das EPSP bzw. das Endplattenpotenzial wird größer.
• Muskelfaser:An der neuromuskulären Synapse löst jedes Endplattenpotenzial ein Muskel-AP aus. Folgen die Motoneuron-APs dicht aufeinander, verschmelzen die einzelnen Zuckungen zu einer kräftigeren Dauerkontraktion.

Wähle eine Depolarisation am Axonhügel und klicke in der Spur des Axons jede Spitze eines Aktionspotenzials an — mit der Tastatur: Spur anwählen, ←/→ bewegen den Zeiger, Enter markiert. Übernimm jede Zählung, bis die Kennlinie vollständig ist.

Halte fest: Die Höhe der Depolarisation am Axonhügel bestimmt, wie viele Aktionspotenziale je Sekunde entstehen; jedes Aktionspotenzial ist gleich hoch. Unterhalb des Schwellenwerts entsteht keines, und oberhalb steigt die Frequenz nicht unbegrenzt, weil die Refraktärzeit einen Mindestabstand erzwingt. Je höher die Frequenz, desto mehr ACh wird an der Synapse freigesetzt. (Modellwerte für ein Signal von 40 ms Dauer.)