Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

     
Grundlagen und Methoden der Physiologie; molekulare und zelluläre Aspekte
 
Zelle und elektrische Potentiale
© H. Hinghofer-Szalkay

Elektro-: ἤλεκτρον = Bernstein (an ihm wurde die Elektrizität zuerst beobachtet)
enzephalo-: ἐγκέφαλον = Gehirn
-graphie: γραφή = Schrift, Aufzeichnung
kardio-: καρδία = Herz
myo-:
μυς, μυός = Muskel
nystagmo-: νυσταγμός = Schläfrigkeit
oculo-: oculus = Auge
Patch-clamp-Technik:
patch = Fleck, Pflästerchen (Membranausschnitt unter der Patch-Pipette); to clamp = festklemmen (den
Membranpatch auf ein Potential)
retino-: rete = Netz (Retina = Netzhaut)



Aktionspotentiale bewirken bei ihrer Bewegung durch erregtes Gewebe elektromagnetische Potentialschwankungen. Entsprechende elektrische Signale kann man von Einzelzellen, Organen oder der Körperoberfläche ableiten. Dazu verwendet man Ableiteelektroden und bezeichnet diese als different (durch die interessierenden Potentialschwankungen wesentlich beeinflusst) oder als indifferent (davon weitgehend unbeeinflusst, aber zur Komplettierung notwendig) bezeichnet.

Auch die Stellen, von denen abgeleitet wird, bzw. die davon ausgehenden Signale kann man als different oder indifferent bezeichnen - je nachdem, ob sie
unter dem Einfluss der interessierenden Potentialschwankungen stehen. Werden zwei differente Signale verglichen, handelt es sich um eine "bipolare" Ableitung (z.B. Einthoven-Schema eines EKG); ist nur eines different, ist die Ableitung "unipolar" (z.B. Wilson-Brustwandableitungen).

Die Registrierungen werden meist nach der Quelle des Signals bezeichnet - z.B. Kardio- (Herz), Enzephalo- (Gehirn), Myo- (Muskel), Okulo- (Auge), Retinogramm (Netzhaut) - oder nach der Art des erwarteten Signalmusters (z.B. Nystagmogramm).

Die meisten klinisch verwendeten Ableitungen sind nichtinvasiv; für spezielle Fragestellungen werden Elektrodem in den Körper eingebracht (invasiv). Liegen die Elektroden außerhalb von Zellen, handelt es sich um extrazelluläre Ableitungen. Das Einbringen von (Glaskapillar-) Elektroden in Zellen macht deren Membranpotential messbar (keine Routinemaßnahme - neurophysiologische Forschung), man spricht von intrazellulären Ableitungen.

  
Patch-clamp-Methode Membranpotential Differente / indifferente Punkte Ableitungen

Core messages

  Über elektrophysiologische Grundlagen s. dort
  
Ionenkanäle in der Zellmembran / elektrophysiologische Grundlagen

Elektrophysiologische Grundlagen können über das Verhalten von Ionenkanälen in Zellmembranen sehr differenziert untersucht werden (Patch-Clamp-Technik, >Abbildung): Mit einer sehr feinen Glaspipette saugt man ein Stückchen Zellmembran (ca. 1 µ2 Durchmesser) an und kann dann in vitro bei vorgegenener Membranspannung ("voltage clamp") die Bewegung von Ionen durch die Membran untersuchen.
 

>Abbildung: Patch-Clamp-Ableitung
Nach einer Vorlage in Boron W, Boulpaep E: Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

An einem Fleckchen isolierter Zellmembran wird das Öffnungsverhalten einzelner Ionenkanäle bei vorgegebener Membranspannung untersucht.
 
Die Spitze einer mit Salzlösung gefüllten Pipette - die via Elektroden mit einem elektronischen Verstärkersystem verbunden ist - wird an die Zellmembran herangeführt. Leichter Unterdruck in der Pipette dichtet einen kleinen Flecken (patch) Zellmembran gegen die Umgebung ab (A).
 
B-G: Je nach Sog und Manipulation an der Membran können verschiedene Konfigurationen erreicht werden, bei denen die gewünschte Seite des Ionenkanals (extrazellulär oder zytoplasmatisch) untersucht werden kann. Dazu wird an den Kanal eine konstante Spannung angelegt (clamp) und das Strömungsverhalten der Ionen registriert


  Die Patch-Clamp-Methode ermöglicht den direkten Nachweis von einzelnen Ionenkanälen in Zellmembranen. Sie wurde 1976 von den deutschen Forschern Erwin Neher und Bert Sakmann entwickelt; 1991 wurde ihnen für diese Entwicklung der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin verliehen.
 
Ionenkanäle können ihre räumliche Organisation und damit ihren Zustand ändern, abhängig von inneren und äußeren Einflüssen: Anlagerung von Agonisten / Antagonisten an bestimmte Bindungsstellen der Kanalproteine (außen z.B. Transmitter, innen z.B. zyklische Nukleotide); einige lassen sich durch Kationen (Mg++, Ca
++, Na+) blockieren, andere durch Moleküle wie Polyamine (z.B. Spermin). Viele ändern ihre Eigenschaften mit dem Membranpotential (sie sind "spannungsgesteuert"), andere mit ihrer Phosphorylierung, wieder andere mit mechanischen Einflüssen (sie sind "mechanorezeptiv").

Ionenkanäle
können in geöffnetem oder geschlossenen Zustand vorliegen; dabei kann sich die Anordnung polarer Anteile von Aminosäuren ändern, und damit die Permeabilität für "Kanalpassagiere".
 
  Mehr zu Ionenkanälen s. dort
 
Spezielle elektrophysiologische Ableitungen sind z.B. Elektro-
Kardio- (
EKG),
-Enzephalo- (EEG),
-Myo- (EMG), -
Okulo- (EOG),

-Retino- (ERG),

-Nystagmo-Graphie (ENG).

 
  Zur Bestimmung der Nervenleitgeschwindigkeit (NLG) s. dort
 

Membranpotential
  
     Als Membranpotential (Vm) bezeichnet man den Unterschied des elektrischen Potentials (der Spannung) zwischen der Innenseite (Vin) und der Außenseite (Vex) einer Zellmembran (Vm = Vin - Vex). Bezieht man sich auf das Potential an der Außenseite als Bezugsgröße (auf diese Konvention hat man sich geeinigt), ist [Vex] = 0 und der Betrag des Membranpotentials definitionsgemäß gleich [Vin] - bei nicht aktivierten Nervenzellen meist -60 bis -70 mV ("Ruhepotential").

Die Zellmembran ist Angriffspunkt für Kontaktstellen zwischen mehreren Zellen, die der mechanischen Festigkeit dienen (zwischen Epithelzellen, Herzmuskelzellen) oder der Verbindung der Zellinnenräume, was den Austausch von Stoffen oder das Fließen von elektrischen Membranströmen ermöglicht (Weiterleiten von Aktionspotentialen: Signalfunktion).

Solche Verbindungskanäle finden sich zwischen glatten Muskel- und Herzmuskelzellen und ermöglichen die Fortpflanzung von Aktionspotentialen, z.B. im Lauf eines Herzschlags.
 

<Abbildung: Elektrophysiologische Versuchsanordnung

Ableiteelektroden am Daumenballen, Reizelektrode am Nerv. Nach elektrischer Reizung des Nerven können vom Muskel Aktionspotentiale abgeleitet werden. Ist die Signalüberleitung gestört, macht sich das durch Veränderungen der abgeleiteten Potentialmuster bemerkbar


Das Verständnis bioelektrischer Vorgänge beruht auf zellphysiologischen Grundtatsachen. Kaliumionen sind in der Zelle 30-mal höher konzentriert als extrazellulär. K+ diffundiert daher aus der Zelle und ladet die Membran zum Ruhepotential auf (innen negativ, außen positiv) die elektrische Spannung beträgt bis zu ~90 mV (Millivolt), z.B. bei Skelettmuskelfasern.

Grundlage solcher elektrischer Potentiale sind Ionenbewegungen durch die Zellmembran. Diese werden durch komplex strukturierte Öffnungen ("Kanäle", "Permeasen") für Natrium-, Kalium-, Chlorid-,
Calcium- oder Magnesiumionen.
 
     Das Ruhepotential der Zellen beruht im Wesentlichen auf einem Kaliumpotential.

 

Schon Luigi Galvani stellte um 1780 Zusammenhänge zwischen elektrischer und Muskelaktivität fest, und der deutsche Physiologe Emil Du Bois-Reymond konnte um 1840 „tierische Elektrizität“ nachweisen und präsentierte 1849 Ableitungen elektrischer Muskelaktivität. Seine Forschungen waren die Grundlage zur Entwicklung elektromedizinischer Diagnosemethoden wie EKG, EEG und EMG. 1922 entwickelten Joseph Erlanger und Herbert Gasser ein Oszilloskop, mit dem Muskelaktionspotentiale aufgezeichnet werden konnten.

In die klinische Routine fanden EEG, EMG etc. erst später im 20. Jahrhundert Eingang, insbesondere mit der Entwicklung moderner Elektronik

 

Was versteht man unter einem Reiz?

Das Ruhepotential ändert sich, wenn eine Zelle gereizt wird. Ein Reiz ist ein Einfluss, der das Membranpotential - durch Veränderung von Ionenleitfähigkeit - verändert. Ein Reiz kann das Potential erhöhen (Hyperpolarisation) oder verringern (Depolarisation der Membran).

     Ein Reiz ist - allgemeiner gefasst - jede Veränderung von Umgebungsbedingungen, auf die ein lebendes System (Zelle, Organ, Organismus..) reagiert, d.h. auf den Reiz mit veränderten Eigenschaften / Aktivitäten antwortet.

Bei der Untersuchung physiologischer Systeme werden Reiz-Reaktions-Muster zur Analyse derer Eigenschaften herangezogen - qualitativ und quantitativ.

Ist der Reiz nicht alleine (wie in einer artefiziell-experimentellen Untersuchungssituation), sondern wirken mehrere Reize gleichzeitig / kurz nacheinander auf das System ein (was in der Realität die Regel ist), wird die Sache zunehmend komplex, und es wird immer schwieriger, die physiologische Antwort auf eine gegebene Reizkombination vorherzusagen. Ähnlich wie bei einer Wettervorhersage können bei mehrmaliger Simulation mit denselben Anfangsbedingungen unterschiedliche Resultate herauskommen.

Das trifft z.B. auch auf die Kombination mehrerer Medikamente (Polypharmazie: gleichzeitiger Gebrauch mehrerer Arzneimittel) zu - auch bei gutem Verständnis der Dynamik und Kinetik der Einzelsubstanzen kann die Wirkung mehrerer synchron und/oder über längere Zeit verabreichter Pharmaka zusehends schwer voraussehbar sein.
 
"Differente" vs. "indifferente" Ableitepositionen
  

<Abbildung: Elektrische Aktivität einer kortikalen Nervenzelle

Die untere Mikroelektrode leitet vom Soma (Körper der Nervenzelle, Ursprungsort der Aktionspotentiale) ab, die oberen beiden sind vom Soma 340 bzw. 670 µm entfernt positioniert und registrieren Entkladungen am Dendritenbaum.
 
Man erkennt die zeitliche Verzögerung, mit der die Aktionspotentiale retrograd (nach oben) über den Dendritenbaum wandern und dabei an Größe abnehmen.
 
Strichlierte Linie: Nullpotential für obere Ableitung

   Membranpotentiale bzw. elektrische Erregungsmuster können aus dem Gewebe mittels Ableite-Elektroden dargestellt werden, die mit einem Verstärker- bzw. Registriersystem verbunden sind.

     Dabei unterscheidet man

    "differente" Elektroden bzw. Positionen, d.h. solche, deren Potential durch das interessierende Biopotential (bzw. dessen Veränderung) wesentlich beeinflusst wird und dieses darstellen;

 
  "indifferente" Elektroden bzw. Positionen, die einen Vergleichswert liefern, der nicht mit dem interessierenden Biopotential (dessen Veränderung) variiert.

Beispiel: Bei den Wilson-Brustwandableitungen des EKG stellen die Brustwandelektroden die differenten Ableitepositionen dar; der Zusammenschluss der drei Extremitätenpotentiale (von rechtem und linkem Handgelenk sowie linkem Fußgelenk) ergibt ein indifferentes Vergleichspotential.
 
Ableitungen
 

>Abbildung: Saugelektrode


Eine Ableitung stellt den Vergleich des elektrischen Potentials an zwei Positionen dar, an denen Ableiteelektroden liegen.

     Da es differente und indifferente Ableitungspositionen gibt, unterscheidet man

       unipolare Ableitungen, d.h. solche, welche das Potential einer differenten Position mit dem einer indifferenten Position vergleichen (z.B. Wilson-Ableitungen des EKG), und

       bipolare Ableitungen, d.h. solche, welche das Potential einer differenten Position mit dem einer zweiten differenten Position vergleichen (z.B. Einthoven-Ableitungen des EKG).
 

<Abbildung: Ableitung eines Membranpotentials
Nach einer Vorlage bei Pearson Benjamin Cummings, Pearson Education 2005

Dringt die - mit einer Elektrolytlösung gefüllte - Mikroelektrode (links) in die Zelle ein, wird das Potential über die Membran registrierbar. Dadurch werden der Betrag des Membranpotentials und seine zeitlichen Veränderungen messbar (intrazelluläre Ableitung)


  Invasivität: Elektrophysiologische Ableitungen können - von der Haut - nichtinvasiv erfolgen, was den Vorteil der Schmerzfreiheit und Ungefährlichkeit hat (kaum Infektionsgefahr, keine Verletzung), aber den Nachteil schwächerer und weniger klarer elektrischer Signale (Dämpfung durch dazwischenliegendes Gewebe mit entsprechendem elektrischen Widerstand und elektrischer Kapazität, d.h. Ladungsaufnahme).

Bringt man die Elektroden ins Gewebe ein, ist die Ableitung invasiv. Solange die Elektrode nicht in eine Zelle eindringt, bleibt die Ableitung extrazellulär, sie kann z.B. die Potentialdifferenz zwischen erregtem ("entladenem") und unerregtem Gewebe erfassen.

Sticht man eine Glaselektrode durch die Außenmembran einer Zelle
(<Abbildung), wird das Membranpotential messbar (innen gegen außen - intrazelluläre Ableitung, s. unten) - vorausgesetzt, die Zelle "überlebt" diesen Vorgang (was umso wahrscheinlicher ist, je größer die Zelle bzw. je feiner das Ableitesystem ist).

Genaue Untersuchugen z.B. des Zusammenspiels zahlreicher Nervenzellen in ihrem physiologischen Verbund sind Beschränkungen unterworfen; so lassen sich solche komplexen Fragestellungen an Schnittpräparaten durchführen, deren Neuronen in vitro für einige Zeit weiterleben, wie in der >Abbildung (Untersuchung eines Hippokampuspräparates) gezeigt.

 


>Abbildung: 0,4 mm dickes Hippokampuspräparat (Ratte)

Die Nervenzellen sind im Wesentlichen mit ihren lokalen Verbindungen im Präparat erhalten. Mikroelektroden dienen dazu, Zellen gezielt zu reizen und elektrische Aktivitäten abzuleiten. Die resultierenden Muster erlauben ein besseres Verständnis zugrundeliegender physiologischer Verschaltungsmechanismen


Die Aussage der Resultate solcher Untersuchungen ist entsprechend beschränkt, weil über das Präparat ursprünglich vorhandene Verbindungen zu entfernter liegenden Neuronen durch die Präparation naturgemäß zerstört worden sind. Andererseits ist die Interaktion mehrerer Zellen so komplex, dass es mit zunehmender Größe von Präparat und Fragestellung immer schwieriger wird, sinnvolle kausale Strukturen festzumachen ( s. auch dort).

Durch Anwendung sogenannter Multiple Microelectrode Arrays kann eine synchrone Vielkanal-Ableitung von zahlreichen (wie auf einem Schachbrettmuster angeordneten) Ableitestellen Aufschluss über die Kommunikation mehrerer unverletzter Neuronen bringen (die gleichzeitig unter dem Mikroskop beobachtet werden können). Auf diese Weise sind gleichzeitig mehrere hundert Registrierungen der neuronalen Aktivität eines Nervenzellverbandes möglich.
 

Zwischen extrazellulären und intrazellulären Ableitungen bestehen folgende Unterschiede:

     Bei extrazellulären invasiven Ableitungen liegen beide Ableiteelektroden im Extrazellulärraum, die elektrisch aktiven Zellen werden (meist) nicht verletzt. Sie eignen sich zur Darstellung von Entladungsmustern und bieten präzisere Bilder als Ableitungen von der Körperoberfläche (näher am Ort der Ladungsveränderungen: höhere Feldstärken, weniger Widerstand, aktive Zellen im Ableitungsbereich weniger zahlreich → elektrische Muster klarer interpretierbar). Das transmembranale Potential ist auf diese Weise nicht erfassbar.

Extrazellulär abgeleitete Potentialverläufe integrieren meist zahlreiche von einzelnen Nerven- und/oder Muskelfasern stammende Aktionspotentiale: Summenaktionspotential (compound action potential), z.B. bei der Bestimmung von Nervenleitgeschwindigkeiten oder bei der Elektromyographie.

     Intrazelluläre Ableitungen erfordern das Eindringen einer der beiden (Mikro-) Elektroden in eine elektrisch aktive Zelle (Abbildungen).
 

<Abbildung: Intrazelluläre Ableitung
Nach einer Vorlage in Kandel / Koester / Mack / Siegelbaum (eds), Principles of Neural Sciences, 6th ed. 2021 (McGraw Hill)

Mit einer konzentriertten Salzlösung gefüllte Glas-Mikropipetten dienen als Ableiteelektroden. Metalldrähte tauchen in die Lösung und verbinden die Elektroden mit der Elektronik (Verstärker, Bildschirm). Eine Elektrode bleibt an der Außenseite der untersuchten Nervenzelle (extrazelluläres Bezugspotential).
 
Solange beide Elektroden extrazellulär positioniert sind, wird kein Potentialunterschied gemessen (links).
 
Dann wird die zweite Elektrode (Durchmesser der Spitze <1 µm) durch die Membran der Nervenzelle gestochen, wodurch diese keinen wesentlichen Schaden erleidet. Durch die hohe Impedanz des Ableitekreises bleibt auch das Membranpotential der Zelle erhalten - das intrazelluläre Potential wied messbar.
 
Ist die Zelle unerregt (trotz Einstechen der Mikroelektrode), entspricht die abgeleitete Spannung dem Ruhepotential der Nervenzelle (meist zwischen -60 und -70 mV)

Solche Ableitungen sind technisch schwierig zu bewerkstelligen, können aber das transmembranale Potential (Ruhepotential,..) darstellen (<Abbildung). Mikroelektroden, die intrazellulär positioniert werden, werden aus Glas gefertigt und sind im Regelfall mit einer Flüssigkeit befüllt, welche in ihrer ionalen Zusammensetzung der intrazellulären entspricht und die Membran bzw. deren Ladung möglichst wenig beeinflusst.

Man kann Mikroelektroden auch nützen, um parallel zur intrazellulären Ableitung Reizströme durch die (benachbarte) Membran der Nervenzelle zu leiten. Dadurch läßt sich
die Reaktion des Membranpotentials auf Depolarisierung (Abschwächung des Membranpotentials) oder Hyperpolarisierung (Verstärkung des Membranpotentials) gezielt und abgestuft darstellen. So kann man Veränderungen an spannungsgesteuerten Ionenkanälen untersuchen (Patch-clamp-Methode s. oben - Beobachtung des "geschlossen-oder-offen"- Mechanismus der Kanäle) und das Schwellenpotential (ab diesem können Aktionspotentiale ausgelöst werden) bestimmen. 
 

 
      Kaliumionen sind in der Zelle 30-mal höher konzentriert als extrazellulär - wegen der Aktivität der Na/K-ATPase - und laden bei ihrem Versuch, aus der Zelle zu diffundieren, die Membran zum Ruhepotential (bis zu ~90 mV) auf (innen negativ, außen positiv: Darauf beruht das Ruhepotential der Zellen). Ionen (hydrophil) können durch Biomembranen (hydrophob) nur dann diffundieren, wenn sie geeignete Permeaen ("Kanäle") finden - Richtung und Intensität ohrer Bewegung hängt vom Membranpotential und dem Konzentrationsgradienten des betreffenden Ions ab
 
   Permeasen sind aus Proteinkomplexen aufgebaut und von komplexer Funktion. Sie können mehr oder weniger selektiv den Durchtritt von Natrium-, Kalium-, Chlorid-, Calciumionen etc. zulassen (Natriumpermeasen, Kaliumpermeasen etc.). Das Verhalten einzelner Permeasen lässt sich mit der Patch-Clamp-Methode untersuchen
 
      Ein Reiz ist ein Einfluss, der den Zustand und das Potential von Biomembranen verändert (hyperpolarisiert / depolarisiert)
 
      Potentialveränderungen können von Zellen, Organen oder der Körperoberfläche mittels Ableiteelektroden registriert werden, die mit einem Verstärkersystem verbunden sind. Man unterscheidet "differente" Elektroden bzw. Positionen (ihr Potential wird deutlich vom interessierenden Signal beeinflusst) von "indifferenten" (liefern ein Referenzpotential). Eine Ableitung vergleicht das elektrische Potential zweier Ableitepunkte (Positionen, an denen Ableiteelektroden liegen) bzw. -konfigurationen
 
      Membranpotentiale können durch intrazelluläre Ableitungen registriert werden: Eine mit einer Elektrolytlösung gefüllte Mikroelektrode dringt durch die Zellmembran und leitet das intrazelluläre Potential ab. Extrazelluläre Ableitungen (invasiv oder nichtinvasiv) sind im allgemeinen weniger aufwendig; beide Ableitepunkte sind extrazellulär. Da es differente und indifferente Ableitungspositionen gibt, unterscheidet man unipolare Ableitungen (Potential einer differenten im Vergleich zu einer indifferenten Position, z.B. Wilson-Ableitungen des EKG) und bipolare Ableitungen (Potentialunterschied zweier differenter Punkte, z.B. Einthoven-Ableitungen des EKG)
 

 

Eine Reise durch die Physiologie


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.