Das elektrische Gehirn

 

Sicher haben Sie schon davon gehört, dass unser Gehirn „elektrisch“ arbeitet. Nun ist unsere tägliche Erfahrung mit Strom aber eher derart, dass wir Elektrizität eigentlich nur noch aus der Steckdose kennen. Viele Menschen nehmen daher ganz natürlich an, dass in unserem Gehirn so etwas wie „Blitze“ für unser Denken sorgen, ganz ähnlich, wie wenn wir unvorsichtigerweise einen elektrischen Zaun berühren und dabei einen Schlag bekommen. Solch eine Sichtweise wird auch gern zur Veranschaulichung in Dokumentationen im Fernsehen eingesetzt, wodurch es nicht verwunderlich ist, dass sich eine derartige - wenn auch falsche - Ansicht verbreitet hat. Ein solcher Stromschlag ist jedoch ganz und gar nicht das, was in unserem Kopf für die Funktionalität unseres Gehirns sorgt!

 

Um den Unterschied deutlich zu machen, kurz ein kleiner Abstecher in die Tiefen der Materie... Erinnern Sie sich noch an Ihren Chemie- oder Physikunterricht, als Ihnen der Aufbau der Atome erklärt wurde?

 

Dann wissen Sie auch noch, dass ein Atom aus einem Atomkern und Elektronen aufgebaut ist. Der Atomkern wiederum setzt sich aus den positiv geladenen Protonen und den neutralen Neutronen zusammen. Dadurch entsteht ein Kern, der immer elektrisch positiv geladen ist. In der Umgebung um den Kern halten sich negativ geladene Elektronen auf. Am einfachsten stellt man sich vor, dass diese Elektronen sich auf festgelegten Bahnen (Orbitalen) um den Kern aufhalten und beständig um diesen herumkreisen.

 

Wenn nun genausoviele Elektronen um einen Atomkern kreisen, wie Protonen im Kern vorhanden sind, heben sich die elektrischen Ladungen der Protonen und Elektronen gegenseitig auf und das Atom ist elektrisch nicht geladen, sondern neutral. Oft kommt es jedoch vor, dass mehr oder weniger Elektronen um einen Kern kreisen, als Protonen im Kern vorhanden sind. Bei einer Überzahl an Elektronen wird dann das gesamte Atom entsprechend negativ oder, bei einer Unterzahl an Elektronen, positiv geladen. Solche elektrisch geladenen Atome werden „Ionen“ genannt. Sind die Atome negativ geladen, bezeichnet man sie als Anionen, sind die Atome positiv geladen, nennt man sie Kationen.

 

 

 

(Wenn Sie Ihren Kindern den Aufbau eines Atoms anschaulich näherbringen möchten, lade ich Sie herzlich ein, hier nachzulesen.)

 

Um nun auf den Strom zurückzukommen... Unter Stromfluss versteht man generell die Leitung von elektrischen Ladungen bzw. elektrisch geladenen Teilchen durch ein Medium. Dabei ist es im allgemeinen Sprachgebrauch jedoch unerheblich und auch unüblich, genauer zu bezeichnen, welcher Art die fließenden Teilchen sind und welche elektrischen Ladungen diese besitzen. Zum Verständnis des Gehirns ist diese Unterscheidung jedoch äußerst wichtig.

 

In den Naturwissenschaften und technischen Berufen unterscheidet man daher einmal den Strom, den wir aus der Steckdose kennen: Hier fließen freie Elektronen in einem metallischen Leiter, wie z.B. einem Kupferkabel, wobei jedoch die Metall-Ionen in einem festen Gitter angeordnet und dabei (fast) unbeweglich sind. Die Flussrichtung ist durch die Pole der Leitung genau festgelegt, sodass die Elektronen vom Minus- zum Pluspol fließen.

 

Im zweiten Fall eines Stroms fließen keine Elektronen, sondern elektrisch geladene Atome (Ionen), die oft in Flüssigkeit gelöst sind. Und genau das ist der Strom, der in unseren Gehirnen für die Aktivität der Nervenzellen sorgt!

 

Um zu verdeutlichen, wo diese elektrisch geladenen Atome in unserem Gehirn auftauchen und gebraucht werden, betrachtet man zur Veranschaulichung zunächst eine einzelne Nervenzelle.

 

Wie ein Mensch durch seine Haut von seiner Umgebung abgegrenzt und auch geschützt ist, besitzt auch jede Nervenzelle eine Abgrenzung zu ihrer Umgebung: Die Zellwand oder Zellmembran. Im Gehirn besteht die Umgebung einer Nervenzelle nun jedoch nicht aus Luft, sondern jede Zelle „schwimmt“ in Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit ist kein reines Wasser, sondern zusätzlich mit einer großen Anzahl von Ionen angereichert, die für die Funktionen der Nervenzellen lebensnotwendig sind. Da sie außerhalb der Nervenzelle liegt, wird sie als „extrazelluläre Flüssigkeit“ bezeichnet, wohingegen innerhalb der Zelle die „intrazelluläre Flüssigkeit“ oder das „Cytoplasma“ vorliegt.

 

Vergleich Ladungen außerhalb/innerhalb einer Nervenzelle

Ionen kommen sowohl innerhalb einer Nervenzelle, als auch außerhalb in der direkten Umgebung der Zelle vor, jedoch in unterschiedlicher Konzentration. Um Messungen durchführen zu können, wurde als Referenzwert die Ladung außerhalb der Zelle als Null definiert, sodass der Unterschied zum Zellinneren beschrieben werden kann. Da dies nur einer willkürlichen Festlegung entspricht, kann ausschließlich die Differenz, nicht jedoch der real existierende Wert der Konzentrationen gemessen werden!

 

Außerhalb der Zelle besteht die mengenmäßig größte Anzahl an Ionen aus positiv geladenen Natrium- (Na+) sowie negativ geladenen Chlorid-Ionen (Cl) während innerhalb einer Zelle vor allem Kalium-Ionen (K+) und organische Anionen (A) vorliegen. Der sich daraus ergebende Ladungsunterschied außen/innen beträgt bei einer Nervenzelle zwischen -60 mV und -70 mV.

 

Die Zellmembran der Nervenzellen ist für Ionen durch ihre Größe so gut wie undurchlässig, weshalb Ladungen nicht einfach in eine Zelle hineinfließen, sondern nur an spezifischen Stellen die Zellmembran überwinden können: an den sogenannten Membran-Kanälen oder Membran-Poren. Diese Kanäle ähneln Dreh-Türen, wobei in jeder Tür ein Pförtner steht und nur ganz bestimmte Ionen oder Ionen einer bestimmten elektrischen Ladung in die Zelle hineinlässt.

 

Die Öffnung der Poren kann über verschiedene Mechanismen erfolgen. Bei chemisch aktiven Nervenzellen werden die Poren durch das Andocken von Botenstoffen an die Rezeptoren der Poren für ein kurzes Zeitintervall geöffnet. Andere Poren tauschen Ionen aktiv aus und wieder andere öffnen sich abhängig von dem Spannungszustand zwischen der Innen- und Außenseite der Zellmembran.

 

Über welchen Mechanismus die Poren der Zellwände geöffnet werden ist bei dieser Betrachtung allerdings nebensächlich. Wichtig ist, dass sowie Ionen die Seite der Zellwand wechseln, ein Strom bzw. eine Spannungsänderung an der Zellwand entsteht.

 

 

Dr. Elke Präg Dr. Elke Präg

 

 

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