Impulsen gaan op twee manieren door het zenuwstelsel: via elektrische signalen binnen een cel en via chemische signalen van het ene neuron naar het andere.
Elektrische signaaloverdracht
Het doorgeven van elektrische signalen is mogelijk dankzij een concentratieverschil tussen ionen binnen en buiten de zenuwcellen. Doordat sommige ionen niet door de celmembraan kunnen en anderen alleen beperkt, ontstaat er een potentiaalverschil (ladingsverschil) tussen het cytoplasma en de omgeving.
Rustpotentiaal
Als er geen impuls door het neuron loopt, heerst er een rustpotentiaal. Hierbij is de cytoplasmatische kant van de membraan negatief ten opzichte van de extracellulaire kant. De twee belangrijkste redenen hiervoor zijn:
- Grote moleculen zoals proteïnen, suikers en nucleïnezuren zijn bij fysiologische pH negatief geladen. Ze zijn in hogere concentratie aanwezig, zowel binnen als buiten de cel.
- De natrium-kalium pomp (Na+/K+ -ATPase) pompt voor elke twee K+ ionen die ze binnenhaalt, drie Na+ ionen naar buiten. K+ lekt gemakkelijker door de membraan dan Na+.
Bij rust is er dus een soort evenwicht tussen de chemische krachten die enerzijds de concentratie voor elk ion gelijk willen maken binnen en buiten de cel en anderzijds de elektrische aantrekkingskracht tussen negatieve en positieve ladingen binnen en buiten de cel. We spreken van de rustpotentiaal, die gemiddeld ongeveer -70 mV bedraagt.
Actiepotentiaal
Een prikkel of impuls van een ander neuron kan een actiepotentiaal veroorzaken. Door de prikkel verandert de doorlaatbaarheid van de celmembraan door het openstellen van specifieke ionkanelen. Door de in- en uitstroom van bepaalde ionen, verandert het ladingsverschil tussen het cytoplasma en de omgeving. Dit verloopt in een aantal stappen:
- De natriumkanalen gaan open, zodat Na+ heel snel de cel instroomt als gevolg van zowel de concentratie- als de ladingsgradiënt. Hierdoor wordt de membraanpotentiaal steeds positiever. Dit heet
- Vervolgens sluiten de Na+ kanalen zich weer, terwijl nu de K+ kanalen openen. K+ stroomt de cel uit volgens zijn concentratiegradiënt. Hierdoor wordt de membraanpotentiaal negatiever: repolarisatie.
- Er stroomt zoveel K+ de cel uit, dat de membraanpotentiaal negatiever wordt dan bij de rustpotentiaal: hyperpolarisatie.
- De K+-kanalen sluiten weer. De Na+/K+-ATPase-pomp herstelt de rustpotentiaal door de natrium- en kaliumbalans weer te herstellen.
Dit volledig proces neemt slechts enkele milliseconden in beslag. In tegenstelling tot de kleine potentiaalveranderingen ter hoogte van de dendrieten zijn actiepotentialen een alles-of-niets fenomeen. Zodra de drempelwaarde overschreden wordt, volgt er steeds een volledige actiepotentiaal. Bovendien vormt elke actiepotentiaal een signaal op zichzelf en ze kunnen dus niet interfereren met elkaar of elkaar versterken.
Een actiepotentiaal ontstaat door instroom van natriumionen. Uitstroom van kaliumionen veroorzaakt repolarisatie. Met behulp van een Kalium-natriumpomp wordt de rustpotentiaal hersteld.
Impulsgeleiding
De instroom van Na+-ionen tijdens de depolarisatie bij het begin van een actiepotentiaal zorgt ervoor dat in het aangrenzende membraangedeelte van het axon de drempelwaarde ook overschreden wordt, zodat ook daar een actiepotentiaal ontstaat. Op die manier plant de impuls zich voort over het volledige axon, door het opwekken van steeds nieuwe actiepotentialen. Het terugkeren van de impuls in de tegenovergestelde richting (naar het cellichaam toe) wordt verhinderd door de hyperpolarisatiefase op het einde van de vorige actiepotentiaal, waardoor de drempelwaarde daar niet kan overschreden worden.
