Aktionspotential-Simulator
Gleichungen in dieser Simulation
| V | Membranpotential (innen minus außen) | ruht bei −65 mV; ein Aktionspotential bringt es für eine Millisekunde auf etwa +40 mV | |
|---|---|---|---|
| C_m | Membrankapazität | 1 µF/cm²: die dünne Lipidschicht speichert Ladung wie ein Kondensator | |
| I_stim | Reizstrom I_stim (µA/cm²) | eingespeist, solange der Puls dauert | |
| g_Na, g_K, g_L | maximale Leitfähigkeiten | 120, 36 und 0,3 mS/cm² im Riesenaxon des Tintenfischs, skaliert mit dem Anteil funktionierender Kanäle | |
| I_Na, I_K | Natrium- und Kaliumstrom | negativ ist einwärts: Natrium strömt beim Anstieg ein, Kalium beim Abfall aus |
Mit den aktuellen Werten:
| E_Na | Natrium-Gleichgewichtspotential | Na⁺ ist außen etwa 8-mal so konzentriert, darum wird es hineingezogen, bis das Innere etwa +50 mV erreicht | |
|---|---|---|---|
| E_K | Kalium-Gleichgewichtspotential | K⁺ ist innen etwa 24-mal so konzentriert, darum ziehen seine Kanäle die Spannung in Richtung −77 mV | |
| T | Temperatur T (°C) | erhöht RT ÷ F etwas und beschleunigt jedes Tor um das Dreifache pro 10 °C |
Mit den aktuellen Werten:
| m | Natrium-Aktivierungstor | öffnet schnell, wenn die Spannung steigt: die positive Rückkopplung, die das Aktionspotential erzeugt | |
|---|---|---|---|
| h | Natrium-Inaktivierungstor | schließt langsamer und bleibt einige ms zu: die Refraktärzeit | |
| n | Kalium-Aktivierungstor | öffnet langsam und bringt die Spannung wieder herunter, mit einem Überschießen unter das Ruhepotential | |
| φ | Temperaturfaktor 3^((T − 6,3) ÷ 10) | Hodgkin und Huxley haben bei 6,3 °C gemessen |
| I_Schwelle | durch Ausprobieren von Reizen gefunden | ein Aktionspotential gilt ganz oder gar nicht: unter der Schwelle erholt sich die Membran, darüber feuert das volle Aktionspotential, egal wie stark der Reiz ist |
|---|
Mit den aktuellen Werten:
So benutzt du den Aktionspotential-Simulator
- Die Membran beginnt in Ruhe, bei etwa −65 mV, und bekommt einen Reizpuls. Natriumkanäle (blau) öffnen, gelbe Na⁺-Ionen strömen herein, die Spannung schlägt aus, dann öffnen die Kaliumkanäle (orange), und violette K⁺-Ionen strömen hinaus und bringen sie wieder herunter. Der Membranstreifen leuchtet während des Aktionspotentials rot.
- Senk den Reizstrom unter die Schwelle, die unter dem Bild steht, und drück auf Reizen: die Spannung hebt sich etwas und fällt ohne Aktionspotential zurück. Darüber feuert jedes Mal das volle Aktionspotential, egal wie stark. Das ist das Alles-oder-nichts-Gesetz.
- Kreuze Reiz wiederholen an und erhöhe die Frequenz, um die Refraktärzeit zu sehen: ab ein paar hundert Pulsen pro Sekunde kann die Membran nicht mehr bei jedem feuern. Blockiere die Natriumkanäle (TTX) oder die Kaliumkanäle (TEA), oder erwärme die Membran, und sieh in den Diagrammen von Spannung, Toren und Strömen, wie sich die Form des Aktionspotentials ändert.
Häufige Fragen
Was löst ein Aktionspotential aus?
Spannungsgesteuerte Natriumkanäle. Eine kleine Depolarisation öffnet einige von ihnen; Natrium strömt ein und depolarisiert die Membran weiter, was mehr öffnet: eine positive Rückkopplung, die die Spannung in Richtung des Natrium-Gleichgewichtspotentials treibt, etwa +50 mV. Innerhalb einer Millisekunde inaktivieren die Natriumkanäle, und die langsameren Kaliumkanäle öffnen, sodass Kalium ausströmt und die Spannung zurückfällt, kurz unter das Ruhepotential.
Was ist die Schwelle?
Die Spannung, oder der Reiz, bei der der Natriumeinstrom die entgegenwirkenden Kalium- und Leckströme übertrifft, sodass die positive Rückkopplung übernimmt. Hier wird sie als kleinster Reizstrom angegeben, der bei der gewählten Pulslänge ein Aktionspotential auslöst; ein kürzerer Puls braucht einen stärkeren Strom.
Was ist die Refraktärzeit?
Etwa eine Millisekunde nach einem Aktionspotential kann kein Reiz ein weiteres auslösen, weil die Natriumkanäle inaktiviert sind (das h-Tor ist zu): die absolute Refraktärzeit. Für ein paar weitere Millisekunden braucht es einen stärkeren Reiz als sonst, während sich h erholt und die Kaliumkanäle noch offen sind: die relative Refraktärzeit. Sie begrenzt, wie schnell ein Neuron feuern kann, und lässt Aktionspotentiale nur in eine Richtung das Axon entlanglaufen.
Was sind die Hodgkin-Huxley-Gleichungen?
Das Modell, das Alan Hodgkin und Andrew Huxley 1952 an ihre Messungen am Riesenaxon des Tintenfischs angepasst haben und für das sie den Nobelpreis teilten. Es behandelt die Membran als Kondensator mit parallelen Natrium-, Kalium- und Leckleitfähigkeiten, deren Tore m, h und n mit spannungsabhängigen Raten öffnen und schließen. Die Simulation integriert ihre Gleichungen mit den Originalparametern in Schritten von 0,01 ms.
Es heißt, WebGL sei abgeschaltet.
Die 3D-Ansicht braucht WebGL, das jeder aktuelle Browser hat. Es kann abgeschaltet sein, wenn die Hardwarebeschleunigung in den Browsereinstellungen deaktiviert ist oder der Grafiktreiber sehr alt ist. Schalte die Hardwarebeschleunigung ein oder probier einen anderen Browser.
Wird etwas hochgeladen?
Nein. Die Simulation zeichnet dein eigener Browser mit WebGL; nichts wird irgendwohin gesendet, und sie läuft auch offline weiter, sobald die Seite geladen ist.