Een zenuwcel wordt omgeven door een semipermeabel membraan (celwand), waarbij grote moleculen in de cel blijven en kleine deeltjes vrij kunnen bewegen. Door ionen (deeltjes met een lading) actief in- en uit de cel te pompen kan er een ladingsverschil tussen de intracellulaire en extracellulaire omgeving ontstaan. De natrium-kalium pomp is een essentiële pomp die bij dit proces is betrokken. Deze pomp zorgt ervoor dat er drie natriumionen uit de cel worden gehaald en twee kaliumionen de cel in worden getransporteerd (AFBEELDING 1). Door dit proces is er sprake van een hogere concentratie kaliumionen intracellulair en een hogere concentratie natriumionen extracellulair. Een algemeen principe is dat een hoge concentratie van een stof altijd richting een lagere concentratie wil stromen. De natrium-kalium pomp verbruikt daarom continue energie (ATP), omdat deze pomp de natrium- en kaliumionen juist richting de hogere concentraties van deze stoffen transporteert. Door de verhouding van verschillende ionen die zich intra- en extracellulair bevinden, ontstaat er een ladingsverschil over het membraan van -70mV in ‘rust’ (de natrium-kalium pomp is in de rustfase alsnog actief ionen aan het transporteren). Dit wordt de rustmembraanpotentiaal genoemd. Een ladingsverschil van -70mV betekent dat de zenuwcel intracellulair relatief negatiever geladen is dan de extracellulaire omgeving.

Extra
De totstandkoming van de rustmembraanpotentiaal is ingewikkelder dan in bovenstaand stukje wordt beschreven. Onder het kopje ‘auteurs, links voor verdieping en referenties’ staat een link van een filmpje waarbij er meer informatie wordt gegeven over dit proces.

Een actiepotentiaal geleidt informatie binnen een zenuwcel (zie het kopje ‘saltatoire geleiding’ voor meer informatie), waardoor uiteindelijk neurotransmitters vrijkomen in de synapsspleet en er een effect kan worden opgewekt in andere zenuwcellen of effectorcellen (zoals een spiercel, zie AFBEELDING 2). Actiepotentialen duren kort (1-4 milliseconden) en kunnen zo’n honderd keer per seconde herhaald worden.

Een zenuwcel kan verschillende signalen ontvangen van andere zenuwcellen: excitatoire of inhiberende signalen. Een exciterend signaal wordt ook wel een exciterend postsynaptische potentiaal genoemd (EPSP), terwijl een inhiberend signaal ook wel een inhiberend postsynaptische potentiaal wordt genoemd (IPSP). Er komt een actiepotentiaal tot stand op het moment dat er netto meer exciterende signalen worden afgegeven ten opzichte van inhiberende signalen. Zie ‘extra’, helemaal onder aan dit kopje, voor meer informatie over EPSP’s en IPSP’s.

Er worden grofweg twee fasen van een actiepotentiaal onderscheiden (AFBEELDING 3):

• Depolarisatie (nummers 2 en 3 in afbeelding): het ladingsverschil wordt minder negatief. Dat komt doordat spanningsafhankelijke natriumkanalen worden geopend en natriumionen de cel instromen. Natrium is een positief geladen deeltje, waardoor de lading in de cel positiever wordt (en het ladingsverschil minder negatief wordt). Na stimulatie van de zenuwcel stroomt er een beperkte hoeveelheid natrium de cel in. Als de drempelwaarde van -55 mV wordt bereikt zullen alle natriumkanalen openen en vindt er een grote depolarisatiegolf plaats. Dit is een alles-of-niets principe. Op het moment dat de drempelwaarde niet gehaald wordt, zullen de natriumkanalen gesloten blijven en zal er uiteindelijk ook geen actiepotentiaal ontstaan. Wanneer de piekwaarde van de membraanpotentiaal bereikt wordt (ongeveer 35 mV), zullen de natriumkanalen geïnactiveerd worden. Let op: de natriumkanalen sluiten niet, maar worden geïnactiveerd (AFBEELDING 3) en kunnen daardoor geen natriumionen meer doorlaten.

• Repolarisatie (nummer 5 in afbeelding): het ladingsverschil gaat weer richting de waarde van de rustmembraanpotentiaal (-70mV). Dit wordt bewerkstelligd doordat de kaliumkanalen worden geopend en kalium de cel uitstroomt. Kalium is een positief geladen deeltje, waardoor de lading in de cel negatiever wordt. De grote uitstroom van kalium zorgt er zelfs voor dat aan het einde van de repolarisatie er even sprake is van een hyperpolarisatie (nummer 6 in afbeelding), met andere woorden de waarde van het ladingsverschil is negatiever dan de rustmembraanpotentiaal. Vervolgens sluiten de kaliumkanalen en herstelt de natrium-kalium pomp de ionen balans (natrium extracellulair en kalium intracellulair). Dat zorgt ervoor dat de rustmembraanpotentiaal (-70mV) weer wordt bereikt. Daarnaast gaan de natriumkanalen van een inactieve staat naar een gesloten staat, waardoor ze weer gereed zijn voor depolarisatie.

Tot slot bespreken we de refractaire periode. Dit is de periode waarin een cel niet in staat is om een normale actiepotentiaal te genereren. De refractaire periode kan worden opgedeeld in een absolute en relatieve refractaire periode.

• De absolute refractaire periode overlapt grofweg de duur van de actiepotentiaal. Er kan op geen enkele manier nog een actiepotentiaal worden opgewekt. Dat komt doordat natriumkanalen geopend zijn (gedurende de depolarisatie) of geïnactiveerd zijn (gedurende de repolarisatie). De natriumkanalen moeten echter helemaal sluiten om klaar te zijn voor een volgende actiepotentiaal. Het volledig sluiten van deze kanalen gebeurt tijdens de hyperpolarisatie fase.

• De relatieve refractaire periode begint ongeveer gedurende de periode waar er hyperpolarisatie plaatsvindt. Er kan een actiepotentiaal worden opgewekt, omdat er al verschillende natriumkanalen zijn gesloten (en daardoor klaar zijn om weer open te kunnen gaan voor de volgende actiepotentiaal), maar er is een sterkere stimulus voor nodig. Dat komt doordat de cel tijdens de hyperpolarisatie negatiever is dan normaal (vanwege het uitstromen van kalium), waardoor het lastiger wordt om de drempelwaarde van -55mV te bereiken.

Extra
Het mechanisme achter exciterende en inhiberende signalen:

• Exciterend postsynaptische potentiaal (EPSP): de lading van een cel wordt minder negatief en komt dichter bij de drempelwaarde van een actiepotentiaal. Dat komt doordat bepaalde neurotransmitters ervoor zorgen dat er op een postsynaptisch membraan ionkanalen opengaan die positieve deeltjes (zoals natrium) de cel binnenlaten.

• Inhiberend postsynaptische potentiaal (IPSP): de lading van een cel wordt negatiever, waardoor de drempelwaarde moeilijker kan worden bereikt. Dat komt doordat bepaalde neurotransmitters ervoor zorgen dat er op een postsynaptisch membraan ionkanalen opengaan die negatieve deeltjes (zoals chloride-ionen) de cel binnenlaten.

Een plaatselijke actiepotentiaal zorgt ervoor dat er verder in het neuron natriumkanalen opengaan, de drempelwaarde kan worden bereikt en er vervolgens weer een depolarisatie kan plaatsvinden. Op die manier kan een signaal uiteindelijk naar het uiteinde van het axon worden vervoerd en ervoor zorgen dat neurotransmitters worden afgegeven. De geleiding van een actiepotentiaal wordt versneld doordat een grote hoeveelheid axonen in het lichaam worden omgeven door isolerend myeline (AFBEELDING 4). Tussen de stukken myeline liggen blootgestelde delen van axonen; de zogenaamde knopen van Ranvier. Deze niet-geïsoleerde knopen van Ranvier zijn de enige plekken op het axon waar ionen het celmembraan kunnen oversteken en actiepotentialen opgewekt kunnen worden. Een actiepotentiaal die plaatsvindt in een knoop van Ranvier zorgt ervoor dat de drempelwaarde kan worden bereikt in een naburige knoop. Op die manier vindt er een sprongsgewijze impulsgeleiding plaats, ook wel ‘saltatoire prikkelgeleiding’ genoemd. Een signaal kan zo een stuk sneller worden vervoerd naar het uiteinde van het axon.

Auteurs

Auteur: Sarah Dekker, geneeskundestudent
Co-auteur: Lars Nijman, geneeskundestudent
Student reviewer: Bernice Roggeband, geneeskundestudent
Medisch specialist reviewer: J. Molenaar, neuroloog gespecialiseerd in klinische neurofysiologie

Links voor verdieping

Filmpje rustmembraanpotentiaal: https://www.youtube.com/watch?v=hk09AkV5_Kc

Filmpje actiepotentiaal: https://www.youtube.com/watch?v=BbUcWbtVjT4

Referenties

Widmaier, E. P. (2016). Vander’s Human Physiology (14de editie). McGraw-Hill Education

Costanzo, L. S. (2018). Physiology (6de editie). Elsevier.

Kuks, J. B. M., & Snoek, J. W. (2016). Leerboek klinische neurologie (18e editie). Bohn Stafleu van Loghum.