Thermodynamische Untersuchung der temperaturabhängigen ...

Thermodynamische Untersuchung
der temperaturabhängigen
Nervenleitgeschwindigkeit am
Regenwurm
Diplomarbeit
von
Andreas Schönberger
aus Augsburg
Hochschule München
Fachbereich 06
Bioingenieurwesen
Referent: Prof. Dr. H. J. Geisweid
Korreferent: Prof. Dr. S. Diemer
Betreuer: Prof. Dr. M. Schneider, Boston University (diese
Arbeit wurde am Lehrstuhl EP1 der Universität
Augsburg durchgeführt)
Tag der Einreichung: 12.04.2010
München 2010

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Abstrakt Arbeiten von J. Wilke, K. Kaufmann und T. Heimburg lieferten eine neue
theoretische Grundlage für die Beschreibung der Aktionspotential-Propagation in Form
einer Schallwelle. Der Arbeitsgruppe um M. F. Schneider gelang es kürzlich, eine Schall-
welle durch elektrische Anregung in einer zweidimensionalen Lipidmonolage auszulösen
und deren Existenz auf makroskopischer Skala, zum ersten Mal nachzuweisen. Auch
die Frage der fehlenden Dissipation der Welle wurde durch die wellenleiterähnlichen
Eigenschaften der Lipidmonolage endgültig beantwortet.
Die Intention der vorliegenden Arbeit war es, die Nervenleitung aus thermodynamischer
Sichtweise zu untersuchen und die Ergebnisse mithilfe der Schalltheorie zu interpretieren.
Um dieser Fragestellung gerecht zu werden, wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, der
die Untersuchung temperaturabhängiger Veränderungen in der Nervenleitung des Regen-
wurms ermöglichte. In den Versuchen wurde zum Einen die Temperatur des gesamten
Regenwurms (global) verändert, zum Anderen aber auch nur ein kurzer Bereich (lokal)
des Regenwurms erwärmt. Desweiteren wurde die Anpassung der Nervenleitung an ver-
schiedene Temperaturen untersucht. Dazu wurden Regenwürmer für mehrere Tage, bei
unterschiedlichen Temperaturen, im Kühlschrank gehalten. Sämtliche Ergebnisse sind mit
der Interpretation einer sich ausbreitenden Schallwelle im Einklang.
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Thermodynamic Investigation of the
Temperature-Dependent Nerve
Conduction Velocity in the
Earthworm
Diploma Thesis
by
Andreas Schönberger
from Augsburg, Germany
Munich University of Applied Science
Department 06
Bioengineering
Reviewer: Prof. Dr. H. J. Geisweid
Second Reviewer: Prof. Dr. S. Diemer
Academic Advisor: Prof. Dr. M. Schneider, Boston University (this
work was performed at the University of
Augsburg at the chair of EP1)
Filing Date: 2010-04-12
Munich 2010

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Abstract J. Wilke’s, K. Kaufmann’s and T. Heimburg’s work provided a theoretical
foundation for the description of the action potential-propagation as an acustic wave. The
group of M. F. Schneider recently successfully excited an acoustic propagating wave
on a two dimensional lipid monolayer by electrical stimulation giving first experimental
evidence that such waves exist. The pending puzzle of the absence of dissipation is
explained by the waveguide-like behavior of the monolayer. The intention for this work
was to look at nerve pulse propagation from a thermodynamic point of view, testing
the interpretation of an acoustic propagating wave. In order to address this question an
experimental setup was designed, which allowed to study the temperature-dependent
changes in the earthworm’s nerve conduction. Experiments with both global and local
temperature changes have been performed. Furthermore the adaptation process of the
nerve-conduction velocity to different temperatures was examined, where earthworms
were kept in the refrigerator for several days. All results are in agreement with the existence
of a propagating sound wave.
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Theoretische Vorbetrachtungen 3
2.1 Aufbau und Funktion der Neuronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Zellen des Nervengewebes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Ruhepotential der Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 Nervenleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3.1 Hodgkin-Huxley-Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3.2 Schalltheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Zellmembranen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Membranlipide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Thermodynamische Eigenschaften der Lipide . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Ersatzmodell für viskoelastische Festkörper . . . . . . . . . . . 19
2.3 Nervensystem des Regenwurms - Lumbricus terrestris L. . . . . . . . . . 24
2.4 Anästhetika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Methodischer Teil 30
3.1 Elektrophysiologische Messungen am Regenwurm . . . . . . . . . . . . 30
3.1.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.1.1 Reizgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.1.2 Regenwurmmesskammer . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.1.3 Bioverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1.4 Computer-Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.2.1 Vorbereitung des Regenwurms . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.2.2 Bipolare Messung von Aktionspotentialen . . . . . . . 43
3.1.2.3 Globale Temperaturveränderung . . . . . . . . . . . . 44
3.1.2.4 Lokale Temperaturveränderung . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 Differential Scanning Calorimetry (DSC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
ix

Inhaltsverzeichnis
3.2.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4 Ergebnisse und Diskussion 48
4.1 Messungen am Bauchmark des Regenwurms . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.1 Globale Temperaturveränderung des Regenwurms . . . . . . . . 48
4.1.2 Temperaturadaption der Nervenzelle . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.3 Lokale Erwärmung des Regenwurms . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 DSC-Messungen an Lipid-Vesikeln mit Anästhetika . . . . . . . . . . . . 60
5 Zusammenfassung 63
6 Danksagung 70
x

1 Einleitung
Der Vorgang der Nervenleitung ist einer der zentralen Vorgänge in der Physiologie der Tiere
und physikalisch bisher nicht befriedigend verstanden. In den vergangenen Jahrzehnten
wird das Hodgkin-Huxley-Modell, dass 1952 von Alan L. Hodgkin und Andrew F. Huxley
[19] entwickelt wurde, immer wieder kritisiert, da lediglich die elektrischen Aspekte der
Aktionspotentialpropagation in Nervenzellen beachtet werden. Zur Aufklärung der Natur
des Aktionspotentials nutzten die beiden das Verfahren der Spannungsmessung und prägten
so das Bild, dass es sich hierbei ausschließlich um ein elektrisches Phänomen handelt.
Das bemerkte auch Hodgkin selbst und schrieb 1964 in seinem Buch “The conduction
of the nervous impulse” [18]:
In thinking about the physical basis of the action potential perhaps the most
important thing to do at the present moment is to consider whether there are
any unexplained observations which have been neglected in an attempt to
make the experiments fit into a tidy pattern. Difficulties of various kinds will
no doubt occur to different people but perhaps the most puzzling observation
is one made by A. V. Hill and his collaborators Abbot and Howarth (1958) ...
On reinvestigating the initial heat of crab nerve with better time resolution,
Hill and his colleagues found that it was diphasic and that an initial phase of
heat liberation was followed by one of heat absorption ... but a net cooling
on open-circuit was totally unexpected and has so far received no satisfactory
explanation.
Nach unserem Erfahrungsstand hat sich daran bis heute nichts geändert. Das heißt, der
begleitende Temperaturpuls, der laut Hodgkin selbst, seit über 40 Jahren erklärt werden
muss, bleibt unerklärt.
Mit dem, hier immer wieder diskutierten Schallmodell von Konrad Kaufmann [24,
25], kann dieser Puls nicht nur erklärt werden, sondern ergibt sich zwingend. Ich sehe
hierin einen ganz entscheidenden Fortschritt in der Theorie der Nervenreizleitung, möchte
aber trotzdem meine Resultate jeweils aus der Sichtweise des Hodgkin-Huxley-Modells,
sowie der des Schallwellenmodells diskutieren. Neuere und sehr sorgfältige Arbeiten zur
1

1 Einleitung
Schallausbreitung im Nerv findet man vor allem in den Arbeiten von Heimburg, der sich
neben der Ausbreitung von Solitonen auch mit der Erklärung der Anästhesie ausführlich
beschäftigt hat [48, 14, 15, 16, 13, 54].
Neben den elektrischen und thermischen [1, 21, 34, 45, 42] Pulsen, finden auch me-
chanische [22, 23, 41, 43, 44] sowie optische Veränderungen der Zellmembran, zeitgleich
mit dem Aktionspotential statt. Ein Modell das geeignet ist die gesamten Veränderungen
ausschließlich mithilfe klassischer thermodynamischer und hydrodynamischer Grundlagen
zu erklären, ist das der propagierenden Schallwelle. Bereits 1912 erklärte Wilke, dass die
Ausbreitung des Nervenpulses in Form einer Deformationswelle möglich ist [53, 3]. Unter
der Annahme, dass es sich bei Zellmembranen um elastisches Gewebe handelt, postulierte
er zudem die Möglichkeit eines adiabatischen Prozesses. Nicht nur die Ausbreitung, auch
das Aktionspotential selbst wurde von ihm beschrieben. Bei seinen Untersuchungen stellte
er fest, dass, wenn man Blöcke aus Gelatine oder Agar-Agar zusammendrückt, sich der
gedrückte, gegenüber einem nicht gedrückten Punkt negativ auflädt. Hierbei konnte er
Potentialunterschiede von bis zu 12 mV feststellen.
Die Schalltheorie, wie bereits erwähnt, wurde 1989 von Konrad Kaufmann [24, 25]
erneut aufgegriffen und auf ein theoretisches Fundament gestellt. Sie stellt bislang die
einzige Möglichkeit dar, auch die nichtelektrischen Phänomene, die bei der Nervenleitung
gemessen wurden, zu erklären. Zudem stimmt die Größenordnung der mit dem Schallm-
odell berechneten Nervenleitgeschwindigkeiten, mit Messungen an Nervenzellen überein.
Bis vor kurzem war jedoch unklar ob die Propagation von Schallwellen in Lipidmembra-
nen, ohne Dissipation der Welle überhaupt möglich ist. Diese Fragestellung konnte durch
die Arbeit von Schneider [10] geklärt werden. Mit Hilfe von zweidimensionalen Elek-
trodenchips gelang es seiner Arbeitsgruppe erstmals, Schallwellen in einem künstlichen
Lipidmonolayer anzuregen und deren Propagation zu beweisen.
Dieser Sachverhalt veranlasste uns zur Untersuchung der Nervenleitgeschwindigkeit am
Regenwurm, bei Veränderungen in der Temperatur des Nervensystems. Dazu wurde der
Versuchsaufbau für elektophysiologische Messungen am Regenwurm (Fa. PHYWE) so
modifiziert, dass eine globale und lokale Veränderung der Wurmtemperatur möglich ist.
Sollte die Schalltheorie stimmen, müssten die Temperaturveränderungen die Kompressibi-
lität der Zellmembranen und somit die Nervenleitgeschwindigkeit verändern. Zumindest
der qualitative Verlauf der Schallgeschwindigkeit c(T) kann aus Elastizitätsmessungen an
Membranen und dem Cytoskelett vorhergesagt werden und wird durch meine Messungen
bestätigt.
2

2 Theoretische Vorbetrachtungen
Dieses Kapitel dient der Beschreibung der Nervenzellen und speziell deren Membranen.
Zur Erklärung der Leitungsvorgänge in Nerven wird auf das Hodgkin-Huxley-Modell,
sowie das Schallmodell eingegangen und im Anschluss die verschiedenen Theorien über
die Wirkungsweise von Anästhetika erläutert.
2.1 Aufbau und Funktion der Neuronen 1
Die Koordination komplexer Funktionen, wie die Steuerung verschiedener Muskelgrup-
pen für eine gezielte Körperbewegung, oder auch die Aufnahme von äußeren Reizen
wie das Riechen, Schmecken oder Sehen, setzen das Vorhandensein eines spezialisierten
Reizleitungs- und Verarbeitungssystems voraus. In tierischen Zellen werden diese Auf-
gaben von spezialisierten Zellen, den Neuronen oder Nervenzellen, übernommen. Diese
besitzen die Fähigkeit Signale zu empfangen, über lange Strecken weiterzuleiten, sowie sie
an andere Zellen zu übertragen. Ermöglicht wird dies durch den speziellen Aufbau dieser
Gewebeart.
2.1.1 Zellen des Nervengewebes 2
Wie alle anderen tierischen Zellen, wird die Nervenzelle (siehe Abb. 2.1) von einer 6 -
10nm dicken Lipiddoppelschicht, der Plasmamembran, umschlossen. Diese ermöglicht
eine Entkopplung der inneren Vorgänge, von den äußeren Umgebungsbedingungen. Sie
bildet dabei eine selektive Schranke, die den ausreichenden Transport von Nährstoffen
in, und den Abtransport von Stoffwechselprodukten aus der Zelle gewährleistet. Die
Plasmamembran bildet, speziell bei den Nervenzellen lange, vom Zellkörper ausgehende
Fortsätze, die als Dendriten und Axon bezeichnet werden. Durch die Dendriten, die meist
in großer Anzahl von der Zelle ausgehen, werden exzitatorische und inhibitorische Reize
1Informationen zu diesem Abschnitt stammen aus dem Buch “Anatomie, Physiologie, Pathophysiologie
des Menschen” (2007) [31]
2Informationen zu diesem Abschnitt stammen aus dem Buch “Molekularbiologie der Zelle” (2004) [2]
3

2 Theoretische Vorbetrachtungen
anderer Neuronen empfangen. Im Gegensatz dazu ermöglicht das Axon die Weiterleitung
der aufgenommenen Signale zu anderen Zellen und ist bei jeder Nervenzelle nur einmal
vorhanden.
Zellen sind mit einer gelartigen Grundsubstanz, dem Cytoplasma gefüllt, welches reich
an Ionen, Nährstoffen, Enzymen und Stoffwechselprodukten ist [32]. Die Strukturierung
des Zellinneren erfolgt durch innere Membranen, was die Komplexität, sowie die Funktio-
nalität der Zellen stark erhöht. Die Membranen umschließen dabei unterschiedlich große
Reaktionskompartimente, die Organellen, in denen verschiedenste Stoffwechselvorgänge
ablaufen. Entsprechend der jeweiligen Funktion der Organellen, besitzen deren Mem-
branen einzigartige Lipid- und Proteinzusammensetzungen. Die Bedeutung getrennter
Reaktionskompartimente, wird am Beispiel der Lysosomen deutlich. Dies sind kleine
Membranvesikel, die Enzyme für den Abbau von Proteinen, Polysacchariden, Fetten und
Nukleinsäuren enthalten. Aufgenommene Makromoleküle werden enzymatisch in Mono-
mere zerlegt und anschließend zum Recycling in das Cytosol abgegeben. Die Enzyme der
Lysosomen katalysieren am besten in einem sauren Milieu bei pH 5, wohingegen sie im
neutralen pH Bereich des Cytosols der Zelle kaum aktiv sind.
Abbildung 2.1: Schematische Abbildung der Nervenzelle im Schnitt
1: Plasmamembran, 2: Mikrotubuli, 3: Zellkern, 4: Golgi-Apparat, 5: Mitochondrium, 6: Glattes
ER, 7: Raues ER, 8: Synapsen (axodendritisch), 9: Synapse (axosomatisch), 10: Dendriten, 11:
Axonhügel, 12: Myelinscheide, 13: Ranviersche Schnürringe, 14: Axonterminale, 15: Synapse
(axonaxonal), 16: Soma; (Vgl.: Wikimedia, Neuron )
4

2 Theoretische Vorbetrachtungen
Weitere funktional wichtige Organellen, die bei Nervenzellen zu finden sind [27], sind
in Abbildung 2.1 dargestellt:
• Der Zellkern enthält fast das gesamte genetische Material der Zelle für die Protein-
synthese (Transkription).
• Das Endoplasmatische Retikulum (ER) erfüllt verschiedene Biosyntheseaufgaben
und ist unter anderem für die Membranherstellung zuständig.
• Im Golgi-Apparat erfolgt die Abwandlung, Speicherung und der Weitertransport der
Proteine und Membranmoleküle, die im ER produziert werden.
• Die Mitochondrien wandeln die über die Nahrungsaufnahme bezogene Energie,
in eine für die Zelle nutzbare Form, meist Adenosintriphosphat (ATP), um. Sie
enthalten Enzyme des Zitratzyklus, der Atmungskette und der Fettsäureoxidation.
Besonders auffällig bei Neuronen, ist die große Anzahl an Mitochondrien, die die benötigte
Energie zur Aufrechterhaltung der Zellfunktionen liefern.
Aus Gründen der strukturellen Organisation, Formgebung und mechanischen Stabilität,
ist das Cytoplasma von mehreren unterschiedlichen Filamenten, den Mikrofilamenten,
Mikrotubuli und Zwischenfilamenten, durchzogen. Sie bilden das Cytoskelett der Zelle und
bestimmen so die räumliche Gestalt tierischer Zellen, die im Gegensatz zu Pflanzenzellen
keine festen Zellwände besitzen. Das Cytoskelett bildet dabei keine statischen Strukturen,
sondern wird ständig ab- und aufgebaut und wirkt so auch bei der Zellbewegung mit.
Die mechanische Stabilität der Zelle beruht auf dem Zusammenspiel dreier verschiedener
Filamente, den Mikrofilamenten, Mikrotubuli und Zwischenfilamenten (siehe Abb. 2.2).
Abbildung 2.2: Schematische Darstellung der drei Komponenten des Cytoskeletts. (Vgl.:
Zentrale für Unterrichtsmedien im Internet e.V., Cytoskelett)
5

2 Theoretische Vorbetrachtungen
Auf die Zelle wirkende Zugkräfte werden von Mikrofilamenten aufgenommen (siehe
Abb. 2.2 links). Diese entstehen durch die Polymerisation von globulären Aktinmolekü-
len (G-Aktin) zu polaren, filamentösen Aktinmolekülen (F-Aktin), die sich paarweise,
spiralförmig umeinander winden.
Über Proteine zu dreidimensionalen Netzwerken
verknüpftes F-Aktin, bildet den 100 - 500nm di-
cken Zellkortex direkt unter der Plasmamembran
(siehe Abb. 2.3), weshalb dieser Bereich eine gel-
artige Konsistenz besitzt. Die Aktinfilamente des
Zellkortex sind über verschiedene Proteine mit der
Membran verbunden und unterstützen so die Stabi-
lität der Zelle [29]. Im Inneren der Zelle verlaufen
Aktinfilamente in Form von Bündeln und verbinden
die einzelnen Punkte an denen die Zelle adhäriert.
Im Gegensatz zu den Mikrofilamenten, nehmen
Mikrotubuli Druckkräfte auf. Mikrotubuli sind hohle
Stäbe, die durch die Polymerisation von α- und β-
Tubulin gebildet werden (siehe Abb. 2.2 Mitte). Der
Ursprung liegt im “microtubule organizing center”
Abbildung 2.3: Fluoreszenzmarkierte
Endothelzellen unter dem Mikroskop.
blau=Zellkern, grün=Mikrotubuli,
rot=Aktinfilamente (Vgl. Wikimedia,
Fluorescent Cells)
(MTOC), welches in den meisten Zellen das Zentrosom in der Nähe des Zellkerns ist. Von
hier aus strecken sich die Filamente sternförmig in alle Richtungen und erreichen dabei
eine Länge von bis zu 25 µm. In der Zelle dienen die Mikrotubuli als Führungselemente,
an denen Vesikel beim Transport durch die Zelle entlang gleiten um ihr Ziel zu erreichen
und als Spindelapparat während der Zellteilung.
Die chemisch stabilsten Elemente des Cytoskeletts, sind die Intermediärfilamente (sie-
he Abb. 2.2 rechts). Diese, zu dicken Kabeln spiralisierten Faserproteine, weisen eine
extreme Zugresistenz auf. Es gibt verschiedene Typen der Intermediärfilamente, die aus
unterschiedlichen Proteinuntereinheiten, hauptsächlich aus der Keratingruppe, zusammen-
gesetzt sind. Im Vergleich zu den Mikrofilamenten und den Mikrotubuli, ist die Auf- und
Abbaugeschwindigkeit der Intermediärfilamente sehr gering. Diese Stabilität macht die
Intermediärfilamente zur optimalen Befestigung für die Organellen in der Zelle.
6

2.1.2 Ruhepotential der Zelle 3
2 Theoretische Vorbetrachtungen
Alle tierischen Zellen besitzen ein spezifisches Ruhepotential, was die relative, negative
Ladung des Zellinneren gegenüber dem Extrazellularraum beschreibt und bei Nervenzellen
bei ca. -70mV liegt [31]. Dieser Ladungsunterschied beruht auf der ungleichen Verteilung
verschiedener Ionen im inneren und äußeren Zellraum.
Zur Aufrechterhaltung des Gradienten wird ein
aktiver Membrantransport durch das Enzym Na-K-
ATPase vorausgesetzt, der im Ruhezustand ca. 1/3
des Energieverbrauchs der Zelle ausmacht. Durch
den Verbrauch von ATP pumpt die Na-K-ATPase Io-
nen, entgegen des Konzentrationsgradienten durch
die Membran und transportiert damit bei jedem
Pumpzyklus 3 Na + -Ionen in den äußeren, und 2 K + -
Ionen in den inneren Bereich der Zelle (siehe Abb.
2.4). Das bedeutet, die Na-K-ATPase verschiebt po-
sitive Ladung nach außen und ist somit elektrogen
[27]. Dadurch steigt die Kaliumkonzentration in-
trazellular auf einen ca. 30 mal höheren Wert, als
extrazellular.
Spezifische Ionenkanäle sorgen für eine selektive
Abbildung 2.4: Die in der Plasmamem-
bran verankerte Na-K-ATPase pumpt
Na + - und K + -Ionen gegen den Konzen-
trationsgradienten und Potentialgradien-
ten durch die Zellmembran. Dabei wird
ATP in ADP und Phosphat (P) gespal-
ten. (Vgl. [4])
Permeabilität der Membran. Ionenkanäle sind Proteine, die eine Diffusion von Ionen
zwischen Extra- und Intrazellularraum ermöglichen, da die Membran selbst für Ionen
undurchlässig ist. Sie können geschlossen, inaktiv, oder geöffnet sein und lassen nur ein
bestimmtes Ion passieren. Wichtig für diese Aufgabe ist eine unterschiedliche Wirkung
des Membranpotentials auf die Kanäle. Der Na + -Ionenkanal zum Beispiel ist im Ruhezu-
stand bei ca. -70mV geschlossen, wodurch die Plasmamembran für Na + -Ionen praktisch
undurchlässig ist. K + -Ionen nutzen den ionenspezifischen Transportweg durch die Kanäle,
um, dem Konzentrationsgradienten folgend, aus der Zelle zu diffundieren. Dieser Vorgang
lässt große Anionen in der Zelle zurück, wodurch es, ähnlich wie bei einem Kondensator,
zur Ausbildung eines Ladungsunterschiedes kommt.
Aufgrund dieser Ladungsdifferenz besteht für die K + -Ionen ein nach innen gerichteter,
elektrischer Gradient der bewirkt, dass simultan K + -Ionen in das Innere der Zelle strömen.
Das Ruhepotential ist nun der Zustand, bei dem die konzentrationsabhängige K + -Diffusion
3 Informationen zu diesem Abschnitt stammen aus dem Buch “Anatomie, Physiologie, Pathophysiologie
des Menschen” (2007) [31]
7

2 Theoretische Vorbetrachtungen
und der spannungsabhängige K + -Transport im Gleichgewicht sind. Für andere Ionen
stellt die Membran im Ruhezustand eine fast unüberwindliche Barriere dar, wodurch das
Ruhepotential nahezu dem Kaliumgleichgewichtspotential entspricht.
Das Kaliumgleichgewichtspotential lässt sich mithilfe der Nernst-Gleichung berechnen.
E = RT
zF ln[Ion] außen
[Ion] innen
(2.1)
mit der Gaskonstante R, Temperatur T, Ladungszahl des Ions z, Faradaykonstante F
und dem Verhältnis der Ionenkonzentrationen. Bei einer angenommenen Körpertemperatur
von T = 310K und einer 30 mal höheren K + -Ionenkonzentration im Extrazellularraum,
ergibt sich ein Kaliumgleichgewichtspotential von [4]
E = −61mV log30 = −90mV
Ionenart intrazellulare Kon- extrazellulare Kon- Verhältniss zwischen Nernstpotential
zentration [mmol/l] zentration [mmol/l] innen und außen bei 310K [mV]
K + 150 5 30:1 -90
Na + 15 150 1:10 +61
Tabelle 2.1: Typische Ionenkonzentration einer Säugetierzelle in Ruhe für Na + - und K + -Ionen[31].
2.1.3 Nervenleitung
Depolarisation 4 Im Ruhezustand zeigt sich die Zellmembran nur für K + -Ionen per-
meabel, während sie für andere Ionen nahezu undurchlässig ist. Dies ändert sich während
der Nervenleitung. Werden von anderen Zellen Signale auf eine Nervenzelle übertragen
oder von außen Spannungen eingebracht, können dadurch Schwankungen des Potentials
entstehen. Überschreiten die Schwankungen am Axon während des Ruhezustands eine
Schwellenspannung zwischen 10 und 20mV, erfolgt die Depolarisation der Membran
durch die schlagartige Konformationsänderung der spannungsabhängigen Na + -Kanäle.
Daraufhin strömen Na + -Ionen durch die geöffneten Na + -Kanäle entlang des elektrischen
Gradienten in die Zelle. Der Einstrom positiver Ladungen führt zu einer weiteren Aus-
breitung der Membrandepolarisation, wodurch sich auch benachbarte Ionenkanäle öff-
nen. Vom Ruhepotential ausgehend, kommt es innerhalb weniger Millisekunden zu einer
Verschiebung des Potentials von ca. -70mV, bis zur vollständigen Ausbildung des Na + -
Gleichgewichtspotentials bei ca. +40mV, bei dem die elektrochemische Kraft für den
4 Informationen zu diesem Abschnitt stammen aus dem Buch “Molekularbiologie der Zelle” 2004 [2]
8

2 Theoretische Vorbetrachtungen
Na + -Ionenfluss verbraucht ist (siehe Abb. 2.5).
Abbildung 2.5: Schematische Darstellung des Aktionspotentials und dessen typische
Veränderungen der Potentialdifferenz, zwischen intrazellulärem und extrazellulärem
Bereich (Vgl.: Wikimedia.org, Action Potential)
Repolarisation 5 Da die Zelle im Zustand des Na + -Gleichgewichtspotentials nicht
in der Lage ist weitere Erregungen zu transportieren, ist es erforderlich das Ruhemem-
branpotential wiederherzustellen. Verantwortlich für die Repolarisation der Zellmembran,
sind wiederum Konformationsänderungen der Ionenkanäle. Die Inaktivierung erfolgt auto-
matisch im depolarisierten Zustand und verhindert ein erneutes Öffnen der Na + -Kanäle.
Dieser Zustand, der auch als Refraktärzeit bekannt ist, hält sich noch einige Millisekunden
nachdem sich das Ruhemembranpotential bereits wieder eingestellt hat. Anschließend
bewirken Konformationsänderungen, dass die Kanäle in den geschlossenen Zustand über-
gehen, so dass sie sich bei einer ausreichenden Schwankung des Membranpotentials wieder
öffnen können.
Ein weiterer Mechanismus, welcher das Wiederherstellen des Ruhemembranpotentials
unterstützt, ist der K + -Ausstrom durch das Schließen der einwärtsgleichrichtenden K + -
Kanäle und die gesteigerte Leitung der auswärtsgleichrichtenden K + -Kanäle. Dadurch
wird bereits vor der Inaktivierung der Na + -Kanäle, das Einströmen der Na + -Ionen durch ein
Ausströmen von K + -Ionen überlagert. Der Vorgang treibt somit die Membran in Richtung
des K + -Gleichgewichtspotentials.
5 Informationen zu diesem Abschnitt stammen aus dem Buch “Molekularbiologie der Zelle” (2004) [2]
9

2 Theoretische Vorbetrachtungen
Auf diese Art breitet sich das Aktionspotential wie eine laufende Welle vom Ursprungs-
ort, über die ganze Plasmamembran des Axons aus und kann die Informationen, durch
Neurotransmitterausschüttung in den synaptischen Spalt, an andere Zellen weitergeben.
Da das Axon beim Transport des Signals den längsten Weg überbrückt, stellt es den
geschwindigkeitsbestimmenden Teil der Leitung dar.
Leitungsgeschwindigkeit 5 Das Über-
leben der Tiere ist stark von der Geschwin-
digkeit, mit der sie auf Gefahren und andere
Umweltreize reagieren können, abhängig.
Um die Nervenleitgeschwindigkeit und da-
mit die Reflexzeit zu steigern, haben sich
in der Natur zwei verschiedene Mechanis-
men entwickelt: Die kontinuierliche und
die saltatorische Leitung.
Bei der kontinuierlichen Leitung breitet
sich die Depolarisation wie eine Welle vom
Anfang des Axons, bis zu seinem Ende aus
(siehe Abb. 2.6 oben). In diesem Fall kann
eine Steigerung der Leitungsgeschwindig-
keit nur durch eine Vergrößerung des Axon-
durchmessers r erfolgen. Dadurch entsteht
ein günstigeres Verhältnis zwischen Mem-
branfläche A = 2πr ∗ d und leitendem Vo-
Abbildung 2.6: Leitungsvorgänge des Axons.
oben: Kontinuierliche Leitung. Das Aktionspoten-
tial breitet sich wie eine Welle vom Ursprungsort
aus. unten: Saltatorische Leitung am myelinisier-
ten Axon. Das Aktinspotential kann sich durch
springen zwischen den Ranvierschen Schnürrin-
gen sehr schnell ausbreiten. (Vgl. www.gym-
nw.org, Reizleitung)
lumen V = πr 2 ∗ d, was zu einer Verringerung des inneren Widerstands führt, aber auch zu
einer Steigerung des Leckstroms und damit zu einem höheren Energieverbrauch. Allgemein
sind dadurch jedoch nur geringe Geschwindigkeiten von wenigen Metern pro Sekunde zu
erreichen. Die Berechnung der Geschwindigkeit v, mit der das Aktionspotential in einem
nichtmyelinisierten Axon propagiert, folgt aus der allgemeinen Kabelgleichung.
v = 1
d
C 8ρR ∗
(2.2)
mit der Kapazität C der Membran, dem Durchmesser d des Axons, dem Widerstand ρ des
Mediums im Axon und R ∗ dem Ohmschen Widerstand der Membran bei der Erregung[30].
Evolutionär entwickelte sich eine noch effektivere Methode, die Myelinisierung des
Axons. Zur Myelinisierung wickeln Gliazellen schichtweise ihre eigene Plasmamembran
10

2 Theoretische Vorbetrachtungen
spiralförmig um das Axon. Diese dichte Packung isoliert die Axonmembran, von dem,
die Zelle umgebenden extrazellularem Raum, wodurch die elektrischen Verluste minimal
werden. In festen Abständen wird die Myelinschicht durch das Auftreten von sogenannten
Ranvierschen Schnürringen unterbrochen (Vgl. Abb. 2.1), an denen die Plasmamembran
des Axons in direktem Kontakt mit dem Extrazellularraum steht. Zur Aufrechterhaltung
des Leitungsvorgangs sind an den Schnürringen annähernd die gesamten Na + -Kanäle
des Axons lokalisiert, weshalb nur hier die Depolarisation der Membran und das damit
verbundene Aktionspotential auftreten kann. Diese Art der Nervenleitung wird als saltato-
rische Leitung (saltare = springen) bezeichnet (siehe Abb. 2.6 unten). Der Name beruht
auf den sehr hohen Geschwindigkeiten mit denen sich die Erregung aufgrund der guten
Isolierung des Axons, zwischen den Schnürringen, sozusagen “springend” ausbreitet. Die
Geschwindigkeit der saltatorischen Leitung, ist im Allgemeinen vom Durchmesser, dem
Grad der Myelinisierung, und im Besonderen, von der Temperatur der Nervenfaser ab-
hängig. Dadurch bestehen bei den verschiedenen Lebewesen erhebliche Unterschiede in
der Nervenleitgeschwindigkeit, welche Werte von bis zu 120 m/s annehmen kann. Bei
myelinisierten Axonen kann die Propagationsgeschwindigkeit nicht durch eine allgemein
gültige Gleichung berechnet werden, da die geschwindigkeitsbeeinflussenden Faktoren
stark variieren.
2.1.3.1 Hodgkin-Huxley-Theorie 6
Die Grundlagen dieser Theorie beruhen auf den, mit einem Nobelpreis ausgezeichneten
Forschungsergebnissen von Hodgkin und Huxley im Jahr 1952 [19]. Sie entwickelten
ein Modell (siehe Abb. 2.7), dessen Gleichung die experimentell gemessenen Werte der
gesamten Membranstromdichte I widerspiegelt.
dV
I = CM + Ii
(2.3)
dt
mit V, dem Membranpotential, der Zeit t und der elektrischen Membrankapazität
CM. Die Ionenstromdichte Ii wird durch die Summierung des Na + -Ionenstroms INa, K + -
Ionenstroms IK und anderen Ionenströmen Il (Leckströme) gebildet.
Ii = INa + IK + Il
(2.4)
6 Informationen zu diesem Abschnitt stammen aus dem Artikel “A quantitative description of membrane
current and its application to conduction and excitation in nerve” (1952) [19]
11

2 Theoretische Vorbetrachtungen
Abbildung 2.7: Ersatzmodell der axonalen Membran nach Hodgkin und Huxley (1952).
Die variablen Widerstände RNa, RK und der feste Widerstand Rl des Modells, simulieren
die Membranwiderstände für die Ionenströme INa, IK, und Il. Der Kondensator CM bildet
die elektrische Kapazität der Membran nach. E symbolisiert das elektrische Membranpotential
und ENa, EK und El die Nernstpotentiale der unterschiedlichen Ionen. (Vgl.
[19])
Hodgkin und Huxley fanden heraus, dass die Membranpermeabilität zufriedenstellend
durch die spezifische Leitfähigkeit gi der Ionen beschrieben wird.
mit der Spannungsdifferenz V −Vi für die einzelnen Ionen.
INA = gNa(V −VNa) (2.5)
IK = gK(V −VK) (2.6)
Il = gl(V −Vl) (2.7)
Bei näherer Betrachtung des Kurvenverlaufs des Aktionspotentials zeigt sich, dass der
Ionenfluss eine Funktion der Zeit darstellt und sich für jedes Ion unterscheidet (siehe Abb.
2.8). Hodgkin und Huxley postulierten hierfür lipidlösliche Carrier (Ionenkanäle), die die
Ionen durch die Plasmamembran leiten.
Um die Dynamik der Carrier nachzubilden wurden die Gatingvariablen eingeführt,
die den Anteil der gerade geöffneten Kanäle zu jedem Zeitpunkt widerspiegeln. Durch
Versuche schloss man auf drei Variablen die Einfluss auf das Aktionspotential haben und
mit n, m und h bezeichnet werden. Der dynamische Verlauf dieser Größen wird durch die
nachfolgenden Gleichungen beschrieben.
12

2 Theoretische Vorbetrachtungen
Abbildung 2.8: Ionenleitfähigkeiten der Na + - und K + -Ionen während des
Aktionspotentials (Vgl. www.tgs-chemie.de, Ionenverschiebungen während des
Aktionspotentials)
dn
dt = αn(V )1 − n − βn(V )n (2.8)
dm
dt = αm(V )1 − m − βm(V )m (2.9)
dh
dt = αh(V )1 − h − βh(V )h (2.10)
Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Werte für αi und βi experimentell gewonnen
wurden und nicht auf physikalischen Prinzipien basieren. In Verbindung mit der Maxi-
malleitfähigkeit der Ionen Gi lassen sich durch die Gatingvariablen die Ströme durch die
Membranen berechnen,
INa = GNam 3 h(V −VNa) (2.11)
IK = GKn 4 (V −VK) (2.12)
wobei die Leckströme Il zu jedem Zeitpunkt konstant sind. Durch Einsetzen in Gleichung
2.3 erhält man die phänomenologische Hodgkin-Huxley-Gleichung in ihrer vollen Form
[19].
dV
I = CM
dt + GKn 4 (V −VK) + GNam 3 h(V −VNa) + Gl(V −Vl) (2.13)
Hodgkin und Huxley haben hiermit eine Gleichung motiviert, die dem Aktionspotential
möglichst gut angepasst ist. Zu keinem Zeitpunkt war ihr Anspruch die Herkunft des
Aktionspotentials zu erklären, sondern es zu beschreiben. Sie schreiben dazu selbst in ihrer
13

erühmten Arbeit von 1952(b):
2 Theoretische Vorbetrachtungen
"Our object here is to find equations which describe the conductance with
reasonable accuracy ... but we must emphasize that the interpretation given is
unlikely to provide a correct picture of the membrane."
Ein wichtiger Punkt zum Beispiel, ist die Vernachlässigung der dynamischen Kapazität
bereits in Gleichung 2.3. Für den Fall dass dC/dt = 0 ist, ist der von Hodgkin und Huxley
gewählte Ausgangspunkt falsch und folglich auch alle daraus abgeleiteten Größen wie
z. B. die Hodgkin-Huxley-Gleichung selbst (Gl. 2.12). In diesem Fall (dC/dt = 0), wäre
der zweite Term auf der rechten Seite (Ii) durch einen Term der Form dC/dt ∗V zu erset-
zen. Das bedeutet, dass in der Anwesenheit dynamischer Kapazitätsveränderungen keine
Ionenbewegungen notwendig sind, um die beobachteten Ströme zu erklären. Die Vermu-
tung dass dC/dt = 0 ist, liegt zumindest, in Anbetracht der optischen und mechanischen
Veränderungen während des Aktionspotentials (siehe 2.1.3.2), nahe.
2.1.3.2 Schalltheorie
Außer den elektrischen Vorgängen kommt es bei Aktionspotentialen noch zu einigen
nichtelektrischen Phänomenen, die alle an echten Nerven gemessen wurden, doch durch
die Hodgkin-Huxley-Theorie nicht erklärt werden können. Beispielsweise wurde an der
Membran ein Temperaturpuls gemessen [1, 21, 34, 45, 42], der exakt dem Verlauf des
Aktionspotentials entspricht. Berechnungen zufolge liegt der Wärmeverlust bei 10-20%,
wodurch der Vorgang als nahezu adiabatisch bezeichnet werden kann. Weitere Effekte, die
zeitgleich mit dem Spannungs- und Hitzepuls auftreten und nicht mit dem Hodgkin-Huxley-
Modell vereinbar sind, sind das Anschwellen des Axons um ca. 4nm [23], ein Kraftpuls
von 0.1-1N/m² [40, 23], sowie Veränderungen der Doppelbrechung, Trübung, Fluoreszenz
und die Polarisation der Membran [46]. Das bedeutet, dass sich nicht nur die Spannung,
sondern auch die mechanischen, optischen und thermischen Eigenschaften der Membran
während dem Aktionspotential verändern. Diese Erkenntnisse führten zur Entwicklung
neuer Theorien, um die genannten Veränderungen in einem Modell zu vereinen.
Konrad Kaufmann hat bereits 1989 eine alternative Theorie vorgestellt [24, 25]. In
dieser wird das Aktionspotential als propagierende, zweidimensionale Welle beschrieben.
Alle gemessenen Veränderungen während des Nervenimpulses können hiermit qualitativ
wiedergegeben werden. Kaufmann geht implizit davon aus, dass die Membran vom umge-
benen Medium, zumindest für die Zeitskala eines Aktionspotentials (∼1-10ms) entkoppelt
ist und sich daher alle Messungen am Nerv als reversibel, bzw. adiabatisch darstellen. Eine
14

2 Theoretische Vorbetrachtungen
adiabatische Propagation in einem Medium, nennt man in der Physik Schall. Größenord-
nungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit c, konnten hiermit ohne Fitparameter mithilfe
der folgenden Gleichung vorhergesagt werden.
1
c ≈
ρκ
mit der Dichte ρ und der Membrankompressibilität κ.
(2.14)
Heimburg hat auf dieser Grundlage kürzlich das Solitonen-Modell vorgestellt [14]. Soli-
täre Wellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich ohne sich abzuschwächen ausbreiten
und dabei ihre Form nicht verändern. Voraussetzung zur Ausbildung von Solitonen ist, dass
das Ausbreitungsmedium eine frequenzabhängige Schallgeschwindigkeit und eine Nicht-
linearität z. B. in der Kompressibilität aufweist. Diese Eigenschaft besitzen Membranen
unter physiologischen Bedingungen.
Weder Heimburg, noch Kaufmann haben jedoch direkte Messungen zu Ausbreitungen
geliefert. Einer der zentralsten Kritikpunkte an der Schalltheorie blieb daher bis vor Kurzem
offen, nämlich: Warum wird die Welle nicht gedämpft?
Schneider und Griesbauer gelang es kürzlich, unter Verwendung eines planaren Elektro-
denchips, Schallwellen in einer Lipidmembran auszulösen und deren Existenz zu belegen
[10]. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c , mit der sich die Schallwelle in der Membran
ausbreitet, hängt stark von der Kompressibilität κ der Lipidmembran ab und folgt mit einer
Genauigkeit von mehr als 10%, exakt dem Gesetz der akustischen Ausbreitung c ≈
1
ρκ .
Befindet sich das System in der Nähe des Phasenübergangs und wird erwärmt, verringert
sich die Kompressibilität. Dadurch wird die Membran härter und die Ausbreitungsge-
schwindigkeit höher. Die bei den Versuchen gemessenen Geschwindigkeiten variieren
zwischen 50m/s und 200m/s. Des weiteren konnten die Autoren die fehlende Dissipation
der Schallwelle begründen. Der Grund dafür sind die unterschiedlichen Schallgeschwin-
digkeiten zwischen der Lipidschicht und dem umgebenden Wasser. Besitzt die einfallende
Welle einen geringeren Winkel als den kritischen Winkel θC mit θC = c1/c2, kommt es zur
Totalreflexion woraufhin die Lipidschicht wie ein akustischer Wellenleiter wirkt. Nimmt
man eine Schallgeschwindigkeit für c1 = 100m/s und für c2 = 1500m/s an, ergibt sich
für θC ein Winkel von 5°. Damit ist die Transmission akustischer Wellen aus den Lipid-
monolagen in die Umgebung, quasi ausgeschlossen. Dissipation kann nur aufgrund von
Reibungserscheinungen in der Membran selbst stattfinden.
15

2.2 Zellmembranen
2 Theoretische Vorbetrachtungen
Die Aufgaben, die Membranen in Zellen erfüllen, sind vielseitig (Vgl. Abschnitt 2.1.1).
Sie dienen der Abgrenzung und Isolierung von Zellen und Organellen, der Aufnahme
extrazellulärer Signale, der Lokalisierung der Proteine zur enzymatischen Katalyse, sowie
dem kontrollierten Stofftransport [26].
Abbildung 2.9: Schematische Darstellung der Zellmembran. Grüne und rote Strukturen
zeigen Membranlipide in verschiedenen thermodynamischen Zuständen (grün=fluid,
rot=gelförmig). Die größeren Strukturen sind Proteine, die in und an der Lipidmembran
verankert sind. (Vgl. [48])
Die Grundbausteine der Zellmembranen sind die Lipide, die sich, aufgrund ihrer amphi-
patischen Struktur und des hydrophoben Effekts, in Wasser selbstständig zu Membranen
anordnen. In diesen integriert, ist eine große Anzahl verschiedener membrangebundener
Proteine. Die Erkenntnis, dass aufgrund verschiedenster Funktionen und Umgebungsbe-
dingungen jeder Zell- und Membrantyp eine spezielle Lipidzusammensetzung aufweist, ist
ein Hinweis auf die extreme Anpassungsfähigkeit, die Membranen besitzen.
Ausgehend vom einem passiven Verhalten der Lipide in Singers Flüssig-Mosaik-Modell
[36], zeigen verschiedene Untersuchungen auch eine aktive Rolle an zellulären Vorgängen.
Dabei erfüllt der Phasenübergang (siehe 2.2.2), welchen sie vollziehen, eine wichtige
Aufgabe.
2.2.1 Membranlipide 7
Die größte Gruppe der Lipide in Membranen sind die Phospholipide. Sie werden aus
zwei Fettsäuren und einem Phosphat gebildet, welche kovalent über Estherbindungen mit
einem Glycerolmolekül verbunden sind. Das Phosphat bildet in Kombination mit einer
variablen Molekülgruppe den Kopf des Lipids, welcher sowohl polar, als auch geladen
7 Informationen und Bilder zu diesem Abschnitt stammen aus dem Buch “Taschenatlas der Biochemie”
(2003) [26]
16

2 Theoretische Vorbetrachtungen
sein kann (siehe Abb.2.10). Die Fettsäurenschwän-
ze hingegen zeigen keine Polarität, wodurch sich
der ausgeprägte amphipatische Charakter der Phos-
pholipide erklären lässt. Abhängig von der Lipid-
konzentration bilden sich in wässrigen Lösungen
kugelförmige oder planare Mono-, Bi- und Multi-
layer, um den Kontakt zwischen den Wassermolekü-
len und den Kohlenstoffketten zu verringern (siehe
Abb. 2.11). Der Grund für dieses Verhalten ist die
Störung der Wasserstruktur, da die unpolaren Ketten
des Lipids keine Wasserstoffbrückenbindungen mit
dem polaren Wasser eingehen können.
Ein weiteres Lipid, das bis zu 35% der Membran
ausmachen kann und großen Einfluss auf deren Flui-
Abbildung 2.10: Darstellung des all-
gemeinen Aufbaus der Phospholipide
(Vgl. www.bioteach.ubc.ca, Phospholi-
dität, laterale Beweglichkeit und Permeabilität hat, ist das Cholesterol. Cholesterol führt
zu einer Verdichtung der Membran und erhöht dadurch die Membransteifigkeit [26].
Abbildung 2.11: Mögliche Formen, die Lipide in wässrigen Lösungen bilden, um den
Kontakt zwischen den polaren Wassermolekülen und den hydrophoben Kohlenwasserstoffketten
zu verringern. (Vgl. Wikimedia.org, Phospholipids Aqueous Solution Structures)
pid)
2.2.2 Thermodynamische Eigenschaften der Lipide
Lipide besitzen einen spezifischen Phasenübergang, bei dem es zu verschiedenen Konfor-
mationsänderungen der Moleküle kommt. Der Phasenübergang der Lipide kann in einer
Analogie zum Wasser beschrieben werden. Wie bei Wasser, dass beim Abkühlen von einer
flüssigen in eine feste Phase übergeht und dadurch zu Eis wird, besteht bei Phospholipiden
ein Übergang von einer fluiden (L α ′) in eine gelförmige Phase (L β ′) (siehe Abb. 2.12a).
Der Temperaturbereich in dem der Phasenübergang erfolgt, ist lipidspezifisch und hängt
17

von verschiedenen Faktoren ab:
• molekulare Faktoren
2 Theoretische Vorbetrachtungen
– Länge der Kohlenwasserstoffketten
– Anzahl und Ort der Doppelbindungen in den Kohlenwasserstoffketten
– Art der Kopfgruppe
• thermodynamische Faktoren
– Temperatur
– pH-Wert
– Salzkonzentration
– Druck
– Konzentration membranlöslicher Stoffe
Der Phasenübergang vom fluiden in den gelförmigen Zustand sorgt in Lipidschichten dafür,
dass die Packungsdichte stark ansteigt, wodurch die Fläche der Lipidschicht abnimmt
und die Beweglichkeit der Lipide verringert wird. Als einfache und gut kontrollierbare
Möglichkeit zur Untersuchung des Phasenübergangs eignen sich vor allem Methoden, die
die spezifische Wärmekapazität, temperaturabhängig aufzeichnen. Es zeigen sich relativ
scharfe Änderungen der Messgröße, da die für die Temperaturerhöhung der Lipidlösung im
Bereich des Phasenübergangs vom gelförmigen in den fluiden Zustand benötigte Energie,
sprunghaft zunimmt (siehe Abb. 2.12b).
(a) (b)
Abbildung 2.12: a: Schematische Darstellung der verschiedenen Lipidphasen. links:
Lipide in der fluiden Phase (Lα ′). rechts: Lipide in der gelförmigen Phase (Lβ ′). (Vgl.:
blogspot.com, Phases)
b: Verlauf der spezifischen Wärmekapazität in Abhängigkeit von der Temperatur, bei
einer Mischung aus zwei Lipiden (DLPC-D15PC).
18

2 Theoretische Vorbetrachtungen
Deutlich komplizierter ist der Phasenübergang in natürlichen Zellmembranen, da sie
aus einer Vielzahl verschiedener Lipide und Proteine mit unterschiedlichen Eigenschaf-
ten aufgebaut sind, wodurch die Anzahl thermodynamischer Freiheitsgrade erheblich
ansteigt und die Phasenübergänge der Lipide sich überlappen. Infolge des Fluktuations-
Dissipations-Theorems, verändern sich beim Phasenübergang beispielsweise die Wärme-
kapazität, Biegesteifigkeit, Relaxationszeit und Kompressibilität. Aufgrund der starken
lateralen Beweglichkeit und den unterschiedlichen Phasenübergangstemperaturen der ver-
schiedenen Lipide, kann es beim Abkühlen zur Entmischung und somit zur Ausbildung
von Domänen kommen. Domänen sind Bereiche in einer Membran, in denen sich eine
große Anzahl Lipide gleicher Phase ansammeln. Aus Experimenten an Membranvesikeln
ist bekannt, dass sich zu Beginn der Entmischung erst sehr kleine Domänen bilden, die
im Laufe der Zeit, durch Verschmelzung, zu großen Strukturen heranwachsen. In diesem
Zustand ist die Membran für Ionen und andere Moleküle durchlässig. So entsteht ein dyna-
misches Modell der Zellmembran, deren Eigenschaften signifikant von den Grenzflächen
zwischen den Domänen, beeinflusst werden.
2.2.3 Ersatzmodell für viskoelastische Festkörper 8
Für die Untersuchung der Aktionspotential-Propagation als Schallwelle (Vgl. Abschnitt
2.1.3.2), sind Kenntnisse der mechanischen Eigenschaften der Zellen nötig. Tierische
Zellen zeigen neben viskosem, auch elastisches Verhalten und zählen somit zur Klasse der
viskoelastischen Materialien (siehe Abb. 2.13). Verantwortlich für die Viskoelastizität der
Abbildung 2.13: Versuch zur Bestimmmung des viskoelastischen Verhaltens einer Endothelzelle.
Dargestellt ist eine externe Kraft (graue Fläche) die in x-Richtung auf die Zelle
wirkt. (Vgl. [8])
8 Informationen und Bilder zu diesem Abschnitt stammen aus dem Buch “Technische Mechanik 4 (2002)”
[11]
19

2 Theoretische Vorbetrachtungen
Zelle, ist der 100 - 500nm dicke Zellkortex aus Aktinfilamenten, der mittels verschiede-
ner Proteine in der Zellmembran verankert ist [8] (Vgl. Abschnitt 2.1.1). Im folgenden
Abschnitt wird ein Ersatzmodell für viskoelastische Festkörper vorgestellt.
Zwei Versuche, die den für viskoelastische Materialien charakteristischen Kurvenver-
lauf zeigen, sind der Kriechversuch und der Relaxationsversuch. Beim Kriechversuch
wird zur Zeit t = 0, die Zugkraft F0 auf einen Stab aufgebracht und konstant gehalten.
Voraussetzung ist, dass die Dauer der Belastung ∆t sehr viel kleiner als der Zeitraum
ist, in dem die Kraft konstant gehalten wird (siehe Abb. 2.14 a). Da die Kraft F0 einen
konstanten Wert beibehält und auch die Fläche des Stabs unverändert bleibt, nimmt auch
die Spannung mit σ0 =
|F0|/A einen konstanten Wert an (siehe Abb. 2.14 b). Graph c stellt
die Kriechfunktion J (t) = ε(t)/σ0 des Stabs mit Dehnung ε (t) bezogen auf die Spannung
dar und beschreibt, wie sich die Dehnung zeitverzögert einstellt. Zur Zeit t = 0 zeigt sich
die momentane Nachgiebigkeit J (0). Für t = ∞ läuft die Kriechfunktion gegen den Wert
J (∞), die Gleichgewichtsnachgiebigkeit.
Abbildung 2.14: Kriechversuch an einem viskoelastischen Festkörper. a: Zugkraft F die
auf den Festkörper wirkt und konstant gehalten wird. b: Spannung σ die zum Zeitpunkt
t = 0 sprunghaft ansteigt und konstant bleibt. c: Kriechfunktion des Körpers, dessen
Dehnung ε sich zeitverzögert einstellt. (Vgl. [11])
Beim Relaxationsversuch wird ein Stab zum Zeitpunkt t = 0 um einen festen Wert
gedehnt und die Dehnung ε = ε0 über längere Zeit konstant gehalten (siehe Abb. 2.15a).
Die Relaxationsfunktion G(t) = σ(t)/ε0 beschreibt das zeitliche Abklingen der Spannung,
gegenüber der konstanten Dehnung (siehe Abb. 2.15b). G(0) ist das momentane Elastizi-
tätsmodul zum Zeitpunkt t = 0 und G(∞) das Gleichgewichtmodul für t = ∞.
Nun lässt sich dieses Kriech- und Relaxationsverhalten viskoelastischer Materialien auch
in mechanischen Modellen durch die Kombination von Dämpfern und Federn nachbilden,
was sich insbesondere zur qualitativen Beschreibung und zum besseren Verständnis der
Phänomene eignet. Die Feder übernimmt im Modell den elastischen Anteil, der durch des-
sen Elastizitätsmodul E beschrieben wird, während der Dämpfer mit seiner dynamischen
20

2 Theoretische Vorbetrachtungen
Abbildung 2.15: Relaxationsversuch an einem viskoelastischen Körper. a: Die Dehnung
ε wird für die Dauer des Versuchs auf einem konstanten Wert gehalten. b: Relaxationsfunktion
des Körpers, dessen Spannung σ mit der Zeit t langsam abnimmt. (Vgl.
[11])
Zähigkeit η, das viskose Verhalten simuliert.
Grundsätzlich lassen sich Dämpfer und Feder durch Reihen- sowie durch Parallel-
schaltung kombinieren. Die Parallelschaltung wurde durch Lord Kelvin (1824–1907) und
Woldemar Voigt (1850–1919), in dem nach ihnen benannten Kelvin-Voigt-Körper realisiert
(siehe Abb. 2.16a). Das Anlegen der konstanten Spannung σ (t) am Element führt zur Deh-
nung ε (t), wobei ε für Feder und Dämpfer stets den gleichen Wert annimmt (siehe Abb.
2.16b). Man erkennt, dass der Kurvenverlauf der Kriechfunktion dem des viskoelastischen
Körpers ähnelt und auf die Gleichgewichtsnachgiebigkeit J (∞) zuläuft, jedoch fehlt die
momentane Nachgiebigkeit J (0). Die Spannung σ, die sich bei diesem Experiment ergibt,
folgt aus der Superpostion der Federspannung σH = Eε und der Spannung im Dämpfer
σN = η ˙ε, mit ˙ε der Dehnungsgeschwindigkeit und der Übergangszeit (Retardationszeit)
τ = η/E.
σ = E(1 + τ ˙ε) (2.15)
Abbildung 2.16: a: Kelvin-Voigt-Körper durch Parallelschaltung von Dämpfer und Feder.
b: Kriechfunktion des Kelvin-Voigt-Körpers bei konstanter Spannung. (Vgl. [11])
21

2 Theoretische Vorbetrachtungen
Durch Grenzfallbetrachtungen für die Zeit t, erhält man die Kriechfunktion des Kelvin-
Voigt-Körpers.
J (t) = 1
E (1 − e−t/τ ) (2.16)
Durch, in Reihe schalten von Dämpfer und Feder, erhält man das von J.C. Maxwell
(1831–1879) entwickelte Element, den Maxwell-Körper (siehe Abb. 2.17a). In diesem Fall
hat die Spannung in beiden Bauteilen den gleichen Wert und ε ergibt sich aus der Summe
der Dehnungen beider Elemente. Der Kurvenverlauf des Maxwell-Körpers wird durch
zwei Verhaltensweisen geprägt. Wie Abbildung 2.17b zeigt, führt die Kraft bei t = 0 zu
einem sprunghaften Anstieg der Dehnung durch die Feder, wie man es von Festkörpern
kennt. Der darauf folgende Dehnungsanstieg ab t > 0, rührt nur noch vom Dämpfer her
und zeigt ein flüssigkeitsartiges Verhalten. Auch dieses Modell hat somit seine Nachteile.
Der Kurvenverlauf zeigt das J (0) existiert, jedoch entspricht der lineare Dehnungsanstieg,
der auf keinen festen Wert zuläuft, nicht dem eines viskoelastischen Körpers. Auch die
Relaxationsfunktion erfüllt die Ansprüche nicht, da der Spannungsverlauf kein Gleichge-
wichtmodul G(∞) besitzt. Die sich aus diesem Verhalten ergebende Kriechfunktion J (t)
lautet:
J (t) = 1 t
+
E η
(2.17)
Abbildung 2.17c zeigt den Relaxationsversuch durch Aufbringen einer konstanten
Dehnung und dem sich daraus ergebenden Spannungssprung zur Zeit t = 0. Ab t > 0
nimmt die Dehnung des Dämpfers langsam zu und damit die der Feder ab, wobei sich das
System entspannt und die Spannung sinkt. Die Relaxtionsfunktion des Maxwell-Körpers
lautet somit:
G(t) = Ee −t/τ
(2.18)
Allein die Kombination eines Dämpfers und einer Feder reicht jedoch nicht für die
Beschreibung eines viskoelastischen Körpers. Genauere Ergebnisse erreicht man durch die
Kombination mehrerer Dämpfer und Federn, zu linearen Standardkörpern. Eine geeignete
Lösung zur Beschreibung des viskoelastischen Verhaltens eines Festkörpers, bieten die
Reihenschaltung des Kelvin-Voigt-Körpers mit einer Feder (siehe Abb. 2.18a), sowie die
Parallelschaltung eines Maxwell-Körpers und einer Feder (siehe Abb. 2.18b). Dabei sind
beide Modelle in ihrer Funktion gleichwertig. Der Kriechversuch in Abbildung 2.18c zeigt,
dass der lineare Standardkörper sowohl eine momentane Nachgiebigkeit J (0) = 1/E0,
22

2 Theoretische Vorbetrachtungen
Abbildung 2.17: a: Maxwell-Körper durch Reihenschaltung von Dämpfer und Feder. b:
Kriechfunktion des Maxwell-Körpers bei konstanter Spannung. c: Relaxationsfunktion
des Maxwell-Körpers bei konstanter Dehnung. (Vgl. [11])
als auch eine Gleichgewichtsnachgiebigkeit J (∞) = 1/E0 + 1/E1 besitzt. Weiter zeigt
sich in Abbildung 2.18, dass sich im Relaxationsversuch für t = ∞ keine vollständige
Spannungsrelaxation einstellt und die Spannung auf das Gleichgewichtsmodul G(∞) = Ē∞
zustrebt. Durch Vergleichen des linearen Standardkörpers mit den Abbildungen 2.14
und 2.15 des viskoelastischen Elements, erkennt man, dass sich deren Verhaltensweisen
sehr ähneln. Die Superpositionierung der Spannungen des Kelvin-Voigt-Körpers und des
Hookschen Körpers, führen zur Kriechfunktion des linearen Standardkörpers
J (t) = 1
mit der Retardationszeit τ = η1/E1.
E0
+ 1
(1 − e
E1
−t/τ
) (2.19)
Die Bestimmung der Relaxationsfunktion erfolgt durch Superpositionierung der Span-
nung im Maxwell-Körper und der Feder (siehe Abb. 2.18b). Mit der Relaxationszeit
¯τ = ¯ η1/ E1 ¯ folgt daraus die Gleichung für die Relaxationsfunktion.
−t/ ¯τ
G(t) = Ē∞Ē1e 23
(2.20)

2 Theoretische Vorbetrachtungen
Abbildung 2.18: a: Linearer Standardkörper durch Reihenschaltung eines Kelvin-Voigt-
Körpers mit einer Feder. b: Linearer Standardkörper durch Parallelschaltung eines
Maxwell-Körpers mit einer Feder. c: Kriechversuch des linearen Standardkörpers mit
Momentan- und Endelastizität. d: Relaxationsversuch des linearen Standardkörpers mit
Gleichgewichtsmodul. (Vgl. [11])
2.3 Nervensystem des Regenwurms - Lumbricus
terrestris L. 9
Das Bauchmark des Regenwurms liegt, wie der Name schon sagt, auf der Bauchseite
und ist hier mit dem Hautschlauch verbunden, der das Wurminnere von der Umgebung
trennt. Die Nervenfasern verlaufen überwiegend in den zentralen Bereichen, wobei deren
zugehörige Zellkörper in den Randzonen lokalisiert sind. Das Bauchmark entwickelte
sich ursprünglich aus einem Strickleiternervensystem. Dies gilt als Ursprung des Ner-
vensystems aller Gliedertiere. Die Bezeichnung Strickleiternervensystem lässt sich von
dessen Aussehen ableiten und beschreibt die paarweise, symmetrische und segmentelle
Verteilung der Ganglien. Diese stehen in Längsrichtung durch Konnektive und quer, durch
Kommissuren in Verbindung, jedoch ist davon beim Regenwurm kaum mehr etwas zu
9Informationen zu diesem Abschnitt stammen aus dem Buch “Der Regenwurm-Lumbricus terrestris L.:
Eine Praktikumsanleitung” (1986) [51]
24

erkennen.
2 Theoretische Vorbetrachtungen
Die Bauchmarkhülle besteht aus drei strukturell differenzierten Schichten. Die äußers-
te dieser Schichten besteht überwiegend aus Kollagenfibrillen, wodurch diese auch den
Namen “faserige Hülle” trägt. Darunter findet man eine Schicht, die aus parallel zur
Längsachse des Bauchmarks verlaufenden Muskelfasern gebildet wird. Die dritte Schicht
bildet die Neuroglia, die vor allem eine isolierende und stützende Funktion erfüllt. Au-
ßerdem verlaufen kleine Gefäße und Kapillaren in ihr. Die Aufgabe der dreischichtigen
Hülle ist es, die Nerven vor Druck, Stauchung und Dehnung während der Bewegungen des
Wurms zu schützen.
Abbildung 2.19: Mikroskopische Aufnahme der medianen und lateralen Riesenfasern (RF)
sowie des Muskelgewebes (M) des Regenwurms Lumbricus terrestris L. im Querschnitt.
(Vgl. [37])
Bei der Betrachtung eines Schnittbildes der inneren Strukturen des Bauchmarks (siehe
Abb. 2.19), lassen sich deutlich voneinander abgegrenzte Nervenzellen erkennen. In der
Mitte des Bauchmarks verlaufen die zu Strängen zusammengefassten Nervenfasern des
Wurms. Durch ihre ungewöhnliche Größe am auffälligsten, sind die dorsal gelegenen
Riesenfasern. Die mediane Riesenfaser erreicht einen Durchmesser von ca. 65 - 70µm.
Seitlich davon liegen die beiden lateralen Riesenfasern mit Durchmessern von 30 - 50µm.
Die lateralen Riesenfasern sind durch Brücken verbunden und bilden dadurch eine funktio-
nelle Einheit. Die Riesenfasern ermöglichen aufgrund ihres enormen Durchmessers eine
schnelle Signalleitung. Sie vermitteln ausschließlich den Fluchtreflex, der durch Berühren
des Wurms ausgelöst wird. Dabei besitzt die mediane Riesenfaser eine geringere Schwelle
für Reizungen am Vorderende und die lateralen Riesenfasern eine geringere Schwelle
für Reizungen am Hinterende. Die Riesennerven werden von ihrer Entstehung ab erst
allmählich von Neurogliazellen umwickelt, welche die lockere Myelinschicht bilden. Die
Riesenfasern sind keine durchgehenden Stränge. Sie werden segmentiell von einzelnen
Zellen gebildet und können durch schrägliegende Septen, die den Zellgrenzen entsprechen,
25

2 Theoretische Vorbetrachtungen
voneinander getrennt sein. Die Septen werden während der Entwicklung des Wurms erst
komplett aufgebaut und dann langsam wieder aufgelöst, was bei ausgewachsenen Würmern
dazu führt, dass in der medianen Riesenfaser 50 - 85% und in den lateralen Riesenfasern
20 - 60% der Septen unvollständig sind. Aufgrund der unvollständigen Septen wirkt die
mediane Riesenfaser wie ein langes Axon und kann bei den Versuchen als durchgehende
Nervenfaser betrachtet werden (siehe Abb.2.20).
Abbildung 2.20: Schematische Darstellung des Riesenfasern-Systems des Regenwurms
Lumbricus terrestris L. Der Verlauf der medianen und lateralen Riesenfasern (MRF, LRF)
ist in Längs- und Querschnittsprojektionen abgebildet. (Vgl. [52])
Eine nur bei der medianen Riesenfaser auftretende Erscheinung ist das segmentelle
Vorhandensein von zwei kleinen Öffnungen in der Myelinschicht. Die im Abstand von
500 - 700µm voneinander entfernten Löcher, weisen einen Durchmesser von 10 - 15 µm
auf. An diesen Öffnungen ragt die Riesenfaser durch die Gliahülle. Das Erscheinungsbild
ähnelt dem der Ranvierschen Schnürringe, wie sie bei den myelinisierten Fasern der
Wirbeltiere vorkommen. Vermutlich kommt es daher auch bei der medianen Riesenfaser
zu einer saltatorischen Erregungsleitung [12]. Dies würde die nicht dem Durchmesser
entsprechende, hohe Leitungsgeschwindigkeit der medianen Riesenfaser erklären [51].
26

2.4 Anästhetika
2 Theoretische Vorbetrachtungen
Die wichtigste Aufgabe der Anästhesie ist seit jeher, die Schmerzfreiheit des Patienten
während der Behandlung sicher zu stellen. So soll eine optimale Situation sowohl für den
Patienten selbst, wie auch für den Operateur gewährleistet werden [39].
Crawford Williamson Long, der 1842 als erster Äther als beswusstseins- und schmerz-
betäubendes Mittel während einer Operation verwendete, verhalf damit der westlichen
Medizin zu einem nie dagewesenem Durchbruch. Was dieser Fortschritt für die Menschen
jener Zeit bedeutete, wird in den Zeilen des Chirurgen Johann Friedrich Dieffenbach aus
dem Jahre 1846 deutlich [39]:
"Der schöne Traum, dass der Schmerz von uns genommen, ist zur Wirklich-
keit geworden. Der Schmerz, dies höchste Bewusstwerden unserer irdischen
Existenz, diese deutliche Empfindung der Unvollkommenheit unseres Körpers,
hat sich beugen müssen vor der Macht des Ätherdunstes."
(a) (b)
Abbildung 2.21: Molekülmodelle verschiedener Anästhetika mit unterschiedlichen Atomen
und Atomgruppen. a: Inhalationsanästhetika, b: intravenös applizierte Anästhetika.
[50]
Seit den ersten bekannten Versuchen auf dem Gebiet der Anästhesie, fanden viele weitere
Stoffe den Weg in die operative Medizin. Betrachtet man verschiedene anästhetische
Substanzen fällt auf, dass sich keine einheitliche chemische Struktur finden lässt (siehe
Abb. 2.21). Man sollte doch denken, dass all diese Stoffe auf ähnliche Weise wirken
und sich demzufolge in ihrem Aufbau ähneln, doch meist sind es verschiedene, kleine,
organische Substanzen. Aber auch Stoffe wie Lachgas oder das Edelgas Xenon wirken
anästhesierend. Dabei wird klar, dass diese Substanzen nicht spezifisch und mit nur sehr
wenigen Rezeptoren wechselwirken [50].
27

2 Theoretische Vorbetrachtungen
Der molekulare Wirkmechanismus der Anästhetika ist noch unklar. Es haben sich drei
Theorien entwickelt, die die Wirkung auf die Membran beschreiben: die Lipid-Theorie,
die Protein-Theorie und eine Mischung dieser beiden Theorien.
Abbildung 2.22: Die doppellogarithmisch aufgetragene Meyer-Overton Korrelation zeigt
eine lineare Abhängigkeit der anästhetischen Wirksamkeit von dem Verteilungskoeffizient
(Partitionskoeffizient) des Anästhetikums. (Vgl. [50])
Die Lipidtheorie geht auf die Forscher Mayer und Overton zurück. Beide entdeckten
fast zeitgleich um 1900 den Zusammenhang zwischen der Löslichkeit einer Substanz
in Olivenöl und ihrer anästhetischen Wirkung [50]. Das heißt, je größer die Löslichkeit,
desto stärker ist auch die Wirkung. Die daraus folgende Mayer-Overton-Regel liefert
auf einer logarythmischen Skala, einen lineraren Zusammenhang zwischen dem Öl-/Gas-
Verteilungskoeffizient und der Wirksamkeit eines Anästhetikums (siehe Abb. 2.22). Da
Olivenöl den Nachteil besitzt aus verschiedenen Ölen aufgebaut zu sein, wird heute der
Oktanol-/Wasser-Verteilungskoeffizient verwendet. Dieser Koeffizient weist eine bessere
Korrelation zwischen der Löslichkeit eines Anästhetikums und dessen Wirkung auf. Die
auf der Mayer-Overton-Regel beruhende Lipidtheorie, beschreibt die Wirkung anästhe-
tischer Substanzen durch das Lösen dieser, in Lipiddoppelschichten der Zellen bis zu
einer kritischen Konzentration, was Veränderungen der physikalischen Eigenschaften der
Membran zur Folge hat. NMR-Untersuchungen haben ergeben, dass es durch Zugabe von
Anästhetika zu einer Störung der Phospholipide in der Lipiddoppelschicht von Membranen
28

2 Theoretische Vorbetrachtungen
kommt. Da die Membranen der verschiedenen Zellen im Körper auch eine unterschiedliche
Lipidzusammmensetzung aufweisen, kann dies eine Erklärung für die unterschiedliche
Wirkung der anästhetischen Substanzen auf die Zellen sein.
Auch an Proteinen wurde die NMR-Methode zur Untersuchung des Wirkortes der
Anästhetika angewandt. Dabei konnten zwei mögliche Wechselwirkungsmechanismen
festgestellt werden. Erstens besetzen anästhetische Substanzen die hydrophoben Bin-
dungstaschen der Proteine, was die Funktion stark beeinflusst und zweitens kommt es
an Membranproteinen zu Wechselwirkungen mit deren hydrophoben Aminosäuren. Es
wird vermutet, dass dies zu einer Konformationsänderung der Proteine führt, was deren
Inaktivierung zur Folge hat [28]. Diese Mechanismen können aber, im Vergleich zur Lipid-
Theorie, keine Erklärung für die unterschiedliche Wirkung verschiedener Anästhetika
liefern.
29

3 Methodischer Teil
In diesem Teil soll das Verfahren der elektrophysiologischen Messungen am Regenwurm
und der differenzkalorimetrischen Untersuchung von Lipiden beschrieben werden. Dazu
wird zunächst auf die einzelnen Elemente des Versuchsaufbaus eingegangen. Im Anschluss
werden die nötigen Schritte der Präparation und der Versuchsdurchführung beschrieben.
3.1 Elektrophysiologische Messungen am
Regenwurm
3.1.1 Versuchsaufbau
Die elektrophysiologischen Messgeräte des Versuchsaufbaus zur Erfassung bioelektrischer
Signale des Regenwurms, stammen von der Firma PHYWE Systeme GmbH & Co. KG
aus Göttingen (siehe Abb. 3.1) und umfassen die folgenden Komponenten:
• Reizgenerator zum Auslösen des Aktionspotentials (1)
• Regenwurmmesskammer zur Fixierung des Regenwurms (2)
• Bioverstärker zur Ableitung und Verstärkung der erzeugten Aktionspotentiale (3)
• Computerinterface zur Aufzeichnung und Digitalisierung der Messdaten (4)
• Computersoftware zur Darstellung der digitalisierten Messdaten am PC
Der Reizgenerator erzeugt elektrische Impulse, die über Kabel auf die Elektroden in
der Regenwurmmesskammer geleitet werden. In der Regenwurmmesskammer ist der
Regenwurm gestreckt auf den Elektroden fixiert. Der Impuls führt zum Auslösen des
Aktionspotentials in der medianen Riesenfaser des Wurms, welches sich bis zum anderen
Ende ausbreitet und hier von Elektroden des Bioverstärkers abgeleitet wird. Der Bio-
verstärker verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis der abgeleiteten Potentialdifferenzen
und verstärkt diese, bevor sie im Computerinterface digitalisiert und gespeichert werden.
30

3 Methodischer Teil
Abbildung 3.1: Abbildung des Versuchsaufbaus zur Ableitung elektrophysiologischer
Messwerte vom Bauchmark des Regenwurms. 1: Reizgenerator, 2: Regenwurmmesskammer,
3: Bioverstärker, 4: Computer-Interface
Nach Abschluss der Messung werden die Daten auf den PC übertragen und hier durch die
mitgelieferte Software in ein darstellbares Format umgewandelt.
Für die Messung der Temperatureinflüsse auf die Nervenleitungsvorgänge wurden weite-
re Komponenten verwendet, die den Heiz- und Kühlvorgang sowie die Temperaturkontrolle
ermöglichen:
• Kupferplatte zur Temperierung der Regenwurmmesskammer
• Wärmebäder die der Kupferplatte Wärmeenergie zuführen oder entziehen
• modifiziertes Peltierelement zur lokalen Erwärmung des Regenwurms
• Netzteil zur Stromversorgung des Peltierelements
• Operationsverstärker zur Verstärkung der Eingangsspannung am Computer-Interface
• Netzteil zur Stromversorgung des Operationsverstärkers
• elektronisches Thermometer auf Grundlage des Seebeck-Messprinzips zur Tempera-
turkontrolle bei der globalen Temperaturveränderung
31

3 Methodischer Teil
• Wärmebildkamera zur Temperaturkontrolle bei der lokalen Erwärmung
Für die globale Temperierung der Regenwurms werden die beiden Wärmebäder mit der
Kupferplatte verbunden, um die Geschwindigkeit der Nervenleitung bei verschiedenen
Temperaturen zu messen. Zur Kontrolle der Temperatur des Regenwurms wird unter
dessen Bauchseite und somit in direkter Umgebung der Nervenfasern, der Messfühler
eines Thermometers platziert.
Die Untersuchungen bei lokaler Erwärmung des Regenwurms werden durch Kombi-
nation eines Peltierelements mit einem Kupferbauteil möglich, welches an einer Stelle
auf die Bauchseite des Wurms gedrückt wird. Die Kontrolle der Temperaturverteilung auf
der Regenwurmoberfläche während dieses Vorgangs, erfolgt durch Aufnahmen mit einer
Wärmebildkamera.
Im weiteren Verlauf dieses Kapitels werden die einzelnen Komponenten ausführlicher
vorgestellt und nötige Modifikationen erklärt.
3.1.1.1 Reizgenerator
TECHNISCHE DATEN
Amplitude: 0...9 V
Impulsbreite: 0...1 ms
Impulsauslösung: manuell
Impulsform: Rechteck
Abbildung 3.2: links: Reizgenerator zum Auslösen des Aktionspotentials am Regenwurm (Vgl.
Phywe). rechts: Technische Daten des Reizgenerators.
Der Reizgenerator (siehe Abb. 3.2) wurde für die elektrische Reizung bioelektrischer
Signale entwickelt und liefert die nötige Spannung zum Auslösen eines Aktionspotentials.
Über ein Elektrodenpaar an der Regenwurmmesskammer, wird der erzeugte Impuls auf
das vordere Ende des Regenwurms übertragen.
Am Reizgenerator können über Stellknöpfe die Ausgangsamplitude und die Impulsbrei-
te stufenlos geregelt werden. Die Messungen werden mit einer Impulsbreite von 0,5ms
durchgeführt, wobei die benötigte Ausgangsspannung bei verschiedenen Würmern zwi-
schen 1,5V und 3V schwankt. Mit der Betätigung des Startknopfes wird der eingestellte,
32

3 Methodischer Teil
elektrische Impuls auf die mediane Riesenfaser übertragen und die Aufnahme der Messung
am Computer-Interface initialisiert.
Das Problem, das sich nach den ersten Messungen ergab, war das Auslößen der Aufnah-
me durch das Starten des Reizgenerators. Am Computerinterface muss die Spannung einen
Grenzwert von 2,5V überschreiten, was auch über die Software nicht zu ändern ist. Bei
einer Anregespannung dieser Größenordnung, werden jedoch nicht nur Aktionspotentiale
in der medianen, sondern auch in der lateralen Riesenfaser ausgelöst und folglich auch
vom Computerinterface aufgezeichnet. Das führt zu einer Überlagerung dieser beiden
Signale und macht eine exakte Auswertung unmöglich (siehe Abb. 3.3).
Abbildung 3.3: Potentialschwankungen der Aktionspotentiale in den Riesenfasern. Der
erste Peak stammt von der medianen Riesenfaser. Die darauf folgenden Schwankungen
entstehen durch die Überlagerung der Potentiale aus der medianen und den lateralen
Riesenfasern.
Daher wurde ein nichtinvertiertender Operationsverstärker (siehe Abb. 3.4) zwischen den
Reizgenerator und das Computerinterface geschaltet. Die Widerstände in der Operationverstärker-
Schaltung wurden so gewählt, dass eine 2,5-fache Verstärkung des Ausgangssignals erfolg-
te. Somit kann eine Messaufnahme bereits bei 1V Ausgangsspannung ausgelöst werden.
Nichtinvertierender Operationsverstärker
Als Grundbaustein für die Schaltung zur Verstärkung des Ausgangssignals des Reizgenera-
tors, dient ein einfacher Operationsverstärker (OP). Die im Handel mit unterschiedlichen
integrierten Schaltungen erhältlichen Operationsverstärker sind analoge, aktive Bauelemen-
te, mit einem invertierenden (U−) und einem nichtinvertierenden (U+) Eingang. Allen OP
gemein ist auch, dass deren Eingangsstufe immer ein Differenzverstärker ist. Ursprünglich
33

3 Methodischer Teil
Abbildung 3.4: Nichtinvertierender Operationsverstärker, zur Verstärkung der Eingangsspannung
am Computer-Interface zur, Tiggerung der Messaufnahme
wurden OP in analogen Rechnern für das Ausführen mathematischer Operationen wie
Logarithmieren, Integrieren, Addieren und Subtrahieren verwendet. Heute werden sie
hauptsächlich zur Spannungs- und Leistungsverstärkung eingesetzt.
Der Differenzverstärker am Eingang des Operationsverstärkers reagiert auf sehr geringe
Spannungsunterschiede zwischen U− und U+ und wandelt diese unter Verwendung einer
Konstantstromquelle, in einen proportionalen Ausgangsstrom um. Im nächsten Schritt
wird der kleine proportionale Strom durch die sogenannte Geradeausverstärkung oder
Leerlaufverstärkung GGV , wiederum unter Verwendung der Konstantstromquelle, um das
bis zu 10.000-fache verstärkt.
UAusgang = (U+ −U−)GGV
(3.1)
Die Leistungsendstufe bildet das letzte Glied der Verstärkung und benötigt als einzige
keine Konstantstromquelle. Sie wirkt als Stromtreiber für den Ausgang und ermöglicht
durch einen kleinen Ausgangswiderstand einen hohen Ausgangsstrom. Als Konstant-
stromquelle dient ein Netzteil, dass den Operationsverstärker mit einer symmetrischen
Betriebsspannung +U und -U versorgt.
Die im integrierten Schaltkreis des Operationsverstärkers zusammengefassten Elemen-
te, erfüllen die eigentliche Aufgabe der Verstärkung. Die Anpassung der gewünschten
Wirkungsweise des Operationsverstärkers, zum nichtinvertierenden Operationsverstärker,
erfolgt durch die äußere Beschaltung (siehe Abb. 3.5). [38]
34

3 Methodischer Teil
Abbildung 3.5: Schaltplan des nichtinvertierenden Operationsverstärkers.
Der Unterschied zwischen dem nichtinvertierenden und dem invertierenden Operations-
verstärker ist der, dass beim Nichtinvertierenden die Polarität, bzw. das Vorzeichen der
Eingangsspannung nicht verändert wird. Mit der benötigten Betriebsspannung an Eingang
4 und 7 (siehe Abb. 3.5), wird der Operationsverstärker durch ein Netzteil versorgt. Die
Eingänge 1 und 2 und der Ausgang 6 werden durch Lötverbindungen auf der Platine
mit Kabeln und den daran befestigten Bananensteckern kontaktiert. Für die Beschaltung
als nichtinvertierender Verstärker werden der Widerstand R1 und das Potentiometer R2
verwendet. Die beiden Widerstände bilden einen, einseitig auf der Masse liegenden Span-
nungsteiler. Durch sie wird ein Teil der Ausgangsspannung zur Spannungsgegenkopplung
auf den invertierenden Eingang des OP geleitet. Die Verstärkung des OP berechnete sich
dadurch nach der Formel:
UAusgang = UEingang(1 + R2
R1
) (3.2)
Das Ausgangssignal des Reizgenerators U1 wird mit dem nichtinvertierenden Eingang
des Operationsverstärkers verbunden. Als Differenzsignal wird der invertierende Eingang
mit einem Nullpotential (GND) beschaltet. Die verstärkte Ausgangsspannung bildet die
Differenz der beiden Potentiale U2 und GND. Da R1 in der Schaltung ein 10 kΩ Wider-
stand ist, ergab sich für die gewünschte 2,5-fache Verstärkung des Eingangssignals, nach
Gleichung 3.2, einen Wert von 15 kΩ für das Potentiometer R2. [5]
3.1.1.2 Regenwurmmesskammer
Die Regenwurmmesskammer (siehe Abb. 3.6) bildet die Schnittstelle zwischen dem biolo-
gischen Gewebe und dem technischen System. Sie unterstützt bei der genauen Platzierung
35

3 Methodischer Teil
und anschließenden Fixierung des Regenwurms. Auch die Elektroden zur Übertragung und
Ableitung elektrischer Potentiale sind in die Messkammer integriert. Zur Temperaturregu-
lierung des Regenwurms wurde zudem eine Vorrichtung installiert, um über Wärmebäder
die Temperatur der Messkammer zu verändern. Die Vorrichtung ermöglicht es, den Wurm
zu erwärmen und zu kühlen, ohne seine Lage in der Kammer zu verändern.
Abbildung 3.6: Regenwurmmesskammer zum fixieren des Wurms während der
Messung.
Die Messkammer besteht hauptsächlich aus einem Aluminium U-Profil. Um den Wurm
in der Kammer zu fixieren, sind zwei Moosgummistreifen parallel, in einem Abstand von
10mm aufgeklebt, zwischen die der betäubte Regenwurm gelegt wird. Die Elektroden
zur Anregung und Ableitung der Nervenaktionspotentiale, sind paarweise angeordnete
Stecknadeln aus Edelstahl. Durch Krokodilklemmen werden die Kabel des Reizgenerators
und des Bioverstärkers mit den Elektroden kontaktiert. Eine dünne, mit Löchern versehene
Plexiglasplatte wird oben auf der Messkammer platziert, um den Regenwurm auch in
diese Richtung zu fixieren und dessen Kontakt mit den Elektroden, durch leichten Druck
zu erhöhen. Die Löcher in der Platte sichern die ausreichende Sauertoffversorgung des
Wurms während der Versuche. Zur Erdung der gesamten Kammer dient einerseits, eine
seitlich am U-Profil platzierte Buchse, sowie die Platzierung der Kammer auf einer, mit
der Erde verbundenen Aluminiumfolie.
36

3 Methodischer Teil
Temperaturregelung der Regenwurm-Messkammer
Um die Aktionspotential-Propagation in der medianen Riesenfaser bei unterschiedlichen
Temperaturen zu messen, wurde das System um ein Element erweitert, dass die Verände-
rung der Temperatur in der Regenwurm-Messkammer ermöglicht. Das Element musste die
Bauchseite des Regenwurms kontrolliert und schnell erwärmen und kühlen, während sich
die Lage des Wurms in der Kammer durch den Vorgang nicht verändert.
Die Lösung hierfür war eine Metallplatte, die die Temperatur der Kammer von unten
verändert. Da die Platte eine gute Wärmeleitfähigkeit benötigt, wurde sie aus Kupfer gefer-
tigt. Ihre äußeren Abmaße wurden so angepasst, dass sie exakt in das U-Profil passt. Um
der Kupferplatte Wärmeenergie zuzuführen oder zu entziehen, wurden auf einer Seite zwei
parallele Nuten in das Metall gefräßt, die sich am anderen Ende in einen Bogen vereinen.
In diese Nut wurde ein Kupferrohr eingepasst und anschließend durch Wärmeleitkleber
fest mit der Kupferplatte verbunden. Die Verbindung der Regenwurmmesskammer mit der
Kupferplatte, erfolgt über Gewinde in der Platte, die ein Verschrauben der beiden Bauteile
ermöglichen (siehe Abb. 3.7).
Abbildung 3.7: Kupferplatte welche zur Temperaturregulierung
mit der Messkammer verschraubt wird.
Da die Betäubung des Regenwurms nur für einen begrenzten Zeitraum wirkt, muss der
Vorgang des Abkühlens und Aufheizens sehr schnell erfolgen. Zu diesem Zweck werden
zwei getrennte Wärmebäder genutzt, die unterschiedlich temperiert sind. Die beiden Enden
des Kupferrohres sind durch Teflonschläuche, über 3-Wege-Stellventile, mit den beiden
Wärmebädern gekoppelt. Das einfache Hin- und Herschalten zwischen dem warmen und
dem kalten Wärmebad, ermöglicht einen ausreichend großen Temperaturgradienten. Um
den Einfluss der Umgebungstemperatur zu verringern, ist die Regenwurm-Messkammer
37

3 Methodischer Teil
während der Versuche in einem isolierenden Styroporbehälter untergebracht.
Peltier-Element
Um Veränderungen in der Erregungsleitung näher zu untersuchen, wurde ein Peltierelement
so umkonstruiert, dass die Temperaturveränderung lokal begrenzt stattfinden kann. Das
Peltier-Element ist ein, nach seinem Entwickler Jean Peltier benannter, elektrothermischer
Wandler, durch den Temperaturdifferenzen in einem Halbleiterbauteil erzeugt werden
können.
Um den Peltier-Effekt hervorzurufen werden Halbleiter, deren Leitungsbänder unter-
schiedliche Energieniveaus aufweisen, abwechselnd in einer Reihe angeordnet (siehe
Abb.3.8). Legt man jetzt eine Spannung an, wird an der Kontaktstelle der Halbleiter Wär-
meenergie aufgenommen, um Elektronen in das energetisch höher gelegene Leitungsband
zu befördern. An der darauf folgenden Kontaktstelle fällt das Elektron vom energetisch
höheren, auf das energetisch niedrigere Leitungsband, wobei Energie in Form von Wärme
frei wird. Die dabei abgegebene Wärme Qw ergibt sich aus der Summe der zugeführten
elektrischen Energie Pel und der auf der kalten Seite entzogenen Wärme Qk
Qw = Pel + Qk
Abbildung 3.8: Schematische Darstellung eines Peltierelements,
dass durch abwechselndes Aneinanderreihen p- und
n-dotierter Halbleiter gebildet wird.
(3.3)
Auch das für die Versuche verwendete Peltier-Element beruht auf diesem Prinzip.
Nur werden heute würfelförmige, p- und n-dotierte Halbleiter verwendet, die auf einer
quadratischen Fläche angeordnet sind (siehe Abb. 3.9). Verschiedene Würfel werden
immer abwechselnd, oben und unten über Metallbrücken miteinander verbunden, so
dass eine Reihenschaltung gebildet wird. Die Brücken sind zugleich die thermischen
Kontaktflächen zwischen den Halbleitern. Somit wird auf der einen Seite Wärme durch
die Metallbrücken aufgenommen und auf der anderen Seite wieder abgegeben, was zu
einer Temperaturdifferenz zwischen der oberen und der unteren Fläche führt. Welche Seite
sich bei Stromfluss erwärmt und welche sich abkühlt, wird durch die Richtung, die der
38

3 Methodischer Teil
Strom durch die Halbleiter nimmt, bestimmt. Die Leistung des Peltier-Elements wird
über die Stromstärke geregelt, da der Wärmestrom Q im Peltierelement, proportional zur
aufgenommenen elektrischen Leistung ist. Zu beachten gilt, dass der elektrische Verlust
P = RI 2 durch den Widerstand R, im Peltier-Element proportional zum Strom im Quadrat
wächst und damit der elektrische Verlust stark ansteigt. Dadurch nimmt der Wärmestrom
ab einer bestimmten Stromstärke nicht weiter zu, sondern ab.
Abbildung 3.9: Schematische Darstelung des verwendeten
Peltier-Elements. Die blauen und roten Balken sind p- bzw.
n-dotierte Halbleiterblöcke. Die Kontaktflächen der Halbleiter
sind grün dargestellt.
Die wesentlichen Vorteile der Peltierelemente sind die geringe Baugröße, die exakte
Einstellung der Temperaturdifferenz duch die Spannung, der Wechsel zwischen Kühlen
und Heizen durch Änderung der Stromrichtung und der Betrieb ohne Kühlmittel.
Für den Zweck der lokalen Erwärmung, ist die Auflagefläche des zur Verfügung ste-
henden 10mm x 10mm großen Peltierelements, ungeeignet. Bei diesem Versuch sollte
nur die Temperatur eines möglichst geringen Bereichs verändert werden. Aufgrund dieser
Anforderung wurde ein Kupferwürfel mit einer Kantenlänge von 10mm ausgewählt und
so zurecht gefräst, dass auf einer 10mm x 10mm Fläche, ein Steg mit einer Höhe von
7mm und einer Breite von 3mm stehen blieb. Mittels Wärmeleitpaste und Sekundenkleber,
wurde die Fläche des Kupferstegs, fest mit dem Peltierelement verbunden.
Durch das Anschließen des Peltier-Elements an eine Gleichspannungsquelle, kann die
Temperatur am Kupferstück geregelt werden.
3.1.1.3 Bioverstärker
Der Bioverstärker (siehe Abb. 3.10) dient der Ableitung der Potentiale, die sich infolge des
Aktionspotentials in der medianen Riesenfaser ergeben. Dafür sind Kabel vom positiven
und vom negativen Verstärkereingang mit zwei Elektroden, die sich unter dem hinteren
Ende des Regenwurms in der Regenwurm-Messkammer befinden, verbunden. Da sich
bei physiologischen Biosignalen die Potentialveränderungen im Milli- und Mikrovoltbe-
reich bewegen, ist eine geeignete Verstärkung unerlässlich. Zudem werden mithilfe des
39

3 Methodischer Teil
Bioverstärkers technische Artefakte verringert, die dass zu messende Signal überlagern
und unbrauchbar machen können. Technische Artefakte können von den Messgeräten des
Versuchsaufbaus ausgehen, oder von außen eingekoppelt werden.
TECHNISCHE DATEN
Eingangswiderstand 10 MΩ
Eingangsspannungen:
-Arbeitsbereich 10 µV-100 mV
-Obere Grenzspannung 1V
Verstärkungsstufen 100-fach
Frequenzbereiche:
1000-fach
-EKG, ERG 0,5 Hz-75 Hz
-EEG, ENG, EOG 1 Hz-25 Hz
-EMG 80 Hz-5 kHz
Ausgangswiderstand < 1 kΩ
Abbildung 3.10: links: Bioverstärker zum Filtern und Verstärken der abgeleiteten Aktionspotentiale
(Vgl. Phywe). rechts: Technische Daten des Bioverstärkers.
Der Biovertärker ermöglicht die Messung verschiedener Biosignale, wie Hirnströme
(EEG), Herzspannungskurven (EKG) und Muskelaktionspotentiale (EMG), um nur die
Bekanntesten zu nennen. Die Einstellung der verschiedenen Messarten ermöglicht es, den
Bioverstärker auf die zu erwartenten Frequenzen zu konfigurieren.
Das nach dem 1931/32 von Jan Friedrich Tönnies entwickelte Differenzverstärkerprinzip,
bildet die Grundlage des Bioverstärkers, mit dessen Hilfe die Potentialdifferenz zweier
Eingangspotentiale verstärkt wird. Bei Verwendung eines einfachen, unipolaren Verstärkers,
würden auch technische Artefakte die aus der Umgebung eingekoppelt werden, mit in
die Ableitung einfließen. Die Quelle dieser Störungen sind Stromleitungen, elektrische
Geräte und Leuchtmittel, deren Felder kapazitiv oder induktiv, von außen in die Kabel
und Elektroden eingekoppelt werden. Da diese Felder meist mit 50Hz schwingen und
gleichmäßig im Raum verteilt sind, verursachen sie an den beiden Messelektroden ein
gleichphasiges und gleichstarkes Signal, weshalb sie auch Gleichtaktsignale genannt
werden. Durch den Einsatz des Differenzverstärkers kommt es nur an einem Eingang,
durch eine Phasenverschiebung des Signals um 180°, zur Invertierung, wodurch sich
phasengleiche Eingangssignale bei der Verarbeitung gegenseitig auslöschen. Nur Signale
mit ungleicher Phasenlage, wie sie durch bipolare Ableitung der Biosignale induziert
werden, erzeugen eine Differenz und erfahren somit eine Verstärkung.
Um die Potentialquelle nicht mit Strom zu belasten, liegt die Eingangsimpedanz des
Bioverstärkers, bei 10MΩ. Zusätzlich minimiert die hohe Impedanz den Einfluss des
40

3 Methodischer Teil
Elektrodenübergangswiderstandes. Dies ist wichtig, da der Quellwiderstand des Objekts
wesentlich kleiner sein muss als der Eingangswiderstand des Messgeräts, um bei solch
geringen Spannungen ein Signal zu messen.
Um Störungen, die nicht im Frequenzband biologisch erzeugter Signale liegen zu un-
terdrücken, werden Bandpassfilter verwendet. Der Tiefpass lässt Signale unterhalb einer
festgelegten Frequenz problemlos passieren, wohingegen hochfrequente Störungen aus
dem Signal gefiltert werden. Der Hochpass arbeitet im genau entgegengesetzten Fre-
quenzbereich. Er filtert Signalanteile, die einen tieffrequenten Anteil besitzen, aus den
Messwerten. Trotz allen Versuchen ein möglichst störungsfreies Messignal zu erhalten,
bleibt doch immer das Verstärkerrauschen. Dieses kleine Störsignal entsteht durch thermi-
sche Elektronenbewegungen in resistiven Komponenten des Verstärkers und verteilt sich
über einen breiten Frequenzbereich.
Für die Messungen der Leitungsgeschwindigkeit am lebenden Regenwurm, erfüllt die
Elektromyographie (EMG) die besten Voraussetzungen. Unter dem Begriff EMG versteht
man das Erfassen von Muskelaktionspotentialen, die durch Erregung von Nervenzellen
verursacht werden. Die Ableitung des Messsignals erfolgt bei Säugetieren an der Mus-
kulatur, da durch die Reizung meist sehr viele Nervenzellen gleichzeitig erregt werden.
Die verschiedenen Nervenzellen besitzen keine einheitliche Leitgeschwindigkeit, weshalb
sich ihre Signale überlagern. Eine einzelne Nervenfaser kann jedoch mehrere hundert
Muskelzellen simultan zur Kontraktion anregen. Die sich daraus ergebenden Muskelakti-
onspotentiale bilden in der Summe ein messbares Signal.
Beim Regenwurm ist der Umweg über die Muskulatur unnötig, da die mediane Riesen-
faser am Vorderende leichter erregbar ist, als andere Nervenzellen in diesem Gebiet (Vgl.
Abschnitt 2.3). Es ist also möglich, nur diese eine Faser zu reizen. Der geringe Abstand
der Elektroden zur medianen Riesenfaser ermöglicht es am hinteren Ende des Wurms, ein
ausreichendes Signal der medianen Riesenfaser abzuleiten.
3.1.1.4 Computer-Interface
Das Computer-Interface (siehe Abb. 3.11) bildet die Schnittstelle zwischen dem analogen
Messsignal und der digitalen Darstellung der Messwerte am Computer. Zu seinen Aufgaben
zählen, das Starten der Aufnahme durch den elektrischen Puls des Reizgenerators, die
Aufnahme des Messsignals, die Digitalisierung und das Übertragen der Werte auf den
Computer. Dazu ist das Computer Interface über Kabel, jeweils mit den Ausgängen des
Reizgenerators und des Bioverstärkers verbunden. Die Übertragung der digitalisierten
Daten an den Computer, erfolgt über eine USB-Schnittstelle am Computer-Interface.
41

3 Methodischer Teil
Abbildung 3.11: Computer-Interface zum Aufzeichnen der Messungen und anschließender
Übertragung der Daten auf den Computer (Vgl. Phywe).
Über die Schnittstelle werden auch, die vor jeder Messung festgelgten Messbereiche und
Triggereinstellungen, vom Computer auf das Computer-Interface übertragen.
3.1.2 Versuchsdurchführung
Seit Galvani um 1780 die elektrische Natur der Nervenzellen, durch Stimulation von
Muskelzuckungen am Froschbein nachgewiesen hat [9], wird die Präparation des Ischias-
nervs des Frosches, bis in die heutige Zeit zur Untersuchung der Nervenleitung verwendet.
Jedoch hat diese Methode den Nachteil, dass die Tiere zu diesem Zweck getötet werden
müssen. Eine sehr viel tierfreundlichere Alternative, stellt hier die Messung am intak-
ten Regenwurm dar. Auch bei diesem Versuchsobjekt galt lange Zeit das Freilegen des
Nervs für die Messungen als unumgänglich, da für die Signalableitung hakenförmige
Elektroden am Bauchmark angebracht werden mussten. Jedoch konnte gezeigt werden,
dass die elektrischen Nervenimpulse problemlos auch am unversehrten Wurm, direkt von
der Bauchoberfläche abgenommen werden können [17]. Die für die Versuche verwendete
Regenwurmart Lumbricus terrestris L. (Vgl. Abschnitt 2.3), die umgangssprachlich als Tau-
wurm bezeichnet wird, eignete sich, aufgrund ihrer Länge von bis zu 30cm, ausgezeichent
für die Messungen.
3.1.2.1 Vorbereitung des Regenwurms
Um die Versuche unter optimalen Bedingungen durchzuführen, werden die Regenwürmer
vor den Messungen betäubt. Dadurch wird die Anzahl der, das Messergebnis verfälschen-
den, biologischen Artefakte verringert und die Messstrecke, durch Bewegungen des Wurms,
42

3 Methodischer Teil
nicht verändert. Biologische Artefakte werden durch den Wurm selbst generiert und ent-
stehen durch Verspannungen der Muskulatur und seinen Bewegungen. Die Betäubung
sorgt durch das Blockieren der Aktionspotentiale für ein Erschlaffen der Wurmmuskulatur,
wodurch Störspannungen auf ein Minimum reduziert werden.
Wie in der Literatur empfohlen [51], wird der Regenwurm mit dem leichten Lokalan-
ästhetikum Chloreton betäubt. Dadurch wird die Ausbreitung von Aktionspotentialen in
Nerven und Muskeln vermindert bzw. ganz gestoppt. Für die Behandlung des Regenwurms
wird eine wässrige Lösung der Relaxanz mit 0,2Gew.% Chloreton und 0,4Gew.% NaCl
verwendet, in die der Wurm gelegt wird. Der Regenwurm kommt gemeinsam mit der
Lösung in ein Becherglas bis er vollkommen bedeckt ist. Das Betäubungsmittel gelangt
durch Diffusion, über die Wurmhaut in den Wurm. Um lediglich die Bewegung des Wurms
zu unterbinden, darf nur der äußere Muskelschlauch betäubt werden. Wirkt das Betäu-
bungsmittel zu lange ein, werden auch die Nerven im Bauchmark des Regenwurms betäubt
was zur Folge hat, dass vorerst keine Aktionspotentiale mehr messbar sind. Die Dauer, bis
der Wurm ausreichend betäubt ist und er keine Reflexe bei Berührungen mehr zeigt, ist von
seiner Größe abhängig und liegt im Mittel bei ca. 15 Minuten. Der vollständig erschlaffte
Regenwurm wird, mit der Bauchseite auf den Elektroden, in der Regenwurmmesskammer
platziert. Für eine erfolgreiche Reizung wird der Regenwurm, aufgrund der erhöhten
Erregbarkeit am Vorderende der medianen Riesenfaser (Vgl. Abschnitt 2.3), mit dieser auf
die reizenden- und mit dem hinteren Ende auf die ableitenden Elektrodenpaare gelegt.
3.1.2.2 Bipolare Messung von Aktionspotentialen
Für die Aktionspotential-Messung am intakten Regenwurm, wird das, aus der klinischen
Neurophysiologie bekannte, bipolare Messverfahren, zur messtechnischen Erfassung bio-
elektrischer Potentialdifferenzen verwendet. Die Störung des Ruhepotentials zum Auslößen
eines Aktionspotentials, erfolgte mittels zweier benachbarter Elektroden (Vgl. Abschnitt
2.1.3). Durch einen quadratischen Spannungspuls des Reizgenerators, wird das Membran-
potential zu einem weniger negativen Wert verschoben, wobei die Wirkung grundsätzlich
von der Kathode ausgeht. Durch die Überschreitung des Schwellenwerts wird ein Akti-
onspotential ausgelöst, dass sich in beide Richtungen entlang der Nervenfaser im Wurm
ausbreitet.
Zur bipolaren Ableitung des Aktionspotentials werden in einem bestimmten Abstand
wiederum zwei mit einem Differenzverstärker verbundene Elektroden platziert, welche
über Kabel mit dem positiven und negativen Eingang des Bioverstärkers verbunden sind.
Die aufgezeichneten Potentialveränderungen zeigen aus diesem Grund nicht den bekann-
43

3 Methodischer Teil
ten Spannungsverlauf eines Aktionspotentials, welches durch intra- und extrazellulare
Ableitung zustande kommt, sondern einen biphasischen Verlauf wie in Abbildung 3.12.
Abbildung 3.12: Darstellung des Potentialverlaufs wie er durch bipolare
Ableitung am Axon entsteht.
3.1.2.3 Globale Temperaturveränderung
Bei diesen Versuchen wird die Temperatur des gesamten Regenwurms variiert und somit
auch die der medianen Riesenfaser. Über die Teflonschläuche kommt es beim Transport der
Flüssigkeit aus den Wärmebädern, zu hohen Verlusten. Kompensiert wurde dieses Problem
durch die extremen Temperatureinstellungen des kalten Wärmebads auf -20°C und des
Warmen auf +45°C. Die Temperaturverluste werden dadurch nicht beseitigt, aber aufgrund
der extremen Einstellungen hat die Flüssigkeit beim Erreichen der Regenwurmmesskam-
mer, noch ausreichend Temperatur. Ist der betäubte Wurm in der Regenwurmmesskammer
fixiert, werden erste Testmessungen zur Konfiguration der elektronischen Komponen-
ten vorgenommen. Aufgrund der zu erwartenden Werte wird der Messbereich über die
Computersoftware, für die Signale des Reizgenerators auf 10V und für die Signale des
Bioverstärkers, auf 1V eingestellt. Der Auslöser wird so programmiert, dass die Aufnahme
startet, wenn das Signal des Reizgenerators 25% des gewählten Messbereichs überschreitet.
Jetzt wird, durch mehrere Durchläufe, die minimale Amplitude für die Reizspannung
festgestellt, die an der medianen Riesenfaser ein Aktionspotential auslöst und nicht zur
Erregung der lateralen Riesenfasern führt. Die Werte liegen meist zwischen 1,5V und 3V.
Nach Abschluss der Vorbereitungen kann mit den Messungen begonnen werden. Der
elektrische Puls des Reizgenerators führt zu Potentialschwankungen im Regenwurm und
44

3 Methodischer Teil
somit auch an der medianen Riesenfaser. Ein erzeugtes Aktionspotential propagiert nun,
ausgehend vom Ort der Reizung, in beide Richtungen in der Plasmamembran der medianen
Riesenfaser. Die durch das Aktionspotential verursachten Spannungsänderungen werden
nun von den Elektroden am Hinterende des Wurms abgeleitet, im Bioverstärker verarbeitet
und an das Computer-Interface übermittelt.
Durch Variation der Temperatur des Regenwurms, kann die Ausbreitungsgeschwindig-
keit der Aktionspotentiale untersucht werden. Zur Temperaturkontrolle wird der Regen-
wurm in der Messkammer, mit dem Bauch auf die Messspitze eines Thermometers gelegt.
Um die Temperatur zu senken werden die 3-Wege-Stellventile an den Teflonschläuchen
so gedreht, dass die Flüssigkeit aus dem kalten Wärmebad zur Regenwurmmesskammer
strömt. Der Kühlvorgang wird meist bis 8°C durchgeführt. Die steigenden Temperatur-
differenzen zwischen der Umgebung und den flüssigkeitführenden Bauteilen, führt bei
tiefen Temperaturen zur stetigen Abnahme der Kühlgeschwindigkeit. Unterhalb von 8°C
verlangsamt sich die Kühlrate in einem Maße, dass unter Anbetracht der Narkosedauer,
keine tierfreundlichen Versuche mehr möglich sind. Bei Erreichen dieses Wertes wird über
das Stellventil vom kalten, auf das warme Wärmebad umgestellt und mit der Erwärmung
des Regenwurms begonnen.
Im Anschluss an die Messungen wird der Wurm für 5 - 10 Minuten in kaltes Leitungs-
wasser gelegt, um verlorengegangene Flüssigkeit zurückzuführen und Betäubungsmittel-
rückstände von seiner Oberfläche zu entfernen. Nach einer weiteren Nacht im Kühlschrank
können die Würmer in die Natur entlassen werden.
3.1.2.4 Lokale Temperaturveränderung
Bei der lokalen Temperaturveränderung des Regenwurmbauchmarks, wird nur ein kleiner
Bereich auf der Bauchseite des Regenwurms durch das modifizierte Peltierelement erwärmt.
Für die Versuche wird der betäubte Regenwurm erst komplett mit der Bauchseite nach
unten auf den Elektroden in der Messkammer platziert und anschließend der mittlere
Teil des Regenwurms so gedreht, dass an dieser Stelle die Bauchseite direkt nach oben
zeigt. Dabei war darauf zu achten, dass die äußeren Enden des Wurms weiterhin mit
der Bauchseite auf den Elektroden lagen und nicht verrutschten. Nun wurden die ersten
Testmessungen zur Kalibrierung der Messgeräte vorgenommen (Vgl. Abschnitt 3.1.2.3).
Für die Versuche wird die Stromversorgung des Peltierelements gestartet, wodurch sich
der Kupfersteg am Peltierelement erhitzte. Nachdem er eine Temperatur von ca. 40° -
45°C erreicht hatte, wird der Kupfersteg auf den Bauch des Wurms gelegt, wodurch sich
die Stelle erwärmt. Während der Erwärmung werden Messungen durchgeführt und die
45

3 Methodischer Teil
Temperaturveränderungen am Regenwurm mit einer Wärmebildkamera verfolgt. Auch bei
diesen Versuchen erleiden die Würmer keine bleibenden Schädigungen.
3.2 Differential Scanning Calorimetry (DSC)
3.2.1 Versuchsaufbau
Bei Lipiden kommt es zu temperaturabhängigen Phasenumwandlungen zwischen fluiden
und gelförmigen Zuständen (Vgl. Abschnitt2.2.2). Die Umwandlung entspricht grundsätz-
lich, dem von Wasser bekannten Schmelz- oder Kristallisationsvorgang, durch Aufnahme
oder Abgabe von Energie.
Abbildung 3.13: VP-DSC (Differential Scanning Calorimeter) der Firma MICROCAL das
zur Messung der Lipidvesikel verwendet wurde.
Durch das in der Analytik verwendete DSC-Messverfahren wird der differenzielle Wär-
mefluss in eine, oder aus einer Probenlösung aufgezeichnet und mit einer Referenzlösung
verglichen. Die Referenzlösung entspricht in ihrer Zusammensetzung der Probe, bis auf die
zu bestimmende Substanz. Das DSC besitzt hierfür zwei baugleiche, voneinader getrennte
Messkammern für Probe und Referenz, deren Böden mit einer wärmeleitenden Metall-
platte in Kontakt sind. Zur Temperaturregulierung sind beide Messkammern von Öfen
umschlossen. In die wärmeleitende Metallplatte sind Temperatursensoren integriert, die
46

3 Methodischer Teil
kontinuierlich den Temperaturverlauf der beiden Kammern, getrennt voneinander aufzeich-
nen. Findet eine Phasenumwandlung nun zeitgleich nur in der Probenkammer statt, in der
Referenzkammer aber nicht, führt dies zu einem Unterschied im Wärmestrom und damit
zu einer Temperaturdifferenz zwischen beiden Kammern. Der Temperaturunterschied wird
vom System erfasst und führt zur Anpassung der Heizleistung der Kammern, so dass sich
die Temperaturdifferenz verringert. Die dabei aufgezeichneten Leistungsunterschiede △P
der beiden Kammern indizieren die Wärmestromänderung △Q .
△Q =
ˆ t+△t
t
△P(t ′ )dt ′ ∼ = △P△t (3.4)
Durch die folgende Formel lässt sich, aus den aufgezeichneten Daten, die spezifische
Wärmekapazität cP der Probe ermitteln.
△cp =
3.2.2 Versuchsdurchführung
δQ ∼=
δT P
△Q
△T
△T
△t
△P
= (3.5)
Zur Untersuchung der Auswirkung von Anästhetika auf den Phasenübergang von Lipiden,
wurden Vesikel mit der DSC-Technik untersucht. Zur Herstellung der Lipidvesikel wird
die benötigte Menge in Chloroform gelösten DPPC-Lipids (1,2-Dipalmitoyl-sn-Glycero-3-
Phosphocholine), in ein Glasfläschchen gegeben und das Chloroform unter dem Abzug
verdampft. Anschließend wird das Glasfläschchen für ca. eine Stunde im Excikator belas-
sen, um das Chloroform vollständig aus den Lipiden zu entfernen. Nun wird deionisiertes
Wasser mit zu den Lipiden gegeben, bis eine Konzentration von 3mg/ml erreicht ist. Um
die Vesikel zu erzeugen wird das Fläschchen nun für drei Stunden in ein 45°C warmes
Wärmebad gegeben und in regelmäßigen Abständen geschüttelt. Abschließend wird das
DSC mit der Lipidlösung und der Referenz aus deionisiertem Wasser befüllt und die
Messung gestartet.
47

4 Ergebnisse und Diskussion
Regenwürmer verfügen im Vergleich zum Menschen über keine Temperaturregulation
des gesamten Körpers. Alle Organe, darunter auch das Nervengewebe, sind daher den
Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgeliefert und müssen ebenfalls bei eventuell
veränderten Bedingungen funktionieren. Aus diesem Grund wurde die Temperaturab-
hängigkeit der Nervenerregung des Bauchmarknervs und die Anpassung an veränderte
Umweltbedingungen untersucht.
4.1 Messungen am Bauchmark des Regenwurms
Die Versuche wurden an Regenwürmern durchgeführt, die mehrere Tage bei konstanter
Temperatur im Kühlschrank gehalten wurden. Nachdem ein Regenwurm betäubt ist und
die Einstellungen am Versuchsaufbau vorgenommen wurden (Vgl. Abschnitt 3.1.2.3),
werden die elektrophysiologischen Messungen durchgeführt.
Das Zeitfenster für Experimente an den Regenwürmern beträgt ca. 30 Minuten. Erfolgen
die Versuche über einen längeren Zeitraum, lässt die Betäubung langsam nach. Dies hat
zur Folge, das Muskelkontraktionen die aufgezeichneten Potentialverläufe beeinflussen.
Auch die Durchführung eines tierfreundlichen Experiments ist bei einer Versuchsdauer
von über 30 Minuten, nicht mehr gewährleistet.
.
4.1.1 Globale Temperaturveränderung des Regenwurms
Ausgangspunkt für die im Folgenden beschriebenen Experimente, war die physikalische
Manipulation des Aktionspotentials. Die Versuche sollten Kenntnisse über temperaturbe-
dingte Veränderungen der Ausbreitung von Aktionspotentialen in der medianen Riesenfaser
liefern. Dazu wurden die Regenwürmer in der modifizierten Regenwurmmesskammer
(Vgl. Abb. 3.1.1.2) von unten, abwechselnd gekühlt und erwärmt. Zu Beginn der elektri-
schen Messungen besaßen die Würmer eine Körpertemperatur von 22°C. Ausgehend von
diesem Wert erfolgt der Kühlvorgang, der von Messungen mit einer Aufnahmefrequenz
48

4 Ergebnisse und Diskussion
von △T = 0,5°C begleitet wurde. Während des Heizvorgangs wurden die Abstände der
Aufnahmen auf △T = 1°C erhöht. Hatten die Regenwürmer eine Temperatur von ca. 20°C
erreicht, entstand durch die Verringerung der Aufnahmefrequenz ein genaueres Bild der
Ausbreitungsgeschwindigkeit in diesem Bereich.
In den meisten Fällen wurden die Würmer bis auf eine Temperatur von 8°C abgekühlt.
Eine Ausnahme ist im Diagramm 4.2 dargestellt. Hier führte das Abkühlen des betäubten
Regenwurms auf unter -1°C, zum Gefrieren der Flüssigkeit im Wurm und dem Abbrechen
der Nervenleitung. Die aus dem Versuch gewonnenen Daten zeigen, dass bei tiefen Tempe-
raturen keine nennenswerten Veränderungen im Kurvenverlauf zu beobachten sind. Aus
diesem Grund wurden keine weiteren Messungen bei Temperaturen um den Gefrierpunkt
durchgeführt.
Die am PC ausgegebenen Daten der Messungen, enthalten Informationen über die
Amplitudenverläufe des Reizgenerators und des Bioverstärkers, sowie der Zeit t. Der
Zähler für die Zeit startet durch Auslösen des Spannungspulses am Reizgenerator. Für
die Darstellung im Diagramm zeigte sich die Geschwindigkeit c des Aktionspotentials in
Abhängigkeit von der Temperatur T als zweckmäßig. Dafür wurde der vom Aktionspoten-
tial zurückgelegte Weg △s zwischen dem reizenden und dem ableitenden Elektrodenpaar
notiert. Aus dem Zusammenhang c = △s/t folgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit des
Aktionspotentials c(T ). Durch die anschließende Zuordnung der Geschwindigkeit, zur
zugehörigen Temperatur in einer Tabelle, wurden die Diagramme erstellt.
Vermutlich aufgrund des Alters und der Größenvielfalt, kann im Wesentlichen nur ein
Bereich von c(T ) ± △c(T ) angegeben werden. Allerdings ist die Größenordnung c(T )
stets im Bereich von ca. 20m/s.
Die gemessenen und am Computer ausgegebenen Potentialverläufe (siehe Abb. 4.1), lie-
fern bereits Informationen über den Temperatureinfluss auf die Nervenleitgeschwindigkeit.
So erhält man für Aktionspotentiale, die bei niedrigen Temperaturen aufgenommen wurden,
breite Signale mit anschließenden Überschwingern (siehe Abb. 4.1a). Mit zunehmender
Temperatur verringert sich die Signalbreite kontinuierlich und auch die Überschwinger
nehmen ab (siehe Abb. 4.1b, 4.1c). Diese Veränderungen indizieren bereits vor der Aus-
wertung der Messdaten, dass die Propagationsgeschwindigkeit des Aktionspotentials, mit
steigender Temperatur zunimmt.
Die ausgewerteten Daten jedoch, liefern ein genaues Bild über den tatsächlichen Kur-
venverlauf (siehe Abb. 4.2). Mit steigender, globaler Temperatur des Regenwurms nimmt
die Geschwindigkeit, mit der sich die Aktionspotentiale in den Nervenfasern ausbreiten,
über einen großen Temperaturbereich kontinuierlich zu. Ab einer bestimmten Temperatur
verringert sie sich jedoch zunehmend und fällt anschließend abrupt auf Null ab. Dabei
49

4 Ergebnisse und Diskussion
(a) (b)
(c)
Abbildung 4.1: Gemessener Potentialverlauf der Aktionspotentiale bei globaler Temperaturveränderung
des Regenwurms. Die Nervenleitgeschwindigkeit steigt mit der Temperatur
T (a: 11,5°C, b: 19,5°C, c: 26,5°C ). Dabei nehmen die Dauer des Aktionspotentials
und die Überschwinger ab.
zeigen sich bei allen gemessenen Würmern charakteristische Bereiche in den Temperatur-
Geschwindigkeits-Kurven, die in Abbildung 4.2 durch gestrichelte Linien markiert sind:
I: linearer Verlauf der Ausbreitungsgeschwindigkeit im unteren Temperaturbe-
reich
II: nichtlineare Veränderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit im oberen Tem-
peraturbereich
III: plötzlicher Abbruch der Ausbreitung bei Überschreitung einer kritischen
Temperatur Tkrit
Der Bereich I der Temperatur-Geschwindigkeit-Kurve stellt den weitaus größten Be-
reich (ca. 88%) der Kurve dar, der sich bei den meisten untersuchten Würmern über einen
Bereich von △T < 20°C erstreckt (siehe Abb. 4.2). In diesem Bereich besteht eine lineare
Abhängigkeit zwischen der Temperatur des Regenwurms und seiner Nervenleitgeschwin-
digkeit. Dieses Verhalten zeigt sich beim Abkühlen sowie beim Erwärmen. Das heißt, dass
es sich um einen reversiblen Vorgang handelt.
Im oberen Temperaturbereich geht der lineare Kurvenverlauf aus Bereich I in den nicht-
linearen Bereich II über. Hier verringert sich der Geschwindigkeitsanstieg mit steigender
50

4 Ergebnisse und Diskussion
Abbildung 4.2: Geschwindigkeits-Temperaturverlauf der Propagationsgeschwindigkeit
des Aktionspotentials, in der medianen Riesenfaser des Regenwurms Lumbricus terrestris
L., beim Abkühlen. Die gestrichelten Linien trennen charakteristische Bereiche. I: linearer
Bereich, II: nichtlinearer Bereich, III: Hitzeblock
Temperatur zunehmens und nimmt nach Überschreiten der maximalen Nervenleitgeschwin-
digkeit wieder ab. Auch hier ist zu erwähnen, dass man zwar große Unterschiede zwischen
den einzelnen Würmern findet, der generelle Trend jedoch konstant ist. Die am Maxi-
mum gemessene Geschwindigkeit vMax(T ) beträgt maximal 25,2m/s und minimal 11,2m/s.
Auch die Temperaturen für den Übergang vom linearen in den nichtlinearen Kurvenverlauf
variieren stark, bleiben aber in der gleichen Größenordnung.
Wird die Temperatur der Regenwurmmesskammer weiter erhöht, stoppt die Ausbreitung
des Aktionspotentials im Bereich III erstaunlicherweise. Diese Eigenschaft der Nerven-
leitung wird auch als Hitzeblock bezeichnet. Dabei verlangsamte sich das Signal mit der
steigenden Temperatur nicht weiter, sondern kommt sehr abrupt zum Erliegen. In diesem
Zustand sind keine Aktionspotentiale an der medianen Riesenfaser messbar. Durch Ver-
ringerung der Temperatur des Regenwurms setzte die Propagation des Aktionspotentials
wieder ein und das biphasische Signal zeigte in seiner Form keinerlei Veränderung im
Vergleich zu Messungen vor dem Hitzeblock. Das heißt, der Vorgang ist reversibel und
daher nicht durch das Denaturieren von Proteinen zu erklären.
Dieses reversible, schalterähnliche Verhalten findet man auch bei abwechselndem Er-
wärmen und Abkühlen des Regenwurms, wobei es zu einer zunehmenden Verschiebung
des Hitzeblocks zu höheren Temperaturen kommt (siehe Abb. 4.3).
Die gemessenen Kurvenverläufe bei globaler Erwärmung findet man auch bei Unter-
suchungen, die am Riesenaxon des Tintenfischs [20] und den Nervenzellen von Katzen
und Fröschen [7] durchgeführt wurden. Hinweise in der Literatur auf die Ursachen für die
temperaturbedingten Veränderungen der Nervenleitgeschwindigkeit, sind rar. Vor allem
51

4 Ergebnisse und Diskussion
Abbildung 4.3: Ergebnisse der Messungen, bei wiederholtem Erwärmen und Abkühlen
des Regenwurms, bei Temperaturen um den Hitzeblock. Die Hitzeblocktemperatur
verschiebt sich dabei zu höheren Temperaturen.
ist zu bemerken, dass der reversible Charakter des Phänomens, nie im Zusammenhang
physikalischer Ursachen diskutiert wurde. Hier liegt einer der zentralen Unterschiede
der vorliegenden Arbeit, zu früheren. Die Veränderungen der Nervenleitgeschwindigkeit
sollten aus physikalischer Sicht, mit Hilfe einer neuen Theorie interpretiert werden.
Im Rahmen der Hodgkin-Huxley-Theorie wird versucht, die Temperaturabhängigkeit der
Nervenleitgeschwindigkeit durch die Aktivität der Na + -Ionenkanäle zu erklären. Demnach
öffnen und schließen sich die Kanäle durch Erhöhung der Temperatur immer schneller,
wodurch sich angeblich auch das Aktionspotential immer schneller im Axon ausbreiten
kann. Wird dieser Vorgang nun so schnell, dass der mit den Öffnungsvorgängen verbundene
Ionenstrom nicht ausreicht um angrenzende Kanäle anzuregen, kommt es zum Hitzeblock
[35]. Die Details dieser Vermutung werden hier nicht näher diskutiert. Es sei nur erwähnt,
dass es sich bei der genannten Erklärung um eine Vermutung handelt, die an Einzelkanälen
nie gesehen wurde.
Mit dem Hodgkin-Huxley-Modell ist es zwar möglich die gemessenen Potentialver-
änderungen des Aktionspotentials zu erklären, jedoch versagt sie bei nichtelektrischen
Phänomenen wie dem Kraftpuls, der Änderung der Membrandicke, Veränderungen der
optischen Membraneigenschaften und der Temperaturwelle, die simultan mit dem Aktions-
potential auftreten (Vgl. Abschnitt 2.1.3.2). Die Problematik die Temperaturwelle mithilfe
der Hodgkin-Huxley-Theorie zu erklären, wurde bereits in den 50er bis 80er Jahren wieder-
holt, sogar von Hodgkin selbst, formuliert und konnte seitdem nicht erklärt werden. Eine
andere Erklärung findet man in der Theorie von Kaufmann, in der das Aktionspotential
52

4 Ergebnisse und Diskussion
als Schallwelle beschrieben wird. In diesem Zusammenhang ist es wichtig zu erwähnen,
dass die akustische Interpretation des Aktionspotentials, die beobachtete Temperaturwelle
ebenfalls erklärt. Die mit der Schallwelle verbundenen Druckänderungen in der Membran,
führen zur Phasenumwandlung der Lipide von der fluiden, in die gelförmige Phase. Bei
diesem Vorgang wird Wärme frei. Zusätzlich führen die durch die Phasenumwandlung
bedingten Konformationsänderungen der Lipide, zur Zunahme der Membrandicke und
somit zu Veränderungen der optischen Membraneigenschaften. Entspannt sich die Mem-
bran im Anschluss wieder, wird die für die Phasenumwandlung benötigte Wärme aus der
Umgebung wieder aufgenommen und die Membrandicke verringert sich. Somit liefert
die Schalltheorie, durch das Einbeziehen aller mit dem Aktionspotential einhergehenden
Phänomene, eine deutlich bessere Darstellung der Nervenleitung. Heimburg, der die Theo-
rie von Kaufmann aufgegriffen hat, erklärt die Ausbreitung des Aktionspotentials in der
Membran durch die Propagation einer solitären Welle.
Die Schallgeschwindigkeit in der Membran, errechnet sich aus
1
c ≈
ρκ
(4.1)
mit der Dichte ρ und κ, der Kompressibilität des Systems. Die Temperatur T in kom-
pressiblen Systemen wie Membranen, skaliert dabei in etwa wie κ ∼ T −2 . Aus dieser
Proportionalität folgt, dass durch eine Erhöhung der Temperatur auch die Schallgeschwin-
digkeit in der Membran steigt. Im Gegensatz zur Erklärung von Hodgkin und Huxley, ist
hier jedoch die zunehmend härter werdende Membran die Ursache.
Diskutiert man die Ausbreitung akustischer Wellen in Zellmembranen, sollte man
nicht die Lipidmembran allein betrachten, sondern auch das mechanische Verhalten des
membranassoziierten Zellkortex berücksichtigen (Vgl. Abschnitt 2.2.3). Kurven, die bei
Zugversuchen an Aktinnetzwerken entstanden sind [47] (siehe Abb. 4.4), besitzen ei-
ne gewisse Ähnlichkeit zu den Temperatur-Geschwindigkeits-Kurven des Regenwurms.
Dabei steigt durch zunehmende Dehnung, der Kompressionsmodul K zunächst an. Bei
Nervenzellen kommt es durch Temperaturerhöhung zur Deformation der Zellmembran [6],
wodurch K im Aktinnetzwerk ebenfalls wachsen könnte. Da K ∼ 1/κ zu erwarten ist, ist
c ∼ √ K, dass heißt, ein erhöhter K führt zu einem Anstieg der Ausbreitungsgeschwindig-
keit c. Überschreitet die Ausdehnung der Nervenzelle einen bestimmten Wert, verlieren die
Aktinnetzwerke ihre elastischen Eigenschaften, woraufhin die Ausbreitung zum Erliegen
kommt.
Durch Einbeziehen der Aktinnetzwerke in die Wellenausbreitung in der Membran, ließe
53

4 Ergebnisse und Diskussion
Abbildung 4.4: Zugversuche an Aktinnetzwerken. Die Graphen zeigen den Einfluss
unterschiedlicher Grade der Quervenetzung. Der Grad der Quervernetzung nimmt von
unten nach oben zu. (Vgl. [47])
sich nicht nur das temperaturabhängige Verhalten der Nervenleitgeschwindigkeit, sondern
unter Zuhilfenahme des viskoelastischen Ersatzmodells, auch der Aktionspotentialverlauf
selbst erklären (Vgl. Abschnitt 2.2.3). Folgt die Dehnung eines viskoelastischen Stabs der
Gleichung ε (t) = ε0(t/ ¯τ)e t/ ¯τ (siehe Abb. 4.5a), wie man es zumindest bei einer eindimen-
sionalen Welle erwarten würde, folgt daraus unter Verwendung der Relaxationsfunktion
des linearen Standartkörpers 2.20, der zugehörige Spannungsverlauf (siehe Abb. 4.5b).
Abbildung 4.5: Spannungsverlauf (b) eines viskoelastischen Stabs durch Dehnung (a). (Vgl. [11])
Die qualitative Übereinstimmung zwischen Abbildung 4.4, 4.5 und dem von mir gefun-
denen Verhalten (siehe Abb. 4.2), ist erstaunlich. Sowohl der beobachtete Anstieg in c(T ),
der reversible Abbruch bei Tkrit, als auch die Form des Aktionspotentials, kann wiederge-
funden werden. Trotz der qualitativ großen Ähnlichkeit, muss hier jedoch ein quantitativer
Vergleich ausbleiben. Dieser gestaltet sich vor allem deshalb schwierig, da zur Berechnung
von c, die Dicke des Aktinkortex von entscheidender Bedeutung ist, die tatsächlich fest mit
der zweidimensionalen Membran verankert ist. Hierzu werden eine Vielzahl zusätzlicher
Experimente erforderlich sein, wie z. B. die Bestimmung der Druckflächendiagramme von
54

4 Ergebnisse und Diskussion
Lipidmonolagen mit unterschiedlichen Aktinkonzentrationen in der Subphase. Hieraus
könnte man den Einfluss des Aktins auf die zweidimensionale Kompressibilität bestimmen
und mithilfe von 4.1, quantitative Aussagen über c erstellen.
4.1.2 Temperaturadaption der Nervenzelle
Schon lange ist bekannt, dass Bakterien und Zellen, in Abhängigkeit von der Umge-
bungstemperatur, ihre Membranzusammensetzung verändern. Um den Einfluss unter-
schiedlicher Aufwuchstemperaturen auf die mediane Riesenfaser des Regenwurms zu
untersuchen, wurden die Tiere in zwei Gruppen aufgeteilt. Über eine Adaptionsdauer von
8 - 14 Tagen wurden die beiden Gruppen, in voneinander getrennten Kühlschränken bei
TAdaption = 4 ± 1°C und TAdaption = 12 ± 1°C aufbewahrt. Die Anpassung der Regenwür-
mer auf eine einheitliche Temperatur kurz vor Versuchsbeginn, erfolgte mit der ca. 15
minütigen Betäubung, bei welcher die Betäubungsmittellösung eine Temperatur von 22°C
aufwies. Dadurch entstanden gleiche Anfangsbedingungen für die Messungen bei globaler
Temperaturveränderung.
Zur Darstellung der Unterschiede im linearen Bereich des Geschwindigkeitsverlaufs,
wird zusätzlich zu den bereits erwähnten Werten, der Van ’t Hoffsche Quotient heran-
gezogen. Die Regel wurde erstmals 1884 von dem Niederländer van‘t Hoff aufgestellt
und galt ursprünglich für chemische Reaktionsgeschwindigkeiten. Sie besagt, dass eine
Temperaturerhöhung von 10 Grad, die Geschwindigkeit, mit der eine chemische Reaktion
abläuft, um das 2 - 4 fache steigert. Heute ist die Van ’t Hoffsche Regel auch in der Biologie
und Physik eine anerkannte Größe zur Beschreibung temperaturabhängiger Vorgänge in
der Natur. Der Van’t Hoffsche Quotient für die Nervenleitgeschwindigkeit wird durch
die Geschwindigkeit cT bei der Temperatur T und der Geschwindigkeit cT +10°, bei einer
Temperatursteigerung von T + 10°C gebildet.
Q10 = cT +10°
cT
(4.2)
Da die am Regenwurm gemessenen Werte (siehe Tab. 4.1 und Abb. 4.6) eine hohe Varianz
aufweisen, kann im Umfang dieser Arbeit nicht auf jede einzelne Messung eingegan-
gen werden. Daher sind die im folgenden Abschnitt präsentierten Werte, lediglich die
arithmetischen Mittelwerte der Ergebnisse.
Die Übergangstemperaturen vom linearen in den nichtlinearen Kurvenverlauf (siehe Abb.
4.2 Bereich I → Bereich II) sind sich, mit Werten von 23,3 °C bei TAdaption = 12±1°C und
23,2 °C bei TAdaption = 4 ± 1°C, sehr ähnlich. Auch für die Temperaturen bei denen der
Hitzeblock (siehe Abb. 4.2 Bereich II → Bereich III) eintritt, unterscheiden sich die Werte,
55

4 Ergebnisse und Diskussion
Abbildung 4.6: Darstellung der unterschiedlichen Kurvenverläufe der Würmer (:
TAdaption = 12 ± 1°C, : TAdaption = 4 ± 1°C). Bei der Adaption unter 4 ± 1°C, nimmt
die Steigung dc/dT im Vergleich zur Adaption bei 12 ± 1°C ab.
mit 27,5 °C bei TAdaption = 12 ± 1°C und 26,7 °C bei TAdaption = 4 ± 1°C, nur gering.
Im Gegensatz dazu bestehen große Unterschiede bei den gemittelten Höchstgeschwin-
digkeiten und Q10-Werten. Für die Geschwindigkeiten (vmax) ergeben sich durch die
Temperatur-Adaption der Würmer, Mittelwerte von 23,9 m/s für TAdaption = 12 ± 1°C
und 15,2 m/s für TAdaption = 4 ± 1°C. Grund dafür ist mitunter die unterschiedliche Stei-
gung im linearen Bereich der Kurvenverläufe. Dies äußert sich bei Würmern, welche bei
TAdaption = 12 ±1°C gehalten wurden, in einem mittleren Q10-Wert von 1,54. Für Würmer
die bei TAdaption = 4 ± 1°C gelagert wurden, ist der Q10-Wert mit 1,37 deutlich geringer.
Demnach verringert sich mit sinkender Adaptionstemperatur die Steigung im linearen
Bereich.
Für die Temperaturadaption liefert die Hodgkin-Huxley-Theorie keine eindeutige Lö-
sung. Bis heute wird diskutiert, ob Widerstandsveränderungen der Ionenkanäle dafür
verantwortlich sind. Denkbar wäre auch, dass sich die Temperaturen auf den Stoffwechsel
auswirken und die Anzahl der Ionenkanäle sich verringert.
Auch die Theorie von Kaufmann lässt erwarten, dass Veränderungen im Stoffwechsel, so-
bald sie die Nervenmembran beeinflussen, zu einer Veränderung der Nervenleitung führen.
Lebewesen passen die Zusammensetzung ihrer Membranen an die Umgebungsbedingun-
gen, wie z. B. die Temperatur an, wodurch sich auch deren mechanische Eigenschaften
ändern. Dies führt, zu den am Regenwurm gemessenen Veränderungen bei der Ausbreitung
von Wellen in der Membran. Diese stehen keineswegs im Widerspruch zu den gefunde-
56

4 Ergebnisse und Diskussion
Adaptionstemperatur Bereich I ⇒ Bereich II Bereich II ⇒ Bereich III vmax Q10
[°C] [°C] [°C] [m/s]
12±1 22,2 24,3 24,5 1,53
12±1 19,5 27,7 25,2 1,55
12±1 23,7 28,5 21,0 1,57
12±1 27,5 29,4 24,7 1,49
12±1 23,6 28,1 24,1 1,57
arrithmetisches Mittel
(12±1)
23,3 27,5 23,9 1,54
4±1 16,0 19,1 11,7 1,33
4±1 20,5 24,2 11,2 1,41
4±1 23,0 26,1 15,6 1,34
4±1 27,7 30,9 19,5 1,33
4±1 26,7 30,4 17,1 1,42
4±1 25,5 29,4 16,1 1,36
arrithmetisches Mittel
(4±1)
23,2 26,7 15,2 1,37
Tabelle 4.1: Ergebnisse der temperaturadaptierten Regenwürmer. Dargestellt sind die Werte,
bei denen der Übergang zwischen den Bereichen I, II und III stattfindet, die maximale
Geschwindigkeit im Peak des nichtlinearen Bereichs, sowie die Q10-Werte des linearen
Kurvenanstiegs. Zudem wurden die Mittelwerte der jeweiligen Adaptionstemperatur
berechnet.
nen Ergebnissen, im Gegenteil, eine Adaption bei niedrigeren Temperaturen führt zur
Produktion ungesättigter Lipide und damit zu einer Aufweichung der Membran, d. h.
einer Zunahme in κ von Gleichung 4.1 und damit letztendlich zu einer Abnahme in c.
Das bedeutet, das gefundene Verhalten war von Kaufmanns Theorie in diesem Sinne zu
erwarten. Die Theorie der Adaption selbst, die hier notwendig wäre, wird in dieser Arbeit
jedoch nicht behandelt, nicht zuletzt aufgrund der Tatsache, dass es keine abgeschlossene
Erklärung der Adaption gibt.
4.1.3 Lokale Erwärmung des Regenwurms
Die Frage, die sich nach den Messungen bei globaler Temperaturveränderung stellt ist,
ob durch die Temperatur die Anregung, und/oder die Leitung des Aktionspotentials un-
terdrückt werden. Um der Frage nachzugehen, wurde in den folgenden Versuchen nur
ein sehr kurzer Abschnitt in der Mitte des Regenwurms erwärmt. Die Aktionspotentiale
wurden dabei vor und hinter der erwärmten Position abgeleitet. Für die Erwärmung der
57

4 Ergebnisse und Diskussion
Würmer wurde das mit dem Kupferbauteil modifizierte Peltierelement verwendet. Um die
Verteilung der Wärme in den Würmern zu verringern, wurden sie vor der Messung, an der
zu erwärmenden Körperstelle so gedreht, dass die Bauchseite nach oben zeigte und die
Wärme direkt auf das Bauchmark wirkte.
Zu Beginn der Versuche wurden die Messungen ohne das Peltierelement durchgeführt.
Dieses Vorgehen sollte sicherstellen, dass vor der Erwärmung ein einwandfreies Signal von
der medianen Riesenfaser abgeleitet werden kann und die Vorbereitungen ordnungsgemäß
durchgeführt wurden. Der Abstand zwischen den ableitenden und reizenden Elektroden-
paaren betrug bei diesen Messungen 17cm (siehe Abb. 4.7a).
Durch das Einschalten der Stromversorgung des Peltierelements, erwärmt sich des-
sen Kupferbauteil auf 42 °C. Der Steg des warmen Kupferelements wurde nun in einer
Entfernung von 9,5cm vom reizenden Elektrodenpaar, leicht auf den Regenwurm in der
Messkammer gedrückt (siehe Abb. 4.7b). Die Temperaturveränderungen am Wurm wur-
den mit einer Wärmebildkamera dokumentiert. Nach wenigen Sekunden war durch die
Wärmeeinwirkung auf den Regenwurm, kein Aktionspotential hinter der erwärmten Stelle
mehr messbar.
Nun wurden die Kabel, die zum Eingang des Bioverstärkers führen, auf Elektroden
umgesteckt die sich 6,5cm von dem reizenden Elektrodenpaar entfernt befanden und somit
vor der erwärmten Stelle lagen. Es zeigt sich, dass das Aktionspotential sich bis zu dieser
Position ausbreitet.
Anschließend wurde das Peltierelement vom Regenwurm genommen, woraufhin die
Ableitung wieder durch die, hinter dem noch bestehenden Hitzeblock angebrachten Elek-
troden (siehe Abb. 4.7c) erfolgte. Die Messungen mit der Wärmebildkamera zeigen, dass
die Temperatur an der vorher erwärmten Stelle zu diesem Zeitpunkt ca. 37°C betrug,
wodurch eine Erregungsleitung auch weiterhin nicht möglich war.
Nach nur wenigen Sekunden hat sich der Wurm auf ca. 30°C abgekühlt. Von dieser
Temperatur ab breiteten sich die Aktionspotentiale wieder in der gesamten medianen
Riesenfaser aus (siehe Abb. 4.7d). Die gemessenen Signale weisen keinen Unterschied zu
denen auf, die vor dem Hitzeblock aufgezeichnet wurden. Das lässt darauf schließen, dass
die Versuche keine bleibenden Schäden an der medianen Riesenfaser verursachen.
Um auszuschließen, dass der Effekt durch Wechselwirkungen des Regenwurmgewebes
mit dem Kupferbauteil des Peltierelements hervorgerufen wird, wurden zusätzlich Messun-
gen durchgeführt, wobei das auf den Regenwurm gedrückte Peltierelement nicht an die
Stromversorgung angeschlossen war. Dies zeigte keinen Einfluss auf die Ausbreitung des
Aktionspotentials in der medianen Riesenfaser.
58

4 Ergebnisse und Diskussion
(a)
(b)
(c)
(d)
Abbildung 4.7: Darstellung des Versuchsverlaufs bei lokaler Erwärmung und der Ableitung des Aktionspotentials
an verschiedenen Positionen des Regenwurms. a: Messungen des Aktionspotentials
ohne Peltierelement. b: Durch Aufsetzen des 42°C warmen Peltierelements auf den Regenwurm,
erfolgt nach kurzer Zeit der Hitzeblock. Das Aktionspotential breitet sich nur noch bis zu der
erwärmten Stelle aus. c: Sofort nach dem Entfernen des Peltierelements besitzt die erwärmte Stelle
eine Temperatur von 37,3°C. Die Propagation des Aktionspotentials wird auch weiterhin durch
die warme Stelle gestoppt. d: Nachdem die Temperatur auf 30,4°C abgesunken ist breitet sich das
Aktionspotential wieder wie gewohnt in der gesamten medianen Riesenfaser aus.
59

4 Ergebnisse und Diskussion
Somit ist der Leitungsblock des Aktionspotentials ausschließlich auf die Temperaturver-
änderung zurück zu führen. Mit den Versuchen kann allerdings keine Aussage über die
Erregbarkeit während des Hitzeblocks getroffen werden. Es ist durchaus denkbar, dass es
durch den elektrischen Spannungspuls zu einer örtlich begrenzten Depolarisation kommt,
die sich jedoch nicht in der Membran ausbreitet.
4.2 DSC-Messungen an Lipid-Vesikeln mit
Anästhetika
Um den Einfluss, des zur Betäubung des Regenwurms verwendeten Anästhetikums Chlore-
ton, auf den Phasenübergang von Lipidmembranen zu untersuchen, wurden kalorimetrische
Messungen vorgenommen. Mit der DSC-Methode (Vgl. Abschnitt 3.2) wurden reine Li-
pidvesikel, sowie Lipidvesikel in denen Chloreton, oder Lidocain in unterschiedlichen
Konzentrationen gelöst wurde, untersucht. Die Messungen erfolgten in drei Durchläufen
zwischen 30°C und 50°C. Die erste Heizphase und die anschließende Kühlphase wur-
de mit 20°C/h durchlaufen. Die genaueste Darstellung der spezifischen Wärmekapazität
lieferte die dritte Heizphase, bei einer Heizrate von 5°C/h. Eine mögliche Fehlerquelle
bei Messungen ist, dass nicht genau bestimmt werden kann wie viel vom verwendeten
Betäubungsmittel sich in der Membran gelöst hat.
Um Vergleichswerte für den Einfluss von Anästhetika, auf den Phasenübergang von
Lipiden zu erhalten, wurden Vesikel aus DPPC-Lipiden hergestellt und anschließend
als Probe, zusammen mit deionisiertem Wasser, als Referenz im DSC eingebaut. Die
Ergebnisse dieser Messungen liefern für DPPC-Vesikel eine Phasenumwandlung bei
41,3°C. Der Übergang zwischen der fluiden- und der gelförmigen Phase, zeigt sich im
abrupten Anstieg der Wärmekapazität in Abbildung4.8a.
Für die anschließenden Untersuchungen wurden DPPC-Lipidvesikel, mit 10- und 20
Mol-% des Anästhetikums Chloreton präpariert und im DSC gemessen. Die Ergebnisse
zeigen deutliche Unterschiede zwischen den Messkurven der reinen Lipidvesikel und
denen, die Chloreton enthalten. Mit steigender Konzentration des Betäubungsmittels
sinkt die spezifische Wärmekapazität. Das bedeutet, dass die benötigte Energie für die
Phasenumwandlung durch Chloreton verringert wird. Zudem kommt es zu einer, mit
der Konzentration zunehmenden, Verschiebung der Phasenübergangstemperaturen zu
niedrigeren Werten.
Um zu untersuchen, ob andere Betäubungsmittel den selben Einfluss auf die Phasenum-
wandlung haben, wie Chloreton, wurden für die abschließenden Messungen DPPC-Vesikel
60

4 Ergebnisse und Diskussion
(a) (b)
Abbildung 4.8: Differenzkalorimetrische Messungen von DPPC-Lipidvesikeln mit und
ohne Betäubungsmittel. a: Die Schmelztemperatur verschiebt sich mit steigender Chloretonkonzentration
zu niedrigeren Temperaturen und die Wärmekapazität beim Phasenübergang
wird verringert. b: Mit steigender Lidocainkonzentration verringert sich die
Wärmekapazität beim Phasenübergang.
mit 1 Mol% und 2,5 Mol% Lidocain präpariert. Lidocain ist wie Chloreton ein Lokalan-
ästhetikum. Auch bei diesen Versuchen verringert sich die Energie für eine Phasenum-
wandlung der Lipidvesikel, jedoch deutlich stärker als bei Chloreton (siehe Abb. 4.8b).
Gegenüber den Messungen mit Chloreton, kam es hier nur zu einer geringen Verschiebung
der Phasenübergangstemperatur.
Anästhestetische Substanzen wirken in vielerlei Hinsicht auf die Leitungseigenschaften
der Zellen. Elektrophysiologische Veränderungen äußern sich durch die Verringerung des
Aktionspotentials, die Abnahme der Anstiegsgeschwindigkeit des Aktionspotentials, eine
Erhöhung der Depolarisationsschwelle, eine Verringerung der Leitungsgeschwindigkeit
und eine Verlängerung der Refraktärzeit [28].
In Modellen, die auf der Hodgkin-Huxley-Theorie beruhen, steht die Interaktion der
Betäubungsmittel mit den Na + -Ionenkanälen im Vordergrund. Die lipidlösliche, ungelade-
ne Form des Anästhetikums, wird durch die Membran in die Zelle transportiert. Dieser
Vorgang bestimmt die Potenz des Betäubungsmittels. Im Inneren der Zelle erhält das
Anästhetikum durch Protonisierung eine positive Ladung, wodurch es mit hydrophoben
Bindungsstellen der Ionenkanäle interagiert [33]. Dies verringert nicht die Leitfähigkeit der
Kanäle, sondern verhindert das spannungsabhängige Öffnen. Ein Einfluss der Anästhetika
auf die Lipidmembran spielt bei diesem Modell keine Rolle.
Anders ist dies bei Heimburg [13]. Hier haben die Veränderungen im Phasenübergang
einen direkten Einfluss auf die Permeabilität der Membran. In Heimburgs Theorie kommt es
in der Nähe des Phasenübergangs zu starken Fluktuationen in der Membranfläche. Dadurch
kommt es zur Porenbildung in der Membran, wodurch die Ionenleitfähigkeit ansteigt. Dies
61

4 Ergebnisse und Diskussion
Abbildung 4.9: Ergebnisse einer temperaturabhängigen BLM-Untersuchung an Lipidbilayern.
Die Phasenlage der Membran, reguliert deren Leitfähigkeit. Im Vergleich zur
Wärmekapazität (kleine Abbildung), zeigt sich deutlich ein Maximum beider Kurven,
zwischen 25°C und 35°C. (Vgl. [55])
wurde durch Messungen von Schneider und Heimburg an Lipidbilayern gezeigt (siehe
Abb. 4.9). Dabei korrelierte die Ionenleitfähigkeit der verwendeten Lipidmembran, mit
dem Verlauf der Wärmekapazität im Phasenübergang [55].
Heimburg fand bei seinen Messungen heraus, dass zu Lipidvesikeln gegebene, mem-
branlösliche Stoffe wie Anästhetika, eine Verringerung der Wärmekapazität während des
Phasenübergangs und eine Gefrierpunktserniedrigung um △Tm ergeben [13] [49].
△Tm = ( RT 2 m
△H )xA
mit der Enthalpie△H, der Schmelztemperatur der Membran Tm und xA der Konzentration
des Anästhetikums.
Es zeigte sich, dass die Gefrierpunktserniedrigung eine lineare Funktion der Anästhe-
tikakonzentration ist [48]. Die Verabreichung einer typischen Anästhetikadosis, führt zu
einer Gefrierpunktserniedrigung △Tm von ca. -0,6°C. Unter Einfluss von Anästhetika
kommt es zudem zu einer Verringerung der Porengröße in der Membran, wodurch die
Ionenleitfähigkeit abnimmt.
62

5 Zusammenfassung
Die Ergebnisse verschiedener Arbeiten [53, 3, 24, 25] zeigen die Möglichkeit, dass die
Ausbreitung von Schallwellen in der Plasmamembran, Ursache für die Propagation von
Aktionspotentialen in Nervenzellen ist. Ausgangspunkt dieser Vermutung ist die Tatsache,
dass es neben dem Aktionspotential, zu reversiblen Veränderungen in der Temperatur
[1, 34], dem Druck [40, 23] sowie den optischen Eigenschaften [46] der Nervenmembran
kommt. Die theoretische Beschreibung, auf Grundlage eines reversiblen Prozesses, wurde
zuerst von Konrad Kaufmann [24, 25] präsentiert und kürzlich von Thomas Heimburg
wieder aufgegriffen [14]. Gestützt wird diese Theorie durch die Forschungsergebnisse der
Biophysiker Schneider und Griesbauer [10]. Diese zeigten 2009 erstmals, dass eine elektri-
sche Anregung propagierender Schallwellen, in einfachen Lipidmonoschichten möglich
ist. Die gemessenen Propagationsgeschwindigkeiten liegen im Bereich von 100m/s und
daher im Bereich des vielfach gemessenen Squid Axons. Motiviert durch die Ergebnisse,
verfolgt diese Arbeit das Ziel einer thermodynamischen Betrachtung der Nervenleitung
am lebenden Tier.
Um der Fragestellung gerecht zu werden, wurde das verwendete System zur elekto-
physiologischen Messung der Nervenleitgeschwindigkeit so modifiziert, dass temperatur-
abhängige Untersuchungen am Regenwurm möglich sind. Das neue Messsystem kann
die Temperatur des Regenwurmbauchmarks entweder global oder auch lokal verändern.
Im Fall der globalen Temperierung, zeigen die Messergebnisse einen linearen Anstieg
der Leitungsgeschwindigkeit mit steigender Temperatur. Dieses Ergebnis wird direkt
vom Schallmodell vorhergesagt und bedarf keinen zusätzlichen Systemannahmen, da
die Kompressibilität
in biologischen Membranen bei Abkühlung zunimmt, was durch
1 c ≈ ρκ , einer Abnahme der Geschwindigkeit c bedingt. Bei einer weiteren Temperaturerhöhung
zeigt die Ausbreitungsgeschwindigkeit ein erstaunliches Verhalten. Nähert
man sich einer kritischen Temperatur (Tkrit), verringert sich die Steigung (dc/dt) der
Ausbreitungsgeschwindigkeit kontinuierlich, wird negativ und es kommt zum abrupten
Erliegen der Ausbreitung, dem Hitzeblock. Durch Abkühlen des Regenwurms kann der
Leitungsblock wieder rückgängig gemacht werden, d. h., es handelt sich um ein völlig
reversibles Phänomen.
63

5 Zusammenfassung
Auch bei Versuchen mit lokal begrenzter Wärmeeinwirkung auf das Bauchmark des Re-
genwurms, zeigt sich der Hitzeblock. Das propagierende Aktionspotential kann in diesem
Fall die erwärmte Stelle nicht überwinden und endet dort. Weder das Hodgkin-Huxley-
Modell noch eine rein elastische Theorie der Membran liefern eine Erklärung für ein
solches Verhalten. Unter Einbezug der Tatsache, dass die Lipidmembran an den darunter
liegenden Aktinkortex gekoppelt ist, kann das abrupte Verschwinden des Aktionspotentials,
zumindest qualitativ erklärt werden. Bei Streckversuchen an Aktinnetzwerken [47] fand
man ein ähnliches Verhalten wie den temperaturabhängigen Verlauf der Leitungsgeschwin-
digkeit beim Regenwurm. So nimmt mit zunehmender Dehnung der Kompressionsmodul
K, im Netzwerk zu und fällt anschließend auf Null ab. Es scheint plausibel anzunehmen,
dass ein ähnlicher Übergang unter dem Einfluss der Temperatur zu finden sein wird. Für
genauere Aussagen über den Einfluss der Aktinnetzwerke wären jedoch weitere Unter-
suchungen nötig. Denkbar wären Messungen über die Veränderung der mechanischen
Eigenschaften des Membranaktinkomplexes, mit Hilfe von Filmwaageexperimenten.
Weitere Hinweise auf einen möglichen Einfluss des Aktin-Membran-Verbundes auf die
Nervenleitung brachten Untersuchungen, bei denen die Würmer über mehrere Tage bei
verschiedenen Temperaturen gehalten wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Steigung der
Nervenleitgeschwindigkeit im linearen Bereich der Temperatur-Geschwingikeits-Kurven,
bei tieferen Adaptionstemperaturen geringer ist als bei Höheren.
Insgesamt zeigen die hier aufgeführten Experimente, die völlige Kompatibilität mit der
Interpretation des Nervenimpulses als Schallwelle. Sowohl der Anstieg der Ausbreitungs-
geschwindigkeit mit der Temperatur, als auch das plötzliche Erliegen der Ausbreitung bei
einer höheren Temperatur, können gänzlich mit Hilfe des Verhaltens von Lipidmembran
und Cytoskelett erklärt werden und benötigen keiner zusätzlichen Modellannahme. Im
Gegensatz hierzu steht die Tatsache, dass die Hodgkin-Huxley-Theorie [19] nur unter Zu-
hilfenahme von mindestens 15 Fitparametern, die Form des Aktionspotentials befriedigend
wiedergibt und aufgrund ihres elektrischen Charakters prinzipiell weder den Kraft- noch
den gemessenen Temperaturpuls am Nerv erklären kann, was bereits Huxley selbst 1964
erkannte.
64

Literaturverzeichnis
[1] ABBOTT, B. C. ; HILL, A. V. ; HOVARTH, J. V.: The positive and negative heat
production associated with a nerve impulse. In: Proc. R. Soc. Lond., B, Biol. Sci. 148
(1958), Feb, S. 149–187
[2] ALBERTS, B. ; JAENICKE, L. : Molekularbiologie der Zelle. 4. Auflage. Weinheim :
Wiley-VCH, 2004
[3] ATZLER, E. W. u. E.: Experimentelle Beiträge zum Problem der Reizleitung im
Nerven. In: Pflügers Archiv European Journal of Physiology 146 (1912), Nr. 6-9, S.
430–446
[4] BIRBAUMER, N. ; BRAITENBERG, V. ; BRINKMEIER, H. ; DUDEL, J. ; EYSEL, U. ;
HANDWERKER, H. ; HATT, H. ; ILLERT, M. ; JÄNIG, H. ; KUHTZ-BUSCHBECK, J. ;
RÜDEL, R. ; SCHAIBLE, H.-G. ; SCHMIDT, R. ; SCHÜZ, A. ; ZENNER, H. : Neuro-
und Sinnesphysiologie. 5., neu bearbeitete Auflage. Springer Berlin Heidelberg, 2006
[5] BÖHMER, E. ; EHRHARDT, D. ; OBERSCHELP, W. : Elemente der angewandten
Elektronik. 15., aktualisierte und erweiterte Auflage. Vieweg+Teubner, 2007
[6] DODT, E. : Zur Frage Der Thermoelastischen Eigenschaften Des Nerven. In:
Experientia 11 (1955), S. 65–65
[7] ENGELHARDT, A. : Die Temperaturabhängigkeit der Erregungsleitungsgeschwin-
digkeit im Kalt- und Warmblüternerven. In: Journal of Comparative Physiology
A: Neuroethology, Sensory, Neural, and Behavioral Physiology 33 (1951), Nr. 2, S.
125–128
[8] FENEBERG, W. : Viskoelastische Mikroskopie der Zellhülle von humanen Endothel-
zellen, Technische Universität München; Lehrstuhl fur Biophysik, Diss., 2003
[9] GALVANI, L. : Aloysii Galvani De viribus electricitatis in motu musculari commen-
tarius [microform]. Instituti Scientiarum, Bononiae :, 1791
65

Literaturverzeichnis
[10] GRIESBAUER, J. ; WIXFORTH, A. ; SCHNEIDER, M. F.: Wave propagation in lipid
monolayers. In: Biophys. J. 97 (2009), Nr. 10, S. 2710–6
[11] GROSS, D. ; HAUGER, W. ; SCHNELL, W. ; WRIGGERS, P. : Technische Mechanik,
4 Bde. u. Aufgabenband, Bd.4, Hydromechanik, Elemente der Höheren Mechanik,
Numerische Methoden. Springer Verlag, 2002
[12] GÜNTHER, J. : Impulse conduction in the myelinated giant fibers of the earthworm.
Structure and function of the dorsal nodes in the median giant fiber. In: The Journal
of Comparative Neurology 168 (1976), Nr. 4, S. 505–531
[13] HEIMBURG, T. : Thermal Biophysics of Membranes (Tutorials in Biophysics). 1.
Wiley-VCH, 2007
[14] HEIMBURG, T. ; JACKSON, A. D.: On soliton propagation in biomembranes and
nerves. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of
America 102 (2005), Nr. 28, S. 9790–9795
[15] HEIMBURG, T. ; JACKSON, A. D.: On the action potential as a propagating density
pulse and the role of anesthetics. In: BIOPHYS.REV.LETTERS 2 (2007), S. 57
[16] HEIMBURG, T. ; JACKSON, A. D.: The Thermodynamics of General Anesthesia. In:
Biophysical Journal 92 (2007), Nr. 9, S. 3159–3165
[17] HEINZEL, H.-G. : Das Experiment: Neurophysiologische Versuche am intakten
Regenwurm. Tierschutz durch Alternativen. In: Biologie in unserer Zeit 20 (1990),
Nr. 6, S. 308–313
[18] HODGKIN, A. L.: The Sherrington lectures. Bd. 7: The conduction of the nervous
impulse. Liverpool University Press, 1964
[19] HODGKIN, A. L. ; HUXLEY, A. F.: A quantitative description of membrane cur-
rent and its application to conduction and excitation in nerve. In: The Journal of
Physiology 117 (1952), Nr. 4, S. 500–544
[20] HODGKIN, A. L. ; KATZ, B. : The effect of temperature on the electrical activity of
the giant axon of the squid. In: The Journal of Physiology 109 (1949), Nr. 1-2, S.
240–249
[21] HOWARTH, J. V. ; KEYNES, R. D. ; RITCHIE, J. M.: The origin of the initial heat
associated with a single impulse in mammalian non-myelinated nerve fibres. In: J.
Physiol. (Lond.) 194 (1968), Feb, S. 745–793
66

Literaturverzeichnis
[22] IWASA, K. ; TASAKI, I. : Mechanical changes in squid giant axons associated
with production of action potentials. In: Biochemical and Biophysical Research
Communications 95 (1980), Nr. 3, S. 1328–31
[23] IWASA, K. ; TASAKI, I. ; GIBBONS, R. C.: Swelling of nerve fibers associated with
action potentials. In: Science 210 (1980), Nr. 4467, S. 338–339
[24] KAUFMANN, K. : Action Potentials and Electrochemical Coupling in the Macroscopic
Chiral Phospholipid Membrane. Caruaru, 1989
[25] KAUFMANN, K. : On the role of the phospholipid membrane in free energy coupling.
Caruaru, 1989
[26] KOOLMAN, J. ; RÖHM, K.-H. ; WIRTH, J. : Taschenatlas der Biochemie. 3. Auflage.
Stuttgart [u.a.] : Thieme, 2003
[27] LANG, F. ; LANG, P. : Basiswissen Physiologie. 2., vollständig neu bearbeitete und
aktualisierte Auflage. Springer Berlin Heidelberg, 2007
[28] LARSEN, R. : Anästhesie. 8. Auflage. München : Elsevier, 2006
[29] LIMOZIN, L. ; SACKMANN, E. : Polymorphism of Cross-Linked Actin Networks in
Giant Vesicles. In: Phys. Rev. Lett. 89 (2002), Nr. 16, S. 168103
[30] MATSUMOTO, G. ; TASAKI, I. : A study of conduction velocity in nonmyelinated
nerve fibers. In: Biophys J 20 (1977), October, Nr. 1, S. 1–13
[31] MUTSCHLER, E. ; SCHAIBLE, H.-G. ; VAUPEL, P. ; THEWS, G. : Anatomie, Physio-
logie, Pathophysiologie des Menschen. 6. Auflage. Wiss. Verl.-Ges., 2007
[32] POLLACK, G. H.: Cells, Gels and the Engines of Life. 1. Ebner and Sons Publishers,
2001
[33] RITCHIE, J. M. ; GREENGARD, P. : ON THE ACTIVE STRUCTURE OF LOCAL
ANESTHETICS. In: Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics 133
(1961), Nr. 2, S. 241–245
[34] RITCHIE, J. M. ; KEYNES, R. D.: The production and absorption of heat associated
with electrical activity in nerve and electric organ. In: Q. Rev. Biophys. 18 (1985),
Nov, S. 451–476
[35] RUTKOVE, S. B.: Effects of temperature on neuromuscular electrophysiology. In:
Muscle & Nerve 24 (2001), Nr. 7, S. 867–882
67

Literaturverzeichnis
[36] SINGER, S. J. ; NICOLSON, G. L.: The Fluid Mosaic Model of the Structure of Cell
Membranes. In: Science 175 (1972), Nr. 4023, S. 720–731
[37] STAUBESAND, J. ; KERSTING, B. K. u. K. H.: Licht- und elektronenmikroskopische
Studien am Nervensystem des Regenwurms. In: Cell and Tissue Research 61 (1963),
Nr. 3, S. 401–433
[38] STINY, L. : Grundwissen Elektrotechnik. 1., Auflage. Franzis, 2007
[39] STRIEBEL, H. W.: Die Anästhesie. Grundlagen und Praxis. Bd. 1. Schattauer, F.K.
Verlag GmbH, 2003
[40] TASAKI, I. : A macromolecular approach to excitation phenomena: mechanical and
thermal changes in nerve during excitation. In: Physiol Chem Phys Med NMR 20
(1988), Nr. 4, S. 251–268
[41] TASAKI, I. ; BYRNE, P. M.: Volume expansion of nonmyelinated nerve fibers during
impulse conduction. In: Biophysical Journal 57 (1990), Nr. 3, S. 633–635
[42] TASAKI, I. ; BYRNE, P. M.: Heat production associated with a propagated impulse in
bullfrog myelinated nerve fibers. In: Jpn. J. Physiol. 42 (1992), S. 805–813
[43] TASAKI, I. ; IWASA, K. : Further studies of rapid mechanical changes in squid giant
axon associated with action potential production. In: Jpn. J. Physiol. 32 (1982), S.
505–518
[44] TASAKI, I. ; IWASA, K. ; GIBBONS, R. C.: Mechanical changes in crab nerve fibers
during action potentials. In: Jpn. J. Physiol. 30 (1980), S. 897–905
[45] TASAKI, I. ; KUSANO, K. ; BYRNE, P. M.: Rapid mechanical and thermal changes in
the garfish olfactory nerve associated with a propagated impulse. In: Biophys. J. 55
(1989), Jun, S. 1033–1040
[46] TASAKI, I. ; WATANABE, A. ; SANDLIN, R. ; CARNAY, L. : Changes in fluorescence,
turbidity, and birefringence associated with nerve excitation. In: Proceedings of the
National Academy of Sciences of the United States of America 61 (1968), Nr. 3, S.
883–888
[47] THARMANN, R. ; CLAESSENS, M. M. A. E. ; BAUSCH, A. R.: Viscoelasticity of
Isotropically Cross-Linked Actin Networks. In: Phys. Rev. Lett. 98 (2007), Nr. 8, S.
088103
68

Literaturverzeichnis
[48] THOMAS, H. : Die Physik von Nerven. In: Physik Journal 3 (2009), Nr. 8, S. 33–39
[49] UEDA, I. ; TASHIRO, C. ; ARAKAWA, K. : Depression of phase-transition temperature
in a model cell membrane by local anesthetics. In: Anesthesiology 46 (1977), S.
327–332
[50] URBAN, B. W.: Die Meyer-Overton-Regel: Was ist geblieben? Universitätsklinikum
Bonn, Klinik und Poliklinik für Anästhesiologie und spezielle Intensivmedizin, 2002
[51] WALLDORF, W. P. V.: Der Regenwurm-Lumbricus terrestris L.: Eine Praktikumsan-
leitung. Heidelberg : Quelle & Meyer, 1986
[52] WALTHER, J. B.: Funktionelle Anatomie der dorsalen Riesenfaser-Systeme von
Lumbricus terrestris L. In: Zoomorphology 70 (1971), September, Nr. 3, S. 253–280
[53] WILKE, E. : Das Problem der Reizleitung im Nerven vom Standpunkte der Wellen-
lehre aus betrachtet. In: Pflügers Archiv European Journal of Physiology 144 (1912),
Nr. 1-2, S. 35–38
[54] WODZINSKA, K. ; BLICHER, A. ; HEIMBURG, T. : The thermodynamics of lipid ion
channel formation in the absence and presence of anesthetics. BLM experiments and
simulations. 2009
[55] WUNDERLICH, B. ; LEIRER, C. ; IDZKO, A. L. ; KEYSER, U. F. ; WIXFORTH, A. ;
MYLES, V. M. ; HEIMBURG, T. ; SCHNEIDER, M. F.: Phase-State Dependent Current
Fluctuations in Pure Lipid Membranes. In: Biophysical Journal 96 (2009), Nr. 11, S.
4592–4597
69

6 Danksagung
Ich möchte mich abschließend noch bei allen bedanken, die mich während der Entstehung
dieser Arbeit begleitet und unterstützt haben:
An erster Stelle bedanke ich mich bei Prof. Dr. Achim Wixforth, der mir die Möglichkeit
gab, meine Diplomarbeit an seinem Lehrstuhl durchzuführen.
Ganz besonderer Dank gilt natürlich auch Matthias Schneider für sein Vertrauen und
dafür dass er mich mit dieser Arbeit betraut hat und ich ein vollwertiger Teil seiner
Arbeitsgruppe sein durfte. Unsere Diskussionen und seine Unterstützung und Förderung
haben mich stets motiviert und bei meiner Arbeit inspiriert.
Außerdem möchte ich meiner Verlobten Rafaela Förg danken, für die Tage und Nächte,
in denen sie mich bei meiner Arbeit unterstützte.
Für ihre Unterstützung und die zeitintensiven Korrekturarbeiten, bedanke ich mich auch
bei Susanne Braunmüller.
Alexander Hupfer, Sidonie Lieber und Olga Ustinov danke ich für die Hilfe bei techni-
schen Fragen und für die Unterstützung bei der Umsetzung meiner Ideen.
Desweiteren bedanke ich mich bei allen anderen Mitarbeitern des Lehrstuls für Experi-
mentalphysik 1. Einerseits für die Unterstützung bei verschiedensten Fragestellungen und
andererseits dafür, dass ich so nett in das Team aufgenommen wurde.
Der größte Dank gilt jedoch Stefan Bössinger, dafür, dass er immer ein offenes Ohr
für meine Anliegen hatte und die vielen Stunden in denen er mich bei den Messungen
unterstützt hat und, wie Matthias Schneider, nie müde wurde, mit mir an meiner Arbeit zu
feilen.
70

Name: Andreas Schönberger
geb.: 05.12.1976
Matr.Nr.: 10850305
FK06 im SS 2010
Erklärung
gemäß § 13 Abs. 5 RaPO
Hiermit erkläre ich, dass ich die Diplomarbeit selbstständig verfasst, noch nicht
anderweitig für Prüfungszwecke vorgelegt, keine anderen als die angegebenen Quellen
oder Hilfsmittel benutzt, sowie wörtliche und sinngemäße Zitate als solche
gekennzeichnet habe.
_______________ ______________________________
Ort, Datum Unterschrift