Neuronen werden über eine externe Elektrode erregt, indem Strom durch sie geleitet wird. Ein ruhendes Neuron liegt bei -70 mV, es benötigt eine zusätzliche Ladung in Höhe von etwa 15 mV, um ein Aktionspotential auszulösen. Aber die äußere Elektrode gibt nur Elektronen ab, die negativ geladen sind, wie können sie das Potential im Inneren des Neurons erhöhen? Liefert die Elektrode Ladung an die Außenseite der Membran des Neurons?
Das elektrische Feld einer externen Elektrode provoziert die Öffnung von Natriumkanälen, was wiederum bewirkt, dass die positiv geladenen Natriumionen in den Zellkörper wandern und die gewünschte Änderung des Membranpotentials hervorrufen…
Referenz: Simulation Neuronaler Netze [("Simulation neuronaler Netze")] / Andreas Zell. - Bonn; Paris; Reading, Mass [ua]: Addison-Wesley, 1994, Erstausgabe
Der Strom in den Zellen ist ionisch und die Elektronenbewegung ist vernachlässigbar. Ja, die Erhöhung des Membranpotentials auf den spezifischen Schwellenwert verursacht Veränderungen in den Kanälen, was zu einer Spitze führt. Schauen wir uns genauer an, wie man zu dieser Schwelle kommt, vor der die Kanäle geschlossen sind.
Bei der Depolarisation wird das Membranpotential erhöht, wobei das Membranpotential eine Differenz zwischen der Spannung innerhalb der Zelle und der Spannung außerhalb der Zelle ist (folgen wir dieser Konvention). Im einfachsten Fall einer extrazellulären DC-Mikrostimulation mit einer monopolaren Kathode wäre dies ein Ergebnis einer Abnahme der extrazellulären Spannung und einer Zunahme der intrazellulären Spannung.
Der durch die Elektrode fließende Strom ist negativ, dies verringert die (extrazelluläre) Spannung, jedoch mit geringerer Abnahme weiter weg von der Elektrodenspitze. Somit hängt es von der Entfernung zur Zelle ab - wenn die Zelle zu weit entfernt ist, kann der Strom sowohl die extrazellulären als auch die intrazellulären Spannungen gleichermaßen beeinflussen, ohne ihre Differenz ausreichend zu beeinflussen.
Mit dem geringeren Abstand sollten wir aber auch den Widerstand der Membran berücksichtigen. Wenn es so groß ist, dass die intrazelluläre Spannung nicht direkt vom Strom beeinflusst wird, würden wir immer noch unterschiedliche extrazelluläre Spannungen an verschiedenen Seiten um die Zelle herum erhalten (weil die Spannungsänderung wie oben erwähnt entfernungsabhängig ist und die Zelle auch ausreichend groß sein könnte). An verschiedenen Stellen der Membran wäre die extrazelluläre Spannung unterschiedlich, aber intrazellulär bleibt gleich. Die Membran wird versuchen, sich auszugleichen und ihre intrazelluläre Spannung zu erhöhen, um das Membranpotential auszugleichen, das an verschiedenen Seiten durch Stromanwendung unterschiedlich gemacht wurde.
Andererseits ändern sich bei geringem Membranwiderstand sowohl die extrazellulären als auch die intrazellulären Spannungen nahezu identisch, ohne dass ihre Differenz benötigt wird.
Daher benötigen wir für einen bestimmten Strom und einen bestimmten Abstand (und eine bestimmte Zellgröße) den "richtigen" Membranwiderstand, damit die durch die Stromanwendung bereitgestellte Änderung extrazellulär gegenüber intrazellulär unterschiedlich ist. Es sollte einen räumlichen Gradienten in der extrazellulären Spannung, aber auch einen kleineren räumlichen Gradienten in der intrazellulären Spannung geben. Dann wäre ein Teil der Membran depolarisiert und ein anderer - hyperpolarisiert.
Wenn es einen kleinen Gradienten in der intrazellulären Spannung gibt, selbst wenn es einen signifikanten Gradienten in der extrazellulären Spannung gibt, wird das resultierende Membranpotential über die Membran hinweg nicht ausreichend unterschiedlich sein. Da wir in der Praxis den Strom steuern können und nicht die Membrangröße, den Widerstand und den Abstand dazu - wir wollen die Kontrolle, um nicht zu viel Strom zu haben (andernfalls haben wir wegen des Stromflusses durch das Zellplasma einen zu geringen intrazellulären Gradienten). und nicht zu wenig Strom (wegen fehlendem Stromfluss durch hohen Widerstand).