Ein Nervensignal ist ein elektrisches Signal und wird durch den Strom von Ionen (in H₂0 gelöste Salze) durch Kanäle in der Membran hervorgerufen. Solche Kanäle, auch Kanalproteine genannt, sind von Bedeutung für die Weiterleitung von Informationen, und sie sind nicht für alle Ionen gleich durchlässig. Wäre die Membran für alle gleich durchlässig so würde sie sich im chemisch-elektrischen Gleichgewicht befinden. Das heißt, die Konzentration von positiven Natrium- und Kaliumionen und negativen Chlorionen im Innern und Äußeren der Membran wäre gleich.
Dies ist nicht so, da Kaliumionen stärker durchgelassen werden als Natriumionen. Chlorionen können die Membran fast überhaupt nicht durchqueren. Daher herrscht im Ruhezustand der Membran ein Konzentrationsunterschied der drei wichtigsten Ionenarten: Natrium, Kalium und Chlor. Die Flüssigkeit außerhalb der Nervenelle hat eine zwölf mal höhere Natriumkonzentration als innen. Innerhalb ist die Konzentration an Kaliumionen vierzig mal höher als außen.

Durch die stärkere Durchlässigkeit der Membran für Kaliumionen können diese in höherer Zahl ausströmen als negative Ionen. Dadurch entsteht ein Ungleichgewicht an positiven und negativen Ladungen zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle, was ein elektrisches Feld aufbaut. Dieses kann, wenn der Ladungsunterschied eine bestimmte Größe erreicht hat, den Diffusionsstrom der Ionen kompensieren, und es tritt ein Ruhezustand ein. Im Ruhezustand ist eine Potentialdifferenz von ungefähr -70 mV vom Inneren gegenüber dem Äußeren gegeben. Trotz der teilweise durchlässigen Membran wird das Konzentrationsgefälle zwischen innen und außen durch spezielle Pumpenproteine (spezielle Moleküle) aufrechterhalten, die Ionen auf die andere Seite transportieren. Eine derartige Pumpe ist die Natriumpumpe.

Befindet sich ein Axon im Ruhezustand, herrscht also ein Potentialunterschied von -70 mV vom Inneren gegenüber dem Äußeren. Kommt dann ein elektrisches Nervensignal zur Zelle, so bewirkt sein elektrisches Feld, dass sich Natriumkanäle öffnen und somit Natriumionen von außen nach innen, aber keine Kaliumionen nach außen strömen können. Hierdurch verringert sich das negative Membranenpotential, was die Ursache dafür ist, dass sich noch weitere Natriumkanäle öffnen und ein relativ hoher Strom von Natriumionen in die Zelle gelangt, so dass sich das Membranenpotential weiter verringert, positiv wird und bis auf einen Wert von 30 mV ansteigt.
Jetzt werden Kaliumkanäle geöffnet, Kaliumionen gelangen nach außen, so dass der Ruhezustand wieder hergestellt werden kann. Die Phase, in der das Zellpotential unter dem Ruhepotential liegt, nennt man Refraktärphase. Zu dieser Zeit reagiert die Zellmembran nur schwer auf Reize. Die Ionenpumpen sind jetzt voll ausgelastet damit, die über die Kanäle ein- bzw. ausgeströmten Ionen wieder nach innen bzw. nach außen zu bringen.
Wichtig für das Verständnis der Weiterleitung des Nervensignals ist, dass das Aktionspoten-tial überall die gleiche Form und Amplitude besitzt. Daher kann kein Einzelsignal eine Information tragen. Die Nachricht über die Stärke des Ausgangsreizes wird durch die Frequenz des Aktionspotentials codiert. Durch diese Frequenzcodierung kann das Aktionspotential über lange Strecken unverändert übertragen werden.

Die Fortbewegungsgeschwindigkeit eines Nervensignals in einem unmyelinisierten Axon hängt vom Durchmesser des Querschnitts des Axons ab. Die Nervenfaser muß, um Signale doppelt so schnell leiten zu können, die vierfache Dicke haben. Myelinisierte Nervenfasern benötigen bei gleicher Informationsübertragungsgeschwindigkeit weniger Volumen. Ihre Dicke ist proportional zur Übertragungsgeschwindigkeit. Das menschliche Rückenmark müßte mehrere Meter dick sein, wäre es unmyelinisiert.
Eine solche Myelinschicht umgibt die Axone jedoch nicht vollständig, sondern hat in ein-Meter-Abständen Einschnürungen, die Ranvier-Schnürringe, an denen die Schicht fehlt. Bei unmyelinisierten Zellen ergibt sich durch Einstrom von Natriumionen eine Polarisation und darauf durch Ausstrom von Kaliumionen wieder eine Depolarisation des jeweiligen Abschnitts der Nervenfaser.
Die elektrischen Feldlinien eines Nervensignals sind um so dichter, je näher der noch unpolarisierte Abschnitt des Axons am bereits depolarisierten Bereich liegt. Deshalb bewirkt das elektrische Feld die Öffnung von Natriumkanälen in der Nähe des depolarisierten Abschnitts und ermöglicht hierdurch die Weiterleitung des Aktionspotentials. Die Feldlinien können die isolierende Myelinhülle nicht durchdringen, sondern springen von einem depolarisierten Abschnitt zum nächsten und polarisieren dort die Membran durch Öffnung von Natriumkanälen.
So gelangt dann das Aktionspotential viel schneller von einem Schnürring zum nächsten. Die Gehirne von Säugetieren könnten ohne Myelin nicht so kompakt aufgebaut sein.

Diese Vorgänge finden alle durch Signalleitung über eine erregende Synapse statt. Eine andere Art von Synapsen sind hemmende Synapsen. Sie bewirken den umgekehrten Fall. Es wird eine Erniedrigung des negativen Ruhepotentials ausgelöst und damit die Auslösung von Aktionspotentialen an der Basis des Neurons verhindert.
Die Stärke der Verbindung durch eine Synapse ist veränderbar. Werden über eine Synapse sehr oft Informationen weitergeleitet, ist ihre Effektivität ausgeprägter als die einer weniger aktiven Synapse, das heißt, Synapsen sind lernfähig. Wahrscheinlich ist dies der bedeutendste Vorgang des Lernens der Lebewesen mit Neuralsystem. Bei den meisten künstlichen neuronalen Netzen dienen diese Eigenschaften als entscheidende Grundlage.

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