Als Signalumwandlung bezeichnet man den Wechsel zwischen analoger und digitaler Codierung im Verlauf einer Erregungsleitung von der Sinneszelle bis zum nachgeschalteten Neuron. Zwischen den verschiedenen Stationen wird Information mehrfach umkodiert.
Ein physikalischer oder chemischer Reiz öffnet in der Sinneszelle ionenspezifische Kanäle. Das resultierende Generator-/Rezeptorpotential ist abgestuft (analog): Stärkere Reize erzeugen größere Depolarisationen. Es ist nicht alles-oder-nichts.
Erreicht das Rezeptorpotential die Schwelle (~−55 mV), entstehen am Axonhügel Aktionspotentiale. Da jedes AP dieselbe Amplitude hat (Allesoder-nichts-Prinzip), wird die Reizstärke in die Frequenz der APs umkodiert – je stärker der Reiz, desto höher die AP-Frequenz (bis zur Refraktärzeit-Grenze, ca. 500 Hz). Das Signal ist nun digital.
Am präsynaptischen Endknöpfchen öffnen ankommende APs spannungsabhängige Ca2+-Kanäle. Eingeströmtes Calcium triggert die Fusion synaptischer Vesikel und die Freisetzung von Neurotransmittern. Je höher die AP-Frequenz, desto mehr Vesikel werden ausgeschüttet. Im postsynaptischen Neuron entsteht ein abgestuftes EPSP oder IPSP – das Signal ist wieder analog.
Werden genügend EPSPs zeitlich oder räumlich summiert (siehe Verrechnung postsynaptischer Potentiale), entstehen am Axonhügel des nachgeschalteten Neurons erneut Aktionspotentiale – analog wird wieder zu digital.
Die Umwandlung in digitale APs ermöglicht eine verlustfreie Signalübertragung über lange Strecken (z. B. Beinmuskel ↔ Rückenmark). Lokale analoge Potentiale würden mit der Entfernung exponentiell abklingen. Durch die Synapse können Signale moduliert, gewichtet und verrechnet werden (Plastizität).
Bei steigender Hauttemperatur erhöhen Warmrezeptoren das Generatorpotential analog. Am Axonhügel feuert die Sinneszelle z. B. 5 APs/s bei 32 °C, 50 APs/s bei 42 °C. An der Synapse zum Sekundärneuron werden entsprechend mehr Glutamatvesikel freigesetzt, das EPSP wächst und löst häufiger APs aus.
Ein einzelnes AP transportiert keine Reizstärke – nur die Frequenz tut das. Rezeptorpotentiale und EPSPs sind dagegen abgestuft, d. h. ihre Amplitude ist bedeutungstragend.
Zusammenfassung: analog → digital → analog → digital. Reizstärke wird abwechselnd in Amplitude und Frequenz codiert.
Abitur-Tipp: Beim Beschreiben einer Signalkette immer die vier Stationen mit analog/digital benennen – dafür gibt es im Erwartungshorizont meist Punkte.