Neurobiologie

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ablaufen Erhebliche Beschleunigung der Informationsweiterleitung entlang des Axons Ranvier-Schnürringe wirken bei der saltatorischen. Erregungsleitung mit, da Signal von Schnürring zu Schnürring springt Bilden mit Dendriten anderer Neuronen oder mit Muskelzellen Synapsen 1 1.2 Aufgabe eines Neurons End- knöpfchen Strukturell ● ● Sama 1.3 Klassifikation von Nervenzellen ● Synapse Funktionell Zellkern cytoplasma Soma Dort werden die von der Nervenzelle transportierten Signale übertragen Art der Informationsübertragung: Mitochondrien deuteten auf Vorgang, der Energie benötigt hin; mit Sekret gefüllte Vesikel zeigen, dass chemische Substanzen eine Rolle spielen Umwandlung von elektrischen in chemische Impulse über Transmitta Signalumwandlung ● Bipolar (in Sinnesorganen) Multipolar (Purkinje Zellen im Kleinhirn) Zellmemicran Drei oder mehr Fortsätze (1 Axon,> 1 Dendrit) Starke Verästelung der Dendriten Können besonders viele Synapsen ausbilden Zwei Fortsätze (Axon, Dendrit) Dendrit Unipolar (oder: pseudounipolar) (Neuron im Rückenmark) Axonhügel Sensorisch (= afferent = vom Rezeptor zum ZNS) Ravier'scher Schnürring 5 Myelin- schneide ● Motorisch (= efferent = vom ZNS zum Effektor) 2 Meist bei Wirbellosentieren, da Neuronen meist nur einen Fortsatz haben Überwiegend unipolar, Zellkörper liegen nicht im ZNS Pseudounipolar, da ihre Fortsätze miteinander verschmelzen synaptische Endknäppchen schwann'sche Zelle / Glazelle → T-förmiges Fortsatz: nur Axon Überwiegend in peripherem sensorischem Ganglion (→ Plural: Ganglien; Anhäufung von Nervenzellkörpern im peripheren Nervensystem) Axon (Neurit) zu Muskeln und Drüsen meist multipolar, Zellkörper im ZNS Leiten ans autonome oder somatische NS Interneurone (hauptsächlich im ZNS) 99% der Neurone des Körpers Multipolar Verbinden afferente Neuronen mit efferenten Neuronen 2 Nervensystem bei verschiedenen Organismen Nervennetz: (einfachste bekannte Art eines Nervensystems) Ausgeprägtes Kommunikationsnetz und Verknüpfungsnetz zwischen den Neuronen, das einfache Verhaltensreaktionen ermöglicht. Ganglien: Kleine, aus Neuronen bestehende Knoten/ Anhäufung von Nervenzellen, Verknüpfen mehrere Nervenstränge miteinander Strickleiternervensystem: Nervenstränge, die über Ganglien "Strickleiterhaft" verknüpft sind → ermöglicht komplexere Verhaltensweisen als bei einem einfachen Nervennetz Cephalisation: Beschreibt die evolutionäre Entwicklung der Gehirnbildung, indem sich die Ganglien sich miteinander immer weiter in komplexere Strukturen verschmolzen haben. ZNS: zentrales Nervensystem: beinhaltet das Gehirn und das Rückenmark → meiste Anzahl von Neuronen + wichtige Steuerungprozesse und Informationsverarbeitungen (Verarbeitungs-, Speicher- und Steuerfunktion) PNS: peripheres Nervensystem: Zum peripheren Nervensystem gehören alle Nerven, die das ZNS mit Körpergewebe verbinden und Erregungen zum ZNS leiten und/oder übertragen ● Teilung des PNS in 2 Untereinheiten: 1. Afferente (sensorisch) Nervenbahnen → hinführend Nervenfasern, die sensorische Stimuli von Reizaufnehmenden Neuronen (Sinneszellen, Sinnesorganen) zum ZNS leiten 2. Efferente (motorisch) Nervenbahnen → herausführend Nervenfasern, die vom ZNS wegführen, um Signale zu peripheren Erfolgsorgane (Muskel und Drüsen) zu übertragen Motorische Nervenbahnen werden unterteilt in: 1. Somatisches Nervensystem Steuerung der Muskelkoordination von Bewegungsabläufen →willkürlich, bewusst Alle bewussten Bewegungen 2. Autonomes (vegetatives) Nervensystem Steuerung der Organe/Eingeweide → unwillkürlich, unbewusst Steuerung lebenswichtiger Funktionen → Atmung, Verdauung, Herzschlag Vegetatives Nervensystem wird unterteilt in: 1. Sympathikus 3 Aktionsnerv - leistungssteigernd (ergotrop) Stress und Notfallsituationen: → z.B: Herz-und Atemfrequenz steigt, Abbau von Energiereserven, Verdauungsaktivität ist "nicht notwendig" und wird heruntergefahren 2. Parasympathikus Ruhenerv - erholungsfördernd (Trophotrop) Regenerationssituationen: → z.B: Herz- und Atemfrequenz sinkt, Aufbau von Energiereserven, Verdauungsaktivität steigt Neuroplastizität: funktionelle, strukturelle und adaptive Veränderung im Bereich des ZNS, die aus veränderten physiologischen Anforderungen resultieren (ermöglicht Lernvorgänge durch das Trainieren des Gehirns) Funktionelle P. Veränderungen der Stärke der synaptischen Übertragung Neuroplastizität Synaptische P. Veränderungen der synaptischen Kontaktfläche / Auf-, Ab-, Umbau von Synapsen Strukturelle P. Veränderungen des Axons und Dentritenbäumen 3 Reflexe - einfache Reiz-Reaktionsverschränkungen Reflex: ist eine durch einen bestimmten Reiz nervös ausgelöste, unwillkürliche, rasche und stereotypisch ablaufende Reaktion eines Organismus, welche neuronal vermittelt wird Neurogenese Bedingter Reflex: auch konditionierter oder erworbener Reflex, ist eine reflexartige Reaktionsweise, die erlernt wurde 4 Unbedingter Reiz: auch unkonditionierter oder angeborener Reflex, ist eine reflexartige Reaktionsweise, die entweder bereits bei der Geburt eines Lebewesens voll ausgebildet wurde oder sich im Verlaufe seiner Entwicklung bis zur Geschlechtsreife und dem Wachstumsende entwickelt Reflexbogen/Reflexweg: meint die kürzeste Verbindung eines neuronalen Erregungskreises, also die Verschaltung zwischen zwei verschiedenen Neuronen, die die raschen Reaktionen auf Reize ohne willentliche Steuerung durch das Gehirn ermöglicht. Dies geschieht auf der Ebene des Rückenmarks über eine Synapse im Vorderhorn 3.1 Ablauf des allgemeinen Reflexbogens Reiz Reiz- und Reaktionsort Rezeptor Sinneszellen und sensible Nervenendigungen Erzeugen Aktionspotenzial Aktivierung des afferenten Nervensystems Das affenernte sensorische Neuron wird aktiviert und leitet Aktionspotenzial weiter ans ZNS Erregungsleitung Verarbeitung im ZNS Impulse werden z. B. im Rückenmark verarbeitet Interneuronen als Regulatoren (erregende und hemmende Synapsen) Weiterleiten des Aktionspotenzials Aktivierung des efferenten Nervensystems Das Motoneuron wird aktiviert 3.2 Einteilung der Reflexe Eigenreflex Rezeptor und Erfolgsorgan (Effektororgan) liegen dicht nebeneinander Reaktion findet im selben Organ statt Synapsenanzahl Monosynaptisch (Aktivierung von zwei über Synapsen verbundene Neuronen) Į Reflektion/Reflexbewegung Effektor: Muskelzelle 5 Vermittelt die Erregung/das Aktionspotenzial Fremdreflex Rezeptor und Effektor liegen nicht in unmittelbarer Nähe zusammen → Reaktion findet in verschiedenen Organen statt Polysynaptisch Reflexbahn Reflexzeit Reflexerfolg Habituation (Gewöhnung) Reizsummation Ermüdbarkeit Beispiele 3.3 Isoliert 2. Rücken- mark segmente Hinterhom s Eintritt der Sensorischen Nervenbahn) Relativ kurz (ca.20 ms), konstant Vorderho Austritt der Motorischen, Nervenbahn) Einzelzuckung Nicht möglich Gering Sehr gering Klammerreflex, Saugreflex, Kniereflex, Beispiel für einen Fremdreflex alle Muskeleigenreflexe weiße Substanz (Weuriten) poly synaptisch Ausbreitung ist abhängig von der Reizintensität Relativ lang, abhängig von der Reizintensität Beanspruchung mehrerer Muskeln (Tonus) Möglich 6 Deutlich (Steigerung der Intensität + Wiederholung) Deutlich (z.B. unaufhörbarer, starker Husten) Husten, Niesen, Würgen, Polysynaptischer Fremdreflex grawe Substanz (Soma) interneurone Schluckreflex, Liedschlussreflex, Pupillenreflex (Schutzreflexe) affarente/sensorische Nervenbahn efferentes/motorisches Nervensystem Reaktion Schmerzreiz S -Effektor: Ober-Unter- schenkel als Gegenspieler Druckrezeptoren/ Schmerzrezeptoren 4 Biomembran: Fluid-Mosaik-Modell Biomembranen stellen ein Mosaik aus Proteinmolekülen dar, die in eine flüssige Lipiddoppelschicht eingebettet sind und sich leteral (seitlich) in ihr bewegen können. Die Membran befindet sich daher nicht in einem starren, sondern in einem fluiden, dynamischen Zustand. Strukturen und Merkmale der Biomembran, die für neurophysiologische Vorgänge relevant sind und diese ermöglichen: 1. Diffusionsbarriere: →Hilft benötigten Gradienten aufrechtzuerhalten Durch die Hydrathülle der lonen können lonen nicht willkürlich und unkontrolliert durch die Membran diffundieren, da die Doppellipidschicht auch aus aus amphiphilen Phospholipiden besteht, die an den "Kohlenstoffschwänzen"kein Wasseer durchlassen. 2. Membran ist selektiv-/ Permeabel: →nur spezifische lonen Es herrscht eine "osmotische Schranke", die nur bestimmte Stoffe, hier nur bestimmte lonen, (in unterschiedlicher Konzentration) durchlässt. 3. Integrale/Transmembrane Proteine: passiv ohne Energieaufwand: -Integrale Tunnelproteine sind ionenspezifisch und erleichtern Diffusion aktiv mit ATP-Aufwendung: Carrier Proteine wie Na+ und K+ Pumpe → gebrauchte Konzentrationsgradienten können somit aufrechterhalten werden z.B. fürs Ruhepotential 4. Glykoproteide: → Rezeptorvermittelte Endocytose Zell-Zell-Kontakt und Kommunikation zwischen Synapse und Nachbar-Dendrit z.B. Neurotransmitter im synaptischen Spalt 5. Funktion als Biokondensator (Bsp. Ruhepotential): Die Biomembran bzw. die Doppellipidschicht trennt durch transmembrane Proteine positive lonen/Ladungen, wie Na+ und K+ im extrazellulären Raum von den negativen lonen wie Clim intrazellulären Raum. → Es entsteht eine Potenzialdifferenz, die zur Spannung führt → wichtig als Ausgangspunkt fürs Aktionspotential 5 Das Ruhepotenzial 5.1 Voraussetzung für die Entstehung des Ruhepotenzials lonenverteilung: lonen sind für das chemische Geleichgewicht und Potenzial zuständig und rufen das elektrische Gleichgewicht bzw. Ungleichgewicht hervor (im Ruhepotenzial: lonenverteilung in Ungleichgewicht) Intrazelluläre Konzentration: überwiegend Kalium-Ionen und Proteinanionen (negativ) ● Extrazelluläre Konzentration: überwiegend aus Natrium- und Chlorid-lonen (positiv) → Ungleichgewicht fördert elektrische Differenzpotenzial →lonenverteilung ist auf die selektiv permeablen Eigenschaften der Biomembran zurückzuführen und ist eine Voraussetzung für die lonenverteilung K-Gleichgewichtspotenzial: Beschreibt das Kompensieren der chemischen Kraft und der elektrischen Kraft bezüglich der Kalium-Ionen ● Wegen Konzentrationsgefälle diffundieren K*-Teilchen nach Außen⇒ im Zellinneren: höheres, noch negativeres Ladungspotenzial 7 ● Starke, negative Ladung zieht Kalium-Ionen an; lonen diffundieren in den Kaliumionenhintergrundkanälen ständig ein und aus ⇒ Kompensation Natrium-Kalium-Pumpe: Sorgt für Entstehung des Ruhepotenzials mit Hilfe der Spaltung von ATP → Pumpe kann somit lonen auf die andere Seite der Membran schleusen ● ● Vom extrazellulären Raum werden drei Natrium-Ionen und vom intrazellulären zwei Kalium- lonen jeweils auf die andere Seite der Membran geschleust (→ Transport entgegen des Konzentrationsgefälles, sodass die Ladung im intrazellulären Raum zunehmend negativer und im extrazellulären Raum zunehmend positiver wird, da insgesamt immer ein positiv geladenes lon nach außen transportiert wird) Biomembran als Plattenkondensator: Trennung der beiden Räume (Intra- und Extrazellulärer Raum) Na-Leckstrom: Ist das Diffundieren von Na+-lonen durch die K+-Carrier ins Zellinnere, welches nur selten und unwillentlich geschieht NA+-lonen werden vom negativ geladenen Zellinneren angezogen und wollen ihren Konzentrationsunterschied ausgleichen Auf Dauer würde es so zu einem Ladungs- und Spannungsausgleich zwischen Intra- und Extrazellulärraum kommen ● Extrazellulär Membran A CI CI offener K Kanal Intrazellulär - Axon 6 Das Aktionspotenzial 1. Ruhepotenzial Membran Na CI 2. Depolarisation (Overshoot) K* Na Spannungsabhängige Na*-Kanäle geschlossen Spannungsabhängige K*-Kanäle geschlossen Membranpotenzial liegt bei -65 mV → Axon ist also noch erregbar Na-Ka-Pumpe 8 CI CI Natrium Leckstrom Membran Na ni n www FOR Not & ko" corren ngnt diccundieren ● → Je mehr Na*t-Kanäle sich öffnen, desto mehr Kanäle werden geöffnet → selbstverstärkender Prozess (durch positive Rückkopplung) Veränderung des Membranpotenzials auf 30 mV, da Na*- lonen ins intrazellulären strömen und es so zu einem konzentrationsausgleich kommt ● 3. Repolarisation (ca -70mV) ● reiz verringert das Membranpotenzial, sodass es den Schwellenwert von -30mV erreicht → Depolarisierung der Membran Na+-Kanäle schließen sich wieder kein Na+-Einstrom mehr Durch Depolarisation der Axonmembran Öffnung der Spannungsabhängigen K*-Kanäle (zeitverzögert) → Einstrom von K+-lonen nach Außen Intrazellulärer wird gegenüber extrazellulärem Raum wieder elektrisch negativer → Membranpotenzial nähert sich dem Ruhepotenzialwert ● Dadurch werden Spannungssensoren der Na*-Kanäle aktiviert → Öffnung der Spannungsgesteuerten Na*- Kanäle für 1 ms → Einstrom von Na*-lonen → Extrazellulärer Raum negativer (Na+ fehlt) → Intrazellulärer Raum positiver Reizung ist überschwellig (bei -50 mV) -> ,,Alles-oder-Nichts Prinzip ", das Aktionspotenzials läuft unabhängig von Intensität des Reizes gleichförmig u. Vollständig ab → Overshoot (Amplitude) ● 4. Hyperpolarisation (Undershoot) ● ● K+ Kanäle aufgrund von Trägheit (schließen sich nur langsam länger geöffnet -> mehr K+ lonen strömen aus, als zur Wiederherstellung des Ruhepotenzials notwendig Kurzzeitig noch negativerer Innenseite als Ruhepotenzial (Undershoot) 5. Ruhepotenzial No kann remain difcunderen n Jo 9 wwwwww Suposa No kann nicht weiter in de ze dopunderen Ik verbust oneran Wiederherstellung ursprünglicher lonenverteilung/ursprünglichen Ladungsunterschied durch Na*-K+-Pumpe Ka diccundiert nach Außen n n YoYo Ka diffundert nach Augen No kann nicht weiter in de aule dipundieren n X (COO) 6.1 absolute Refraktärzeit Findet während der Depolarisation und Repolarisation statt und dauert dementsprechend etwa 1-2ms Nach Auslösen des Aktionspotenzials werden Natriumkanäle durch die Anregung Depolarisation von kugelförmige Proteinteilen im Intrazellularraum bei Depolarisation inaktiviert Es können keine weiteren Na+ -lonen einströmen Nach Erreichen des Ruhepotenzials, löst sich die Proteinkugel und der Natriumkanal schließt sich 6.3 Proteinkugel = mechanische Barriere, die das Diffundieren der Natriumionen verhindert Die Phase der Depolarisation, in der der Intrazellularraum durch die Natriumionen positiv geladen wird, kann somit nicht erneut eintreten Membranpotenzial [mV] 40 20 0 -20 10 -40 -60 -80 Verlauf Aktionspotential Depolarisation Schwelle 1 Absolute Repolarisation Hyperpolarisation 2 Refraktärzeit Selbst bei sehr starker erneuter Reizung kann somit kein neues Aktionpotenzial entstehen Das Aktionspotenzial kann sich also nicht aufsummieren und nach dem Aktionpotenzial folgt zwangsweise die Repolarisation und Hyperpolarisation. 6.2 relative Refraktärzeit resultiert aus der Phase der Hyperpolarisation und endet beim Erreichen des Ruhepotentials (ca. 2ms) → Wiederherstellung der Ausgangsspannung von etwa -65mV Kaliumionen strömen aus dem Axon aus, sogar mehr als nötig, um Ruhepotenzial herzustellen → Spannung wird noch negativer (-90mV) Zelle ist dann theoretisch erregbar, aber Reizschwellenwert liegt noch immer bei -30mV, um ein erneutes Aktionspotenzial auszulösen Die Differenz zu dem Schwellenwert ist nun somit viel größer und der Wert ist lediglich zu erreichen, wenn ein sehr starker Impuls / Reiz vorliegen würde lonentheorie Erregbare Membran von Nerven- und Muskelzelle verfügt über selektiv permeable Na* lonen und K* lonen Kanäle Die in Ruhe stärker K* Leitfähigkeit (mehr Kalium-Kanäle offen) ist für das Ruhepotenzial verantwortlich (Innenseite der Zellmembran -60 bis -90 mV gegenüber der Außenseite) Bei Erregung werden erst Na-Kanäle geöffnet → Natriumleitfähigkeit steigt an → Aktionspotenzial (Membranpotenzial wird kurz positiv (overshoot)) Na-Kanäle verschließen sich und Kalium-Kanäle öffnen sich → Repolarisation der Zellmembran 6.4 Weiterleitung des Aktionspotenzials am Axon Grundlagen: 1. Es gibt eine einsinnige / gerichtete Weiterleitung des Aktionspotenzials vom Axonhügel zu den synaptischen Endknöpfchen (Ursache: Refraktärzeit tritt nach und nach ein und kann deshalb nicht rückgekoppelt werden) 2. ektrotonische Erregungsleitung: bei der Entstehung eines lokalen Aktionspotenzials entwickelt sich ein elektromagnetisches Feld, das von der erregten Membranstelle ausgeht. Infolge dessen kommt es zu lokalen Ausgleichströmchen parallel zur Membran, die die 3 Zeit [ms] Relative Deh- nung Reiz Rezeptor- potential JOC Muskel- spindel Rezeptor benachbarte Membranstelle depolarisiert. Wenn der Schwellenwert überschritten wird entsteht das Aktionspotenzial (Alles-oder-Nichts-Prinzip) Aktions- potential Aktions- potential sensorisches Neuron Hüllzelle ■ Axon Trans- mitter- aus- schüt- tung Afferenz post- synap- tisches Potential Synapse Aktions- potential motorisches Neuron Axon Efferenz 11 Trans- End- platten- mitter- aus- schüt- tung potential Muskel- aktions- potential motorische Muskel Kontraktion Endplatte Frequenzmodulation: Codierung der Frequenz (Häufigkeit) → Ausschlag und die Erregungsstärke ist gleich; immer gleichbleibende Amplitude (Alles-oder-Nichts-Prinzip); je stärker der Reiz, desto höher die Frequenz (Aktionspotenzial, Muskelaktionspotenzial) Effektor Reaktion Amplitudenmodulation: Codierung der Höhe → Ausschlag der Amplitude ändert sich; je höher die Spannung umso qualitativer der Ausschlag der Amplitude → höheres Potenzial (Rezeptorpotenzial, Endplattenpotenzial und postsynaptisches Potenzial) Von welchen Faktoren hängt die Leitungsgeschwindigkeit der Erregung an Axonen ab? 1. Axondurchmesser: (bei einer kontinuierlichen Erregungsleitung), Wenn ein Axon dünn ist, ist der Innenwiderstand hoch und die lokalen Ausgleichströme können sich nicht weit ausbreiten. Mit zunehmendem Axondurchmesser sinkt der Innenwiderstand und die Reichweite der Ausgleichströme erhöht sich. So kann aufgrund der hohen Stromstärke die Depolarisation den Schwellenwert schneller erreichen. 2. Temperatur: je höher die Temperatur, umso höher die Brown'sche Molekularbewegung und umso schneller die Diffusion der Natriumionen (höhere Aktivität) 3. Axone mit Myelinscheide: Nur an den Ranvier Schnürrungen, also die Stellen, die nicht von Myelinscheiden isoliert sind, befinden sich die Natriumionenkanäle, weshalb auch nur an diesen stellen ein Aktionspotenzial entstehen kann So springt das AP von Schnürring zu Schnürring (saltatorisch) Axone mit Myelinscheide macht nur bei längeren Axonen Sinn, denn für die Bildung der Markscheiden werden mehr ,,Materialien" benötigt → mehr Energieaufwand 4. Axone ohne Myelinscheide: Aufgrund fehlender Isolierung befinden sich an der ganzen Membran Natriumionenkanäle, so muss an jeder Stelle des Axons eine Depolarisation stattfinden (sehr hoher Energieaufwand) Auch,,höhere" Lebewesen (Menschen) besitzen über Nervenfasern ohne Myelinscheide → Bsp.: Innere Organe = vegetative Nervensystem 6.5 zwei Arten der Erregungsleitung 6.5.1 Unterschiede Prinzip Vorkommen Geschwindigkeit der EL Isolierung Depolarisation Größe des Axons Lösung 6.5.2 6.6 7.2 →Nicht bei allen Nervenfasern kommt es auf die Geschwindigkeit an, denn unwillkürliche Vorgänge werden durch Marklose Axone gesteuert) ● ● Saltatorisch Myelinscheide vorhanden, die Axon an einigen Stellen isoliert und den Stromfluss im Inneren des Axons verstärkt. Nur an Ranvier Schnürringen kann AP entstehen Wirbeltiere 150 m/s Durch Myelinscheide Nur am Ranvier Schnürring Deutlich dünner Durchmesser 7 Synapsen 7.1 Art der Erregungsübertragung Gemeinsamkeiten Übertragung nur in eine Richtung Positive Rückkopplung Kontinuierlich Myelinscheide nicht vorhanden; Natriumkanäle an jeder Stelle der Membran, also muss an jeder Stelle eine Depolarisation stattfinden Wirbellose Tiere 100 m/s 12 Natürliche Isolierung durch Lipiddoppelschicht Am gesamten Axon Bis zu 1 mm dich (Riesenaxone) Nur durch eine Vergrößerung des Axondurchmessers kann höhere Leitungsgeschwindigkeit erreicht Erregungsleitung im Hinblick auf Evolution Abwehrmechanismus (Reaktion), was einen Selektionsvorteil bietet 3 Prinzipien in der Evolution zur Weiterleitung einer Erregung am Axon: 1. Vergrößerung des Axondurchmessers 2. Isolation →→ Ausbildung der Myelinscheide (saltatorisch) 3. Elektrische Synapsen (Synapsen, die über Proteinkanäle, die Gap junktions, gebildet werden) werden ABER: größerer Durchmesser = mehr Platzeinnahme + mehr ,,Material" zur Bildung der Membran wird benötigt (Lipide, Proteine etc.) Elektrische Synapse (→→ kein Codierungswechsel) Chemische Synapse (über Neurotransmitter z.B. ACH) Ort im Nervensystem Interneuronale Synapsen (NZ→ NZ) Neuromuskuläre Synapse (NZ → MZ/motorische Endplatte) Neurosektretäre Synapse (NZ→ Drüsenzelle) 7.3 Art des Impulses / der Information Exzitatorische Synapse → Depolarisation → EPSP Häufige Neurotransmitter: ACH/Acetylcholin Gamma-Aminobuttersäure → bei Öffnung Einstrom → Depolarisation Chlorid-lonen / -Kanäle Dopamin → Die postsynaptische Reaktion hängt vom Rezeptor der lonenkanäle in der Postsynapse ab→ nicht vom Neurotransmitter, der gleiche Neurotransmitter kann unterschiedliche wirken, je nach dem Rezeptor der Postsynapse 7.4 Relevante lonensorten und lonenkanäle Natrium-Ionen /-Kanäle 7.5 → bei Öffnung folgt Einstrom → Hyperpolarisation Selten: Kalium-Ionen /-Kanäle → bei Öffnung Ausstrom in Extrazellularraum → Hyperpolarisation Aufbau einer exzitatorischen choligernen Synapse Calonenkanäle Aktionspotential versikel mit Trans- Mittern Acetyl COA Synaptischer Spalt EPSP Acetylcholinesterase Inhibitorische Synapse → Hyperpolarisation →→ IPSP Häufige Neurotransmitter: Ca²+ Ca 2+ 13 viele Aminosäuren, z.B. Glycin GABA Dopamin Na+ geschi. Nat kanale präsynaptische Membran Offene Nat kanale postsyn. Mempran 8 Biochemische Erregungsübertragung an cholinergen Synapsen Aktionspotenzial erreicht das präsynaptische Endknöpfchen Depolarisation, Öffnung Na*-Kanäle Öffnung spannungsabhängiger Calciumionenkanäle; Einstrom (diffundieren) der Calciumionen in den intrazellulären Raum (präsynaptische Endigung > s. Konzentrationsgradient (chemisches Potenzial; passiver Transport) ↓ (ca. 8000) Synaptische Vesikel mit dem Neurotransmitter ACH wandern zur präsynaptischen Membran und verschmelzen mit ihr (Exocytose) → abhängig von Ca²+-Konzentration ↓ Freisetzung der Neurotransmittermoleküle (ACH) im synaptischen Spalt → präzise und schnell Das ACH (Ligand) diffundiert und wird an der postsynaptischen Membran durch die Rezeptorproteine (transmittergesteuerte lonenkanäle) gebunden → Vorgang findet im synaptischen Spalt statt ↓ Freie/ungebundene Rezeptoren gehen mit dem Transmitter ACH (> Substratspezifität) eine Bindung ein (Schlüssel-Schloss-Prinzip) und bilden einen Neurotransmitter-Rezeptor-Komplex ↓ Der mit dem Rezeptor verbundene Kanal verformt sich und wird aktiviert (Konformations- /Transformationsänderung) ↓ Ligandenabhängige Nat-lonenkanäle werden geöffnet; Nat-lonen strömen in den intrazellulären Raum der postsynaptischen Zelle (s. Konzentrationsgradient; chem. Potenzial → erleichterte Diffusion) ↓ Das Neuron wird im Bereich der postsynaptischen Membran depolarisiert; das postsynaptische Potenzial entsteht (EPSP) ↓ Veränderung des Membranpotenzials (Potenzial ist graduiert) > es wir weniger negativ/es wir positiver ↓ Weitere Depolarisation durch die Abgabe von ACH; PSP breitet sich elektrotonisch bis zum Axonhügel aus entlang des Somas ↓ Nach Erreichen des Schwellenwertes werden weitere Nat-lonenkanäle geöffnet (positive Rückkopplung) bis das Aktionspotenzial am Axon erreicht ist Der Transmitter ACH-rest wird von der Acetylcholinesterase in die Spaltprodukte Acetat und Cholin gespalten (hydrolytische Spaltung). Diese wird erneut in den intrazellulären Raum des präsynaptischen Neurons aufgenommen ⇒ Dauererregung wird verhindert → ist eine endogene Reaktion, da sie ATP-Abhängig ist ↓ Schließung der Nat-lonenkanäle durch die Inaktivierung der Rezeptorproteine in der Membran vom postsynaptischen Neuron ↓ Enzym bindet neue Acetatgruppe an Cholin und neue Vesikel werden gebildet und anschließend mit ACH beladen 14 mV Alles-oder-nichts mv 0 digital zuleitendes Axon Zeit Zeit AP →Frequenzmodulation exzitatorisch analog analog inhibitorisch mV 0 => Depolarisation Zeit synaptische Integration: zeitliche + räumliche Summation ·•IPSP wird mit EPSP verrechnet → Kompensation Nucleus synaptischen Endknöpfchen ↓ Neurotransmitterausschüttung mV 0 EPSP digital Axonhügel chemische synapsen sind digital- analog-Wandler Zeit mV 0 IPSP Zeit Hyperpolarisation ableitendes Axon Amplitudenmodulation analog: Transmittermenge ist analog zur Frequenz der APS >Je mehr APS, desto stärker ist die Neurotransmitteraus- schüttung 15 9 Art der Erregungsübertragung Direkte Verbindung der Zelle Zellabstand Informationsübertragung Geschwindigkeit Beeinflussung des Signals Übertragungsrichtung Vorteile Nachteile Vorkommen Elektrische Synapse Vorhanden ● 3,5 nm Durch direkten lonenaustausch (kein Codierungswechsel) → digital Nahezu ohne Verzögerung Nicht möglich Meist in beide Richtungen (bidirektional für Synchronisation Keine Verzögerung Keine Feinregulation Keine Inhibition z.B. Herzmuskeln, überall wo schnelle Erregungsübertragung nötig ist Chemische Synapse Unterbrochen durch den synaptischen Spalt 20-40 nm Durch Neurotransmitter → analog 16 Verzögerung der Weiterleitung um 1-5 ms Verrechnung möglich: Synapsengift Neuropeptide + Neuromodulation Nur in eine Richtung Elektrische Synapse ● Genereller Aufbau gleich wie von chemischen Synapsen Synaptischer Spalt ist sehr viel kleiner (2-3,5 nm lang) Plasma der Zelle wird durch Konnexionen verbunden →gap junctions →gelöste lonen können bidirectional diffundieren ● Connexin: Ein Transmembranprotein ⇒ 6 Connexin-Moleküle bilden ein Connexon ● Vorkommen: Herzmuskel, Gehirn ● Funktion: Synchronisation von muskulären Abläufen z. B. Herz für schnelle Reaktion → z.B. Fluchtreaktion Bei hemmenden Synapsen sind gap junctions verschlossen Präzise Feinregulation durch z.B. Inhibition, Summation Lange Verzögerung Unidirektional z. B. motorische Endplatte 10 Neuronale Verrechnung 10.1 Räumliche Summation ● Ein einzelnes EPSP reicht oftmals nicht aus für ein Aktionspotenzial → Mehrere räumlich getrennte Synapsen schütten zusammen größere Anzahl an Transmittern aus → erst durch Summation wird ein AP ausgelöst → größere Amplitude des EPSPS 10.2 Zeitliche Summation ● Membranspannung (mv) 0 Dendrit Zeit 0 Zeil 2 Zeitliche Summation EPSP Es gelangen mehrere APS nacheinander an eine Synapse Aktionspotenzial erreicht Synapse → das darauffolgende AP addiert sich mit dem alten Durch höhere Frequenz summieren sich die Potenziale → das EPSP ist stärker Soma H 0 Zeit Axon Dendrit 17 Zeit gleichzeitig ● Soma 1 Räumliche Summation EPSP Zeit Zutreffend auf zeitlich und räumlich: Große Anzahl an Transmittermolekülen → erhöhte Diffusion von Natriumionen IPSP kann aber auch postsynaptische Gesamtpotenzial verringern → Entstehung eines APS ist erschwert Zeit Axon 11 Renshaw-Hemmung ⇒ reziproke / feedback Hemmung Renshaw- zelle ● 12 Präsynaptische Hemmung ● inhibitorisches Interneuron ● ● Kollaterale Motoneuron afferente Faser Interneuron efferente Faser Neurit Muskulatur Inhibitorisches ← 18 Wird durch eine Axonkollaterale des Motoneurons erregt Über Renshaw-Zelle →→> wird das Motoneuron gehemmt → rückläufige Hemmung Starke Aktivität des Motoneurons = starke Hemmung Schwache Aktivität = reduzierte Hemmung → erhöht Erregbarkeit der Motoneurone Negative Rückkopplung verhindert Übererregung und reguliert Aktivität des Motoneurons Kontrollmechanismus bei Weiterleitung von Erregung Ankommendes AP an Endknöpfchen der erregenden Synapse → Natriumkanäle werden an präsynaptischen Membran geöffnet Hemmende Synapse setzt an Endknöpfchen einer erregenden Synapse an →Ankommendes AP wird verringert Chloridkanäle werden geöffnet durch Transmitterausschüttung der inhibitorischen Synapse → Chlorid strömt in das synaptische Endknöpfchen ein Gleichzeitige Diffusion positiv geladener Natriumkationen und negativ geladene Chloridionen in das Endknöpfchen → Reduzierter Calciumeinstrom → vermindert Transmitterausschüttung im präsynaptischen Spalt EPSP der weiterleitenden Nervenzelle bleibt unter dem Schwellenwert → kein neu ausgelöstes AP am Axonhügel Biologischer Sinn: selektive Unterdrückung der Erregungsweiterleitung an Neuronen → Hemmeden Wirkung bei Regulation der Muskelbewegung, Regulierung von Sinneswahrnehmung, z.B. Kontrastverstärkung Aktionspotensiale mit höherer frequent muss ankommen Hyperpolarisation an der Präsynapse →verstärlufes Ruhe- potensial ● Transmitterausschattung an fräsynapse abhängig mit hemmendem Neuron pip CI- :: Transmitter- auschüttung vermindert ● erregendes Neuron → Modulation der Wirkungsweise spezifischer Synapsen 13.2 Transmitter-Enzym-Hemmer 8 auch bei Schmerzbahnen im Rückenmark ↳ Enkephalin wird ausgeschüttet, sodass das Schmertempfinden gebremst wird 13.3 postsynaptisch wirkende hemmendes Neuron 13 Synapsengifte 13.1 präsynaptisch wirkende 1. Freisetzung der Transmittermoleküle kann beeinflusst sein (z. B. Cl-Kanäle, Verschmelzung der Vesikel) →→ Transmittermenge wird beeinflusst 2. Recycling in die Präsynapse → Transportmoleküle können beeinträchtigt ein → Erregung wird verlangsamt Allosterische Hemmung der ACH-Esterase (Gift wirkt reversibel/irreversibel) → Konzentration der Transmitter im Spalt bleibt hoch Blockade der Rezeptoren an den lonenkanälen (z. B. Anticholinerika) Bedingung: Gift muss ähnliche Struktur wie Transmitter haben Absenkung des RP ↳ Calciumkanäle können sich nicht öffnen → Spezifische Konkurrenzhemmung → Kompetitive Hemmung (reversibel/irreversibel) →Feinregulation der Transmitterausschattung an den Synapsen 19 können dazu führen, dass lonenkanäle sich nicht/ oder verstärkt öffnen → Symptome müssen bekannt sein 14 Neurotoxine Strychnin: Pflanzengift, das als Fraßschutz pro- duziert wird; blockiert Rezeptoren des hemmenden Transmitters Glycin im Rückenmark und unter- bricht damit inhibitorische Neurotransmission; Folge: Übererregung, Starrkrämpfe Diphtherietoxin: Bakteriengift zum Verdrängen von Nahrungskonkurrenten; bindet an die Gliazel- len und hemmt dort die Proteinbiosynthese Ökologie → Nahrungskonkurrent Hexachlorophen: synthetisches Produkt; Be- standteil von Desinfektionsmitteln; da es Myelin- scheiden zersetzt, führt unsachgemäße Anwen- dung zu unkoordinierten, zum Teil spastischen Bewegungen. m Tetanustoxin: Bakteriengift zum Verdrängen von Nahrungskonkurrenten; hemmt die Freisetzung der inhibitorischen Transmitter Glycin und GABA (Gamma-Aminobuttersäure); hemmt auch die Freisetzung von Acetylcholin durch Hydrolyse von Vesikelproteinen; Folge: Wundstarrkrampf. 9 Tetrodotoxin: Fischgift, das zum Schutz vor Fressfeinden produziert wird; blockiert die span- nungsgesteuerten Natriumkanäle auf dem Axon. Ähnliche Wirkung: Saxitoxin (von Algen herge- stelltes Gift in Muscheln). 15 Lähmung 15.1 Starre Lähmung ● Anhaltende Depolarisation des postsynaptischen Neurons Folgt zu einer Vielzahl an Aktionspotenzialen, sodass es eine anhaltende Kontraktion der Muskeln führt → Muskeln bleiben ständig Krampfartig APS werden nicht abgebaut → Überstimulation ● ● Bsp. ACH wird nicht abgebaut →→ lonenkanäle an Postsynapse bleiben ständig geöffnet → Einstrom von Natrium → Depolarisation 15.2 Schlaffe Lähmung ● Anhaltende Hyperpolarisation des postsynaptischen Neurons Es können keine weiteren APs mehr entstehen →→ Kontraktion mit Muskeln unmöglich und Muskeln können nicht mehr bewegt werden 20 Sarin: synthetisches Produkt; hemmt die Acetyl- cholinesterase. Folge: Krämpfe. Bungarotoxin: Schlangengift, das zum Beuteer- werb produziert wird; bindet an den Acetylcholin- rezeptor (Muskeln) und verhindert das Öffnen des Acetylcholin-Rezeptor-Kanals. Ähnliche Wirkung: Curare Botulinustoxin: Bakteriengift zum Verdrängen P von Nahrungskonkurrenten; blockiert die Freiset- zung von Acetylcholin durch Hydrolyse von Prote- inen der präsynaptischen Membran und führt zur Erschlaffung der quergestreiften Muskulatur. Folge: Tod durch Atemlähmung. K Latrotoxin: Gift der schwarzen Witwe, das sie zum Beuteerwerb produziert; verursacht eine massive Transmitterfreisetzung aus der Synapse; Folge: Muskelkrämpfe, unter Umständen Tod durch Atemlähmung. Conotoxine: Gifte der Kegelschnecken, die diese zum Beuteerwerb produzieren; blockieren span- nungsgesteuerte lonenkanäle auf der Axonmemb- ran (spezifische Varianten für Na*, K* und Ca²*). Folge: Muskellähmung und Herzversagen. Strychnin Tetanustakin Hexachlorophen Diphtherietoxin Tetrdotoxin Conotoxine exzitatorische axonale Endigung Botulinustoxin Inhibitorisches Interneuron Sarin Bungarotoxin Gliatelle Ranvier'sche Schnürring · Axon 0² Latrotoxin Prāsynapse Synaptischer Spalt 16 Neuronale Plastizität und Lernen Definition von Lernen: Erwerb von geistigen, körperlichen und sozialen Kenntnissen, Fähigkeiten und Fertigkeiten. Es umfasst die Aufnahme, Verarbeitung und Speicherung von abrufbaren Informationen im Gedächtnis. Langzeitpotenzierung: = ist die zelluläre und molekulare Grundlage des Lernens Verstärkung der synaptischen Übertragung eines Neurons als Reaktion auf eine vermehrte Bildung von Aktionspotenzialen (→ Vergrößerung der synaptischen Kontaktflächen + mehr Vesikel und lonenkanäle). Sie ist eine wichtige Grundlage für die synaptische Plastizität Bahnung: Ausbau häufig genutzter Verbindungen im Gehirn, durch ständiges Wiederholen →Signale werden schneller weitergeleitet. Neuronale Plastizität: Die Fähigkeit des Gehirns, neue Verknüpfungen zu bilden und bestehende zu verändern. Es ist daher die Grundvoraussetzung für jede Form des Lernens. 17 Lernprozess auf molekularer Ebene am Beispiel des Rückziehreflexes von Aplysia Habituation: Allgemein ist es die Gewöhnung an harmlose Reize und eine Form des Lernens → wird das Siphon berührt, lösen sich im sensorischen Neuron der Siphonhaut Aktionspotenziale aus. Diese erzeugen im nachgeschalteten Motoneuron EPSPS aus, welche eine Kontraktion im Kiemenrückziehmuskel bewirken → wird die Reizung wiederholt, werden EPSPS immer schwächer, da sie Präsynapse des sensorischen Neurons weniger Vesikel mit Neurotransmittern hat, und daher keine mehr ausschütten kann Dishabituation: Wird Aplysia an einer anderen Stelle mit (Bsp. Schwanz) berührt (→→stärkere Reizung erforderlich), wird der Reflex unter Beteiligung von Interneuronen in ursprünglicher Stärke ausgelöst → Erkenntnis, dass Kiemenrückzug bei der Habituation nicht nur auf Muskelermüdung beruht Sensitivisierung: Verstärkung der Reaktion auf den Reiz durch Kombination des harmlosen mit einem stärkeren Reiz 21 18 Methoden der Neurobiologie (Hirnforschung) 1. Tomographische Verfahren (Untersuchung der Struktur) 18.1 Bildgebende Verfahren Bezeichnung EEG: CT: O CT O MRT 2. Funktionelle Verfahren (Untersuchung der Funktionsweise) EEG fMRT Elektroenzephalographie Computertomographie → computergestütztes Röntgenverfahren → liefert Querschnittsbilder verschiedener Körperregionen fMRT: funktionelle Kernspinresonaz- tomographie Verfahren O O O PET Anbringung von knöpfchenförmigen Elektroden auf Kopfhaut Befestigung der Vergleichselektrode am Ohrläppchen Messung der EPSPS an ca. 1 Mio. Synapsen (Summationspotenzial) Röntgenstrahlen der rotierenden Röntgenkathode dringen von allen Seiten in den Untersuchungsbereich (Kopf/Rumpf etc.) Detektoren empfangen die Röntgenstrahlung, die vom Gewebe durchgelassen wurden Signale sind elektrotonisch Computer verrechnet Differenz zwischen gesendeter & empfangener Intensität des Röntgenstrahls Untersuchung der Hirnaktivität auf Basis der Kernspinresonaz Erzeugung eines schwachen Magnetfeldes durch Drehung des positiv geladenen Wasserstoffatomkerns Wasserstoffatomkerne werden einem starken Magnetfeld ausgesetzt, sodass sch alle 22 Anwendungsgebiet Lernforschung: bei Untersuchung von Oft in Kombination Lernvorgängen Bsp.: Erkennung von richtigen und falschen Sätzen bei Kleinkindern Lernvorgänge prüfen Pro und contra hin lässt keine Schäden ist sehr ungenau man kann nicht lokalisieren, wo der Schaden ist + alle homogenen Gewebewerden kontrastreich dargestellt + Aufbau des lebenden Gehirns könnte untersucht werden Kontrastmittel wird manchmal gespritzt, das radioaktiv ist (schädlich) Keine konkrete Stoffwechselaktivität kann gemessen werden + Untersuchung von Stoffwechselaktivitäten MRT: Magnetresonaz- tomographie PET: Positronen- Emissions-Tomographie Drehachsen der Wasserstoffatomkerne in Richtung des Magnetfelds ausrichten →geben Auskunft über Durchblutung des jeweiligen Gehirnteils Körper wird einem starken, ständig wechselnden Magnetfeld ausgesetzt Magnetfeld kann bestimmte Moleküle im Körper anregen, Signale auszusenden → werden gemessen und zur Rekonstruktion eines Schnittbilds verwendet Vor versuchsbeginn wird radioaktiv maskiertes Wasser (Tracer) gespritzt In stärker durchbluteten Bereichen tritt Wasser aus den Kapillaren ins Gewebe über → Messung der stärkeren Durchblutung 19 Kurzzeitintensivierung Eignet sich, um Fette, Wasser, Ödeme und Tumore sichtbar zu machen Gehirnforschung Zeigen, welche Gehirnbereiche bei bestimmten Aufgabenstellun gen besonders beansprucht werden + Rekonstruktion eines Gesamtbildes + keine Nebenwirkungen Kontrastflüssigkeit Bei bestimmten Krankheiten darf es nicht gemacht werden Erregendes Interneuron schüttet Neurotransmitter Serotonin aus (primärer Botenstoff) ↓ + Strukturen und Stoffwechselaktivitäten können detailliert darstellen Serotonin bindet extrazellulär an spezifischen Rezeptor in präsynaptischen Membran des sensorischen Neurons ↓ an Rezeptor auf intrazellulären Seite ist G-Protein gekoppelt (Herzrhytmusmacher, Diabetes (wegen Sensor)) ↓ GDP am G-Protein wird durch GTP ersetzt →G-Protein aktiviert ↓ CAMP aktiviert CAMP-abhängige Proteinkinase ↓ 23 Aktivierung der Adenylatzyklase →→bildet aus ATP→ CAMP (sekundärer Botenstoff) ↓ Übertragung einer P-Gruppe auf Kaliumionenkanäle → Kt-kanäle schließen sich → Ausstrom von Kalium stark erschwert ↓ Folge: Repolarisationsphase des APS dauert länger → daher ist präsynaptischer Einstrom der Calziumionen gesteigert (höhere Kalziumionenkonzentration im Zytoplasma verstärkte Transmitterausschüttung an Synapse zwischen sensorischem Neuron und Motoneuron, da Calziumionen die Verschmelzung der Vesikel mit Membran steuern ↓ 20 Langzeitintensivierung Kaskad Verstärkung der Signalübertragung ↓ EPSP am Motoneuron ist verstärkt Erregendes Interneuron schüttet Neurotransmitter Serotonin aus (primärer Botenstoff) ↓ Serotonin bindet extrazellulär an spezifischen Rezeptor in präsynaptischen Membran des sensorischen Neurons. ↓ an Rezeptor auf intrazellulären Seite ist G-Protein gekoppelt ↓ GDP am G-Protein wird durch GTP ersetzt → G-Protein aktiviert ↓ Aktivierung der Adenylatzyklase → bildet aus ATP→→ CAMP (sekundärer Botenstoff) ↓ CAMP aktiviert CAMP-abhängige Proteinkinase ↓ Proteinkinase gelangt in Zellkern (längeres Training) ↓ aktiviert dort transkriptionsfördernde Proteine (CREB) ↓ bewirkt Genexpression gewisser Proteine ↓ Manche führen zu einer dauerhaften Aktivierung der Proteinkinase Andere führen zu einer Vergrößerung von Synapsen sowie der Ausbildung neuer Synapse (Strukturelle Plastizität: Neurogenese und Synaptische P.) ↓ Schließung der Kaliumkanäle → Verlangsamung der Repolarisation ↓ Calziumkanäle bleiben länger offen ↓ Verstärkung der Transmitterausschüttung Postsynapse: erhöhtes EPSP am Motoneuron 24 Wie bei Kurzzeitintensivierung 21 Second-Messenger-Übertragungsweg Rezeptoren, die nicht an einen lonenkanal gebunden sind 1. Kopplung des beta-adrenergen Rezeptors an ein inaktives Enzym → G-Protein ● ¡¶¶ G-Protein G-Protein-gekoppelter, B-adrenerger Rezeptor GDP GDP + P Adenylat- zyklase GTP 2. Ersetzung des am G-Protein bindenden GDP durch GTP → Aktivierung des G-Proteins Noradrenalin Phosphatgruppe Kalium- ionenkanal: offen 25 (membran) K JOON {}}}}}}} 3. Aktivierung eines weiteren Enzyms (Adenylatzyklase) → Umwandlung von ATP in CAMP 1000 GTP ATP C GTP ATP Adenylat- zyklase 4. Durch Umwandlung → Stimulierung einer Proteinkinase → Übertragung von Phosphatgruppen auf Kaliumionenkanäle → Schließung dieser CAMP 26 Adenylat- zyklase K+ CAMP Kalium- ionenkanal: geschlossen NNNN 1888: 1888: Protein- kinase 888 Phosphat- gruppe Schließung → kein Ausstrom von K+-lonen → Verringerung des postsynaptischen Potenzials →leichtere Reizbarkeit des Neurons → Signalverstärkung