Neurobiologie

Alternativer Bildtext:

- Membranpotential Ruhepotential = Potenzial an Membranen erregbarer Zellen, die sich in einem unerregbaren Zustand befinden Potenzialdifferenz- elektrische Spannung im Ruhezustand = Ruhepotenzial (etwa -70mV) Voraussetzungen für das Ruhepotenzial: Im Inneren der Nervenzelle, auf der Innenseite der Membran, herrscht eine höhere Konzentration an K+-lonen und negativ geladenen Anionen → negativ geladen Außenbereich: mehr Nat-lonen und Cl-lonen → positiv geladen Membran der Nervenzelle ist selektiv permeabel (spezifische Kanäle und Poren unterschiedlich gut durchlässig) für K+-lonen sehr leicht passierbar Ablauf des Ruhepotentials: Entstehung der Ladungsdifferenz zwischen Innen- und Außenraum durch Wanderung bestimmter lonen durch die Membran relativ schlecht passierbar für Cl--lonen schlecht passierbar für Na+-lonen nicht passierbar für Anionen Teilchen wandern mit dem Konzentrationsgefälle mit dem Ziel einen Konzentrationsausgleich herzustellen (Diffusion) K+-lonen diffundieren aufgrund der Konzentrationsgefälles aus der Zelle heraus - Außenraum wird dadurch verstärkt positiv Innenraum hat somit geringe Kationen und Überschuss an Anionen ungleiche Verteilung von positiven und negativen Ladungsträgern → elektrische Spannung (Ladungsdifferenz) Brown'sche Molekularbewegung - Bestreben sich gleichmäßig im Raum zu verteilen; geschieht umso häufiger, je höher die Konzentration der Teilchen ist Überschuss an positiver Ladung im Außenmedium Aufgrund der selektiv permeablen Membran gelangen nur wenig Nat-lonen in die Zelle und keine Anionen nach außen → es kann keine Elektroneutralität erhalten bleiben Konzentrationsausgleich von K+-lonen steht das Streben nach Ladungsausgleich entgegen K+-lonen werden nach Innen ,,gezogen" und wollen gleichzeitig nach außen es entsteht ein Fließgleichgewicht → Verteilung der lonen bleibt ungefähr gleich; Zellinnenraum bleibt negativ geladen MA HAYA Außenraum Zellinnenraum extra- zellulär intra- Natrium-Kalium-Pumpe sorgt für Aufrechterhaltung des Ruhepotentials Nat-lonen gelangen trotz geringer Permeabilität in das Zellinnere →Na+-Leckstrom wenn ein Nat-lon in die Zelle gelangt, kann ein K+-lon aus der Zelle diffundieren Konzentrationsunterschied von Ka+-lonen zwischen Innen- und Außenraum wird durch einsickern der Nat-lonen geringer Natrium-Kalium-Pumpe wirkt dem entgegen benötigt ATP Schematische Darstellung des drei Na+-lonen werden in den extrazellulären Raum transportiert zwei K+-lonen werden ins Innere transportiert Kalium-Fließgleichgewichts Na →Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert die lonen entgegen ihrem Konzentrationsgefälle. Dieser aktive Transportvorgang läuft unter Entwertung von Stoffwechselenergie (ATP) ab. Messung des Ruhepotentials Glaskapillare mit Verstärker KCI-Lösung Aktionspotential: Spannung [in mV] +20 0 -20 -40 -60 -80 -100 (A) A Depolarisation T B A - Ruhepotential siehe oben с D Spannungsmessgerät Repolarisation Bezugselektrode im Außenmedium 0 mV -80 mV- Salzlösung Axon Hyperpolarisation Zeit [in ms] B-Depolarisierung bis zum Schwellenwert Membranpotential wird positiver, die Potenzialdifferenz wird geringer - geschieht durch elektrische Einflüsse aus der nächsten Umgebung erstes Aktionspotenzial entsteht am Axonhügel - Erregung wird weitergeleitet vereinzelte spannungsgesteuerte Na+- Kanäle öffnen sich; Na+ strömt in die Zelle C - Depolarisierung bis zur Potenzialumkehr spannungsgesteuerte Na+-kanäle öffnen sich verstärkt (nur für eine sehr kurze Zeit offen) Nat-lonen fließen in das Zellinnere, wodurch der Innenraum positiver geladen wird durch das Einströmen verstärkt sich die Depolarisierung und die Potenzialdifferenz sinkt D-Repolarisierung Der Zellinnenraum wird gegenüber dem Zellaußenraum wieder elektrisch negativ, die Potenzialdifferenz wird größer Nat-Kanäle schließen wieder, wodurch weniger Nat-lonen in die Zelle gelangen spannungsgesteuerte K+-Kanäle öffnen sich → K+-lonen diffundieren nach außen E-Hyperpolarisierung Zellinnenraum ist gegenüber dem Zellaußenraum für kurze Zeit negativer geladen als während des RP +20- -10- A-Ruhepotenzial an der betroffenen Membranstelle sind die ursprünglichen Ladungsunterschiede wiederhergestellt Durch die Arbeit der Natrium-Kalium-Pumpe stellt sich die ursprüngliche lonenverteilung des RP wieder ein (Kalium nach innen und Natrium nach außen) -30- -50 -60- -80 mV Refraktärzeit Na+- Kanäle kehren in ursprünglichen Zustand zurück absolute Refraktärzeit: Zeitabschnitt, in der die Erzeugung eines neues AP nicht möglich ist relative Refraktärzeit: Zeitraum bis zur vollen Regeneration aller lonenkanäle +80 +70 +50 +40 Ausstrom wird zusätzlich erleichtert, weil die in die Zelle eingeströmten Na+-lonen zu einem positiven Ladungsüberschuss im Zellinneren führen. Jedes eingewanderte Nat-lon ermöglicht es einem K+-lon nach außen zu diffundieren 30 +20 K+-Kanäle schließen sich erst verzögert, sodass weiterhin K+-lonen aus der Zelle ausströmen können, obwohl das Ruhepotenzial schon wiederhergestellt ist 1 2 In 3 Versuchsaufbau ♡ ♡ Oszilloskop th Membranpotenziale 5 Reizintensitäten [1 Alles-oder-Nichts Prinzip AP kann nur ablaufen, wenn der Schwellenwert überschritten wird wenn Schwellenwert überschritten wird, verläuft das AP immer in der gleichen Weise unabhängig von der Stärke der auslösenden elektrischen Einflüsse entsteht immer ein gleichartiges AP AP kann nur vollständig oder gar nicht ausgelöst werden AP hat immer die gleiche Form Weiterleitung von Aktionspotenzialen: Spannungsänderung eines APs führt zum Aufbau eines elektrischen Feldes, das benachbarte Bereiche der Membran beeinflusst Wanderung von lonen zwischen erregten Membranbereich und der sich axonabwärts unerregten Zone anschließenden, um Ladungsunterschiede auszugleichen lonenflüsse führen zur Bildung von Ausgleichskreisströmen Membranpotenzial der Nachbarregion wird durch Kreisströme depolarisiert → AP Erregung schwächt aufgrund des Alles-oder-Nichts Prinzip während Weiterleitung nicht ab →Weiterleitung mit ständiger Wiederverstärkung Potenzial in mV Potenzial in mV axonabwärts -90 -90 Zone: Zellkörper Membran Zytoplasma Membran refraktär ++++++++(+) 1 ++++++++(+) Kreisströmchen löst kein AP aus Axon refraktär th depolarisierter Bereich refraktär Myelinscheide Ranvier'scher-Schnürring erregt +++++++ AP Aktionspotenzial noch unerregt Kreisströmchen löst neues AP aus -Endknöpfchen Aktionspotenzial Saltatorische Erregungsleitung an myelinisierten Nervenfasern es können nur an den Ranvier'schen Schnürringen APS entstehen nur an Schnürringen Natrium-lonenkanäle vorhanden. geringere Zahl an APs als bei den nicht myelinisierten Fasern wirbelloser Tiere Myelinschicht verhindert, dass lonen durch die Zelle wandern → APs überspringen diese Bereiche Die Erregungsleitung wird dadurch deutlich beschleunigt und es wird Energie gespart Myelinscheide Zeit Zeit in der Myelin- scheide Ranvier'scher Schnürring Laufzeit der Erregung AP kann nur den axonabwärts liegenden Bereich der Membran zur Bildung eines neues APS anregen, da sich der axonaufwärtige im Ranvier'schen Schnürring Laufrichtung des Impulses Membranabschnitt in der Refraktärphase befindet. Axon Links: schematische Darstellung des Aufbaus von AP bei saltatorischer Erregungsleitung Rechts: Laufgeschwindigkeit der Impulse in myelinisierten Neuronen Kontinuierliche Erregungsleitung an nicht myelinisierten Nervenfasern jeder Bereich der Membran muss bei der Fortleitung der Erregung zur Bildung eines APs angeregt werden kontinuierliche Erregungsleitung lässt sich durch Durchmesser des Axons beschleunigen Erregungsübertragung an Synapsen: Aktions- potenzial ^ postsynap- tisches Potenzial Axon Л Aktions- potenzial präsynaptische Endung synaptischer Spalt postsynaptische Zelle Motorische Endplatte = Synapse zwischen Motoneuron und Muskelfaser Synapse Kontaktbereich zwischen dem Axonende (präsynaptische Membran), der nachgeschalteten Zelle (postsynaptische Membran) und dem zwischen beiden Bereichen liegenden synaptischen Spalt kann grenzen an: Dendriten oder Zellkörper einer anderen Nervenzelle Drüsenzelle Muskelfaser Motoneuronen leiten Signale aus dem Zentralnervensystem an Muskeln und bewirken so deren Kontraktion Neurotransmitter: Acetylcholin → bindet an rezeptorgesteuerten Natrium-lonenkanälen Kanäle öffnen sich, sobald zwei Acetylcholin Moleküle gebunden haben Natrium-lonen depolarisieren postsynaptische Membran, wenn SW überschritten ist, öffnen sich spannungsgesteuerte Natrium-lonenkanäle → AP entsteht und breitet sich über Muskelfaser aus → Übertragung der Erregung des Muskelneurons auf die Muskelfaser führt zu Kontraktion Acetylcholinesterase spaltet Acetylcholin in unwirksames Acetat und Cholin → Cholin wird über Carrier zurück in das Endknöpfen transportiert und kann zur erneuten Synthese von Acetylcholin genutzt werden Wirkungsweise einer Synapse [mV] - 68 ankommendes Aktionspotenzial im präsynaptischen Axon (Endknöpfchen) -70 Depolarisierung der präsynaptischen Membran -72 Öffnung der spannungsgesteuerten Ca²+-Kanäle → Einstrom von Calcium-lonen in das Zellinnere Einstrom von Calcium bewirkt Bewegung der synaptischen Vesikel → werden zur präsynaptischen Membran transportiert EPSP (erregendes postsynaptisches Potential) Neurotransmitter gelangen durch Exocytose in den synaptischen Spalt Depolarisierung; wenn SW überschritten wird entsteht AP Neurotransmitter diffundieren an die postsynaptische Membran Neurotransmitter binden an Transmittergesteuerte lonenkanäle →lonenkanäle öffnen sich 5 EPSP 10 15 IPSP (hemmendes postsynaptisches Potential) [mV] - 68 -70 -72 Hyperpolarisierung der Membran IPSP 10 Calcium-Ionen werden aus dem Inneren des Endknöpfchens entfernt (lonenpumpe) Ausschüttung von Neurotransmittern wird gestoppt Enzym (Esterase) spaltet Neurotransmitter →gelangt gespalten wieder zurück ins Endknöpfchen spannungsgesteuerte Kanäle werden inaktiviert Natrium-Kalium-Pumpe stellt Ruhepotential wieder her 15 [ms] zeitliche Summation wenn in kurzen Abständen mehrere APS an derselben Synapse eintreffen, ist das postsynaptische Potential zwischen den einzelnen APs noch nicht abgebaut. Addition der folgenden Potentiale zu dem noch vorhandenen → höheres EPSP räumliche Summation Addition von EPSPS, die gleichzeitig durch mehrere Synapsen an unterschiedlichen Stellen des Neurons entstehen Potenzial- messung EPSP + IPSP 15mV -35mV -75mV Membran- potenzial [mV] -65 1ms AP präsynaptisches Axon EPSP Neuron Zeit 3ms Natrium- Ionenkanal- IPSP Patch clamp-Methode: 5ms angesaugtes Membranstück 7ms b Summation isoliertes Membranstück Membran- potenzial [mV] -65 -1 EPSP und IPSP werden verrechnet - Bildung eines APs wird erschwert 9ms Zeit räumliche Summation Verbesserung: Einzelkanalmessung um Hintergrundrauschen zu umgehen -Glaspipette Depolarisationsschwelle Neher und Sakmann 1970er Methode, um einzelne lonenkanäle aus der Membran zu isolieren Glaspipette (mit elektrisch leitender Flüssigkeit) wird auf Membran des Neurons gesetzt Membranstück wird an Pipette gesogen, sodass das Membranstück an der Pipettenspitze haftet Membran- potenzial [mV] -65 Zeit zeitliche Summation Vergleich elektrische und chemische Synapse: Chemische Synapse elektrisch chemisch - elektrisch (Transmitter) länger (ca. 5ms) synaptischer Spalt: 30nm verschiedenste Kanäle und Pumpen quasi überall Vergleichskriterien Übertragungsart Übertragungs- geschwindigkeit Kanal Art Vorkommen Richtung Signal Wirkungs Gift ort prä- synaptisc Conotoxi he Membran post- synaptisc he Membran Synapsengifte: synaptische Übertragung kann durch chemische Substanzen gestört oder unterbunden werden W- synapsenspezifisch werden zum Teil in der Medizin genutzt (Beispiel: Scherzmittel) Wirkung des Giftes n Botulinu m- toxin (Botox) Nicotin unidirektional EPSP, IPSP d-Tobu- curarin (Curare) Muscarin Herkunft des Giftes Kegelschnecken (Conus- Schnecken) Chlostridium botulinium (Bakterium in verdorbener Nahrung) Tabakpflanze (Nicotiana tabacum) Elektrische Synapse elektrisch (lonenflüsse durch gap junctions) kürzer Rinde der tropischen Liane Chondroden- drontomentosum synaptischer Spalt: 3,5nm gap junctions (enganliegende Membran, Poren bilden Kanäle) Retina, Herz (Geschwindigkeit der Übertragung für schnellste Reaktion) bidirektional im Bereich der Synapse in Spuren im Fliegenpilz und in anderen giftigen Pilzen EPSP Blockade der Ca2+-Kanäle - verringerter Ca²+-Einstrom - Verhinderung der Transmitterausschüttung Spaltung von Fusionsproteinen der Vesikel - Verhinderung der Vesikelöffnung - keine Exocytose des Neurotransmitters Nicotin imitiert Acetylcholin - dockt an einen bestimmten Typ von Acetylcholin-Rezeptoren an, aktiviert diesen und bewirkt so die Öffnung von Nat-Kanälen - kein Abbau durch Acetylcholinesterase kompetitiver Hemmstoff nicotinischer Rezeptoren - besetzt reversibel Bindungsstellen der Rezeptoren, ohne den assoziierten Nat-Kanal zu öffnen hat Bauähnlichkeiten mit Acetylcholin, doch ist der Abbau durch Acetylcholinesterase nicht möglich - lagert sich an bestimmtem Typ von Acetylcholin-Rezeptoren an und aktiviert diesen fortdauernd Auswirkungen im Organismus Lähmung der Muskulatur; Unterbrechung der Schmerzleitung Lähmung der Muskulatur; Tod vielfältiges Vergiftungsbild; in hohen Dosen schwere Atemstörungen und Kreislaufkollaps Muskellähmung ; Tod durch Atemstillstand Wahrnehmungs störungen; Muskellähmung ; bei großen Mengen Tod u.a. durch Atemlähmung Acetylcho Fasciculin Grüne Mamba (Giftschlange) lin- esterase second-Messenger-Übertragung: Definition Ablauf sekundärer Botenstoff intrazelluläre chemische Substanz dient der intrazellulären Signalweiterleitung eines aus dem extrazellulären Raum kommenden Signals ein Bestandteil der Signalkette (Reaktionskaskade) Beispiele: CAMP, CGMP, IP3, Ca2+, NO . Transmitter (first Messenger) trifft auf metabotropen Rezeptor G-Protein zerfällt in Untereinheiten (GDP zu GTP) GTP (Alpha-Einheit) aktiviert Adenylatcyclase ATP wird durch das Enzym in CAMP (second Messenger) katalysiert CAMP aktiviert Enzyme (z.B. Proteinkinase A) Konformationsänderung des lonenkanals Depolarisation/Hyperpolarisation →variiert je nach Typ des Second Messangers Vorteile und Nachteile Vorteile längere "Wirkungsdauer" Signalverstärkung allosterische Hemmung der Acetylcholinesterase - Verlängerung der Transmitterwirkung ein Transmitter - mehrere regulierte lonenkanäle kann Signale durch den intrazellulären Raum leiten allgemeine Funktionsweise von Rezeptoren: Was sind Rezeptoren? Nachteile Signalstoff/ Transmitter G-Protein dissoriert in Unter einheiten GTP G Y Muskelüberregu ng; Tod durch Atemlähmung metabotroper Rezeptor Enzym wird aktiviert second messenger PA werden gebildet 000 Weiterleitung ist deutlich langsamer als bei chem. / elek. Synapsen hat spezifische Anwendungsbereiche (z.B. für die Feinmotorik) lonenfluss durch Kanal Ablauf des Vorgangs Rezeption/Aufnahme/Empfang des adäquaten Reizes durch Rezeptor (Aufnahme der 000ndet sich Enzyme werden aktiv modifizierte Neuronen oder Epithelzellen kommen einzeln (z.B. in der Haut) oder im Verbund mit anderen Zellen vor (dann bilden sie Sinnesorgane, z.B. das Auge) Reizenergie) Transduktion der Reizenergie in ein verändertes Membranpotential - Rezeptorpotential auf spezielle Reize spezialisiert (z. B. Hitze, Druck, Licht) Reize sind Energieformen Reizenergien werden von den Rezeptoren in ein verändertes Membranpotential umgesetzt 0.0% Verstärkung des Signals (z.B. Trommelfell) Weiterleitung des Signals primäre Sinneszellen: AP wird generiert sekundäre Sinneszellen: erzeugen EPSP/IPSP und übertragen das über Synapsen auf sensorische Nerven - Schwellenwert - AP Verbreitung und Integration des Signals (mehrere Ebenen) Aufbau Auge: Lederhaut Aderhaut Netzhaut vordere Augenkammer- Linse Iris Hornhaut Ringmuskel (Ciliarmuskel) Glaskörper Fachbegriff Schädelknochen Augenlid Ringmuskel Hornhaut Iris Pupille Linse Augenbindehaut Glaskörper gelber Fleck blinder Fleck Lederhaut Aderhaut Netzhaut (Retina) Sehnerv Augenmuskel Muskel Zentralgrube (gelber Fleck) Sehnerv Blinder Fleck Funktion dient zum Schutz dient zum Schutz des Auges vor Fremdkörpern ändert die Wölbung der Augenlinse - Anpassung auf Entfernung des zu fokussierenden Gegenstandes wirkt als Sammellinse; schützt das Auge nach außen regelt die Größe der Pupille und die Menge des durchtretenden Lichts; bei Helligkeit wird die Pupille verengt; Anpassung = Adaption Loch in der Mitte der Iris Scharfstellen des Bildes auf der Netzhaut (Akkommodation) Bewegung des Auges und Augenlider; Schutz vor Krankheitserregern; verbindet Augapfel und Augenlid bildet mit Hornhaut, Kammerwasser und Linse den lichtbrechenden Apparat des Auges Ort, bei dem die Sehzellen am dichtesten sitzen und deshalb besonders scharfes sehen ermöglichen Ort des Austretens der Sehnerven; Auge ist an der Stelle blind schützt das Auge nach außen enthält das Versorgungssystem für die Netzhaut beinhaltet Sehsinneszellen; lichtempfindlichste Teil die von den Sehzellen gelieferten elektrischen Impulse werden zum Gehirn weitergegeben und dort zu einem Bild zusammengebaut Augapfel bewegen Stäbchen und Zapfen: A -Präsynapse B Innensegment Zellkern Mitochondrium- -ER Vergleichskriterien Anzahl Lichtempfindlichkeit Konzentration an Fotopigmenten Farberkennung Außensegment Discs und Fotopigment Funktion Form Vorkommen Gemeinsamkeiten Fototransduktion: Stäbchen 125 Millionen sehr lichtempfindlich bei ca. 500nm höher nur in Graustufen Außensegment -Disk mit Fotopigmenten relativ lang, enthält viele Fotopigmente mehr Discs; mehr Fotopigmente; einheitliche Pigmente - immer mit Opsin sehen bei schwachem Licht; skotopisches Sehen; Kontrast länglich, zylinderförmig bis zur periphere zunehmend Stäbchen A B Stäbchen Zapfen Zapfen 7 Millionen nur geringe Lichtempfindlichkeit blau: 455nm grün: 530nm rot: 560nm geringer ermöglichen Farbensehen (blau-, grün-, rotempfindliche Zapfen) kürzer, enthält weniger Fotopigmente weniger Discs; weniger Fotopigmente; unterschiedliche Pigmente sehen bei hellerem Licht; fotopisches Sehen; scharfes Sehen in vgl. etwas kürzer, zylinderförmig; Außensegment zugespitzt gelber Fleck Grundaufbau: Innensegment und Außensegment; Außensegment mit Discs; Innensegment endet an der Präsynapse; liegen beide in der Netzhaut (genauer: Fotorezeptorschicht); dienen der Reizwahrnehmung und Weiterleitung (Rezeptorzellen); adäquater Reiz: Licht, Photonen; Retinal als Bestandteil des Fotopigments bei Lichteinfall Startzustand: Das Rhodopsin liegt in der Cis-Form in einem lichtempfindlichen Zustand in die Disk-Membran der Stäbchen integriert vor Nun trifft Licht (Photonen) von außen auf die Retina; das Cis-Retinal absorbiert das Photon, lagert sich zur All-Trans-Form um (Konformationsänderung) und setzt dabei die Bindung zum Opsin unter Spannung → Überführung von Rhodopsin in einen aktivierten Zustand (sog. Metarhodopsin) Fotoerregter Zustand führt zur Auslösung einer Signalkaskade Erste Verstärkung findet statt, ein aktiviertes Rhodopsinmolekül/ Metarhodopsin/ein Rhodopsinkomplex aktiviert etwa 500 signalvermittelnde Proteine (sogenanntes G-Protein- Transducin) Ist Transducin aktiviert, zerfällt es in zwei Bestandteile Eine durch den Zerfall aktivierte Transducin-Untereinheit trennt sich ab und aktiviert jeweils mehrere Hundert Phosphodiesterase (PDE) Die PDE hydrolysiert CGMP (cyclisches Guanosinmonophosphat) zu 5'- GMP(Guanosinmonophosphat) und zwar hydrolysiert jedes PDE-Molekül rund 2000-4000 CGMP-Moleküle. 5'-GMP ist nicht in der Lage an die Natrium-Kanäle anzubinden. In diesem Falle schließen sich die Natrium-Kanäle durch den Verlust des cGMP Na" Der Einstrom von Natriumionen stoppt. Dadurch kommt es zu einer Hyperpolarisation der Zelle Am synaptischen Ende werden keine Neurotransmitter (Glutamat) mehr ausgeschüttet Glutamat wirkt nicht an der postsynaptischen Membran der Horizontal- und Bipolarzellen; die Folge ist die Schließung der hemmenden lonenkanäle der Horizontal- und Bipolarzellen. So kann es zur Bildung von Aktionspotentialen durch die Ganglienzellen kommen und das Signal wird moduliert an das Gehirn weitergeleitet. in Dunkelheit Startzustand: Das Rhodopsin liegt in der Cis-Form in einem lichtempfindlichen Zustand in die Disk-Membran der Stäbchen integriert vor da Dunkelheit herrscht, kommt es zu keiner Veränderung → Fotoerregter Zustand des Rhodopsin bleibt aus Signalkaskade wird nicht in Gang gesetzt Transducin wird nicht aktiviert Transducin behält seine Form bei Phosphodiesterase (PDE) bleibt inaktiv GMP ist als Ligand an den Natrium-Kanälen gebunden. Die Natrium-Kanäle sind in diesem Zustand geöffnet Natrium fließt in das Außenglied ein und es kommt zu einer Depolarisation der Zelle Am synaptischen Ende werden Neurotransmitter (Glutamat) ausgeschüttet Glutamat wirkt hemmend an der postsynaptischen Membran der Horizontal- und Bipolarzellen; die Folge ist die Öffnung von hemmenden lonenkanälen der Horizontal- und Bipolarzellen. So kann es nicht zur Bildung von Aktionspotentialen durch die Ganglienzellen kommen und das Signal wird nicht ans Gehirn weitergeleitet Regeneration Sog. Bleichvorgang: Opsin und All-Trans-Retinal trennen sich voneinander. Die Lichtempfindlichkeit geht verloren. Enzymatische Reaktionen wandeln All-Trans Retinal wieder zur Regeneration in Cis-Retinal um. Rhodopsinkinase bewirkt die Regeneration des Opsins CGMP-abhängiger Natrium-Ionenkanal Rhodopsin - Disk membran 11-cis Retinal all-trans-Retinal Stäbchenmembran- CGMP abhängiger Natrium-Ionenkanal -signalver mittelndes Protein Enzym Ca Ca Na CGMP Rh TPDE Pigmentzelle Glutamat synaptische Endigung www. Licht tem CGMP) Rh TPD Pigmentzelle synaptische Endigung Informationsverarbeitung in der Netzhaut: Aufbau Netzhaut Licht Sehnerv Glas- körper Ganglienzelle amakrine Zelle 100 Horizontalzelle bipolare Schaltzelle Lichtsinneszellen sind über Synapsen mit Bipolarzellen verbunden, die mit Ganglienzellen verschaltet sind, deren Axone dann den Sehnerv binden Horizontalzellen stellen zwischen Lichtsinneszellen bzw. den Bipolarzellen Querverbindungen 80 dar Gelber Fleck: ausschließlich Zapfen, die 1:1 mit Ganglienzellen verschaltet sind weiter zur Peripherie: weniger Zapfen, mehr Stäbchen mehrere Sinneszellen über Bipolarzellen mit einer Ganglienzelle verschaltet (rezeptive Felder/Sehkonvergenz) → Netzhaut verarbeitet Großteil der Information vor Weiterleitung zum Gehirn in Netzhaut: durch Zusammenspiel vieler Zelltypen - Verarbeitung der Lichtreize 100 Verarbeitung der Reize in der Netzhaut Grundlage: Quervernetzungen der Lichtsinneszellen und Bipolarzellen über die Horizontalzellen Die Erregungsleitung geht zwei Wege gleichzeitig: Sinneszelle - Bipolarzelle - Ganglienzelle mit Axon - Weiterleitung zum Gehirn Erregung der Lichtsinneszelle - wird auf Horizontalzelle übertragen - diese hemmen/unterdrücken die anderen mit ihnen verbundenen Lichtsinneszellen - deren Erregung wird geschwächt/unterdrückt - keine oder schwache Erregungsleitung ans Gehirn 80 laterale Inhibition/ Hemmung - sorgt für Kontrastverstärkung -Stäbchen 100 Zapfen Pigmentzelle 88 20 O -10-10-10-10 -10-2 -10-2 -21-2 8 20 16 () Rezeptoren Stärke des Rezeptorpotentials -2-2 laterale Inhibition 20 Lichtstärke 16 Bipolarzellen Stärke der weiter- geleiteten Erregung Typen von rezeptiven Feldern: On-Zentrum-RF haben ein erregendes Zentrum und ein hemmendes Umfeld Off-Zentrum-RF haben ein hemmendes Zentrum und ein erregendes Umfeld Farbensehen: Menschen erkennen Licht aus verschiedenen Wellenlängen in verschiedenen Farben Wellenlänge von jeweiligen Rhodopsin absorbiert → jeder Zapfentyp enthält spezifisches Zapfenpigment (Rhodopsin) Rhodopsin liegt auf der Außenmembran der Zapfen Durch Licht gereizt zerfällt Rhodopsin und verursacht Rezeptorpotential - an Synapsen weitergeleitet 3 verschiedene Zapfentypen Jeweilige Zapfen reagieren empfindlich auf Licht Zapfen für blaues Licht S-Zapfen s = short Reagieren auf kürzere Wellenlängen Zapfen für grünes Licht M-Zapfen m = medium Reagieren auf mittlere Wellenlängen Zapfen für rotes Licht L-Zapfen 1 = large Reagieren auf längere Wellenlängen reflektiert eine Oberfläche z.B. Nur kurze Wellen, so erscheint im Gehirn die Farbe blau verschieden lange Wellen reflektiert - aus Kombination dieser Reizstärken entstehen Mischfarben wie Gelb, Lila, Orange alle drei Zapfensorten gleichzeitig angesprochen im Gehirn Eindruck Weiß zu sehen Gegenstände werfen Farben nicht nur zurück, sie reflektieren sie auch Bsp. Kirsche: Oberfläche absorbiert Grün und Blau; reflektiert Rot Stäbchen reagieren auf alle Farben etwa gleich erfassen Helligkeitseindrücke schwarz-weißes Sehen Gehirn fügt drei Farbbereiche der Zapfen und entsprechende Helligkeitseindrücke zusammen → buntes Sehen Farbe entsteht nur in dem Moment des Sehens und durch das Zusammenspiel zwischen Auge und Gehirn Jeder Moment des Sehens wird ununterbrochen neu verarbeitet und interpretiert Farbfehler Rot-Grün-Schwäche: eine Zapfenart defekt → Betroffene kann Rot und Grün nicht auseinanderhalten Nervensysteme: zentrales Nervensystem umfasst Gehirn und Rückenmark Aufgabe: die von unterschiedlichen sensorischen herangetragenen Informationen im Zusammenhang zu analysieren - ggf. Antwort mit angepassten Befehlen über motorische Fasern an Muskeln und Drüsen peripheres Nervensystem besteht aus einem Geflecht von Nerven, die vom ZNS aus, den gesamten Körper durchziehen Hirnnerven und Spinalnerven sensorische Fasern und motorische Fasern Unterteilung in vegetatives Nervensystem und willkürliches Nervensystem vegetatives Nervensystem motorische Fasern des peripheren Nervensystems, die unwillkürliche Reaktionen wie Atmung oder Verdauung steuern, sind in den Nerven des vegetativen Nervensystems gebündelt unterteilt in Sympathikus und Parasympathikus Sympathikus Kampf-oder-Flucht-Reaktion sorgt für Beschleunigung von Herzschlag/Atmung, damit für eine Steigerung von Aktionsbereitschaft und Leistung Neurotransmitter: Adrenalin, Noradrenalin Aufbau des Gehirns: Balken Großhirn- Zwischenhirn - Hypophyse Hypothalamus Thalamus Fachbegriff Kleinhirn Epiphyse Mittelhirn Epiphyse Kleinhirn Verlängertes Mark -Brücke Funktion Parasympathikus Entspannung- und Ruhesituationen dämpft Herzschlag/Atmung, fördert die Verdauung, sorgt für Ruhe und Regeneration des Körpers Neurotransmitter: Acetylcholin Stirnlappen Zentralfurche Scheitellappen A Schläfenlappen motorisches Rindenfeld somatosensorisches Rindenfeld Hinterhaupt- lappen - Kleinhirn motorische Zonen sensorische Zonen Assoziationsregionen Koordinationszentrum für Bewegungsabläufe und Körperhaltung arbeitet bei der Planung solcher Abläufe mit den motorischen Zentren des Großhirns zusammen produziert allnächtlich Melatonin und steuert so Prozesse, die den Tages- und Jahresrhythmus beeinflussen wird von den Augen über Lichtverhältnisse informiert Balken Nachhirn Brücke Mittelhirn Hypophyse Großhirn Zentralfurche Scheitellappen Hinterhauptlappen Schläfenlappen Stirnlappen Großhirnrinde (Cortex) Zwischenhirn limbisches System Hippocampi Mandelkerne . 200 Millionen Axone verbinden beide Großhirnhälften und ermöglichen so deren Zusammenarbeit steuert automatische ablaufende Vorgänge wie Atmung oder Herzschlag beinhalten Zentren des Schluck- und Hustenreflexes Kreuzung von Nervenbahnen: größter Teil der motorischen Fasern wechselt Seite Rückenmark ähnlicher Aufbau Schaltzentrale zwischen Großhirn und Kleinhirn für Steuerung des Schlafes verantwortlich Weiterleitung von Informationen zwischen Großhirn und Rückenmark enthält sensorische Impulse Impulse, die das Mittelhirn vom Gehör erhält, schaltet es zum Thalamus weiter Rückenmark ähnlicher Aufbau zwei Bereiche: Neurohypophyse: enthält Hormone, die von Neuronen des Hypothalamus gebildet werden Adenohypophyse: stellt Hormone her, die zum Teil auf andere Hormondrüsen stimulierende wirken und unter anderem Wachstum und Fortpflanzung beeinflussen Hormonproduktion wird durch Hormone des Hypothalamus gesteuert steuert Prozesse wie bewusstes Denken und Erinnern einlaufende Informationen von Sinnesorganen ausgewertet und Befehle an Muskeln codiert in zwei Hemisphären unterteilt, jeweils für Steuerung der gegenüberliegenden Körperseite verantwortlich rechte Hemisphäre: räumliche Wahrnehmung, Kreativität, künstlerischer Bereich linke Hemisphäre: mathematisch-logisches Denken unterteilt verschiedenzuständige Bereiche des Gehirns Geschmack und Tasten Sehen Gehör, Geruch, Sprache Bewegung, Denken, Sprache äußere, etwa 2 bis 5mm dicke Schicht des Großhirns enthält Soma und Dendriten stellt graue Substanz des Großhirns da besteht aus Thalamus und Hypothalamus Thalamus: Schaltstation zwischen aufsteigenden Rückenmarksbahnen und Großhirn sowie erstes, unbewusstes Verarbeitungszentrum für Sinnesinformationen Hypothalamus: wichtigste Steuerzentrale für das vegetative Nervensystem und das Hormonsystem unterer Abschnitt des Großhirns und Teile des Zwischenhirns fügt emotionale Bewertungskomponenten hinzu von großer Bedeutung für die Speicherung und Abrufung von Gedächtnisinhalten haben große Bedeutung bei Überführung von Inhalten des Kurzzeitgedächtnisses in das Langzeitgedächtnis bei Zerstörung: keine neuen Inhalte speichern Ansammlungen von Neuronen im Inneren des Schläfenlappens Seeblindheit visuelle Assoziationsregion im Hinterhauptlappen ist geschädigt trotz funktionierenden Sehapparats und Sehzentrums - Person faktisch blind Objekte können beschrieben werden, aber nicht benannt Split-Brain-Patienten kontrollieren als ,,Alarmanlage“ eingehende sensorische Informationen an Entstehung von Angstgefühlen beteiligt Durchtrennung des Balkens Beispiel: an rechtem Nasenloch Duft einer Rose - Patient riecht nichts, greift aber trotzdem mit der linken Hand nach einer Rose Bildgebende Verfahren: Computertomographie (CT) Anhand von Röntgenstrahlung Schnittbilder vom menschlichen Körper Gute Darstellung von z.B. Schädel, Gehirn, Lunge, sämtliche Arten von Gewebe, Knochen, Blutgefäße Funktion: Röntgenstrahlung durchdringt den Körper und je nach Dichte des Gewebes bzw. der Knochen unterschiedlich stark absorbiert Durchlässige Regionen absorbieren kaum Röntgenstrahlung (erscheinen Schwarz) Vorteile: geschichtete Schnittbilder; 2- als auch 3-dimensionale Bilder möglich; einfache und schnelle Durchführung; hochauflösende Abbildung Nachteile: Röntgenstrahlung kann schädlich sein; schlechtere räumliche Auflösung Magnetresonanztomographie (MRT) Zweidimensionale Schnittbilder des menschlichen Körpers Funktion: Magnetfeld erzeugt - Wasserstoffatome im Körper gleichmäßig ausgerichtet; Radiowellen sorgen für kurzzeitige zufällige Anordnung der Wasserstoffatome; richten sich wegen des Magnetfeldes sofort wieder gleichmäßig aus; Rücksprung wird gemessen und liefert Bildinformationen zeigt Struktur des Gehirns Vorteile: keine radioaktive Strahlenbelastung; gute Darstellung von Weichteilgewebe; keine nachhaltigen Nebenwirkungen Nachteile: Platzangst; Dauer (15-20 min); Komplikationen bei metallischen Splittern etc.; Gefahr: verwackeln Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) zeigt Aktivität und Funktionen des Gehirns meistens löst der Proband während der Untersuchung kognitive Aufgaben Misst mittels des ,,BOLD-Effektes" den Sauerstoffgehalt im Gewebe Neuronen aktiv = benötigen mehr Sauerstoff Blutgefäße weiten sich; sauerstoffreiches Blut fließt in die aktive Region dieser Unterschied im Sauerstoffgehalt zu den Nachbarregionen ist mittels fMRT messbar Niveau der Aktivierung wird auf einer abgestuften Farbskala dargestellt Vorteile: günstiger als PET Nachteile: neuronale Aktivierungen werden nur indirekt über die damit korrelierenden Stoffwechselprozesse gemessen - weit langsamer als das Gehirn, was untersucht wird Positron-Emission-Tomografie (PET) Aktivität von Gewebe bildgebend darstellen Glucose wird mit Isotop 18F markiert instabiles Isotop, was bei Zerfall gamma-Strahlung emittiert Glucose wird in die Blutbahn eingebracht Zellen, welche eine hohe Zellaktivität haben, haben auch einen hohen Glucosebedarf nehmen markierte Moleküle in Stoffwechsel auf Empfänger ermittelt Ort der gamma-Strahlung Bereiche mit hoher Strahlungsemission wird farblich hervorgehoben Zur Diagnose von Krebs- und Demenzerkrankungen Muskeln: Aufbau Muskel: Rückenmark Motoneuron 1 Motoneuron 2 Muskelfaser Muskel Sarkolemma T-Tubulus Sarkoplasmatisches Retikulum Muskelfaserbündel Myosinfilament Aktinfilament Zellkern Motoneuron Aktionspotenzial neuromuskuläre Synapse Mitochondrium Myofibrille Sarkomer Mig MENEN HOOCH m W MONING Sarkomer im Ruhezustand GERARA Myosinfilament Aktinfilament We Kontraktion und Filamentgleiten 1000 Myofibrillen, die das Zellplasma der Muskelfasern in Längsrichtung durchziehen dichtes Kanalsystem, das Sarkoplasmatische Retikulum, umgibt Myofibrillen Myofibrillen enthalten etwa zwei Mikrometer lange, kontraktile Einheiten, die Sarkomere Sarkomere bestehen aus verschiedenfädigen Proteinen - Filamente (Aktinfilamente und Myosinfilamente) Aktinfilamente sind an plattenartige Proteinscheiben (Z-Scheiben) befestigt und parallel zu den dickeren Myosinfilamenten angeordnet Myosinfilamente werden durch Titin (weiteres Protein) in zentrierter Lage gehalten entspannter Muskel: Aktin- und Myosinfilamente überlappen sich zum Teil wenn AP eintrifft gleiten Aktin- und Myosinfilamente aneinander vorbei - Verkürzung der Sarkomere Kontraktion der Muskelfaser Tetanus: dauerhafte Kontraktion, ausgelöst durch eine Vielzahl schnell aufeinanderfolgender APS Z-Scheibe Titin Muskelkontraktion: (1) Actin-Filament Tropomyosin ATP ADP Z-Streifen Myosin- köpfchen Myosin- Filament Calcium-lonen binden an Troponin (2) Nervenimpuls Ursache 14 ADP Myosinbindungsstelle ADP erreicht ein AP die neuromuskuläre Synapse, so bewirkt der freigesetzte Transmitter Acetylcholin an der postsynaptischen Membran eine Depolarisierung, die zu einem Muskelaktionspotential an der Membran der Muskelfaser führt läuft über die Nerven zum Muskel Muskelaktionspotential breitet sich über T-Tubuli in der Muskelfaser aus Calcium-lonen, welche im Sarkoplasmatischen Retikulum gespeichert sind, werden freigesetzt und strömen ins Zellplasma Degenerative Erkrankung - Parkinson: Idiopathisches Parkinson Syndrom (IPS) Strukturänderung des Troponins Tropomyosin wird zur Seite geschoben entspannter Zustand: Myosinköpfe werden in eine 90-Grad-Stellung gebracht ATP hydrolisiert an Myosinköpfen enzymatisch zu ADP und Phosphat Ca2+ Aktivierung Myosinköpfen lagern sich an die freigelegten Bindungsstellen des Aktinfilaments und bilden Querbrücken aus (elektromechanische Kopplung) Myosinköpfchen ändern ihre Stellung: knicken etwa um 45 Grad um und verschieben dadurch das Aktinfilament Proteinfilamente gleiten aneinander vorbei - Kontraktion des Muskels unter Verbrauch von ATP lösen sich Myosinköpfchen wieder, richten sich auf und sind bereit für den nächsten Zyklus wenn genug ATP und Calcium-Ionen vorhanden, kann sich die Anlagerung und Verschiebung sofort wiederholen Gleitfilamenttheorie generelle Informationen langsam fortschreitende Erkrankung des Nervensystems Auftreten im Alter von 50-79 Jahren in Deutschland: 200 000 Betroffene Zerstörung von Neuronen im Mittelhirn, welche in den Basalganglien Dopamin ausschütten Basalganglien: benötigen Dopamin um Bewegungsabläufe zu fördern/hemmen Dopaminmangel - Ungleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung von Signalen Symptome und Krankheitsverlauf Absterben von Dopamin produzierenden Nervenzellen in der substania nigra Rigor (Muskelstarre) - häufig Beugemuskeln: vorgebeugte Haltung mit angewinkelten Armen Bradykinese (verlangsamte Bewegung) Akinese (Bewegungslosigkeit) Tremor (Muskelzittern) - häufig: Hände posturale Instabilität (Haltungsinstabilität) Krankheit verstärkt sich mit der Zeit nicht tödlich, ab er große körperliche Einschränkungen Übertragung keine äußere oder genetisch bekannte Ursache nicht ansteckend Vererblichkeit nicht ausgeschlossen häufig durch erhebliche Faktoren Behandlungsmethoden bisher keine ursächliche Therapie, sondern nur symptomische Therapie meist Medikamente, die Menge an Dopamin im Gehirn erhöhen, oder den Neurotransmitter ersetzen Verabreichung von L-Dopa: Vorstufe des Dopamins, welche von Neuronen in Dopamin umgewandelt wird Behandlung mit Dopamin-Agonisten: ähnliche Neurotransmitter - binden an Dopamin-Rezeptoren Hemmung der dopaminabbauenden Enzyme: Wirkdauer des Dopamins wird verlängert Gentherapie - über Enzyme Produktion von Dopamin anregen Physiotherapie und ausreichend Bewegung Diagnose Untersuchung der Basalganglien mittels bildgebender Verfahren zeigt Aktivität der Dopamin Neurone In der Forschung Stammzelltherapie als Therapiemöglichkeit abgestorbene Hirnzellen werden durch Stammzellen aus Knochenmark ersetzt Ursache von Neurodegeneration (Absterben von Neuronen im Gehirn) defekte Kernkörperchen könnten die Ursache sein Regeneration von Nervenzellen: Welche Schädigungen können an Nervenzellen, Nervensystemen auftreten? Durch verschiedene Krankheiten und Unfälle werden Nerven beschädigt bzw. vollständig zerstört Neuronen gehen verloren neuronale Netzwerke werden umstrukturiert Symptome wie Muskelschwäche, Lähmungen, Verlust kognitiver Fähigkeiten Bereich der Beschädigten Nerven hat verschiedene Auswirkungen, da jeder Bereich eine andere Funktion aufweist Schädigung der motorischen Nerven: Muskelschwäche/ -lähmung Können Nervenzellen regenerieren? Schädigung sensorische Nerven: Empfindungsstörungen/ -verluste Peripheres Nervensystem: Nervenfasern können regenerieren Schwannsche Zellen überbrücken die Lücke Axon wächst entlang der Brücke nach Zentrales Nervensystem: Nervenfasern wachsen nach Beschädigung kaum bzw. gar nicht nach an verletzter Axonspitze bildet sich Verdickung → strebt nicht danach, weiterzuwachsen Wachstumsbremse Unterschiede zwischen Menschen und Tieren und verschiedenen Lebensalter zentrale Nervenfasern können bei vielen niedrigen Wirbeltieren regenerieren (Beispiel: Zebrafisch) umso niedriger das Wirbeltier desto besser Regenerierung ist bei Säugetieren möglich, wo sich das ZNS noch in der Entwicklung ist Umso jünger desto besser Sucht: Definition unwiderstehliches Verlangen nach einem Erlebniszustand oder nach einem Verhalten Jeder Konsum kann nach einer Phase der Gewöhnung in eine Sucht oder Abhängigkeit führen nicht kontrollierbarer Konsum Missachtung von Anzeichen körperlicher und seelischer Zerstörung Auslegen des gesamten Lebens auf Konsum des Stoffes Vernachlässigung sozialer Bindungen Missbrauch Ursachen von Sucht psychische Faktoren personenbezogene Merkmale psychische Belastungen/Störungen biologische Faktoren Aktivierung des Belohnungssystems im ZNS (Neurobiologische Veränderungen) Epigenetische Veranlagungen soziale Faktoren Gesellschaftliches Umfeld gesellschaftliche Akzeptanz bestimmter Substanzen Verfügbarkeit von Suchtmitteln Was macht süchtig? Substanzgebundene Abhängigkeit Einnahme psychoaktiver Substanzen z.B. Alkohol, Nikotin substanzungebundene Abhängigkeiten Verhalten z.B. Glücksspiele, Medienabhängigkeit Co-Abhängigkeit Bezugspersonen eines Suchterkrankten fördern durch Handeln/Nicht Handeln die Sucht / Person wird in Suchterkrankung eines Nahestehenden verstrickt physische Abhängigkeit Der Körper des Süchtigen reagiert auf ständige Zufuhr des Suchtmittels - baut es in den Stoffwechsel ein Beispiel: Leberzellen stellen bei einem steigenden Alkoholkonsum mehr Enzyme zum Alkoholabbau her Im Verlauf: immer höhere Toleranz für Menge des Suchtmittels Toleranzbildung = gleich Alarmzeichen für eine starke körperliche Abhängigkeit Entzugserscheinungen bei Stopp der Einnahme z.B. zittern, Frieren, Übelkeit, Erbrechen psychische Abhängigkeit irreversible Veränderungen im Gehirn können mit bildgebenden Verfahren nachgewiesenen werden Gehirn entwickelt Suchtgedächtnis Belohnungssystem: Netzwerk von Nervenzellen aus verschiedenen Hirnstrukturen, die den Neurotransmitter Dopamin ausschütten Zentrum des Nervennetzes: Nucleus accumbens Motivationszentrum für wichtige Tätigkeiten Ausschüttung von Dopamin führt zu angenehmen Gefühlen - werden mit dem Verhalten verknüpft (Lernprozess) Drogen beeinflussen Belohnungssystem, indem sie direkt oder indirekt die Menge an Dopamin zwischen Nervenzellen des Nucleus accumbens erhöhen Kokain und Amphetamine hemmen Wiederaufnahme von Dopamin in die Präsynapse ausgeschüttetes Dopamin verbleibt länger im synaptischen Spalt Nikotin löst selbst Ausschüttung von Dopamin in synaptischen Spalt aus Heroin und andere Opiate binden an Rezeptoren von Nervenzellen, die normalerweise die Neurone hemmen, die Dopamin ausschütten verhindern die Hemmung - Dopamin wird verstärkt ausgeschüttet erhöhte Konzentration von Dopamin und Belohnungsgefühl wird mit Einnahme der Droge verknüpft - unwiderstehliches Verlangen nach dem Erlebniszustand charakteristische Begleitumstände werden im Suchtgedächnis gespeichert für alle Reize: mehr Aufmerksamkeit andere Reize werden schwach wahrgenommen Anpassung der Nervenzellen an das Vorkommen des Suchtmittels Reduzierung der Anzahl an Dopaminrezeptoren Senkung der Konzentration von Botenstoffen, die lonenkanäle steuern oder die Transkription bestimmter Gene durch Ausgleichsreaktionen wird Wirkung des Suchtmittels abgeschwächt Dopamin - Eigenschaften Hormon Neurotransmitter des ZNS (vor allem im Mittelhirn) Wirkung auf postsynaptische Zelle je nach Rezeptortyp Erregend (Öffnung von Na+ Kanälen) Hemmend (Öffnung von K+ Kanälen Kann Blut-Hirn-Schranke nicht passieren Muss im Hirn synthetisiert werden Dopamin - Herkunft Vorstufe von Dopamin: L-Dopa Dopamin ist die Vorstufe von Noradrenalin phasische und tonische Ausschüttung phasisch-Vorrausgehendes AP tonisch Ausschüttung kleiner Mengen ohne vorrausgehendes AP Dopamin - Wirkort und Wirkweise im Motivationszentrum des Vorderhirns zellulär: im synaptischen Spalt als Neurotransmitter dient im ZNS der Kommunikation der Nervenzellen wird bei positiven Gefühlserlebnissen ausgeschüttet gesellschaftliche Folgen von Sucht Nachlassende Arbeits- und Schulleistungen Gesellschaftlicher, beruflicher Abstieg Arbeitslosigkeit Partnerschaftskonflikte individuelle Folgen von Sucht Bedürfnisse (wie Hunger, Durst) werden schwächer wahrgenommen Entzugserscheinungen (Suizidgedanken, Frieren, Übelkeit) Gefahr eines Rückfalls A Erzeugung von Belohnungsgefühlen, die mit Verhaltensweisen verknüpft werdet: Motivation zu diesem Verhalten körperliche Folgen (Leberschäden, Parkinson-Risiko...) Toleranzbildung (reduzierte Anzahl von Dopaminrezeptoren an der Postsynapse) Höherer Konsum Suchtprävention Primärprävention Sekundärprävention Erstkonsum verhindern (Aufklärung, Regulation, kausale Prävention also Suchtursachen verhindern) Tertiärprävention lood rückfallverhütende und rehabilitierende Maßnahmen (Verringerung der Negativfolgen des Konsums, Vermeidung von Abhängigkeiten) körpereigenes Belohnungssystem: Wirkungsweise des körpereigenen Cannabinoid Systems im Gehirn und Körper eines erwachsenen Menschen 28 Therapie und Drogenhilfsangebote für bereits Süchtige (Drogensubstitution, Entzugskliniken etc.) Bindungsstellen für Cannabinoide - Cannabisrezeptoren Rezeptoren halten das Nervensystem im Gleichgewicht im Normalbetrieb eher weniger großen Einfluss bzw. wenige Aufgaben Aktivierung erfolgt bei Bedarf durch Freisetzung von körpereigenen Cannabioniden stark aktivierte Botenstoffsysteme werden ausgebremst (z.B. Glutamat oder GABA) → Wiederherstellung des Gleichgewichts B OOO In Abbildung 1A sieht man Normalbetrieb in einem Nervensystem eines Erwachsenen. Der Informationsfluss ist ausgeglichen und die CB1 Crew ist nicht aktiv und ruht sich aus. Kommt es jedoch zum Hochbetrieb im Nervensystem (1B), muss das Gleichgewicht wiederhergestellt werden. Hierzu wird die Crew ganz schnell aktiv, um einen gleichmäßigen Informationsfluss wiederherzustellen. Wirkweise von THC im Gehirn und Körper eines erwachsenen Menschen THC rauschauslösender Inhaltsstoff der Cannabispräparate A THC - störender Effekt THC aktiviert Cannabisrezeptoren ohne Grund, da das Nervensystem zuvor nicht aus dem Gleichgewicht geraten war Folge: Ungleichverteilung der Information im Nervensystem Auswirkungen aufs Gedächtnis und andere Faktoren wie z. B. Blutdruck THC kann alle Rezeptoren im gesamten Körper und im Gehirn aktivieren und physiologische Prozesse aus dem Gleichgewicht bringen Anpassung des Körpers bei regelmäßiger Einnahme von Cannabis - Toleranzbildung → länger andauernde Störungen im Nervensystem bei Erkrankungen kann THC gezielt verabreicht werden und ein Ungleichgewicht aufheben, kann aber auch zu Nebenwirkungen führen Exfuss von THC B /00● Folge Cannabis, Cannabinoide und das jugendliche Gehirn Gehirn entwickelt sich noch bis ins Erwachsenenalter Informationsweiterleitung in Nervensystemen verändert sich, besonders in einem Erwachsener jugendlichen Gehirn hormonelle Veränderungen während der Pubertät wirken sich auf Gehirnentwicklung aus Reifungsprozesse betreffen besonders Kommunikation der Gehirnreale Schutzummantelungen der Nervenfasern, welche eine schnelle Kommunikation zwischen den Nervenzellen erlauben, entwickeln sich bis Mitte/Ende 20 Botenstoffsysteme werden noch umgestellt Jugendlicher in vielen Botenstoffsystemen (während Pubertät) - erhöhte Anzahl an Bindungsstellen ,,Umbau" betrifft auch körpereigenes Cannbinoidsystem ●OO mehr Rezeptoren in einem jugendlichen Gehirn als in einem erwachsenen Gehirn noch aktiver und leichter zu aktivieren THC hat daher stärkere Effekte, als bei Erwachsenen erhöhtes Risiko für längerfristige Störungen book THC bewirkt eine unplanmäßige Aktivierung der CB1 Crew (2A), welche die normalen Abläufe im Nervensystem ziemlich durcheinanderbringen kann. Die Folge sind Störungen des Ablaufs der Informationsvermittlung im Nervensystem (2B), die sich ganz unterschiedlich auswirken können. ●00 DOO lboal Die CB1 Crew in einem erwachsenen und einem jugendlichen Gehirn unterscheiden sich deutlich. Das jugendliche Gehirn befindet sich noch im Umbau und das betrifft auch das Endocannabinoid System. Die jugendliche Crew hat viel mehr Arbeiter und diese sind leichter zu aktivieren als eine erwachsene Crew. Daher kann THC in einem jugendlichen Gehirn auch stärkere Störungen auslösen als in einem erwachsenen Nervensystem. Schmerzhemmendes System: = körpereigenes, endogenes System (antinozizeptives), das dafür sorgt, dass die Schmerzweiterleitung gehemmt bzw. blockiert wird Ist das System beschädigt, hat das vermutlich Einfluss auf die Entwicklung chronischer Schmerzen Komponenten bzw. Schaltstellen in Rückenmark, Hirnstamm, Thalamus und Cortex wichtigste hemmende Neurotransmitter: Endorphine, Serotonin, Noradrenalin, GABA ständig aktiv bestimmt das Ausmaß der augenblicklichen und individuellen Schmerzempfindlichkeit bei nachlassender Wirksamkeit wird die Scherzwahrnehmung verstärkt Aktivierung des scherzhemmenden Systems, z.B. Morphin, Neurostimulation und Akupunktur Langzeitpotenzierung: ständige Aufnahme des Scherzes - kann besser wahrgenommen werden und zum Gehirn geleitet werden Gegenirritation: beruht darauf, die Wahrnehmung eines Scherzreizes durch Auslösen eines Gegenreizes zu blockieren (Beispiel: Pusten) Funktionsweise Areale: Gehirn, Hirnstamm, Rückenmark → Botenstoffe werden gebildet und Schmerzweiterleitung kann gehemmt werden direkte Schmerzhemmung: Serotonin am Ort des Schmerzgeschehens - reduzieren die Aktivität der Nozizeptoren (=Scherzaufnahme) indirekte Schmerzhemmung: vor allem durch Noradrenalin und Endorphine - sorgen dafür, dass Interneurone verstärkt wirken - Schmerzweiterleitun wird gehemmt bzw. blockiert Hemmung durch Schmerzimpulse - Schmerzreiz aktiviert schmerzhemmendes System Hemmung durch Stress/Gefahren - Auslösung des körpereigenen Opioidsystems Opiate: Heroin Opiat - Droge mit dem höchsten Suchtpotential Abkömmling des Morphiums übertrifft Morphin in der Wirkungsweise und Gefährlichkeit fast kein Ausgang aus der körperlichen Abhängigkeit möglich Thalamus- Hirnstamm aufsteigende Schmerzbahn inneres Organ Nozizeptoren Haut Mechanórezeptor Angriffspunkte und neurophysiologische Wirkung von Opiaten im Organismus spezielle Rezeptoren für Opiate in der Membran bestimmter Nervenzellen, vor allem im Gehirn (limbisches System) und im Rückenmark Opiate lagern sich an Rezeptoren an - blockieren Funktion des Enzyms Adenylatcyclase Enzym bewirkt normal die Umwandlung von ATP in CAMP - wirkt auf viele Stoffwechselreaktionen stimulierend absteigende hemmende Schmerzbahn Großhirnrinde Limbisches System CAMP-Konzentration sinkt durch Blockade der Enzyme durch die Opiate → Nervenzellen können Erregung nicht mehr weiterleiten schmerzstillende ung von Opiaten: Hemmung von schmerzleitenden Neuronen des Rückenmarks www.doktorweig.de Adenylat- cyclase aktiv ATP CAMP Rezeptor Opiat- Molekül ► Regulation von Abb. 78: Wirkung von Opiaten auf spezielle Rezeptoren Gehalt der Zellen an CAMP Stoffwechselwegen normal körpereigene Drogen besetzten in bestimmten Situationen die Rezeptoren (ähnliche Wirkung wie Opiate) → endogene Morphine (Endorphine) Endorphine sind Überträgerstoffe an Synapsen (Neurotransmitter) - binden an Opiatrezeptoren Opiatrezeptoren befinden sich auch im Belohnungssystem Endorphine bewirken Euphorie und Rausch Endorphine werden schon kurz nach den Besetzten der Rezeptoren durch spezielle Enzyme abgebaut Opiat- Rezeptor- Komplex keine körperliche Abhängigkeit Opiate besetzten Rezeptoren für einen längeren Zeitraum - blockieren Adenylatcyclase Absinken des CAMP-Spiegels vermehrte Produktion von Adenylatcyclase, um dies auszugleichen Steigerung der Produktion von CAMP - Nachlassen der euphorischen Wirkung Toleranzbildung bei vermehrter Zugabe kein Opiat mehr: CAMP-Spiegel steigt sehr schnell an - Entzugserscheinungen Adenylat- cyclase inaktiv fortgesetzte Morphineinwirkung Abb. 79: Reaktion des Körpers bei Morphinentzug Zelluläre Mechanismen des Lernens: Aktivierung der Adenylat- cyclase plötzlicher Morphinentzug Zeit Aufbau- und Abbauvorgänge bei Lernvorgängen werden im ZNS aus gleichzeitig aktiven Nervenzellen spezielle neuronale Netze gebildet Nervenzellen, welche am Lernprozess beteiligt sind, aktivieren dabei vorhandene, aber davor wenig benutzte ,,stille" Synapsen oder bilden neue Synapsen mit ihrer Nachbarzelle aus Synapsen unbeteiligter Neuronen werden ,,stillgelegt" oder abgebaut Effektivität Effektivität, mit der die Übertragung an Synapsen stattfindet, wird beim Lernen verändert bei zu geringerer Aktivität einer Synapse, löst eine schwache Erregung im postsynaptischen Neuron ein so geringes EPSP aus, dass kein AP gebildet wird nur bei einer starken Erregung (hohe Frequenz von APs in der Präsynapse) entsteht im postsynaptischen Neuron ein hohes EPSP - AP kann weitergeleitet werden → danach reicht auch eine schwache Erregung des präsynaptischen Neurons, um ein AP zu bilden Effektivität der Übertragung an einer Synapse wird verstärkt, wenn diese erfolgreich an der Aktivierung des postsynaptischen Neurons beteiligt war - Langzeitpotenzierung erfolgt insbesondere an erregenden Synapsen, bei denen Glutamat als Neurotransmitter fungiert geringe Effektivität bei der Übertragung an einer solchen Synapse liegt meistens daran, dass an der postsynaptischen Membran nur wenige Glutamat-Rezeptoren vorkommen erfolgreiche Aktivierung des postsynaptischen Neurons durch die Synapse - hohes EPSP durch ausgeschüttete Transmitter - postsynaptische APs zusätzlich: Aktivierung einer Signalkaskade im nachgeschalteten Neuron zusätzliche Glutamat-Rezeptoren werden in die Postsynapse eingebaut Prozesse, die zur Bildung zusätzlicher Synapsen zwischen den beiden Neuronen führt, werden in Gang gesetzt erfordert spezifische Aktivierung der Proteinbiosynthese postsynaptische Zelle produziert Botenstoffe, die in der Präsynapse die Synthese und Ausschüttung von Transmittern verstärkt Langzeitpotenzierungen können außerdem dadurch ausgelöst werden, dass an einem Neuron erregende Synapsen gleichzeitig aktiv und gemeinsam an seiner erfolgreichen Aktivierung beteiligt sind A Neuronen im Hippocampus: durch gemeinsame Langzeitpotenzierung der Synapsen, die gleichzeitig auf ein Neuron Neurotransmitter übertragen, werden diese verschaltet und ihre zugehörigen Neuronen zu einem Nervennetz verbunden Satz des Pythagoras a²+²=² äußerer Reiz äußerer Reiz Satz des Pythagoras a² +b²=c² Aktivierung von bestimmten Nervenzellen durch einen Reiz. Sie bilden ein Nervennetz. Auch nach Beendigung des Reizes sind die Nervenzellen aktiv. Die Effektivität der Übertragung ist verstärkt worden durch die Langzeitpotenzierung. Das verschaltete Nervennetz stellt die Gedächtnisspur dar. Nach dem Lernprozess wird das Nervennetz schnell wieder vollständig aktiviert, auch wenn der Reiz nicht vollständig ist. B 1 Neuronale Netze. A Bildung und B Aktivierung einer Gedächtnisspur B vor dem Lernen -Glutamat- Rezeptor 10 -Glutamat nach dem Lernen IIT DOC OL assoziatives Lernen überträgt eine Gruppe Informationen vom Bild einer Amsel und eine andere Gruppe Informationen über den Amselgesang auf ein Neuron, wird die Effektivität dieser gleichzeitig aktiven Synapsen erhöht und die Synapsen miteinander verschaltet - Nervennetz beide Sinnesreize werden durch assoziatives Lernen miteinander verknüpft das Gelernte wird umso leichter im Gehirn verankert, je mehr Assoziationen zu bereits Bekanntem geknüpft werden können, je mehr Synapsen also durch den Lernprozess aktiviert werden man lernt umso leichter, je mehr man bereits weiß → Lernen ist ein sich selbst verstärkender Prozess . Übung des Gelernten Durch Gebrauch der neu verschalteten Synapsen und Neurone, wird Effektivität der Erregungsübertragung in diesen Nerven verstärkt Zugriff auf die Wissensinhalte wird erleichtert und beschleunigt Verstärkung der Synapse wird rückgängig gemacht, wenn auf das Gelernte nicht zurückgegriffen wird Synapsen können zurückgebildet werden neuronale Plastizität neuronale Netze werden in Abhängigkeit von ihrer Nutzung ständig umgebaut Umbau der Synapsen und Nervenzellen - neuronale Plastizität Grundlage der Hirnentwicklung und Basis aller Lernprozesse ermöglicht lebenslange Anpassung und Reaktion auf Veränderungen umfasst auch Bildung neuer Nervenzellen Gedächtnis: Definition Fähigkeit, individuell aufgenommene Informationen abrufbar zu speichern Speicherung erfolgt vor allem im Großhirn am Speichervorgang beteiligte Prozesse: 3 Assoziatives Lernen Informationsaufnahme mittels Sinnesorganen Informationsauswahl Mehrspeichermodell Ultrakurzzeitgedächtnis (Sensorisches Gedächtnis) Neuron im Hippocampus Informationseinspeicherung (Encodierung) und -verfestigung dauerhafte Abspeicherung der Information im Langzeitgedächtnis (Engrammierung) Verknüpfung der neu abgespeicherten Informationen mit alten Speichereinheiten und Informationsabruf- fundamental für Gedächtnisprozesse Kurzzeitgedächtnis Alle über die Sinnesorgane aufgenommenen Informationen werden für maximal zwei Sekunden festgehalten Der größte Teil dieser Informationen wird dann aber nicht wahrgenommen und geht verloren aktive Bewusstsein übernimmt aus dem sensorischen Gedächtnis nur wenige Informationen Kapazität und Speicherdauer sind eng begrenzt (10 bis 45 Sekunden) Arbeitsgedächtnis Informationen, welchen wir mehr Aufmerksamkeit schenken, gelangen für Sekunden oder wenige Minuten ins Arbeitsgedächtnis Wiederholung der Information verlängert Verweildauer nur geringe Kapazität - Informationen werden zu größeren Einheiten zusammengefasst Inhalte liegen als Erregung von Neuronen, also Hirnaktivität vor Langzeitgedächtnis mehrfaches Wiederholen bzw. Üben von Informationen ist nötig Verankerung ist Abhängig von der individuellen Bedeutung und der Möglichkeit die Informationen mit bereits gespeicherten zu verknüpfen Art der Speicherung ändert sich - jetzt in Form fest verschalteter Nervennetze (Hirnstrukturen) → Übergang erfordert Zeit und Ruhe - bevorzugt im Schlaf deklaratives Gedächtnis Wissensgedächtnis enthält Inhalte, die bewusst abgerufen und in Worte gefasst werden können Abspeicherung erfolgt über den Hippocampus: im Wachzustand gespeichert und dann während des nächtlichen Schlafs in die verschiedenen Assoziationsregionen überspielt und dort endgültig gespeichert episodisches Gedächtnis Speicher für individuelle Faktenwissen Erinnerungen semantisch Gedächtnis enthält das Antidepressiva B-Blocker nicht-deklaratives Gedächt Wissen kann nur unbewusst genutzt werden Verhaltensgedächtnis Methylphenidat Wirkstoff in bestimmten Medikamenten Speicherung in Großhirnrinde erflogt ohne Beteiligung des Hippocampus über vielfache Wiederholungen Neuro-Enhancement: = Einnahme von psychoaktiven Substanzen mit dem Ziel, die geistige Leistung zu steigern lässt keine Müdigkeit aufkommen fördert Konzentration prozedural Gedächtnis erlernte Fähigkeiten; Kleinhirn und Basalkerne von besonderer Bedeutung hemmen die Wirkung des Stresshormons Adrenalin und die des Neurotransmitters Noradrenalin Ginko biloba (frei verkäuflich) Koffein emotional Gedächtnis unbewusst erlernte Angst beeinflusst unbewusst das Verhalten; Mandelkerne von besonderer Bedeutung ursprünglicher Nutzen: Behandlung von Kindern, die unter ADHS (Aufmerksamkeits-Defizit- Hyperaktivitäts-Störung) leiden Abkömmling des Amphetamins muss verschrieben werden aufgrund des Betäubungsmittelgesetzt ,,Smart Drug" Modafinil wachhaltende und konzentrationsfördernde Wirkung ursprünglicher Zweck: Behandlung von Narkolepsie (Betroffene fallen unvermittelt in einen tiefen Schlaf) Missbrauch als Aufputschmittel z.B. Soldaten Wirksamkeit unterschiedliche Ergebnisse Modafinil verbessere Stimmung, jedoch nicht die kognitiven Leistungen keine messbare Verbesserung der Gedächtnisleistung oder der Aufmerksamkeit → Einnahme ruft im großen Teil nicht die erwartete Wirkung hervor →nur wenn ein Mensch geschwächt oder müde ist, können Neuro-Enhancer nachweisbar die Wachheit, Aufmerksamkeit und Konzentration beeinflussen Wirkung an Synapsen Methylphenidat greift wie Kokain in den Hirnstoffwechsel ein und blockiert die Carrier, die Dopamin in die Zelle zurück transportieren Konzentration von Dopamin im synaptischen Spalt erhöht sich Körper wird über Stunden in einen erhöhten Aktivitätszustand versetzt natürliche Signale der Erschöpfung werden unterdrückt Modafinil greift ebenfalls in den Dopamin-Haushalt ein genauer Wirkmechanismus ist noch nicht bekannt Dopamin- abbauendes Enzym Nebenwirkungen: verminderter Appetit, Nervosität, Schlafstörungen, Kopfschmerzen, Bluthochdruck, Herzrhythmusstörungen PET zeigt: Blockade von Dopamin-Transportern wie Kokain Methylphenidat und Modafinil machen nicht ,,high", können jedoch zu einer physischen und psychischen Abhängigkeit führen Dopamin Dopamin- besetzter Rezeptor Vesikel zur Speicherung von Dopamin- 00 Dopamin- Carrier durch Methyl- phenidat blockiert prä- synaptische Membran Methyl- phenidat post- synaptische Membran B 4 Wirkung von Neuro-Enhancern an Synapsen. A Amphetamin;m B Methylphenidat