Biologische Psychologie (Subject) / Grundlagen der Biopsychologie (Lesson)

Neuronen, Gliazellen, Ruhepotenzial, Aktionspotenzial, Synaptische Transmission

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• Glutamat -> Aminosäuretransmitter - sehr weit verbreitet im ZNS (ca. 50% der Neurone im Nervensystem) - verschieden ionotrope und metabotrope Rezeptoren - wirkt exzitatorisch an ionotropen Rezeptoren (-> Depolarisation der postsynaptischen Membran) - kann an metabotropen Rezeptoren auch inhibitorisch wirken (-> Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran) - sehr wichtiger Glutamat-Rezeptor ist der NMDA-Rezeptor (N-Methyl-D-Aspartart Rezeptor): spannungs- und ligandengesteuert -> wichtig für Lernprozesse - auch z.B. an Astrozyten: werden bei synaptischer Transmission angrenzender Neurone ebenfalls durch Glutamat im synaptischen Spalt depolarisiert, haben Verbindungen zu Blutkapillaren => Regulation des Blutflusses 
• Klassen von Neurotransmittern a) Aminosäuretransmitter: Aminosäure fungiert als Transmitter (Glutamat) b) Monoamine: haben eine Aminogruppe (Serotonin), - Untergruppe: Katecholamine (haben Katecholring + eine Aminogruppe: Noradrenalin, Adrenalin, Dopamin) c) Neuropeptide: Aminosäureketten (größere Moleküle -> Oxytocin) d) Gasotransmitter: gasförmige Neurotransmitter (Stickstoffmonooxid)
• GABA (Gamma-Amino-Buttersäure) -> Aminosäuretransmitter - wirkt immer inhibitorisch - sehr weit verbreitet im ZNS (bis zu 50% der inhibitorischen Synapsen) - mögliche Liganden: Ethanol, Benzodiazepine, GABA, Barbiturate, Neurostereoide - 3 Arten von GABA-Rezeptoren: a) GABA-A-Rezeptor & GABA-C-Rezeptor: ionotrope Rezeptoren => Chloridioneneinstrom b) GABA-B-Rezeptoren: metabotroper Rezeptor => Calciumionenaustrom - im Ruhezustand wirken Elektrostatische Kräfte und Konzentrationsgradient der Cl- Ionen /Ca+ - Ionen in entgegengesetze Richtungen (gleicht sich aus) -> Aktivierung der GABA- Rezeptoren macht nur einen Unterschied, wenn Neuron depolarisiert ist, da dann Elektrostatische Kräfte und Konzentrationsgradient in die selbe Richtung wirken  => Calciumionenaustrom (GABA-B), Chloridioneneinstrom (GABA-A/C)
• Katecholamine -> haben Katecholring + eine Aminogruppe - Untergruppe der Monoamine (eine Aminogruppe) - z.B. Noradrenalin, Adrenalin, Dopamin - gemeinsamer Syntheseweg über Tyrosin  -> über die Nahrung aufgenommen oder über Phenylalanin synthetisiert  Tyrosin -> Dopa -> Dopamin -> Noradrenalin -> Adrenalin 
• Dopamin - Katecholamin (Untergruppe der Monamine, die zusätzlich zur Aminogruppe einen Kachecholring haben) - Syntheseweg: (Phenylalanin) -> Tyrosin -> Dopa -> Dopamin -> Noradrenalin -> Adrenalin - spielt eine zentrale Rolle bei motorischen und motivationalen Prozessen - Rezeptoren sind metabotropen Rezeptoren (D1 - D5-Rezeptpren) 
• dopaminerges System - Kernbereiche, von denen aus Transmitter verteilt wird: Substantia Nigra und Ventrales Tegmentales Areal (SN/VTA) - wichtige dopaminerge Bahnen: a) mesokortikale Bahn: VTA -> präfrontalen Cortex & motorischer Kortex b) mesolimbische Bahn: VTA -> ventrale Striatum, Hippokampus/ Amygdala, medialer PFC c) nigrostriatale Bahn: SN -> Basalganglien (Striatum) - eingebunden in die frontostriatalen Schleifen  -> (excitatorische) D1-Rezeptoren im direkten Pfad -> (inhibitorische) D2-Rezeptoren im indirekten Pfad
• Tyrosin-Phenylalanin-Depletion - Dopamin (oder auch Adrenalin, Noradrenalin) kann manipuliert werden, indem Tyrosin (Vorläufer) manipuliert wird: Tyrosin-Phenylalanin-Depletion -> Tyrosin und Phenylalanin sind notwendig zur Synthese der Katecholamine -> durch Weglassen von Tyrosin in der Nahrung wird die Synthese von Katecholaminen reduziert  - Dopamin ist davon mehr betroffen als z.B. Noradrenalin  - Ansatz erlaubt, die Wirkung von Dopamin auf Gehirn und Verhalten zu untersuchen
• Olds & Milner (1954): intrakranielle Selbststimulation (ICSS) bei der Ratte -> Studie zum meso-limbischen System  - wenn eine Stimulationselektrode in Kernbereichen des dopaminergen Systems (z.B. Nucleus Accumbens) platziert wird und Ratte über einen Hebel freigestellt wird, diese selbst zu betätigen, stimuliert sie sich bis zur Erschöpfung - ebenso, wenn sie im Bereich der aufsteigenden dopaminergen Fasern (SN/VTA -> Striatum) platziert werden (z.B. Hypothalamus) - Dopamin-Antagonisten reduzieren das Interesse der Tiere an Selbststimulation
• Kodierung der Dopaminneurone in der VTA - Dopaminneurone feuern nicht 1:1, wenn ein belohnender Reiz präsentiert wird, sondern signalisieren sog. Vorhersagefehler Vorhersagefehler = tatsächliche Belohnung - erwartete Belohnung - Studie von Schultz et al. (1997): - Messung der Aktivität von Neuronen im VTA (Affe) - währenddessen wurde den Tieren entweder Belohnung als Folge eines CS präsentiert oder wahllos Belohnung gegeben -> keine Ankündigung => Entstehung eines Aktionspotenzials bei Belohnung -> Ankündigung mit Belohnung => Aktionspotenzial bei Präsentation des CS, aber nicht bei Belohnung  -> Ankündigung ohne Belohnung => Aktionspotenzial bei Präsentation des CS, bei ausbleibender Belohnung geringere Feuerrate als Basisrate 
• Einfluss von Nikotin auf das meso-limbische Belohnungssystem - Dopaminneuron hat Verbindungen zum glutamatergen, cholinergen und GABA- System -> glutamerg: Projektionen vom Nucleus Accumbens, Hippocampus, PFC -> cholinerg: Projektionen vom PMT (pontomesencephalotegmentaler Komplex) -> GABA-System - an der cholinergen Synapse befinden sich nikotinerge Rezeptoren -> werden von Nikotin aktiviert (Agonist) -> Nikotin erhöht die Aktivität der Dopamin- Neurone - wird das Gen für den nikotinergen Acetylcholinrezeptor ausgeschaltet verlieren Tiere das Interesse an der Nikotin- Selbstapplikation
• Einfluss von Kokain auf das meso-limbische Belohnungssystem - wirkt als Dopamin-Wiederaufnahmehemmer im synaptischen Spalt, indem es den Dopamin-Rücktransporter blockiert   - ebenfalls Wiederaufnahmehemmung von Noradrenalin und Serotonin - Folge (Kokainabhängigkeit): kompensatorische Anpassung an erhöhte Dopamin-Verfügbarkeit -> Abbau postsynaptischer Dopaminrezeptoren (=> long-term depression?)  -> vermehrte Produktion Dopamin-Transportermoleküle => bei Abstinenz ist die Wirkung von Dopamin stark reduziert (Entzugserscheinungen) - wenn experimentell intravenös Kokain gegeben wird sieht man in bildgebenen Verfahren unmittelbar eine Aktivation in dopaminerger Kerngebieten im Bereich des Mittelhirns (SN/VTA), Nucleus Accumbens
• meso-limbisches System -> Kernbereiche des Mesencephalons, die mit dem limbischen System verbunden sind  - Ursprung der Projektionen in der SN/VTA  - Zielgebiete sind Nucleus Accumbens und Zielgebiete des limbischen Systems (z.B. Amygdala, Hippocampus) - wird assoziiert mit Belohnung, Motivation & Sucht (-> Drogen wirken in diesem System)
• Einfluss von Opiaten auf das meso-limbische System - Opiate wirken an zwei Stellen im meso-limbischen System: a) VTA: Mü- Opiatrezeptoren (inhibitorisch) in gabergen Interneuronen, welche an Dopaminneurone münden  - Interneuron wird gehemmt -> Disinhibition des Dopaminneuron -> mehr Dopamin b) Nucleus Accumbens: Opiatrezeptoren direkt am Nucleus Accumbens  - zur Erinnerung: dopaminerge Bahnen laufen u.A. von der VTA zum Nucleus Accumbus - ebenfalls Toleranzentwicklung (wie bei Kokain) durch reduzierte Sensitivität der Rezeptoren und beschleunigten enzymatischen Abbau der Droge
• Einfluss von Methamphetamin (Crystal Meth) - Amphetamine verstärken die Freisetzung von Noradrenalin (und in geringem Maße Dopamin) - Auflösung der Vesikel nach Wiederaufnahme der Dopamin- /Noradrenalintransmitter in die Präsynapse -> Diffusion der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt  -> Anstieg der Konzentration an Dopamin (oder Noradrenalin) im synaptischen Spalt - wirkt als Sympathomimetikum (aktivieren das sympathische Nervensystem)
• Noradrenalin & Adrenalin -> wirken beide auch als Hormone (Sympathikus) - primär Noradrenalin auch Neurotransmitter - noradrenerge Bahnen: Locus Coeruleus (Hirnstamm) -> Kortex - viele metabotrope Rezeptoren: alpha 1,2 , beta1,2,3,4 - Rezeptoren können sowohl inhibitorisch, als auch exzitatorisch wirken -> inhibitorische hemmen die Adenylylcyclase (Enzym, welches ATP in cAMP) -> weniger cAMP -> exzitatorische stimulieren die Adenylylcyclase -> mehr cAMP - unterschiedliche Affinität für Liganten Noradrenalin und Adrenalin (für Adrenalin grundsätzlich höher)
• noradrenerges System - Kerngebiet: Locus Coeruleus - Projektionen z.B. ins Kleinhirn, Zwischenhirn, Kortex - Messung der Aktivität des noradrenergen Systems über Pupillendilatation  -> enge Verknüpfung zwischen Aktivität im Locus Coeruleus und Pupillendilatation - Hess & Polt: erhöhte kognitive Anforderungen führen zu einer Erweiterung der Pupille (über Aktivierung des Sympathikus)  - Joshida et al. (2015): elektrischer Stimulation der Neuronen im LC führt zu Pupillendilatation - Noradrenalin und Adrenalin- Ausschüttung primär bei sympathischer Aktivität (Pupillendilatation typisch sympathische Aktivität)
• Serotonin und serotonerges System -> wichtig Rolle bei Regulation von Stimmung, Emotionen, Schlaf- Wach- Rhythmus, Lernen usw. - wird synthetisiert aus Tryptophan (über Nahrung aufgenommen) - SSRIs bei Depressionen und Angststörungen - Kerngebiet: (kaudale vs. rostrale) Raphe- Kerne im Hirnstamm -> kaudale Raphe-Kerne projizieren ins Kleinhirn & Rückenmark  -> rostrale Raphe-Kerne projizieren in Kortex, Zwischenhirn & Kleinhirn (z.B. limbisches System)  - ionotrope und metabotrope Rezeptoren: 5HT1-7 (Serotonin auch 5-Hydroxytryptamin) - serotenerges System kann durch Tryptophan-Depletion manipuliert werden  -> experimentelle Untersuchung des Einflusses von Serotonin auf Gehirn und Verhalten (analog zu Dopamin)  
• Neuropeptide - etwa 50 Peptide bekannt, die als Neurotransmitter fungieren - Bsp.: Oxytocin (Steuerung von Sexual- und Sozialverhalten), Endorphine und Enkephaline (= endogene/ körpereigene Opiate)
• Gasotransmitter -> Gase, die als Neurotransmitter fungieren - binden nicht an Rezeptoren, sondern diffundieren direkt in die Zielzelle und wirken dort intrazellulär direkt an den Zielmolekülen (vgl. Second- Messenger- Systeme) - Bsp.: Stickstoffmonoxid: retrograder Messenger, d.h. Rückkopplung der Postsynapse an die Präsynapse
• IPSP vs. EPSP - je nach Rezeptor und Transmitter löst ein Aktionspotenzial im präsynaptischen Neuron im postsynaptischen Neuron ein EPSP (excitatoric postsynaptic signal) oder IPSP (inhibitoric postsynaptic signal) aus -> EPSP: Depolarisation der postsynaptischen Membran -> IPSP: Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran
• Synaptische Integration - Entstehung eines Aktionspotenzial im postsynaptischen Neuron hängt von der Gesamtheit angeregter EPSPs und IPSPs ab -> über verschiedene Dendriten gehen Signale ein und erreichen den Zellkörper, welche sich aufsummieren oder ausgleichen (z.B. bei einem IPSP und einem EPSP)  - zwei wichtige Prinzipien: a) räumliche Summation: Summation der EPSPs und IPSPs mehrerer Synapsen (nur bei enger zeitlicher Abfolge der Eingänge) b) zeitliche Summation: Summation aller EPSPs/IPSPs einer Synapse innerhalb eines bestimmten Zeitraumes - präsynaptische Effekte zeitlicher Summation: Aktionspotenziale erreichen so schnell die Präsynapse, dass Calciumionenkonzentration in dieser immer höher wird => verstärkte Exozytose => verstärkter Transmitterausschuss  - postsynaptische Effekte zeitlicher Summation: verstärktes EPSPs/IPSPs, wenn vorheriges zu dem Zeitpunkt, an dem ein neues kommt, noch nicht abgeklungen ist
• Prä-synaptische Hemmung -> über eine axo-axonale Synapse hemmt ein inhibitorisches Interneuron (durch z.B. die Freisetzung von GABA) ein nachgeschaltetes Neuron am Axon: - Cl- - Kanäle öffnen sich  - Konzentrations-und Ladungsgradient von Cl- sind im Ruhezustand im Gleichgewicht - kommt ein Aktionspotenzial ist diese Stelle des Axons allerdings depolarisert -> Cl- Einstrom => "Ausbremsen" des Aktionspotenzials  - oder: Neuron wird über Interneurone hyperpolarisiert (durch z.B. Kaliumausstrom) -> erschwert die Erreichung der Schwelle für die Entstehung eines APs
• Laterale Inhibition -> Kontrastverstärkung an Reizgrenzen - z.B. im visuellen oder taktilen System - Mechanismus: präsynaptische Hemmung  - gekreuzte Weitergabe des Signals eines Neurons über hemmende Interneurone zum nachgeschalteten Neuron -> je stärker Signal an Neuron A, desto stärker Hemmung des Neurons B -> Verstärkung des Kontrastes an Reizgrenzen
• Astrozyten -> Makrogliazellen - regulieren Nährstoffversorgung der Neurone - regulieren die extrazelluläre Ausbreitung von Transmittern - sind über gap junctions miteinander verbunden (elektrische Synapsen) - viele Verbindungen zu anderen Neuronen - Teil der Blut-Hirn-Schranke: regulieren die Durchlässigkeit der Kapillaren - regulieren den Blutfluss im Gehirn in Abhängigkeit von der neuronalen Aktivität (-> Vasodilatation, Vasokonstriktion) -> wichtig für fMRT: misst neuronale Aktivität indirekt über Sauerstoffsättigung des Blutes
• Mikrogliazellen - regulieren die Immunantwort - sorgen für den Abbau der Stoffwechselprodukte („Verdauung“ toten Gewebes: „Phagozytose“)
• Störungen des dopaminergen Systems - Störungen des dopaminergen Systems spielen bei viele psychiatrischen und neurologischen Erkrankungen eine Rolle: -> Suchterkrankungen -> Schizophrenie - Neuroleptika (Antipsychotika) wirken auf das dopaminerge System -> Morbus Parkinson (Absterben der Dopaminneurone in Substantia Nigra und Ventralem Tegmentalen Areal (SN/VTA) -> Chorea Huntington (Zellverlust im Striatum)  
• Voltage-Clamp-Methode - auch genannt "Spannungsklemme" - geht zurück auf Cole und Curtis 1930 - das Membranpotenzial wird auf einer bestimmten Spannung „festgeklemmt“, indem kontinuierlich die Differenz zwischen dem Membranpotenzial und dem gewünschten „Kommando“potenzial gemessen und als Strom in die Zelle injiziert wird -> erlaubt die Ströme, die bei einer Potenzialänderung über die Membran geflossen sind zu simulieren - Methode wurde von Hodgin & Huxley bei der erstmaligen Messung eines Ruhe- und Aktionspotenzials am Axon eines Tintenfisches gemessen 
• Patch Clamp-Methode - geht zurück auf Neher und Sakman - erlaubt es Ströme zu messen, die durch einzelne Ionenkanälen strömen - sehr wichtige Methode, um z.B. die Wirkung von pharmazeutischen Stoffen zu untersuchen  - Abschnitt der Zellmembran wird mit einer Glaspipette angesaugt - innerhalb der Glaspipette wird kontinuierlich der Strom im Vergleich zum extrazellulären Raum gemessen  - wenn nun ein Ionenkanal aufgeht und sich die Spannung ändert wird ein Kompensationsstrom in die Pipette geschickt, die der Spannung, die durch den Ionenkanal geflossen ist entspricht (vgl. Voltage Clamp- Methode) - verschiedene Patch-Clamp-Konfigurationen: a) Inside-Out: Herausziehen des Membranabschnittes & genauere Betrachtung dieser nach Potenzialänderungen  b) Cell-Attached: s.o. - heutzutage ist die Patch-Clamp-Methode automatisiert 

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