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Biologie (Subject) / Neuro (Lesson)

Neurobio

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Unterteilung des Nervensystems ZNS <--> peripheres NS ↓ sensorisches (afferentes) <--> motorisches (efferentes) ↓ autonomes vegetatives (unwillkürliches) <--> somatisches ↓ Parasympathicus <--> Sympathicus
Grundbauplan Wirbeltierneuron -Dendriten (feine Verzweigungen, „Antennen“): entspringen vom Soma; mit Signaleingängen von anderen Neuronen (= Rezeptorregion des Neurons) -Soma = Perikaryon (Zellkörper): mit Zellkern, biosynthetische Maschinerie -Axonhügel (Umwandlung graduierter Potentiale in AP) -Axon (Zellfortsatz): entspringt am Axonhügel des Somas; dient der elektrischen Erregungsleitung zur terminalen Verzweigungsregion der Nervenzelle. Enthält Mitochondrien und Vesikel -Synapsen: an terminaler Verzweigungsregion; übertragen vom Axon einlaufende Erregungen mit Neurotransmittern auf Folgezellen = Nerven-, Muskel- oder Drüsenzellen
3 Unterschiedliche Neuronen-Arten Sensorische Neurone: Wahrnehmung und motorische Koordination --> Afferent (Von Rezeptoren zum ZNS) Interneurone: Vermittler. Oft im Rückenmark zwischen sensorischem und motorischem Neuron. Können Signale stärken oder schwächen Motoneurone: Grundlage der Muskelkontraktion und Hormonausschüttung --> Efferent (vom Hirn/Rückenmark zu Muskeln/Drüsen)
Gliazellen zahlreicher als Neurone, bleiben zeitlebens teilungsfähig (Tumore) Im zentralen NS -Astrozyten: umschließen Blutkapillare im Gehirn, Teil der Blut-Hirn-Schranke -Mikroglia: entsprechen Makrophagen, sind Immunzellen des ZNS -Oligodendrozyten: bilden isolierende Myelinschicht um Axone --> Gliazellen isolieren Axone elektrisch. Myelinscheiden (hohes Lipid-Protein-Verhältnis) um die Axone werden von Ranvier´schen Schnürringen unterbrochen Im peripheren NS: Schwann-Zellen: myelinbildende Gliazellen im peripheren NS. Bilden Isolierung & Ranvier´sche Schnürringe um Axone. Eine Schwann-Zelle myelinisiert nur ein einziges Intermodium. Funktion: Isolierung der Info-Übertragung & Beschleunigung der Erregungsleitung (durch Saltatorische Fortleitung) wenn degenerieren --> multiple Sklerose
Ursachen für Membranpotential: -Unterschiedliche Ionenzusammensetzung zwischen intra- und extrazellulär: Innen K+ und negative Proteine. Außen Na+ und Cl- -Ionen können nicht in die ungeladene Lipidschicht der Membran eindringen (nur durch Ionenkanäle oder aktiven Membrantransport) -„resting chanels“ sind im Ruhezustand permeabel für K+ (= K+ Kanäle) -im Ruhezustand ist die Leitfähigkeit für K+ 50mal höher als die für Na+ (Na+ strömen manchmal Leckartig durch die K+ Kanäle)
Phasen des Aktionspotentials 1. Schnelle Depolarisation (beginnt bei -70 mV) 2. Overshoot mit Potentialumkehr (bis +40 mV) 3. Repolarisation 4. Hyperpolarisation (bis -85 mV)
Ionenströme des AP innerzellulär normalerweise negativer als außen -Wenn Zufuhr positiver Ladung Schwellenwert erreicht (-40mV) --> Depolarisation --> AP -Spannungsgesteuerte Na+ Kanäle öffnen sich --> durch Na+ Einstrom: Verstärkung der Depolarisation. Overshoot nahe Na+ Gleichgewicht (Natrium Kanal kann durch das Gift Tetrodotoxin des japanischen Kugelfischs blockiert werden) -Verzögerte spannungsgesteuerte K+ Kanäle öffnen sich (Na+ Kanäle schließen sich und sind für kurze Zeit inaktiv) --> durch K+ Ausstrom: Repolarisation. Bei Hyperpolarisation K+ Ausstrom unter Ruhepotential-Level -Na+/ K+ ATPase (=Na+/K+ Pumpe) --> stellt Ausgangszustand wieder her (3 Na+ nach außen gegen 2 K+ nach innen)
AP Fortleitungsgeschwindigkeit Fortleitungsgeschwindigkeit wird erhöht durch saltatorische Erregungsleitung und größeren Axondurchmesser. myelinisiertes Axon: Konzentration der Natrium-Kanäle an den Ranvierschen Schnürringen. Dazwischen ionale Weiterleitung im Axon durch Ausgleichsströme bei extrem hohem Transmembranwiderstand. Vorteile der saltatorischen Erregungsleitung: Schneller Weniger Energie Sicherer Platz sparend Je größer der Axondurchmesser, desto kleiner der innere ohmsche Widerstand--> Dicke Axone leiten schneller als dünne. Über diese Riesenfasern, die im gesamten Tierreich zu finden sind, werden z.B: in wenigen Millisekunden blitzartige Fluchtreaktionen ausgelöst. Die dicksten Riesenaxone wurden bisher bei Tintenfischen gefunden mit einer Dicke einer Bleistiftmine.
Gap Junctions 1 Aufbau Gap junctions sind porenbildende Proteinkomplexe (Connexone), die den Interlellulärspalt zweier Zellen überbrücken. Connexone bestehen aus sechs Untereinheiten, den sogenannten Connexinen. Die Connexone zweier Zellen liegen sich so gegenüber, dass ein Kanal entsteht, der beide Zellen miteinander verbindet und so den schnellen Austausch von Ionen und kleinen Molekülen ermöglicht. 2 Vorkommen Während im Embryonalstadium Gap junctions weit verbreitet sind, kommen sie beim Adulten v.a. im Herzmuskelgewebe, in Epithel- und Gliazellen sowie in der Retina vor. (Reflexe) 3 Funktionsprinzip Die Depolarisation der präsynaptischen Zelle führt zu einem Potentialgefälle zwischen beiden durch Gap-junctions verbundenen Zellen, so dass Kationen von der präsynaptischen Zelle in Richtung postsynaptische Zelle fließen und Anionen von der post- zur präsynaptischen Zelle. Wird der Schwellenwert an der postsynaptischen Membran überschritten, folgt hier ein Aktionspotential, und das Signal kann praktisch ohne Zeitverzögerung (10-5 s) weitergeleitet werden (macht Synchronisation vieler Zellen z.B. im Herzmuskel aufgrund geringer Zeitverzögerung möglich!). 4 Vergleich mit chemischen SynapsenNeben der viel geringeren Zeitverzögerung unterscheiden sich elektrische Synapsen von chemischen Synapsen auch darin, dass bei diesen die Erregungsübertragung i. d. R. in beide Richtungen erfolgen kann. Allerdings können auch Gap-junctions einiger Zellen in ihrer Stromrichtung reguliert werden, entweder von Ca2+-abhängig oder Membranpotential-abhängig. Nachteile: Keine direkte Erregungsübertragung auf weit entfernte Zellen und v.a. kann eine Erregung nicht zur Hemmung einer anderen Zelle genutzt werden.
Neurotransmitter Definition und Beispiele Neurotransmitter sind biochemische Stoffe, welche Reize von einer Nervenzelle zu einer anderen Nervenzelle oder Zelle weitergeben, verstärken oder modulieren. Neurotransmitter spielen eine wichtige Rolle für Sinneswahrnehmung, Gedächtnis, Kognition und Bewegung. Acetylcholin: Synapsen an allen Muskelzellen und im Gehirn GABA ( = y-Aminobuttersäure): wichtigster inhibitorischer Neurotransmitter im Gehirn (immer inhibitorisch) wichtigster Rezeptor ist GABA-a, Liganden-gesteuert, bewirkt Chlorideinstrom Glutaminsäur: wichtigster exzitatorischer Transmitter im Gehirn (immer excitatorisch) wichtigste Rezeptoren sind NMBA (Ca2+-Einstrom) und AMPA-Rezeptoren (Na+-Einstrom) Noradrenalin: wichtiger Neurotransmitter im Gehirn bei der Streßbewältigung; regt Herzschlag, Blutdruck und Atmung an. Wirkt als Hormon, wenn von der Nebenniere produziert Dopamin: wichtige Rolle im höheren ZNS bei Bewegungssteuerung, Gefühl, abstraktem Denken, Verhaltensplanung, Gedächtnis Serotonin: Neurotransmitter des Gehirns für u.a Thermoregulation, Sexualverhalten oder Schlaf
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Graue und weiße Substanz -Weiße Substanz: im inneren Bereich des Gehirns (myelinschicht die Axone enthalten/Nervenfasern) -Graue Substanz: Großhirnrinde = Cortex: (Zellkörper der Neuronen) gibts auch im Rückenmark
-Blut-Hirnschranke -Blut-Hirnschranke: Barriere, die im Blut gelöste hydrophile Substanzen daran hindert, ins Gehirn überzutreten. Desweiteren wir durch selektiven Stofftransport die Zusammensetzung der Flüssigkeiten m Gehirn bestimmt und das ionale und sonstige stoffliche Milieu konstant gehalten. Da das Gehirn also nicht mit Blut versorgt wird gibt es Cerebrospinalflüssigkeit - Cerebrospinalflüssigkeit als Schutz für das Gehirn (außen&innen), Hormone, Nährstoffe und weiße Blutzellen gelangen ins Gehirn. Diese Flüssigkeit füllt das Hohlraumsystem des Gehirns (Ventrikel) und den Zentralkanal des Rückenmarks aus
chemische Synapse ein präsynaptisches AP erreicht die Synapse Das AP bewirkt den Einstrom von Ca2+ Ionen in das Endknöpfchen Die Ca2+ Ionen induzieren die Exocytose der Vesikel; Neurotransmitter z.B. Acetylcholin wird in den synaptischen Spalt frei Das Acetylcholin bindet an einen Rezeptor (Transmembranprotein), dadurch werden ligandengesteuerte Ionenkanäle geöffnet und die postsynaptische Membran erregt verschiedene Rezeptortypen: ionotrop (Rezeptor = Ionenkanal); metabotrop (Rezeptor wirken über second messenger auf Ionenkanäle) ein Postsynaptisches Erregungspotential entsteht Rezeptor bestimmt ob erregt oder gehemmt wird EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potential: K+ raus und Na+ rein Kanäle öffnen sich --> Depolarisation) IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potential: K+ raus und Cl- rein Kanäle öffnen sich --> Hyperpolarisation) Falls genügend Erregungspotential aufgebaut wird, entsteht ein postsynaptisches AP Das Acetylcholin wird durch die Acetylcholinesterase in Acetat und Cholin gespalten Das Colin wird zurück in das präsynaptische Axonende aufgenommen Aus Acetat und Cholin wird neues Acetylcholin gebildet, das in Vesikeln eingelagert wird Transmitter kann auch durch Diffusion aus dem Spalt entfernt werden oder durch Aufnahme in die Plasmamembran
Beschreiben Sie den Aufbau des menschlichen ZNS aus den verschiedenen Abschnitten und geben SIe grob die Funktion dieser Abschnitte an. Rückenmark: Generation von einfachen Reiz-Reaktions-Reflexen, Weiterleiten von Infos ans Gehirn Stammhirn: Schnittstelle zwischen Hirn und Rückenmark. Leitet Infos überkreuz weiter. Steuert essenzielle Lebensfunktionen wie Herzfrequenz, Blutdruck, Atmung, und einige Reflexe wie Lidschluss, Schlucken und Husten Zwischenhirn: Thalamus als Tor zum Bewusstsein. (Filter und Verteiler). Hypothalamus (Vermittler zwischen Hormon- und Nervensystem) Schlaf-Wach-Rhythmus, Hunger, Sexualtrieb Kleinhirn: koordiniert Bewegungen und Gleichgewicht. Großhirn: 2 Hemisphären. Links Sprache und Logik, Rechts Kreativität und Orientierungssinn Neocortex: äußerte Schicht des Großhirns: Lern-,Sprech-,Denkfähigkeit, Bewusstsein, Gedächtnis
Nach welchen Kriterien kann der Cortex untergliedert werden? Cortex = Großhirnrinde = Teil der grauen Substanz -rechte und linke Hemisphäre -Frontal, Parietal, Occipital, Temporallappen evtl noch Insellappen und Limbischer Lappn (makroskopische Gliederung) -Archipallium, Palaeopallium, Neopallium (stammesgeschichtliche Unterteilung)
graduiertes Potential vs AP graduiertes Potential = lokale, durch Reizung eines Neurons induzierte, etwa eine Millisekunde dauernde Spannungsänderung in der Nervenzellmembran (Membranpotential), deren Stärke der Stärke des Reizes proportional ist. je nachdem wieviele aktionspotenziale an der synapse eintreffen summieren sich die potenziale an der postsynaptischen membran und das graduierte potenzial ist dann umso größer je mehr aktionspotentiale eingetroffen sind. irgendwann ist dann das graduierte potenzial so groß dass es den schwellenwert für ein aktionspotenzial überwindet und ein neues aktionspotenzial macht sich auf die reise. AP : "Alles oder nichts Prinzip" nach definierter Auslöseschwelle. Aktive Weiterleitung durch wiederholte Auslösen, keine Summation, digital (Das bedeutet: Wenn der Reiz intensiv ist, ist die Frequenz hoch, also sind viele Aktionspotenziale eng nebeneinander. Wenn der Reiz länger andauert, kommen mehr Aktionspotenziale vor) --> Reizintensität codiert durch Aktionspotentialrate, Reizdauer codiert durch Dauer der AP-abfolge, Graduiertes P: keine Auslöseschwelle, passive Weiterleitung, Summation möglich, analog (Das bedeutet: Wenn der Reiz intensiv ist, ist die Amplitude des Potentials hoch, also ist die gemessene Kurve höher als bei einem weniger intensiven Reiz. Wenn der Reiz länger andauert, tritt das Potential länger Zeit auf) Reizintensität codiert durch Amplitudenhöhe, Reizdauer codiert durch Dauer eines graduierten Potenials
Sympathicus vs. Parasympathicus sind beides efferente Bahnen mit dem Neurotransmitter Acetylcholin am präganglionären Neuron (um Motoneurone zu aktivieren). Am postganglionären Neuron haben sie entgegengesetzte Funktionen und daher auch unterschiedliche Neurotransmitter. Parasympathicus: Die Präganglionären Neuronen entspringen im Hirnstamm (Cranialregion) und im letzten Abschnitt des Rückenmarks (Sakralregion). Die meisten Ganglien liegen in der Nähe ihres Zielortes. (Neurotransmitter: Acetylcholin) verkleinert Pupillen, verlangsamt Puls, stimuliert Verdauung, fördert Erektion --> rest and digest Sympathicus: Die Präganblionären Neuronen stammen aus dem oberen Bereich des Rückenmarks (Thorakal- und Lumbalregion). Die meisten Ganglien sind rechts und links des Rückenmarks in je einer Kette (Grenzstrang) (Neurotransmitter Adrenalin und Noradrenalin) weiter Pupillen, beschleunigt Puls, hemmt Verdauung --> FIght or flight
Rückenmark Schmetterlingsartig. Leitet Infos zwischen Hirn und Körper Außen: weiße Substanz: enthält Axone Innen: graue Substanz: reich an neuronalen Zellkörpern In regelmäßigen Abständen treten aus dem Rückenmark auf beiden Seiten Spinalnerven aus. Jeder Spinalnerv hat eine Wurzel, die ihn mit dem Hinterhorn der grauen Substanz verbindet und eine die ihm mit dem Vorderhorn verbindet afferente Nerven treten durch die Hinterwurzel in das Rückenmark ein efferente Nerven verlassen das Rückenmark via Vorderwurzel Die Umwandlung von afferenter in efferente Information im Rückenmark = Spinalreflex
Nervengifte ω-Conotoxin (Kegelschnecke): blockiert Ca2+-Kanäle --> Keine Schmerzweiterleitung. Wird in der Medizin als Analgentikum genutzt α-Latrotoxin (Schwarze Witwe): öffnet zusätzliche Calcium-Kanäle --> Durch den Calciumionen-Einstrom in die Zelle werden ständig Transmitter abgegeben, also ein andauerndes Signal. Es kommt zu Krämpfen --> Krämpfe, Atemstillstand Nikotin (Tabak): Überwindet Blut-Hirn-Schranke. wirkt wie Acetylcholin an den selben Rezeptoren Botulinumtoxin: Hemmt Freisetzung von ACh aus synap. Bläschen, Vesikel können nicht mehr mit der Membran fusionieren und ACh ausschütten --> Keine Kontraktion u.a. Muskulatur-/Atemhemmung (Zwerchfell) Curare (Pfeilgift): Blockiert den Rezeptor für ACh --> keine Öffnung der Ionenkanäle --> keine Erregungsleitung --> Lähmungen der Skelettmuskulatur; Atemlähmung Atropin (Tollkirsche): ACh-Rezeptoren werden blockiert --> kein Ionenaustausch --> keine AP-Weiterleitung --> Keine Muskelkontraktionen mehr möglich im Herz
Sensorische Bahnen -Rezeption (des Reizes mittels Rezeptoren an Sinneszellen z.B: Nervenzellen, Epithelzellen oder Enterorezeptoren im inneren des Körpers) -Transduktion: Umwandlung eines (physikalischen oder chemischen) Reizes in eine Veränderung des Membranpotentials eines sensorischen Rezeptors) --> Veränderung des Membranpotentials = Rezeptorpotential = abgestufe (graduierte) Potentiale, deren Größe und Amplitude mit der Reizstärke variieren -Transmission: Rezeptorpotential löst ein Aktionspotential aus, das das Axon des Rezeptors entlang läuft. Amplitude eines Rezeptorpotenials kontrolliert die Frequenz der APs. bei primären Sinneszellen: großes Rezeptorpotential führt zu höherer Frequenz. Bei sekundären Sinneszellen: großes Rezeptorpotential bewirkt höhere Neurotransmitterausschüttung -> höhere AP-Frequenz im postsynaptischen Neuron -Perzeption: Verarbeitung von Aktionspotentialen, die das Gehirn über Axone erreicht, führen zur Wahrnehmung des Reizes primäre Sinneszellen: Axon bis ins ZNS. dort wird Erregung auf spezifische Zielneurone übertragen (z.B: Riechepithel) sekundäre Sinneszellen: kei Axon, umgewandlete Epithelzellen. übertragen die Erregung auf eine Nervenzelle, deren APs erst für die Weiterleitung der sensorischen Information ins ZNS sorgen (Z.B. Stäbchen und Zaphen, Haarzellen der Cochlea, Geschmacksknospen)
5 Kategorien sensorischer Rezeptoren -Mechanorezeptoren: nehmen physische Verformung wahr, die durch mechanische Energie in Form von Druck, Bewegung, Berührung, Dehnung und Schall hervorgerufen werden. Haben Ionenkanäle, die mit externen Strukturen (Cilien) und internen Sturkturen (Cytoskelett) verbunden sind. Bewegung verändert die Permeabilität der Ionenkanäle --> Veränderung des Membranpotentials. Rezeptoren = entweder nackte Dendriten oder in Bindegewebsschicht eingebettete Dendriten -Chemorezeptoren: Rezeptoren die über Osmolarität informieren (=unspezifische) und "spezifisch" Rezptoren, die auf Moleküle (Glucose, O2, CO2, Aminosäuren, Pheromone) reagieren. --> Molekül (=Reiz) bindet an spezifischen Rezeptor auf der Membran der Sinneszelle --> Veränderungne der Ionenpermeabilität -Schmerzrezeptoren: Nocizeptoren (=Schmerzrezeptoren) lösen Schutzreaktionen aus -Thermorezeptoren: In der Haut und im Hypophysenvorderlappen Thermorezeptorzellen für Kälte- und Wärmewahrnehmung, schicken Infos an Thermostat im Hypothalamus. Z.B. Capsaicin-Rezptor + Hitze = Calciumeinstrom -elektromagnetische Rezeptoren: z.B: sichtbares Licht, Elektrizität, Magnetismus. Photorezeptoren meist zu Augen zusammengefasst. Schlangen Infrarotrezeptor um Körperwärme der Beute wahrzunehmen; Fische Elektrorezeptoren um Beute zu lokalisieren, die die elektrischen Feldlinien stören; Linien des Erdmagnetfelds zur Orientierung; eisenhaltiges Magnetit in unseren Schädeln (wurde früher zur Kompassherstellung genutzt)
Multiple Sclerose Immunsystem greift Myelinscheiden an. (weiße Substanz), Erblich bedingt. Betroffen sind Gehirn und Rückenmark je nachdem wo Entmarkungsherde entstehen unterschiedliche Symptome. z.B. Sehbehinderung, Taubheit, Lähmung nicht direkt tödlich aber z.B. Lähmung der Atmung --> Tod gut behandelbar aber nicht heilbar 200.000 Betroffene in Deutschland 1. Form: immer stärkere Schübe, die zwischendurch abklingen (85% haben diese Form; geht bei der Hälfte nach 10 Jahren in die 2. Form über) 2. Form: langsame Zunahme der neurologischen Fehlfunktionen + zusätzliche Schübe 3. Form: schleichende Verschlechterung ohne Schübe