Nervensystem.

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1 Nervensystem ist übergeordnete Steuerungs- und Kontrollinstanz des Körpers besteht aus Nervenzellen und Stützzellen (z. B. Glia) hat drei Hauptfunktionen Reizaufnahme Reizintegration, Interpretation, Handlungsplanung Bewegungssteuerung

2 Elementare Aufgaben des ZNS bzgl. Außenwelt

3 Aufbau des Nervensystems ZNS besteht zu 80 % aus Zellen, 20 % Extrazellulärsubstanz Zentrales Nervensystem (ZNS) peripheres Nervensystem Gehirn Hirnnerven Rückenmark Spinalnerven sensorische Nerven (afferent) somatisch viszeral motorische Nerven (efferent) somatisch autonom (viszeral)

4 Autonomes und (somatisches) Nervensystem

5 Stützzellen (Glia) im PNS 2 Typen in Peripherie (PNS), 4 Typen im ZNS Aufgaben: Ernährung der Nervenzellen / Stützstrukturen / Elektrische Isolation / Leitstrukturen während Wachstum Schwann-Zellen umgeben größere Nervenfasern erzeugen Myelin-Scheiden funktionell ähnlich den Oligodendrozyten essentiell für Regeneration peripherer Nerven Satelliten-Zellen umhüllen Neurone in Ganglien Funktion weitgehend ungeklärt

6 Stützzellen (A): Schwann sche Zellen & Satellitenzellen

7 Stützzellen (Neuroglia) im ZNS Astrozyten (ZNS) sternförmig häufigster Typ wichtig für Stoffaustausch mit Kapillaren, als Leitstrukturen, K + - und Neurotransmitter-Deaktivierung; Signalweiterleitung über gapjunctions und intrazelluläre Ca-Pulse Mikroglia dornen besetzte Fortsätze eliminieren Mikroorganismen & tote Nervenzellen (-> Makrophagen; (Phagocytose)) [Immunsystem ohne Zugang zum ZNS] Ependymale Zellen kleiden Liquorräume von Gehirn und Rückenmark aus Oligodendrozyten produzieren Myelin-Scheiden im ZNS

8 Stützzellen (B): Astrozyten und Mikroglia

9 Stützzellen (C): Ependym-Zellen und Oligodendrozyten

10 Nervenzell-Histologie Nervenzellen übermitteln Information mittels elektrischer Prozesse sind extrem langlebig, d. h. > 100 Jahre sind amitotisch - kein Ersatz bei Tod (Ausnahme: olfaktorische Neurone, einige Hippokampus-Neurone) sehr hohe Stoffwechselrate, benötigen ständig reichhaltige Zufuhr von Glukose und Sauerstoff (wenn Zufuhr fehlt, Zelltod nach wenigen Minuten) sind in der Regel große, reich verzweigte Zellen, mit z. T. ca. 1 m langen Ausläufen (Axonen) bestehen i. d. R. aus Dendrit (Eingang), Zellkörper (Integration) und Axon (Ausgang)

11 Struktur eines motorischen Neurons

12 (Nerven-)Zellkörper Synonyme: Zellkörper = Perikaryon = Soma Durchmesser: 5 bis 140 µm enthält Nukleolus -> Biosynthese/Zytoplasma/übliche Organellen außer Centriolen sehr stark ausgeprägtes rauhes endoplasmatisches Retikulum ( Nissl- Substanz ) Zellansammlungen im ZNS heißen Nucleus (Kern) Zellansammlungen im PNS heißen Ganglion

13 Nervenzell-Fortsätze (a) ZNS = hauptsächlich Zellkörper PNS = hauptsächlich Zell-Fortsätze Bündel von Fortsätzen = Trakt (ZNS) bzw. Nerv (PNS) Dendriten in der Regel kurz (insb. bei Motor-Neuronen oft mit.spines ) leiten graduierte Potentiale enthalten fast alle Organellen-Typen Ausdehnung bestimmt das rezeptive Feld

14 Nervenzell-Fortsätze (b) Axone i. d. R. nur 1 Axon/Nervenzelle; u. U. lang & verästelt (Axon-Kollateralen) beginnt am Axonhügel (dort Entstehung des Aktionspotentials) enden in bis zu Axon-Terminalen ( Buttons ) enthalten gleiche Organellen wie Soma & Dendrit, außer Golgi & Nissel (-> keine Protein-Synthese) Versorgung vom Kern (aktiver axonaler Transport) mit Membran-Ersatz, Mitochondrien, Enzymen ect. Kinderlähmung/Herpes simplex/tetanus-toxin: werden durch retrograden Transport zum Kern gebracht

15 Myelin-Scheiden insb. für dicke Nervenfortsätze (Axone) weißliches Lipo-Protein als elektrische Isolation Beschleunigung der Nervenfortleitung bis ca. Faktor 100 -> bis 150 m/s durch Schwann-Zellen gebildet (rollen sich um Axon) Membranen enthalten keine Kanäle /wenig Protein -> gute Isolation äußerste Lage der Schwann-Zellen = Neurilemma in regelmäßigen Abständen (ca. 1 mm) Myelin-freie Axonbereiche = Ranvier sche Schnürringe (dort Kollateralen) Nervenfasern, die von Schwann-Zellen ohne Einrollung umhüllt werden, heißen unmyelinisiert (bis 15 Axone/Schwannzellen) im ZNS Myelin-Scheiden gebildet durch Oligodendrozyten (nicht Schwann-Z.). Dort bis zu 60 Neurone/Oligodendrozyt, Schnürringe in größerem Abstand, kein Neurilemma, weiße Substanz.

16 Schwann sche Zelle und Axon im peripheren Nerv

17 strukturell Klassifikation von Nervenzellen funktionell multipolar (99 % aller Neurone) sensorisch (= afferent = zum ZNS) drei oder mehr Fortsätze überwiegend unipolar, Zell- (1 Axon, > 1 Dendriten) körper liegen nicht im ZNS bipolar (in Sinnesorganen) motorisch (= efferent = vom ZNS zwei Fortsätze (Axon, weg) Dendrit) zu Muskeln & Drüsen unipolar (oder: pseudounipolar) meist multipolar, Zellkörper im T-förmiger Fortsatz: nur Axon ZNS hpts. in peripherem senso- Interneurone (hpts. im ZNS) rischem Ganglion 99 % der Neurone des Körpers multipolar

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21 Grundlagen der Bio-Elektrizität Nervenzellen erzeugen passiv fortgeleitete oder aktive Aktions-Potentiale Körper ist insgesamt elektrisch neutral, besitzt aber unterschiedlich geladene Kompartimente (vgl. Batterie) Potential-Differenz wird in V oder mv (= 0,001 V) gemessen Stromfluss (I) nimmt zu mit Potential-Differenz (V) und nimmt ab mit Widerstand (R) (Ohm sches Gesetz: I = V/R) im Körper beruht Stromfluss i. d. R. auf Bewegung von Ionen, nicht von freien Elektronen, normalerweise durch Membranen hindurch Membran-Kanäle (passiv <-> aktiv (= gated )) lassen i. d. R. nur einen Ionen-Typ passieren Ionen bewegen sich entlang chemischer und elektrischer Gradienten

22 Potentialdifferenz zwischen Neuron und Umgebung

23 Funktionsweise gesteuerter Kanäle (A)

24 Funktionsweise gesteuerter Kanäle (B)

25 Ruhepotential Innenseite der Nervenmembran ist relativ zur Außenseite ca. -40 mv bis -90 mv geladen geringere Na + und höhere K + -Konzentration als außen innen mehr negative Proteine (A - ) außen mehr Cl - bedingt durch Na/K-Pumpe und differenzielle Permeabilität der Nervenmembran (in Ruhe 75fach permeabler für K + als für Na +, frei permeabel für Cl - ; alle potentialabhängigen Kanäle geschlossen) K + (und Na + ) folgt osmotischem Gradienten innen weniger positive Ionen = negative Ladung hängt ab von Membran-Permeabilität und Ionen-Konzentrationen Depolarisation = Reduktion des Membranpotentials (weniger negativ/bzw. positiv) Hyperpolarisation = Verstärkung des negativen Potentials

26 Grundlagen des Ruhepotentials

27 Signal-Potentiale Graduierte Potentiale -> lokal (Dendriten/Rezeptoren), kurzlebig (z. B. Generator-Potentiale, postsynaptische P.) Ausbreitung innen und außen entlang der Membran schneller Abfall mit Entfernung vom Entstehungsort Aktionspotentiale (in Nerven- und Muskelzellen) (Dauer: ca. 1 ms.) kurzdauernde Umkehr des Membranpotentials (von -70 mv auf + 30 mv) vorübergehende Erhöhung der Na + -Permeabilität (Depolarisation; erster von 2 Na-Kanälen), gefolgt von Wiederherstellung der Na + -Impermeabilität und kurzzeitige Erhöhung der K + -Permeabilität (Repolarisation/Hyperpolarisation/ Refraktär-Periode) Schwelle für Aktionspotential (= Selbst-Verstärkung der Depolarisation): ca -50 bis -55 mv (Na + Permeabilität: 1000fach höher als in Ruhe) Na + -Einstrom für Schwelle: ca. 0,01 % Konzentrationsänderung der intrazellulären Na + -Konzentration -> durch Na + /K + - schnell kompensiert

28 Depolarisation & Hyperpolarisation der Membran

29 Fortleitung des Aktionspotentials Umkehr des Membranpotentials führt zu Ionenverschiebungen zu/von benachbarten Membranabschnitten dadurch Depolarisation benachbarter Membranabschnitte -> Generierung eines Aktionspotentials bei Erreichen der Schwelle ( Domino-Effekt ) (Nicht in den kurz zuvor depolarisierten Abschnitten: Refraktärzeit) Aktionspotential-Fortleitung folgt völlig anderem Prinzip als Leitung von Strom in (elektrischen) Leitungen -> wesentlich langsamer Alles oder Nichts -Prinzip der Membranerregung: Schwelle muss erreicht werden (K+-Strom entspricht Na+-Strom), d. h. Eingangsreiz muss ausreichend stark sein (ähnlich Feuer-Anzünden) -> Frequenz-Kodierung der Reizstärke

30 Lokale Depolarisation der Membran

31 Weiterleitung der lokalen Membran-Depolarisation

32 Abfall der lokalen Depolarisation mit der Entfernung

33 Vier Phasen des Aktions-Potentials (AP)

34 Fortleitung eines Aktionspotentials (A)

35 Fortleitung eines Aktionspotentials (B)

36 Fortleitungsgeschwindigkeit hängt ab von Axondurchmesser (Längswiderstand) und Myelinisierung (Isolation) schnellste Fasern (z. B. Körperstabilisierung): 150 m/s langsame Fasern (z. B. Darmsteuerung): 1 m/s saltatorische Fortleitung: Stromfluss quer zur Membran an Schnürringen geringerer Abfall der Potentialdifferenz mit Abstand als ohne Isolation drei Klassen von Fasern A = bis 150 m/s; überwiegend somatosensorisch/motorisch; sehr dick B = ca. 15 m/s; dünne somatosensorische Fasern (Berührung/Schmerz) C = 1 m/s oder weniger; sehr dünn, nicht myelinisiert Multiple Sklerose (MS), eine Auto-Immun-Erkrankung, zerstört Myelin- Scheiden -> Verzögerung bis Verhinderung der Impuls-Fortleitung Verzögerung der Fortleitung durch Alkohol/Sedativa/Anästhetika/Druck/Kälte durch Verminderung der Na +- Permeabilität der Membran Verzögerung der Fortleitung an Synapsen für 0,3-5 ms.

37 Reizstärke und Entladungsfrequenz

38 Saltatorische Reizfortleitung

39 Typen chemischer Synapsen

40 Elektrische Synapsen Synapsen im allgemeinen meist zwischen Axon (präsynaptisch) und Dendrit/Soma (postsynaptisch) (Axo-denritisch, Axo-somatisch) selten Axon -> Axon, Dendrit -> Dendrit / Dendrit -> Soma Elektrische Synapsen (seltener) (= gap-junctions ) enthalten Protein-Kanäle, die Zytoplasma benachbarter Zellen verbinden bewirken sehr schnelle elektrische Kopplung der Zellen verbreiteter in embryonalen Gehirnen; bei Erwachsenen z. B. für Sakkaden-Generierung

41 Chemische Synapsen funktionieren mittels Neurotransmittern, die auf Ionenkanäle einwirken (keine elektrische Koppelung) -> Einbahnstraße Ca + -Kanäle öffnen sich im präsynaptischen Axon-Terminal als Folge des Aktionspotentials (zusätzlich zu Na + -Kanälen) Ausschüttung von Neurotransmitter durch Exozytose (ca. 300 Vesikel), Elimination von intrazellulärem Ca + Neurotransmitter bindet an postsynaptische Rezeptoren Ionen-Kanäle in der postsynaptischen Membran öffnen sich -> Erregung (EPSP) oder Hemmung (IPSP), abhängig vom Typ der Rezeptoren Beendigung der Neurotransmitter-Wirkung durch enzymatischen Transmitter-Abbau/Wiederaufnahme (Astrozyten/Präsynapse)/Diffusion bestehen aus präsynaptischem Axon-Terminal mit synaptischen Vesikeln und postsynaptischer Rezeptoren-Region (auf Dendrit oder Zellkörper). Dazwischen synaptischer Spalt (30-50 nm breit)

42 Folgen der Depolarisation einer Synapse

43 Postsynaptische Potentiale

44 Postsynaptische Potentiale (PSP) postsynaptische Rezeptoren: öffnen spez. Kanäle = Umwandlung chemischer in elektrische Signale postsynaptische Potentiale sind relativ unempfindlich gegenüber Membranpotential Graduierte Potentiale, Größe abhängig von Transmittermenge Exzitatorische postsynaptische Potentiale (EPSPs) Depolarisation der postsynaptischen Membran durch Öffnung eines Kanals, der für K + und Na + permeabel ist keine Refraktär-Periode!, aber zeigt postsynaptische Summation kein Aktionspotential, Depolarisation max. bis 0 Volt Inhibitorische postsynaptische Potentiale (IPSPs) Unterschied zu EPSPs: Öffnung von (weiteren) K + (und/oder Cl - )-Kanälen -> Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran bis ca. -90 mv

45 Integration an Synapsen mehr als 1 EPSP erforderlich für Aktionspotential Summation über Synapsen (Raum) und Zeit Integration von EPSPs und IPSPs am Axonhügel Effektivität von Synapsen hängt ab vom Abstand vom Axonhügel Über-lineare Summation = Synaptische Potenzierung (1+1 = 3) vermutlich über Ca ++ in Prä- und Postsynapse NMDA-Rezeptoren-vermittelt möglicherweise Substrat von Lernen zusätzliche Effizienzerhöhung dendritischer Eingänge (über Rückwärts- Aktionspotential) nach Erzeugung eines Aktionspotentials Präsynaptische Modulation: über axo-axonale Synapsen -> weniger Transmitter- Ausschüttung Neuromodulation: Transmitter bewirkt (langsame) Veränderungen im Stoffwechsel der Zielzelle (Transmitter-Synthese/Freisetzung/Wiederaufnahme)

46 Integration von EPSPs und IPSPs

47 Neurotransmitter z. Z. ca. 50 verschiedene Neurotransmitter (oder NT-Kandidaten) bekannt viele Neurone produzieren zwei oder mehr verschiedene Transmitter! verschiedene Transmitter für unterschiedliche Reizfrequenzen Klassifikation aufgrund chemischer Struktur Acetylcholin (ACh) (z. B. motorische Endplatte, autonomes NS) Biogene Amine (z. B. Katecholamine (Dopamin / Adrenalin / Noradrenalin / Serotonin / Histamin)) Aminosäuren (GABA/Glyzin/Glutamat/Aspartat, nur im ZNS) NO (Stickoxid); ATP; CO (NO evtl. für Rückmeldung an Präsynapse: Hebb!) Klassifikation aufgrund von Funktion erregend versus hemmend: in Abhängigkeit vom Rezeptor kann Wirkung eines Transmitters sich umkehren direkt (Öffnen von Ionen-Kanälen) versus indirekt (über intrazellulären second messenger)

48 Syntheseweg einiger Neurotransmitter

49 Neurotransmitter: Rezeptor-Mechanismus

50 Neuronale Integration Neuronenverbände haben unterschiedliche Verschaltungsmuster Divergenz/Konvergenz rückgekoppelt/oszillierend (-> Rhythmische Aktivität) parallel mit Nach-Erregung serielle Verarbeitung hierarchisch oft ohne Rückkoppelung, z. B. Reflexe parallele Verarbeitung mehrere parallele, gleichberechtigte Verarbeitungswege

51 Verschaltungstypen (A): Divergenz

52 Verschaltungstypen (B): Konvergenz

53 Verschaltungstypen (C): Rückgekoppelt/ Parallel

54 Einfacher Reflexbogen

55 Bioelektronik Interfacing von Bakterienzellen, Nervenzellen und Halbleiterchips Referenz: P. Fromherz Neuroelectronic Interfacing: Semiconductor Chips with Ion Channels, Nerv Cells, and Brain in: Nanoelectronics and Information Technology Editor: Rainer Waser, Wiley-VCH (Berlin, 2003) 781 und

56 Grenzfläche zwischen Ionen- und Elektronen leitenden Strukturen

57 Aufbau der Bakterienzelle Zellwand Gram-negativer Bakterien äußere Membran Peptidoglucan Zytoplasmamembran

58 Flüssigkeitsspalt zwischen Zelle und Halbleiter

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63 Planar patch clamp

64 Transistor als Detektor für extern stimulierte Zelle

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72 Transistor stimuliert und detektiert das Aktionspotenzial einer Zelle

73 Kapazitive Stimulation durch eine Folge von Spannungspulsen

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76 Kopplung zweier Zellen durch Elektronik

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78 Kopplung von Neuronen über Synapsen

79 Fixierung von Neuronen

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81 Kontrollierte Netzwerke von Neuronen

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84 Hirnschnitt auf Silizium-Chip

85 Hirnschnitt auf Silizium-Chip

86 Referenzen

Abbildungen Schandry, 2006 Quelle: www.ich-bin-einradfahrer.de Abbildungen Schandry, 2006 Informationsvermittlung im Körper Pioniere der Neurowissenschaften: Santiago Ramón y Cajal (1852-1934) Camillo

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