Physiologie ist die Wissenschaft von der normalen Funktionsweise eines lebenden Organismus und seiner einzelnen Komponenten

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1 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Physiologie ist die Wissenschaft von der normalen Funktionsweise eines lebenden Organismus und seiner einzelnen Komponenten

2 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Vegetative Physiologie Physiologie der Atmung, Ernährung, Verdauung, des Energie- und Wärmehaushalts, Kreislaufs, usw. Animalische Physiologie (Neurophysiologie) Physiologie der Nerven, Muskeln, Sinnesorgane

3 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Informationsverarbeitung in Nervenzellverbänden aufnehmen Information weiterleiten verarbeiten abgeben

4 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Grundmechanismen Entwicklung von Bioelektrizität (Potentialdifferenzen) Änderung der Potentiale Ruhepotential Aktionspotential Weiterleitung Elektrotonus/saltatorische Leitung Übertragung auf andere Zellen Synapse

5 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Vorraussetzung: Die Ionenverteilung zwischen Intra- und Extrazellularraum Ion intrazellulär extrazellulär Na + 12 mmol/l 144 mmol/l K mmol/l 4 mmol/l Ca mol/l 2 mmol/l Cl - 4 mmol/l 120 mmol/l HCO mmol/l 26 mmol/l A mmol/l 5 mmol/l Potential - 90 mv 0 mv

6 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Nernst Gleichung chemische Kraft elektrische Kraft R x T x ln c a /c i =! E x z x F Kräftegleichgewicht R x T E = x ln c z x F a /c i E = -61 mv x log c i /c a Gleichgewichtspotential

7 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Das Ionenungleichgewicht zwischen Intra- und Extrazellularraum ist die Voraussetzung für das Ruhepotential Ion intrazellulär extrazellulär Na + 12 mmol/l 144 mmol/l K mmol/l 4 mmol/l Ca mol/l 2 mmol/l Cl - 4 mmol/l 120 mmol/l HCO mmol/l 26 mmol/l A mmol/l 5 mmol/l Potential - 90 mv 0 mv

8 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Die ungleichen intra- und extrazellulären Kaliumkonzentrationen bestimmen das Ruhepotential Ion intrazellulär extrazellulär Verhältnis Na + 12 mmol/l 144 mmol/l 1:12 K mmol/l 4 mmol/l 40:1 Potential - 90 mv 0 mv Verhältnis der Leitfähigkeit für Na + /K + ~ 1/100

9 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Kalium-Gleichgewichtspotential E = R x T z x F x ln c a /c i E K = -61 mv x log [K + ] i /[K + ] a log [K + ] i /[K + ] a = log 40 = 1,6 E K = -61 mv x 1,6 = -98 mv

10 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Elektrolyte im menschlichen Serum g/l mval/l mmol/kg Plasmawasser Elektrolyte Kationen: Natrium Kalium Kalzium Magnesium 3,27 0,16 0,10 0, ,6 Insgesamt 154 Anionen: Chlorid Bikarbonat Phosphat Sulfat Organische Säure Eiweiß Insgesamt 3,65 1,65 0,10 0,05 65 bis Nichtelektrolyte Glukose Harnstoff 0,7-1,1 0,40 5 7

11 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Elektrolyte im menschlichen Serum g/l mval/l mmol/kg Plasmawasser Elektrolyte Kationen: Natrium Kalium 3,27 0, Eine Verdoppelung der Serumkaliumkonzentration bei gleichbleibender intrazellulärer Konzentration von Kalium verändert das Membranpotential jeder erregbaren Zelle um ~ 20 mv

12 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Take home 1 Das Ruhepotential entsteht an einer selektive permeablen Membran Das Ruhepotential einer Zelle ist intrazellulär negative gegenüber einer indifferenten Referenzelektrode im Extrazellularraum Vorraussetzung für die Entstehung des Ruhepotentials ist eine ungleiche Ionenverteilung Mit Hilfe der Nernst-Gleichung lässt sich das Gleichgewichtspotential für jedes einzelne Ion berechnen

13 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Die ungleichen intra- und extrazelluläre Kalium- und Natriumkonzentrationen bestimmen das Ruhepotential Ion intrazellulär extrazellulär Verhältnis Na + 12 mmol/l 144 mmol/l 1:12 K mmol/l 4 mmol/l 40:1 Potential - 90 mv 0 mv

14 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Sauerstoffmangelbereiche im Myokard bei Herzinfarkt Gefahr vor Rhythmusstörungen durch Verschieben des Ruhepotentials!

15 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Goldman-Hodgkin-Katz- Gleichung E = RT F ln P K + K + e P K + K + i + + P Na + Na + P Na + e Na + i + + P Cl - Cl - P Cl - Cl - i e

16 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Take home 2 Die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials erfordert Energie Sauerstoffmangel kann eine Instabilität des Ruhepotentials verursachen Der Betrag des Potentials ist abhängig von der Leitfähigkeit verschiedener Ionenkanäle Mit Hilfe der Goldman-Hodgkin-Katz- Gleichung lässt sich das Potential einer Zelle zu jedem Zeitpunkt berechnen

17 Einführung in die Neurophysiologie 2009 Nernst Gleichung Ruhepotential! Statische Verhältnisse Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung Aktionspotential! Dynamische Verhältnisse

18 Aktionspotential - Refraktärität Zusammenfassung 3 Das Aktionspotential einer Zelle wird durch eine kurzfristige Öffnung der schnellen Natriumkanäle verursacht Die Natriumkanäle werden spannungsabhängig inaktiviert. Dadurch wird die Repolarisation eingeleitet Durch Aktivierung spannungsabhängiger Kaliumkanäle wird die Zelle vollständig repolarisiert

19 Aktionspotential - Refraktärität Zusammenfassung 4 Refraktärität ist die zeitlich begrenzte fehlende Wiedererregbarkeit einer Zelle Eine Zelle ist refraktär, weil die spannungsabhängigen Natriumkanäle inaktiviert sind. Während der absoluten Refraktärzeit ist die Zellen gar nicht wiedererregbar. In der relativen Refraktärzeit ist eine Zelle nur mit stärkeren Depolarisationen wiedererregbar. Dabei ist die Amplitude des Aktionspotentials vermindert.

20 Aktionspotential - Refraktärität Conclusion: Cooperative sodium channel activation underlies the dynamics of action potential initiation in cortical neurons.

21 Aktionspotential - Refraktärität Gating durch - Spannungsgesteuert -intrazelluläre Messenger -Proteine - mechanische Spannung -Wärme/Kälte - kleinmolekulare Porenblocker

22 Aktionspotential - Refraktärität Hypokalziämie, Alkalose EZR IZR Na- Kanal MP + Ca 2+ oder H +

23 Aktionspotential - Refraktärität Zusammenfassung 5 Die Aktivierung der spannungs-abhängigen Natriumkanäle hängt von der Ladungsmenge ab, die auf die Membran gebracht wird. Die Aktivierbarkeit der spannungs-abhängigen Natriumkanäle hängt von der Konzentration von Ca 2+ und H + Ionen im Extrazellularraum ab Unter einer Tetanie versteht man eine erhöhte neuromuskuläre Erregbarkeit, deren Ursache z. B. ein Kalziummangel (Hypokalzämie) oder eine Alkalose (Protonenmangel) sein können

24 Ausbreitung und Weiterleitung von Aktionspotentialen Membranzeitkonstante τ Aufladung: E(t) = E max (1-e -t/τ ) Entladung: E(t) = E max e -t/τ ) Für t = τ mit 1/e = 37 % gilt E(τ) = 0,37 E max

25 Ausbreitung und Weiterleitung von Aktionspotentialen Membranlängenkonstante λ Aufladung: E(l) = E max (1-e -l/λ ) Entladung: E(l) = E max e -l/λ ) Für l = λ mit 1/e = 37 % gilt E(λ) = 0,37 E max

26 Ausbreitung und Weiterleitung von Aktionspotentialen Zusammenfassung 6 Membranzeit- und Membranlängenkonstante sind für jede Nervenzelle charakteristische Größen Während die Membranzeitkonstante die Erregbarkeit einer Zelle mitbestimmt, ist die Membranlängenkonstante für die Ausbreitung von Aktionspotentialen entlang einer Nervenfaser von Bedeutung

27 Ausbreitung und Weiterleitung von Aktionspotentialen Zusammenfassung 7 Die saltatorische Erregungsleitung ist schneller als die kontinuierliche, weil nicht Membranbereich nach Membranbereich depolarisiert werden muss Aktionspotentiale treten bei der saltatorischen Erregungsleitung nur an den Ranvierschen Schnürringen auf, da hier die Myelinisolationsschicht fehlt und die Dichte an Na + -Kanälen etwa 100-mal höher ist als in den Internodien Eine Schädigung der Myelinschicht in den Internodien kann die Weiterleitung von Aktionpotentialen verzögern oder sogar verhindern

28 Weiterleitung von Aktionspotentialen - Synapse Synapse Morphologisch und funktionell spezialisierte Kontaktstelle zwischen erregbaren Zellen

29 Weiterleitung von Aktionspotentialen - Synapse Zusammenfassung 8 Postsynaptische Potentiale (PSP) -PSP sind in ihrer Amplitude kleiner als Aktionspotentiale -PSP können depolarisierend oder hyperpolarisierend sein -PSP gehorchen nicht der Alles-oder-Nichts-Regel -PSP haben keine Refraktärzeit

30 Weiterleitung von Aktionspotentialen - Synapse Zusammenfassung 9 ermöglichen die neuronale Bahnung Räumliche & zeitliche Summation dienen der Signalverarbeitung durch Filterfunktion (z. B. Gating) Beispiele: 1. hohe Erregungsfrequenz wird in einzelne Antworten umgesetzt 2. nur wenn mehr als ein Informationskanal aktiviert wird, wird die Zielzelle aktiviert

31 Signalverarbeitung Prä- und postsynaptische Modulation Zusammenfassung 10 Prä-/postsynaptische Bahnung/Hemmung dient der Modulation der Signalverarbeitung Postsynaptische Hemmung/Bahnung verändert das Gesamtverhalten der Zielzelle Bei präsynaptische Hemmung/Bahnung können selektive einzelne Signaleingangskanäle der Zielzelle moduliert werden

32 Signalverarbeitung Signalbildung und Registrierung Rezeptorpotentiale Gating durch - Potentialänderungen - intrazelluläre Messenger -Proteine - mechanische Spannung - Wärme/Kälte - kleinmolekulare Porenblocker

33 Signalverarbeitung Signalbildung und Registrierung Zusammenfassung 11 Rezeptorpotentiale

34 Signalverarbeitung Signalbildung und Registrierung Zusammenfassung 12 EEG Oberflächennahe Feldpotentiale sind bei oberflächennahen EPSP negativ, bei IPSP positiv. Dagegen sind die Feldpotentiale bei tiefen EPSP positiv, bei IPSP negativ.

35 Signalverarbeitung Signalbildung und Registrierung Elektroenzephalogramm (EEG) Diagnostische Möglichkeiten: - Epilepsie - Narkoseüberwachung - Schlafstadienbestimmung - Diagnose Multiple Sklerose mithilfe visuell evozierter Potentiale (VEP) - Akustisch evozierte Potentiale (AEP)

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