Herzlich Willkommen auf der Homepage zum TPK Versuch F: Nervenphysiologie.

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1 Herzlich Willkommen auf der Homepage zum TPK Versuch F: Nervenphysiologie. Auf diesen Seiten findet ihr Informationen zum Regenwurmversuch und dem dazugehörigen theoretischen Hintergrund. Gleich vorweg: Die Seiten sollen nicht dazu dienen, alleinige Informationsquelle zur Vorbereitung des Kurstages zu sein. Die Texte sind so kurz wie möglich gehalten. Das erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass sie ganz gelesen werden. Allerdings hat es zur Folge, dass die Inhalte stark komprimiert sind und ohne Vorkenntnisse der Thematik nicht richtig verstanden werden können. Sie sollten eher als Ergänzung zu anderen Informationsquellen gesehen werden. Der Artikel Neurophysiologische Versuche am intakten Regenwurm von Hans-Georg Heinzel, welcher Pflichtlektüre für diesen Kurstag ist, kann hier als pdf-datei heruntergeladen werden. Aufgrund von kopierschutzrechtlichen Bestimmungen dürfen wir diese Datei nur passwortgeschützt zum Herunterladen anbieten. Benutzername und Passwort erfahrt Ihr am ersten Kurstag. Damit wir die Seite für euch optimieren können, ist es wichtig, dass ihr uns Feedback gebt. Falls ihr Fehler findet, Anregungen oder Anmerkungen habt, sagt uns Bescheid oder mailt uns. Jede konstruktive Kritik ist herzlich willkommen. Die Seiten wurden für eine Bildschirmauflösung von 1024x768 optimiert. Um alle Inhalte anzeigen zu können, muss Javascript aktiviert und Flash installiert sein. Und nun viel Spaß mit den Seiten! 1

2 Nerven behalten! - Die Nervenzellen Ein komplexes Nervensystem wie zum Beispiel das menschliche Gehirn besteht im wesentlichen aus zwei Zelltypen. Da wären zunächst die Nervenzellen (Neurone) selbst zu nennen, sie leisten die eigentliche Informationsverarbeitung. Liegen Zellkörper funktionell zusammengehörender Nervenzellen in speziellen Aggregaten, spricht man von Ganglien. Wir wollen später näher auf die verschiedenen Arten von Neuronen eingehen. Gliazellen machen den zweiten Zelltyp aus. Diese Zellen haben Bindegewebs-Eigenschaften und üben somit viele essentielle Funktionen aus. Da sie fast die gesamte Oberfläche eines Neurons umhüllen (mit Ausnahme der Synapsen), ohne in direkten Kontakt mit diesem zu treten, haben sie zunächst eine stabilisierende und stützende Funktion für die Nervenzelle. Gleichzeitig bewirken Gliazellen aber auch die elektrische Isolation von Neuronen, damit verhindern sie einen Fehlfluss von Informationen. Des weiteren tragen sie einen Teil zum Stoffaustausch der Nervenzellen bei. Außerdem bilden sie in vielen Entwicklungsprozessen die Leitstrukturen für das Auswachsen von Neuronen; sie sind also eine Art Wegweiser zum richtigen Aufbau eines komplexen Nervensystems, das später dann auch einmal funktionieren soll... Nun wollen wir wieder zu den Neuronen zurückkehren. Was kennzeichnet eine Zelle als Nervenzelle, wo liegen die Unterschiede zu anderen Zellen und wie unterscheiden sich manche Neurone voneinander? Diese Fragen wollen wir versuchen, im Folgenden zu beantworten. Obwohl sich Nervenzellen in ihrer Form und Größe sehr stark unterscheiden können, haben alle doch mehrere Dinge gemeinsam. Abbildung 1: Typisches Wirbeltier- Neuron Jedes Neuron besitzt einen Zellkörper, das Soma (S), welches den Kern (K) enthält. Alle Nervenzellen besitzen einen langen Fortsatz, das Axon (A), der zur schnelleren Erregungsleitung myelinisiert werden kann. Außerdem besitzt jedes Neuron meistens sehr viele (Ausnahmen s.u.), kürzere Fasern, die Dendriten (D), welche weit verzweigen können. Die Synapsen (Sy) des Neurons findet man am Axon, sie können sowohl auf den Zellkörper eines anderen Neurons, oder auf dessen Dendrit verschalten. Je nach Synapsentyp kann es sich dabei um eine hemmende/inhibitorische (isy) oder erregende/exzitatorische Synapse (esy) handeln. Je nachdem, wie viele Fortsätze vom Zellkörper eines Neurons ausgehen, lassen sich Nervenzellen morphologisch (der Form/dem Aussehen nach) im wesentlichen in vier Untergruppen einteilen: 2

3 Abb. 2a) Unipolare Zellen: Dieser Neurontyp besitzt nur einen einzigen Fortsatz, von dem bestimmte Bereiche als rezeptive Flächen, andere zur Transmitter-Freisetzung verwendet werden. Unipolare Zellen sind typisch für das Nervensystem von Wirbellosen. Abb. 2b) Bipolare Zellen: Diese Art von Nervenzellen haben zwei Fortsätze, die unterschiedliche Funktionen ausüben. Der Dendrit leitet empfangene Information zum Zellkörper, das Axon leitet sie zu anderen Zellen weiter. Man findet sie z.b. in der Retina. Abb. 2c) Multipolare Zellen: Solche Neurone besitzen ein Axon und viele Dendriten. Sie stellen den häufigsten Neurontyp im Nervensystem eines Säugers dar, als Beispiel seien spinale Motoneurone genannt, welche die Skelettmuskelfasern innervieren. Abb. 2d) Pseudounipolare Zellen: Zu den genannten drei Typen gesellt sich noch die Sonderform der Pseudounipolaren Zelle, welche sensorische Informationen zum Rückenmark über- Abbildung 2: Nervenzelltypen mittelt. Durch die Verschmelzung der beiden Fortsätze einer Bipolarzelle in der embryonalen Entwicklung miteinander, besitzt das Soma eines solchen Neurons schließlich nur noch einen Fortsatz, der sich in zwei Axon-Äste aufspaltet, von denen der eine zentral zum Rückenmark, der andere in die Peripherie (Haut, Muskulatur) zieht. Zusätzlich zu der bereits getroffenen Einteilung in morphologische Gruppen, kann man Nervenzellen auch nach ihrer Funktion einordnen. Sensorische (oder afferente) Neurone übermitteln dem Nervensystem Informationen, die der Wahrnehmung und der Bewegungskoordination dienen. Motoneurone liefern Informationen an die Muskulatur, aber auch an bestimmte Drüsen. Die größte Neuron-Klasse ist die der sogenannten Interneurone. Dies sind all die übrigen Zellen, welche weder sensorische, noch motorische Funktionen im Nervensystem haben und ausschließlich der Erregungsweiterleitung und Verarbeitung dienen. (Bei den Abbildungen handelt es sich um schematische Darstellungen, um die Morphologie prinzipiell zu verdeutlichen. Die Größen, auch vereinzelter Nervenzellabschnitte, sind aus diesem Grund nicht als realistisch anzusehen!) 3

4 In der Ruhe liegt die Kraft! - Das Ruhemembranpotential Sticht man in eine Nervenzelle eine Elektrode ein, so misst man gegen das Extrazellulärmedium eine Potentialdifferenz von etwa -50 bis -80 mv. Das bedeutet, dass im Inneren der Zelle mehr negative Ladungen vorhanden sind als außerhalb. Diese Potentialdifferenz wird als Ruhemembranpotential bezeichnet. Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit das Ruhemembranpotential entstehen kann? Wie wird das Ruhemembranpotential aufrechterhalten? Diese Fragen versuchen wir im Folgenden zu klären. Folgender Modellversuch soll dabei helfen: Zwei Kammern eines Gefäßes sind durch eine halbdurchlässige Membran getrennt. In einer der Kammern wird NaCl Lösung eingefüllt, in die andere eine gleichkonzentrierte KCl Lösung. Die Membran lässt ausschließlich K + -Ionen durch (Abbildung 3a). Abbildung 3: Modellversuch zum Ruhemembranpotential. Was wird passieren? Aufgrund der osmotischen Energie werden K + -Ionen entlang ihres Konzentrationsgradienten durch die Membran diffundieren und versuchen, den Konzentrationsunterschied auszugleichen. Bei dieser Diffusion werden jedoch nicht nur Teilchen, sondern auch (positive) Ladungen bewegt. Es kommt so zu einer Ladungstrennung und damit zu einer Potentialdifferenz über der Membran. Durch diese Potentialdifferenz entsteht eine Kraft, die der osmotischen Kraft entgegengerichtet ist: die elektrische Kraft. Wenn beide Kräfte gleich groß sind, diffundieren gleich viele K + -Ionen in beide Richtungen. Es herrscht ein Gleichgewicht (Abbildung 3b). Die Situation bei Nervenzellen stellt sich ähnlich dar. Intrazellulär finden sich hohe Konzentrationen an K + -Ionen sowie anorganischen Anionen (Phosphate, Sulfate, Aminosäuren, Peptide) und geringe Konzentrationen von Na + - und Cl -Ionen. Extrazellulär finden sich wenige K + - Ionen, aber eine hohe Na + - und Cl -Ionenkonzentration (das Extrazellulärmedium ähnelt also dem Meerwasser). Die Lipiddoppelschicht der Nervenzellmembranen ist für Ionen praktisch undurchlässig. Sie enthält jedoch eine Reihe transmembraner Proteine, welche die Permeabilität für Ionen ändern: Ionenkanäle. Für das Zustandekommen des Ruhemembranpotentials an Nervenzellen ist ein Kanal von besonderer Bedeutung: der Kaliumkanal. Dieser lässt spezifisch Kaliumionen passieren. Wie nun ein Membranpotential entsteht, haben wir ja schon verstanden (siehe Modellversuch oben). K + -Ionen diffundieren aus der Zelle heraus und hinterlassen im Zellinneren die Anionen, die nicht durch die Membran diffundieren können. Wenn die ganze Sache bei Nervenzellen genauso einfach wäre, hätten wir uns den Modellversuch sparen können. Wo also liegt der Haken? In der Membran von Nervenzellen gibt es neben einem Kaliumkanal auch einen Natriumkanal. Ebenso wie die K + -Ionen wollen auch Na + -Ionen den Konzentrationsgradienten ausgleichen, diffundieren also entlang des Gradienten in die Zelle hinein. Da Na + -Ionen ebenso wie K + -Ionen einfach positiv geladen sind, neutralisiert jedes in die Zelle diffundierte 4

5 Na + -Ion die Ladung eines aus der Zelle herausdiffundierten K + -Ions. Die Folge: das Ruhemembranpotential müsste über kurz oder lang zusammenbrechen. Dies passiert aber offensichtlich nicht. Der Retter in der Not ist ein weiteres transmembranes Protein: die Na + -, K + -ATPase (sprich: Natrium-Kalium-A-Te-Pe-ase). Dieses Protein ist eine Ionenpumpe und transportiert im Antiport zwei K + -Ionen in die Zelle hinein und drei Na + -Ionen hinaus; dabei wird ATP verbraucht. Das Ruhemembranpotential wird also unter hohem energetischen Aufwand aufrechterhalten. Wozu dieser Aufwand? Das Ruhemembranpotential ist die Grundvoraussetzung zur Entstehung von Aktionspotentialen, den Informationsträgern von Nervensystemen. Wie diese entstehen und weitergeleitet werden, wird im nächsten Abschnitt behandelt. Action! - Das Aktionspotential Aktionspotentiale (APs) sind kurzzeitige Umpolarisierungen des Ruhemembranpotentials, die am Axonhügel entstehen und über das Axon zu den synaptischen Endknöpfchen weitergeleitet werden. Wie entstehen Aktionspotentiale und welche Strukturen sind daran beteiligt? Im vorigen Abschnitt (Das Ruhemembranpotential) haben wir schon Ionenkanäle kennengelernt. Diese Kanäle dienten dazu, bestimmte Ionen durch die Zellmembran diffundieren zu lassen und waren immer offen. Zur Entstehung von APs sind zwei weitere Kanäle notwendig: spannungsgesteuerte Natriumkanäle und spannungsgesteuerte Kaliumkanäle. Wir wollen die Funktionsweise des spannungsgesteuerten Natriumkanals näher anschauen. Dieser Kanal kann in drei verschiedenen Zuständen vorliegen: 1. geschlossen und aktivierbar 2. offen 3. geschlossen und inaktiv (= refraktär) Ist der Kanal geschlossen und aktivierbar, so geht er bei Depolarisation des Ruhemembranpotentials über einen bestimmten Wert, den Schwellenwert, in den offenen Zustand über. Im offenen Zustand lässt der Kanal selektiv Na + -Ionen passieren. Aus dem offenen Zustand geht der Kanal nach sehr kurzer Zeit ( 1 ms) in den geschlossenen und inaktiven Zustand über. Im geschlossen, inaktiven Zustand führen überschwellige Depolarisationen der Membran nicht zum Öffnen des Kanals. Aus dem geschlossenen, inaktiven Zustand geht der Kanal nach ca. 2-3 ms von selbst wieder in den geschlossenen, aktivierbaren Zustand über und der Zyklus kann von neuem beginnen. Um Entstehung und Weiterleitung von APs zu verstehen, ist es sinnvoll, sich zunächst den zeitlichen Verlauf eines typischen (intrazellulär abgeleiteten) Aktionspotentials anzuschauen. Diesen kann man in vier Phasen einteilen: 1. Das negative Membranpotential (-50 bis -80 mv) wird langsam positiver (tonisches Potential) 5

6 Abbildung 4: Zeitlicher Verlauf der Spannung bei einem intrazellulär gemessenen Aktionspotential....bis zur Überschreitung des Schwellenwertes... (in blau) 2. dann wird das (immer noch negative) Potential sehr schnell positiver, bis zum Maximalwert von etwa +30 mv (in rot) 3. Das Membranpotential kehrt vom positiven Maximalwert wieder auf den Wert des Ruhemembranpotentials zurück (in grün 4. Schließlich wird es sogar noch negativer als der Ausgangswert und kehrt danach erst langsam auf den Ruhewert zurück (in gelb) Da im Verlauf der ansteigenden Flanke des APs der Betrag des Membranpotentials zunächst immer kleiner wird, also die Polarisation der Membran zusammenbricht, bezeichnet man die Phasen 1 und 2 im Allgemeinen als Depolarisation. Man sollte allerdings im Hinterkopf behalten, dass der Begriff Depolarisation strenggenommen nur bis zum Erreichen der 0 mv-linie gilt, da danach die Polarisation der Membran ja wieder zunimmt (wenn auch mit umgekehrtem Vorzeichen). Analog wird der Bereich bis zum erneuten Erreichen des Ruhemembranpotentials (Phase 3) Repolarisation genannt. In Phase 4 wird die Membran über den Ausgangswert polarisiert und - wer hätte das gedacht - das ist eine Hyperpolarisation. Jetzt wissen wir, wie der Zeitverlauf eines Aktionspotentials aussieht, nun müssen wir ihn nur noch verstehen. Zunächst wird die Axonmembran depolarisiert. Unter natürlichen Bedingungen geschieht dies bei Nervenzellen durch ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP, siehe Abschnitt Synapsen) oder bei Rezeptorzellen durch ein Rezeptorpotential. Ein EPSP breitet sich passiv, also ohne Beteiligung spannungsgesteuerter Kanäle, vom dendritischen Entstehungsort über das Soma aus. Dabei wird die Amplitude mit zunehmender Entfernung vom Entstehungsort immer kleiner. Dies wird als Dekrement bezeichnet. Ist das EPSP am Axonhügel noch überschwellig, so öffnen sich die spannungsabhängigen Natriumkanäle. Natrium diffundiert entlang des Konzentrationsgradienten in die Zelle. Dadurch wird das Potential schließlich innen positiv 6

7 (Maximalwert ca. 30 mv). Die nun folgende Repolarisation wird durch zwei Effekte verursacht. Wie bereits erwähnt, sind die spannungsabhängigen Natriumkanäle nur sehr kurz geöffnet. Außerdem beginnen sich kurz nach der Öffnung der spannungsabhängigen Natriumkanäle spannungsabhängige Kaliumkanäle zu öffnen. Der daraus resultierende Kaliumausstrom wirkt dem vorausgegangenen Natriumeinstrom entgegen und führt zur Repolarisation und zur Hyperpolarisation. Die Hyperpolarisation kommt zustande, da mehr K + -Ionen ausströmen, als vorher Na + -Ionen eingeströmt sind. Soviel zum AP selbst. Was war aber jetzt noch gleich mit dem dritten Zustand des spannungsabhängigen Natriumkanals? Richtig. Der kommt jetzt an die Reihe: Befindet sich ein spannungsabhängiger Natriumkanal im geschlossenen, inaktiven Zustand, so öffnet er sich auch bei Depolarisation über den Schwellenwert nicht. Es kann also an einem Membranabschnitt, dessen spannungsabhängige Natriumkanäle sich in diesem Zustand befinden, kein neues AP entstehen: die Membran befindet sich im Refraktärzustand. Durch den Refraktärzustand wird erreicht, dass sich ein AP nur in einer Richtung fortbewegt, nämlich vom Entstehungsort zu den Synapsen. Die Synapse Im vorherigen Kapitel haben wir gelernt, wodurch ein Aktionspotential (AP) ausgelöst wird und wo es entsteht. Außerdem wissen wir nun, wie die Weiterleitung eines APs über das Axon abläuft. Im folgenden Kapitel wollen wir uns damit beschäftigen, wie diese Information von einem Neuron auf ein anderes weitergegeben wird. Die Schlüsselposition in der Weitergabe der neuronalen Information nimmt die Synapse ein, eine bläschenförmige Erweiterung am distalen Ende eines Axons. Prinzipiell unterscheidet man zwischen zwei unterschiedlichen Synapsentypen, nämlich elektrischen und chemischen Synapsen. Bei den elektrischen Synapsen tritt das Ende eines Axons so dicht an z.b. die Membran eines anderen Neurons heran, dass dort die Erregung direkt über spezielle Verbindungskanäle ( gap junctions ) ohne zeitliche Verzögerung auf das andere Neuron weitergegeben werden kann. Häufig leitet eine elektrische Synapse in beide Richtungen, aber es gibt auch einige, die nur von der präsynaptischen zur postsynaptischen Seite leiten; sie haben dann gleichrichtende ( rectifying ) Eigenschaften. Eine chemische Synapse hingegen besitzt keinen direkten Kontakt mit einer benachbarten Zelle, denn der synaptische Spalt grenzt die Präsynapse (präsynaptisches Endknöpfchen) von der Postsynapse ab. Wie kann an dieser Barriere die Informationsweiterleitung erfolgen? Um die Information von der Präsynapse auf die Postsynapse weiterzuleiten, muss es also einen Art Boten geben, der die Information überbringt. Bei der chemischen Synapse sind dies chemische Botenstoffe (Transmitter), die in Vesikeln in dem aufgewölbten präsynaptischen Endknöpfchen gespeichert werden. Am Beispiel der neuromuskulären Synapse soll die Informationsweiterleitung dargestellt werden. Trifft ein Nervenimpuls über das Axon im Präsynaptischen Endknöpfchen ein, kommt es zu einer Veränderung des Membranpotentials in der Präsynapse, wodurch spannungsabhängige Ca 2+ -Kanäle kurzzeitig geöffnet werden. Dies führt zu einem Einstrom von Ca 2+ -Ionen aus dem synaptischen Spalt in die Präsynapse. Eingeströmte Ca 2+ -Ionen werden sehr schnell wieder aus der Präsynapse entfernt, dadurch kommt es nur zu kurzfristigen Änderungen der intrazel- 7

8 Abbildung 5: Schema einer Elektrischen / Chemischen Synapse Die elektrische Synapse ist in a) dargestellt. Die präsynaptische Membran tritt in direkten Kontakt mit der postsynaptischen Membran (PSM) und bildet Gap Junctions (GJ) aus. In b) ist eine chemische Synapse gezeigt. Im präsynaptischen Endknöpfchen sind Transmitterstoffe in Vesikeln (V) gespeichert. Diese können in den synaptischen Spalt (S) freigesetzt werden und an der postsynaptischen Membran (PSM) an Rezeptoren (R) binden. Beide Synapsentypen besitzen zur Energiegewinnung Mitochondrien (M). lulären Ca 2+ -Konzentration. Doch diese kurzfristige Änderung führt dazu, dass ein Teil der in der Präsynapse gelagerten Vesikel mit der präsynaptischen Membran verschmelzen und die enthaltenen Botenmoleküle in den synaptischen Spalt freigesetzt werden können. Da wir mittlerweile wissen, dass die Stärke eines Reizes direkt proportional zu der Frequenz der ausgelösten APs ist, wird nun leicht verständlich, wie eine Nervenzelle den Grad der Erregung an eine andere weitergibt. Je höher die Frequenz der APs, die in der Präsynapse ankommen, desto mehr spannungsgesteuerte Ca 2+ -Kanäle werden geöffnet. Der Ca 2+ -Spiegel in der Präsynapse bleibt länger auf einem hohen Niveau, folglich verschmelzen mehr Vesikel mit der Membran und mehr Transmitter-Moleküle werden in den synaptischen Spalt freigesetzt. Den Prozess der Transmitter-Ausschüttung an der Präsynapse haben wir nun verstanden, was geschieht nun aber an der Postsynapse? Die Transmitterstoffe diffundieren durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran, was eine entsprechende Verzögerung mit sich bringt (Gegensatz zu elektrischen Synapsen) und binden dort als Liganden an Liganden-gesteuerten-Kanälen. Dies kann entweder zum Einstrom von Na + -Ionen in die Postsynapse führen, was einer Depolarisation entspricht, man redet dann von einer erregenden (exzitatorischen) Synapse; oder aber, es kommt zu einem K + -Ionen Ausstrom aus der Postsynapse, was einer hemmenden (inhibitorischen) Wirkungsweise, in diesem Zusammenhang einer Hyperpolarisation, entspricht (siehe Kapitel Ruhepotential, Aktionspotential). Es sei noch erwähnt, dass neben Na + - und K + -Ionen auch noch Cl Ionen oder sogenannte Sekundäre Botenstoffe ( second messenger ) einen Einfluss auf das Postsynaptische Potential haben können. Auf jeden Fall entsteht aber ein Postsynaptisches Potential (PSP), was entweder exzitatorisch (EPSP) oder inhibitorisch (IPSP) ist. Gleichzeitig wird auch klar, dass durch die morphologische Anordnung in der Synapse die Übertragung nur von der Prä- auf die Postsynapse erfolgen kann und nicht umgekehrt (Gegensatz zu Elektrischen Synapsen). Es ist auch wichtig, dabei zu bemerken, dass es zunächst einmal unabhängig von der speziellen Transmitter-Substanz ist, ob ein EPSP oder IPSP an der Postsynapse ausgelöst wird. Entscheidend hierfür ist vielmehr die Wechselwirkung des Transmitters mit spezifischen Rezeptoren in der postsynaptischen Membran. Im weiteren wollen wir auf die generellen Unterschiede zwischen einem EPSP/IPSP und einem AP zu sprechen kommen, denn aus diesen Unterschieden ergeben sich einige Folgen für die Erregungsweiterleitung an einer Synapse. Das EPSP/IPSP hat gegenüber dem AP eine kleinere Amplitude, dauert dafür aber sehr viel länger ( mal so lang). Ein einzelnes EPSP/IPSP kann deshalb kaum ein AP auslösen, doch durch die lange Dauer eines EPSP/IPSP kann es zu einer Summation von PSPs auf der postsynaptischen Membran kommen. Diese Summation kann sowohl zeitlich 8

9 erfolgen, indem viele Impulse hintereinander in hoher Frequenz am Axonende der Präsynapse eintreffen und entsprechend mehr Transmitter ausgeschüttet wird (s.o.); oder aber es kommt zu einer räumlichen Summation, dadurch dass benachbarte Synapsen ebenso erregt werden und Transmitter freisetzen, welche zu PSPs führen. Beide Prozesse führen zu einer Summation der PSPs, d.h. das finalepsp ist gleichzeitig ein graduiertes Potential, das aus mehreren ëinzelnenpsps besteht. Wie wird verhindert, dass eine einmal ausgeschüttete Transmitter-Menge an der Postsynapse ständig PSPs auslöst? Hier spielt der synaptische Spalt mit seinen Inhaltsstoffen die entscheidende Rolle. Im synaptischen Spalt sind ständig Enzyme (Esterasen) aktiv, welche die Transmitter-Moleküle abbauen. Nach dem Freisetzen der Botenstoffe aus den Vesikeln an der präsynaptischen Membran, ist die Konzentration der Transmittermoleküle im synaptischen Spalt sehr hoch, so dass der Großteil der Moleküle auf die postsynaptische Seite diffundieren und dort als Ligand an spezifische Rezeptoren binden kann. Versiegt die Transmitterfreisetzung aus der Präsynapse, werden die verbliebenen Transmitter-Moleküke rasch abgebaut, so dass deren Konzentration im synaptischen Spalt sinkt. Außerdem können Transmittermoleküle manchmal auch direkt wieder in das synaptische Endknöpfchen aufgenommen werden ( re-uptake ). Auf jeden Fall sinkt die Konzentration des Transmitterstoffes im synaptischen Spalt und in Folge des Konzentrationsausgleichs diffundieren die als Liganden gebundenen Transmittermoleküle von ihren Rezeptoren ab und werden im synaptischen Spalt abgebaut. Dieser fluktuierende Prozess führt schließlich zum vermehrten Schließen der Liganden-gesteuerten-Kanäle auf der postsynaptischen Seite, wodurch das PSP beendet wird. Bisher haben wir erfahren, was an der Präsynapse, im Synaptischen Spalt und an der Postsynapse bei der Erregungsweiterleitung abläuft. Jetzt geht es darum, wie ein einzelnes Neuron in einem ganzen Netzwerk mit ihm kommunizierender Neurone eine umfangreiche Integration von Informationen aus verschiedenen Quellen durchführen kann. Wie wir erfahren haben, führen EPSPs zu einer partiellen Depolarisation der postsynaptischen Membran, welche passiv elektrotonisch bis zum Axonhügel weitergeleitet wird. Übersteigt die Depolarisation eine gewisse Grenze (Schwellenpotential), wird dort ein AP ausgelöst. Trifft hingegen dort zu gleicher Zeit eine Hyperpolarisation infolge eines gleichstarken IPSP ein, wird kein AP ausgelöst. Noch einmal wird hier das Prinzip der Summation verdeutlicht. Abschließend wollen wir noch einmal kurz auf den Vorgang der Inhibition eingehen. Eine Inhibition kann auf zwei Arten wirken, nämlich einmal nicht-selektiv auf alle ankommenden EPSPs, ein anderes mal sehr selektiv auf eine einzige Synapse. Der Kurstag An diesem Kurstag sollen Aktionspotentiale (APs) von der medianen und den lateralen Riesenfasern sowie Summenaktionspotentiale (SAPs) von Riesenmotoneuronen (auf die die mediane Riesenfaser verschaltet) und Muskelpotentiale (MPs) abgeleitet werden. Der Wurm wird dabei unterschiedlich starken Berührungsreizen ausgesetzt und die so erhaltenen Potentialverläufe sollen miteinander verglichen werden. Zum grundsätzlichen Verständnis der Potentialverläufe ist es unabdingbar, das Meßprinzip des Differenzverstärkers zu verstehen, dessen Eigentümlich- 9

10 keit uns die Messung der Fortleitungsgeschwindigkeit der Aktionspotentiale erlaubt. Bitte lest (und versteht) erst diese beiden Teile, bevor Ihr Euch die Beispielableitungen anschaut. Prinzip des Differenzverstärkers Zur Messung der Potentiale wird ein Differenzverstärker verwendet. Im Gegensatz zu einem normalen Intra- oder Extrazellulärverstärker besitzt ein Differenzverstärker zwei Ableitelektroden. Eine mit + gekennzeichnete Normalelektrode und eine mit - gekennzeichnete invertierende Elektrode. Die Normalelektrode entspricht der Ableitelektrode eines normalen Verstärkers. Die invertierende Elektrode multipliziert das gemessene Signal mit -1, sie dreht also das Vorzeichen um. Das Signal, welches der Differenzverstärker ausgibt, entspricht der Differenz der Signale, die an beiden Elektroden anliegen. Dadurch werden Störungen, die an beiden Elektroden gleichzeitig auftreten herausgerechnet, während die Meßsignale, die nacheinander beide Elektroden passieren, gemessen werden können. Um das Meßprinzip zu verdeutlichen, seht ihr im Folgenden fünf Abbildungen, die die Messung eines Aktionspotentials zu fünf unterschiedlichen Zeitpunkten zeigen. Abbildung 6: Das AP befindet sich links der Normalelektrode. Das Oszilloskop zeigt die Basislinie. Abbildung 7: Das AP hat gerade die Normalelektrode passiert. Da während des APs das Neuron aussen negativ wird zeigt sich auf dem Oszilloskop eine negative Potentialhalbwelle. Abbildung 8: Das AP befindet sich zwischen beiden Elektroden. Das Oszilloskop zeigt die Basislinie. Der rosa Balken stellt den Regenwurm dar. Der Verstärker wird durch ein Dreieck symbolisiert. Der Pfeil gibt die Fortleitungsrichtung des Aktionspotentials an. Das untere, kleine Bild des Potentials zeigt den momentanen Ort des APs. Oben ist jeweils die entsprechende Ableitspur, die man auf dem Oszilloskop sehen würde, dargestellt. 10

11 Abbildung 9: Das AP hat gerade die invertierende Elektrode passiert. Das negative Potential des Neurons während des APs erscheint wegen des umgedrehten Vorzeichens (invertierende Elektrode) als positive Potentialhalbwelle auf dem Oszilloskop. Messung der Leitungsgeschwindigkeit Abbildung 10: Das AP befindet sich rechts der invertierenden Elelektrode. Das Oszilloskop zeigt die Basislinie. Zur Messung der Leitungsgeschwindigkeit wird der Abstand zwischen der Normalelektrode und der invertierenden Elektrode von 1 cm auf 3 bis 4 cm erhöht. Dadurch gewährleistet man, dass der Abstand zwischen den Elektroden größer ist, als die räumliche Ausdehnung des Aktionspotentials. In der Ableitspur auf dem Oszilloskop sieht man daher zwischen der positiven und der negativen Potentialhalbwelle ein mehr oder weniger deutlich ausgeprägtes Plateau. Das Plateau spiegelt den Zeitraum wider, in dem sich das Aktionspotential zwischen den beiden Elektroden befindet und von keiner der beiden gemessen werden kann. Für die Fortleitungsgeschwindigkeit in Abbildung 11 ergibt sich: Abbildung 11: Die Abbildung zeigt eine Ableitung von den lateralen Riesenfasern bei einem Elektrodenabstand von 4 cm. Die Zeit t, die das Aktionspotential benötigt, um von der Normalelektrode zur invertierenden Elektrode zu gelangen, beträgt in diesem Beispiel etwa 3,8 ms. v = s t v = 40 mm 3,8 ms = 10, 5 m s 11

12 Abbildung 12: Diese Abbildung zeigt eine Ableitung von der medianen Riesenfaser bei einem Elektrodenabstand von 4 cm. Die Fortleitungszeit beträgt hier ca. 1,6 ms. Berechnung der Fortleitungsgeschwindigkeit in Abbildung 12: v = s t v = 40 mm 1,6 ms = 25 m s Im Versuch sollen für die mediane und die lateralen Riesenfasern jeweils fünf Meßwerte für die Leitungsgeschwindigkeit ermittelt werden. Von diesen soll jeweils der Mittelwert errechnet werden. Im Folgenden seht Ihr Beispiele für Ableitungen nach Reizung des Wurmvorderendes bzw. des Wurmhinterendes. Diese sollen Euch helfen, die von Euch im Kurs gemessenen Potentialverläufe richtig zu interpretieren. Zum Verständnis der Potentialverläufe nach Reizung des Wurmvorderendes zu verstehen ist es hilfreich, sich die positive Rückkopplungsschleife der medianen Riesenfaser klarzumachen. 12

13 Reizung des Wurmvorderendes Abbildung 13: Ein schwacher Reiz führt zu einem Aktionspotential der medianen Riesenfaser (AP), gefolgt von einem Summenaktionspotential (SAP) der Riesenmotoneurone und einem kleinen Muskelpotential (MP) der Längsmuskulatur. Im Gegensatz zur Reizung des Wurmhinterendes reicht bei Reizung des Vorderendes also schon ein schwacher Reiz aus um eine Zuckung der Längsmuskulatur und damit einen Rückzug des Wurmes zu bewirken. Abbildung 14: Bei einem mittelstarken Reiz messen wir zunächst eine Potentialabfolge (AP1, SAP1, MP1), die der bei schwacher Reizung entspricht. Dieser folgt kurz danach eine zweite (AP2, SAP2, MP2), die mit der ersten fast identisch ist. Dies liegt daran, dass bei stärkeren Reizen eine positive Rückkopplungsschleife aktiviert wird. Diese besteht aus einem lokalen Interneuron, welches von der medianen Riesenfaser aktiviert wird und seinerseits wieder die mediane Riesenfaser aktiviert. Abbildung 15: Auch bei starker Reizung messen wir zunächst eine Potentialabfolge wie bei schwacher Reizung (AP1, SAP1, MP1). Durch die starke Aktivierung der Hautsinneszellen wird nun die positive Rückkopplungsschleife mehrfach aktivert (in diesem Fall zweimal). Wir sehen hier also dreimal die Abfolge AP, SAP MP. Bei der zweiten und dritten Potentialabfolge ist aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur das Aktionspotential markiert. 13

14 Reizung des Wurmhinterendes Abbildung 16: Ein schwacher Reiz führt lediglich zu einem einzelnen Aktionspotential (AP) der lateralen Riesenfasern. Dies reicht nicht aus, um Muskelpotentiale auszulösen. Abbildung 17: Ein mittelstarker Reiz führt zu mehreren Aktionspotentialen, in diesem Fall drei (AP1 - AP3). Darauf folgen ein odere mehrere kleine Muskelpotentiale (MPs) der Längsmuskulatur. Abbildung 18: Ein starker Reiz führt zu sehr vielen Aktionspotentialen und riesigen Muskelpotentialgebirgen. Die eindeutig erkennbaren Aktionspotentiale sind mit Pfeilen gekennzeichnet. Sie werden zum Teil von den Muskelpotentialen überlagert. 14

15 Zum Verständnis der Potentialverläufe nach Reizung des Wurmvorderendes zu verstehen ist es hilfreich, sich die positive Rückkopplungsschleife der medianen Riesenfaser klarzumachen. Die Rückkopplungsschleife der medianen Riesenfaser Eine Besonderheit bei Reizung des Wurmvorderendes ist die positive Rückkopplungsschleife der medianen Riesenfaser. Bei genügend starker Reizung wird ein Interneuron (I) aktiviert, welches seinerseits wieder die mediane Riesenfaser erregt. In der folgenden vereinfachten Darstellung dieses Sachverhaltes sind die Potentiale als rote Punkte dargestellt. Gezeigt werden die Potentiale bei mittelstarker Reizung. Die Rückkopplungsschleife wird einmal aktiviert. In der Darstellung werden Aktionspotentiale und elektrotonische Potentiale gleich dargestellt. Ihre unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit (Aktionspotentiale sind wesentlich schneller als elektrotonische Potentiale) wird nicht gezeigt. Ebenso werden die Muskelpotentiale, die von der Längsmuskulatur generiert werden, nicht gezeigt. Abbildung 19: Positive Rückkopplungsschleife der medianen Riesenfaser. H Haut, RiMu Ringmuskulatur, LäMu Längsmuskulatur, SZ Sinneszelle, LI lokales Interneuron, MR mediane Riesenfaser, I Interneuron, RM Riesenmotoneuron 15