Stoff zur Klausur Tier-/Neurophysiologie

Transkript

1 Stoff zur Klausur Tier-/Neurophysiologie 1 Aktionspotentiale Benjamin Schuster-Böckler 1.1 Ruhepotential Ionenverteilung Das RP entsteht durch unterschiedliche Ionenkonzentrationen zwischen Intraund Extrazellulärraum. Die Na + und Cl - Konzentration ist außen höher als innen, wogenen K + -Ionen in der Zelle höher konzentriert sind Gleichgewichtspotential Die Verteilung der Ionen ist abhängig von der Konzentrationsdifferenz an einer Membran, dem Ladungsunterschied zwischen den getrennten Medien und der Permeabilität der Membran. Ein Austritt positiver Ladungsträger hat eine Veränderung der Spannung zur Folge, wodurch wieder ein Einstrom begünstigt wird usw. In den meisten Zellen gilt: Das Ruhepotential ist vor allem ein K + -Gleichgewichtspotential Im Ruhezustand passieren gleich viele K + -Ionen die Mebran in beide Richtungen. Der Diffusionsdruck gleicht dabei gerade die negative Aufladung des Zellinneren aus. Wie wird so ein Gleichgewichtspotential beschrieben? Nernst-Gleichung E Ion = RT/zF * ln([ion] außen /[Ion] innen ) R: allgemeine Gaskonstante, T: Temperatur in Kelvin, z: Ladungszahl des Ions, F: Faradaykonstante Das Ruhepotential für K + liegt für menschliche Zellen bei Körpertemperatur etwa bei 98mV. In Gliazellen wird dieser Wert auch annähernd erreicht. In Nervenzellen tragen besondere Ionenpumpen durch aktiven Transport zum Gleichgewichtspotential bei Goldmann-Gleichung oder besser: E M = RT/F * (P K K + a+p Na Na + a+p Cl Cl - i)/( P K K + i+p Na Na + i+p Cl Cl - a) E M = (g K E K +g Na E Na +g Cl E Cl )/(g K +g Na +g Cl ) wobei die Leitfähigkeit g Ion definiert ist als: g Ion =i Ion /E M -E Ion was soviel bedeutet wie: Ionenstrom durch treibende Kraft Aufrechterhaltung der Ionenkonzentrationen Das metastabile System, das durch die Goldmann-Gleichung beschrieben wird, funktioniert nur deshalb, weil durch aktiven Ionentransport ein gewisser Konzentrationsunterschied zwischen K + und Na + -Ionen aufrecht erhalten wird. Blockiert man die Na/K-ATPase, kommt es zu einem Ausgleich der Konzentrationen der verschiedenen Ionen und zu einem Abfall des Potentials. 1.2 Aktionspotentiale Verlauf Beim Aktionspotential reagiert eine erregbare Zelle auf eine überschwellige Depolarisation. Innerhalb von etwa 0,5ms kommt es zu einer Ladungsumkehr auf bis zu +20mV, danach zu einer Repolarisation, die etwa 1 ms oder mehr in Anspruch nimmt. Danach dauert es einige ms, bis der Zustand vor dem AP wieder erreicht ist Ströme i Na und i Ka können getrennt gemessen werden, indem man z.b. bei einem voltage-clamp Experiment eines der Ionen durch ein äquivalentes, aber nicht Membranpermeables ersetzt (z.b. Cholin + statt Na + ). Die voltage-clamp funktioniert so:

2 Eine Messelektrode wird in eine Zelle eingestochen und mit einem Differenzverstärker verbunden. Dieser Differenzverstärker gibt nur den Unterschied zwischen den beiden Eingängen weiter. Vergleicht man jetzt die Zellspannung mit der Sollspannung und misst den nötigen Strom, um über eine zweite Elektrode die Differenz auszugleichen, bekommt man den Membranstrom i Na und i K Die Na und K-Ströme sind spannungsabhängig. Bei überschwelliger Depolarisation kommt es zu einem schnellen Na-Einstrom, der sein Maximum etwa bei E Na hätte(~55mv), wenn er allein fließt. Danach wird er wieder schwächer, bis es sogar zu einem leichten Ausstrom kommt. Der K-Strom setzt zeitlich etwas später ein und fliesst zunächst auswärts. Mit dem Maximum des Na-Stroms hat auch der K-Strom ein Maximum?!...blabla...?!?!? Formel i m =C m *de M /dt+g Na (E M -E Na )+g k (E M -E K )+g l (E M -E l ) Kanäle Die unterschiedlichen Leitfähigkeiten von Na + und K + wurden von Hodgkin/Huxley unter Zuhilfenahme von 3 Komponenten m, n und h beschrieben, die jeweils als Differentialgleichungen angegenben wurden. Diese Komponenten können auch als Öffnungswahrscheinlichkeit der Tor- Untereinheiten der jeweiligen Kanäle verstanden werden: m und h in Na + -, n in K + -Kanälen. Der Na + -Kanal wechselt nach Erkentnissen der modernen Kanalkinetik zwischen 7 Zuständen: 4 Zustände geschlossen/aktivierbar, ein offen- Zustand und 2 geschlossen/inaktivierbar. Die Wahrscheinlichkeit eines Übergangs von einem Zustand zum nächsten ist spannungsabhängig. Wichtig ist vor allem, daß der offen -Zustand bei Depolarisation leicht in den geschlossen-inaktivierbaren Zustand übergeht und meist erst nach Repolarisation wieder zum geschlossen/aktivierbaren Zustand zurückkehrt. Der K + -Kanal öffnet verzögert ebenfalls potentialabhängig bei Depolarisation, inaktiviert aber nicht. 2 Elektrotonische Ausbreitung 2.1 Membranzeitkonstante τ Bei Injektion eines Stroms in eine Zelle breitet sich dieser aus. An einer Membran, die selbst als Kondensator wirkt, tritt ein Widerstand auf. Die Änderung des Potentials verläuft dort nicht instantan. Da nach Ohm U=R*I muss die Potentialänderung den Membranwiderstand einrechnen. Wichtig ist dabei die sog. Membranzeitkonstante τ: τ = c m *r m ; c Kapazität, r Widerstand τ lässt sich einfacher auffassen als der Zeitpunkt, an dem die Potentialänderung 63% des Endwertes erreicht hat: E m (t)= i m *r m *(1-e -t/τ ) 2.2 Längskonstante λ Der Strom breitet sich in der Zelle, in die er eingeführt wurde, nicht gleichmässig aus. Vielmehr kommt es zu einem stärkeren Stromfluss an der Membran nahe des Eingangsortes des Stroms. Mit wachsender Entfernung sinken die Maximalamplituden der elektrotonische Potentiale exponentiell: E Max (x)=e Max,x=0 *e -x/λ λ ist die Entfernung, in der die Amplitude von E Max auf 1/e, also etwa 37%

3 Fortleitung von Aktionspotentialen Im Gegensatz zur reinen elektrotonischen Leitung in Verlaufrichtung der Zelle nimmt bei der Erregungsleitung durch Axone die Amplitude des Membranpotentials an keiner Stelle ab. Das liegt daran, dass der Hauptstrom quer zur Membran verläuft. Der restliche verbleibende elektrotonische Strom trägt zur Depolarisation des nächstgelegenen Membranabschnitts bei. 2.3 Geschwindigkeit Einwärtsstrom Dieser hängt von 2 Faktoren ab: Ruhepotential und Ionenkonzentrationen (Na und K). Ein erhöhtes Ruhepotential führt zu einer reduzierten EMK für Na als auch zu weniger aktivierbaren Na-Kanälen, wodurch der Na-Einstrom verlangsamt wird und die Zelle länger zur Depolarisation benötigt Axondurchmesser Je dicker das Axon, desto leichter können sich elektrotonische Ströme ausbreiten Myelinisierung Isolation eines grossteils der Membranoberfläche durch Schwannsche Zellen führt zu einer drastischen Steigerung der Leitungsgeschwindigkeit bei geringerem Axondurchmesser. Wie oben bereits angedeutet ist die elektrotonische Ausbreitung für die Leitung der Erregung in Längsrichtung verantwortlich. Je mehr Membranfläche dieser kapazitär zur Verfügung steht, desto geringer ist die Stromstärke, die in einer Entfernung x vom Anfangort der Erregung noch besteht(siehe Längskonstante λ). Wenn ein Grossteil der Membran zum Ladungsaustausch nicht mehr zur Verfügung steht, steigt die Längskonstante stark an. 3 Synapsen 3.1 Arten von Synapsen Elektrische Synapsen ( Gap Junction ) 6 Connexin-Untereinheiten bilden ein Connexon, 2 Connexone bilden einen Tunnel von einer Zelle zur nächsten. Durch diesen können diverse kleinere Teilchen, also auch Na und andere Ionen mit einem gegebenen Widerstand von einer Zelle in die nächste gelangen und so dort eine Depolarisation auslösen Chemische Synapsen Bei der chemischen Synapse wird durch ein eintreffendes AP die Ausschüttung eines Botenstoffs angestossen, der an der angeschlossenen Zelle eine sog. postsynaptisches Potential hervorruft. 3.2 Neurotransmitter Acetylcholin Meist Erregend GABA(Gamma-Amino-Butter-Acid) meist hemmmend Glutamat erregend im ZNS Glycin hemmend Noradrenalin Dopamin Serotonin Peptide - Substanz P - Leu-Enkephalin - Somatostatin 3.3 Synaptische Übertragung Wenn ein AP die präsynaptische Membran erreicht, löst die Depolarisation einen Ca 2+ -Einstrom aus, der wiederum den Vesikeltransport zur präsynaptischen Membran und Exocytose von Vesikeln aus dieser hervorruft. Jedes Vesikel enthält am Muskel z.b. etwa ACh-Moleküle. Jedes ausgeschüttete Vesikel erzeugt an der postsynaptischen Membran einen

4 Quantenstrom, einen kleinen Einstrom von Ionen. Die Summe von etwa 500 Vesikeln reicht beim Muskel für ein EPSP aus (Das in Nervenzellen dann wieder ein AP anstösst, deshalb auch ErregendensPostSynaptischesPotential) 3.4 Hemmende Synapsen Eine hemmende Synapse moduliert das Ruhepotential der postsynaptischen Zelle durch Veränderung von Ionenkonzentrationen, z.b. über Öffnung von K + - oder Cl - -Kanälen. Dies führt zu einer leichten Depolarisation, die aber nicht überschwellig wird. Dafür senkt sie den Membranwiderstand, wodurch die elektrotonischen Ströme stark abflachen, da sich die Potentialänderung über die Zeit und den Weg mit sinkendem Widerstand stark verkleinert (siehe oben). Somit muss für dieselbe Spannungsänderung wesentlich mehr Strom angelegt werden Hemmung 3.5 Summation von EPSP s Räumliche Summation Treten an 2 verschiedenen Synapsen, die beide auf ein Neuron gerichtet sind, EPSPs auf, so können sich die elektrotonischen Ströme, die diese erzeugen, am Axonhügel summieren Zeitliche Summation 2 AP s, die eine Synapse kurz hintereinander erreichen, können das EPSP verstärken. Wenn das erste EPSP noch nicht wieder auf das Ruhepotential zurückgegangen ist, setzt das zweite darauf auf. 4 allgemeine Sinnesphysiologie 4.1 Arten von Sensoren - Mechansensoren - Photosensoren - Chemische Sensoren - Temperatursensoren - Magnetosensoren 4.2 Reize Als Reiz bezeichnet man das physikalische Energiemuster, dass auf einen Primärrezeptor trifft und von diesem in ein neurales Signal übersetzt wird. Reize werden noch weiter unterschieden in proximale und distale Reize: Der proximale Reiz ist die direkt auf den Sensor wirkende Energie. Als distalen Reiz bezeichnet man den Ursprung der proximalen Reize. Ein Lichtquant beispielsweise ist ein proximaler, die Lampe die ihn aussendet der distale Reiz. 4.3 Adäquater Reiz Die Art unserer Empfindung wird nur durch die Verschaltung im ZNS bestimmt, nicht durch den Reiz (d.h. der Reiz kann von verschiedenen Sensoren evtl. anders wahrgenommen werden). Bestimmte Sensoren sind für einen spezifischen Reiz sensitiv. Auf andere Reize reagieren sie gar nicht oder nur mit einer sehr niedrigen Sensitivität. Dieses Beobachtung wird auch als Müller sches Gesetz über die spezifischen Sinnesenergien bezeichnet. 4.4 neurale Codierung Die Amplitude des Sensorpotentials wird in den nachgeschalteten Neuronen durch Frequenz- oder Temporalmodulation wiedergegeben. Für die Informationsübermittlung steht also nur eine begrenzte Datenkapazität zur Verfügung (die maximale Frequenz auf einem Axon ist durch die absolute Refraktärzeit begrenzt, die minimale Frequenz für ein Codezeichen muss nach den Erfordernissen der Umwelt gewählt werden) 4.5 Adaptation Um die Wahrnehmungsleistung zu steigern, werden meist konstante Komponenten aus dem Signal entfernt (Renormierung) und bevorzugt Signaländerungen übermittelt. Die Geschwindigkeit der Adaptation wird relativ zur Zeit gesehen, die das Rezeptorpotential benötigt, um auf 1/τ = 63% des Anfangswerts abzufallen. Sensoren, die eine zur Reizstärke proportionale Antwort zeigen, nennt man tonische Sensoren. Sensoren mit einer sehr kurzen Zeitkonstante τ nennt man phasische Sensoren. Sie übermitteln Änderungen des Reizes.

5 In vielen Sinnessystemen findet man Sensoren, die beide Eigenschaften integrieren, indem sie z.b. bei Änderung des Reizes mit einer starken tonischen Antwort reagieren und danach auf einen neuen Ruhewert adaptieren, den sie phasisch halten. 4.6 Mittel der sensorischen Adaptation - Input-Kontrolle: Pupillen-Anpassung, Ausbleichen der Photopigmente etc. - Response-Kompression:??? - Output-Kontrolle:??? - selektive Filterung: Kontrastüberhöhung 4.7 Habituation Reizspezifische Reaktionsabschwächung eher auf Verhaltensebene 4.8 Reizschwelle/Unterschiedsschwelle Unter dem Begriff absolute Reizschwelle versteht man den kleinsten adäquaten Reiz, der noch zu einer bewussten Wahrnehmung führt. Die Unterschiedsschwelle ist die kleinste Reizdifferenz, die noch bewusst unterschieden werden kann. 4.9 Das Webersche Gesetz R=c* R Es besteht eine lineare Beziehung zwischen der Unterschiedsschwelle R und dem Ausgangsreiz R, das bedeutet: In sensorischen Systemen wird Kontrastcodiert, die Wahrnehmung ist immer abhängig vom Ausgangsreiz 4.10 Das Fechner sche Gesetz E=k*log(R/R 0 ) Eine Empfindung E soll proportional dem Logarithmus von Reiz R zu Reizschwelle R 0 sein. Damit werden exponentiell Steigende Reizstärken linear empfunden. 5 Sehsyteme 5.1 Bereich des Sichtbaren Lichts Von ca. 400 bis 750nm Wellenlänge 5.2 Rezeptoren In der Retina der Augen finden sich 2 verschiedene Rezeptorzelltypen: Stäbchen- und Zapfenzellen. Die Stäbchenzellen enthalten den Sehfarbstoff Rhodopsin, der das Chromophor 11-cis-Retinal enthält. Sie bestehen aus einem Innenglied, das den Kern enthält und mit einer Synapse endet, und dem Außenglied, das viele sog. Disks enthält, die mit dem Rhodopsin besetzt sind. Die Zapfen enthalten ebenfalls eine lichtempindliche Verbindung, die sich nur um wenige Aminosäuren vom Rhodopsin unterscheiden, aber verschobene Absorptionsmaxima aufweisen. Sie sind damit vornehmlich für das Farbensehen verantwortlich. Die Zapfen sind morphologisch kleiner und besitzen keine Discs. 5.3 Phototransduktion Absorption eines Lichtquanten führt zu Strukturänderung des Retinals im Rhodopsin: 11-cis-Retinal -> all-trans-retinal Konformationsänderung des Rhodopsins -> Metarhodopsin Signalkaskade: - Transducin (3 Subunits) tauscht GDP durch GTP aus - T αgtp löst sich von den anderen Teilen und aktiviert Phosphodiesterase - PDE senkt [cgmp] - cgmp löst sich von Kationenkanälen, die dadurch schliessen Hyperpolarisierendes Rezeptorpotential sinkende Vesikelausschüttung an der Synapse Verstärkung um Faktor 10 7!

6 5.4 Adaptation des Sehsystems Verschiedene Mechanismen führen zu der erstaunlichen Wahrnehmungsspanne von bis zu 12 logarithmischen Schritten der Leuchtdichte: - Irisregulation - Niedrige [Ca 2+ ] (bei starker aktivierung des Sensors) aktiviert Guanylatcyklase mehr cgmp - Rhodopsine werden phosphoriliert und inaktivert (Arrestin) - Umschalten von photopischem zu skotopischen Sehen - neurale Systeme (antagonistische Verschaltung etc.) 5.5 Verschaltung der Bipolar- und Ganglienzellen in der Retina Die Photorezeptorzellen der Vertebratenretina aktivieren über eine Snyapse eine nachgeschaltete Bipolarzelle, die wiederum über Horizontal- und amakrine Zellen zu komplexeren rezeptiven Feldern zusammengefasst sind. Kontrastüberhöhung wird z.b. durch wechselseitige Inhibition erreicht. 5.6 Zentralnervöse Verarbeitung der Information Ziel Das Ergebnis der zentralnervösen Verarbeitung der Sensorinformation führt zu 3 Prozessen: Sensomotorik, Wahrnehmung und zielgerichtete Verhaltenssteuerung. Mit Sensomotorik sind schnelle unbewusste Raktionsmuster gemeint, wie Abwehrbewegungen o.ä. Wahrnehmung ist die bewusste Verarbeitung der Information (z.b. Farb- und Formerkennung), die zu bestimmten Raktionsmustern führen können, die genetisch determiniert oder erlernt sind Projektion ins Gehirn Nach der Kreuzung der affarenten Bahnen von den Sinneszellen der Retina in chiasma Opticon treffen diese im Corpus Geniculatum Laterale, einem Teil des Thalamus, streng retinotop zusammen und werden dann (unter anderem) in den occipitalen Kortex im hinteren Bereich des Gehirns weitergeleitet. (Im chiasma Opticon kreuzen nur diejenigen Bahnen, die für den contralateralen Bereich des Gesichtsfelds zuständig sind. Der Teil der Sensoren, die in einem Winkel liegen, der nur von einem Auge gesehen werden können (monoculares Feld) werden ipsilateral verschaltet, sodaß am Ende in einem Hirnteil alle Informationen über die gegenüberliegende Gesichtsfeldhälfte zusammenkommen ) 5.7 Farbwahrnehmung Allgemeines Wie oben bereits besprochen sind die Zapfenzellen, die sich vorwiegend in der Retina befinden, für die Farbwahrnehmung verantwortlich. Beim Menschen gibt es 3 verschiedene Zapfen, die sich durch den in ihnen benutzten Sehfarbstoff unterscheiden. Die Struktur der 3 Farbstoffe ist der des Rhodopsins sehr ähnlich und unterscheidet sich nur durch wenige Aminosäuren im Opsinteil, das Retinal ist immer das gleiche. Durch die kleinen Veränderungen kommt es aber zu einer Verschiebung des Absorptionsmaximums. Dadurch kann langwelliges, mittelwelliges und kurzwelliges Licht unterschieden werden (trichromatisches Sehen). Der einzelne Photosensor zählt einfach nur, wieviele Lichtquanten seines Absorptionsbereichs eintreffen. Erst durch die neuronale Verarbeitung entsteht ein Farbeindruck Neuronale Verschaltung Auf der untersten Ebene werden die affarenten Bahnen von den Zapfenzellen in sogenannten Gegenfarbneuronen verarbeitet. Um z.b. die Farbe Gelb zu codieren, die ja durch Mischung von rotem und grünem Licht entsteht (oder durch eine Wellenlänge die genau zwischen den Absorptionsmaxima des Mittel und Langwelligen Rezeptors liegt -> metamere Farbmischung), werden die Signale des M und des L-Rezeptors in 2 Gegenfarbneurone so verschaltet, daß gleichzeitige Aktivierung einen eigenen Weiterleitungskanal aktiviert, wogegen Mischung von z.b. S und L auch auf mehreren Bahnen übermittelt wird. Um die Gesamthelligkeit des Bildes zu messen, werden alle 3 Eingänge excitatorisch auf ein Neuron verschaltet, das relativ zur Eingangsstärke ein

7 Signal weitergibt. Farbeindruck und andere Differenzierungen finden dann auf zentralnervöser Ebene statt Farbräume Nach diesem Modell (oder einfach durch Beobachtung der Eigenschaften des menschlichen Farbempfindens: Gegenfarbtheorie, Komplementärfarben) lassen sich Farben numerisch beschreiben. Aus der trichromatischen Theorie heraus wurde ein Farbraum aufgestellt, der jede Farbe als Vektorsumme mit den Komponenten P 1, p 2, p 3 und der Helligkeit beschreibt. Die p s stehen dabei für den Anteil einer der drei Rezeptortypen: F = Ae A + Be B + Ce C 6 Rhythmogenese Ein Rhythmus ist die identische Wiederholung der zeitlichen Abfolge von Änderungen einer Variablen. 6.1 ZMG Der zentrale Mustergenerator ist ein Oszillator, der über efferente Bahnen anderen Parametern seine Grundschwingung aufzwingt und so mittelbar die Effektoren an sich koppelt. Er kann auch als Schrittmacher fungieren, d.h. auf andere Mustergeneratoren Einfluß nehmen. Der ZMG muss nicht zwingend nur aus einer Zelle bestehen(konditionaler Oszillator), sondern kann auch ein Netzwerk von mehreren Zellen sein (Netzwerkoszillator).