Dozentenscript Kurstag 2: Allg. Histologie & Zellbiologie des Nervengewebes

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1 Dozentenscript Kurstag 2: Allg. Histologie & Zellbiologie des Nervengewebes Inhalt Histol. Färbungen des Nervengewebes Neuron Synapse Glia peripherer Nerv Klinik mc-übungsfragen 10 Ziele: Vertiefung der histologischen und zellbiologischen Grundlagen, ohne die ein Verständnis der Hirnfunktionen nicht möglich ist. Es ist ein ziemlich theoretischer, aber vom Stoff auch sehr wichtiger Kurstag. Sollten Sie nicht alle Aufgaben im Kurs schaffen, arbeiten Sie sie unbedingt zu Hause nach. Kursmaterial pro Tisch: Binokularlupen, Mikroskope, histologische Präparate Theoretische Voraussetzungen: Kenntnisse der speziellen Histologie des Nervengewebes sowie der allgemeinen Zellbiologie von Neuronen und Gliazellen (Vorlesungen Histologie, Neuroanatomie, Neurophysiologie). Schauen Sie sich im freien Mikroskopieren unbedingt noch einmal die Präparate Nerv quer/längs, Spinalganglion und Rückenmark an Histologische Färbungen des Nervengewebes (ca min) Es gibt im Wesentlichen 3 klassische Grundmethoden zur histologischen Darstellung des Nervengewebes, die Sie am Präparat unterscheiden können müssen. Moderne Methoden können im Kurs leider nur theoretisch behandelt werden Erklären Sie die Unterschiede zwischen A] Myelinfärbungen (Markscheidenfärbungen), B] Zellkörper- /Zellkernfärbungen (z.b. Nissl, Kresylviolett) und C] Versilberungen (z.b. Golgi, Cajal). A B C gefärbte Struktur Myelin, d.h. Nervenfasern alle Perikarien einzelne Neurone sichtbar Myelindicke einzelner Nervenfasern, Anteil der Fasern am der Perikarien, Form, Größe, Dichte, Verteilung Nervengewebe, Verlauf der Fasern/Faserbündel nicht sichtbar Anwendungen zugehörige Perikarien, nichtmyelinisierte Fasern, Dendriten, Gliazellen Untersuchung der Faserdicke und des Verlaufs, Diagnostik von Demyelinisierungserkrankungen, etc. zugehörige Axone & Dendriten, Zellkörper von Gliazellen Untersuchung der Neurondichte und -verteilung, Diagnostik div. Erkrankungen (z.b. Alzheimer), etc. einzelne Perikarien, mit +/- allen Axonen, Dendriten, Dornen Dichte und Verteilung der Neurone, viele Gliazellen Untersuchung der Gesamtmorphologie eines Neurons, Synapsen, Verschaltungen, etc. Präparat Cerebellum, Übersichtsvergr. Cerebellum, Purkinjezellen Cerebellum, Purkinjezelle Auf den Fensterbänken stehen Lupen und Mikroskope mit ausgewählten Präparaten und deren Beschreibung bereit. Schauen Sie sich im Verlauf des Kurses diese Präparate an. Die erste Frage, die Sie sich jeweils stellen müssen, ist die nach dem Färbungstyp. Erst dann können Sie entscheiden was sichtbar ist und sich genauer mit dem Präparat befassen Die Färbungstypen werden oft auch auf makroskopische Präparate angewandt. Welche Strukturen sind dann gefärbt/erkennbar? RW 2005 * Institut für Anatomie & Zellbiologie * Philipps-Universität Marburg 1

2 Diskutieren Sie kurz wie moderne histologische Verfahren funktionieren und was mit Ihnen darstellbar ist. A Immunhistochemie (ICH) B Laser-Scanning-Mikroskopie (LSM) C In situ Hybridisierung (ISH) D single cell injection (SCI) E tracing F Laser-capture microdissection (LCMD) A Nachweis/Lokalisation bestimmter Moleküle in Zellen/Geweben mittels Antikörper B wie A, jedoch mit verbesserter Auflösung und Möglichkeit zu Mehrfachmarkierungen und 3D-Rekonstruktion C Nachweis/Lokalisation spezifischer mrnas oder anderer spezifischer RNA/DNA-Sequenzen D Mikroinjektion einzelner Zellen zur 3D-Darstellung oder Analyse von mittels gap junctions verbundener Koppelungsgruppen von Zellen E Mikroinjektion von Farbstoffen/Molekülen/Viren, die sich anterograd und/oder retrograd über Synapsen verbreiten zur Analyse neuronaler Verbindungen und Netzwerke F Isolierung einzelner Zellen aus dem Gewebsverband für die Einzelzellanalyse Neurone (ca. 15 min) Kennzeichnen Sie in der Abbildung die folgenden Abschnitte eines Neurons und beschreiben Sie deren Aufgaben. Kennzeichnen sie mit einem Pfeil die Richtung der Erregungsleitung. Welches ist das afferente, welches das efferente Neu- RW 2005 * Institut für Anatomie & Zellbiologie * Philipps-Universität Marburg 2

3 ron? A - Dendrit; B Perikarion; C Axonhügel; D Axon; E Synapse A: Aufnahme afferenter Erregungen und Generation von synapt. Potentialen; B: gesamter Neuronstoffwechsel; C: Generation von APs; D: Efferenz des Neurons, Leitung der APs; E: chemische Erregungsübertragung Zeichnen Sie - schematisch - die vier morphologischen Haupttypen von Neuronen (mit Dendrit, Perikarion, Axon, Synapse) und geben Sie jeweils ein Beispiel an Im Verlauf des Kurses und in den Prüfungen werden Sie immer wieder neuronale Schaltkreise zeichnen müssen. Machen Sie sich zunächst klar, welche 3 Teile und welche Eigenschaft eines Neurons für seine schematisch/funktionelle Darstellung ausreichend sind. Erklären Sie dann anhand von einfachen Schaltzeichnungen die folgenden Begriffe RW 2005 * Institut für Anatomie & Zellbiologie * Philipps-Universität Marburg 3

4 Beschriften Sie in der EM-Zeichnung eines Neurons die folgenden Strukturen: A Dendrit; B Perikarion; C Axonhügel; D Axon; E Nucleus; F Nucleolus; G Kernpore; H rer (= Nissl- Schollen); I Mitochondrien; J - Golgi-Apparat; K - Microtubuli/Neurofilamente; L synaptisches Endköpfchen; M synaptische Vesikel; N postsynaptische Verdichtung; O synaptischer Dorn; P axo-dendritische Synapse; Q axosomatische Synapse; R axo-axonale Synapse Machen Sie sich anhand der Abbildung die Transportvorgänge in Neuronen klar und füllen sie dann die Tabelle aus. RW 2005 * Institut für Anatomie & Zellbiologie * Philipps-Universität Marburg 4

5 dendritischer Transport langsamer axonaler Transport schneller anterograder Transport schneller retrograder Transport Richtung Motor Leitstruktur Transportgut Geschwindigkeit ungerichtet Kinesine, Dyneine Microtubuli &? alle in der Peripherie 0,5 100 mm/tag bzw.? benötigten überwiegend anterograd Komponenten keine bzw.? keine bzw.? z.b. Filamentproteine, Clathrin, andere cytoplasm. Proteine Richtung Synapse Kinesine Microtubuli von nach + Richtung Soma Dyneine Microtubuli von + nach - z.b. Vesikel, Mitochondrien z.b. Endosomen, aktivierte Wachstumsfaktoren 0,5 5 mm/tag mm/tag mm/tag Synapse (ca. 15 min) Erklären Sie den Unterschied zwischen elektrischen und chemischen Synapsen. Wo kommen sie vor? elektrisch: Leitungsart: kontinuierliche elektrische Erregungsleitung (Potential Potential; elektrotonische Leitung) Leitstruktur: Gap junctions Richtung: ungerichtete Übertragung Beeinflussung: chemisch (Medikamente) nur schwer beeinflussbar Vorkommen: häufig zwischen Herzmuskelzellen, in einigen kleineren Neurongruppen, z.b. im Hypothalamus, zwischen Astrozyten chemisch: Leitungsart: diskontinuierliche Erregungsleitung (Potential Transmitter Potential) Leitstrukturen: Endköpfchen, synapt. Spalt, postsynaptische Strukturen Richtung: immer gerichtet Beeinflussung: über Transmitter & Rezeptoren durch Medikamente gut beeinflussbar Vorkommen: häufigste Synapsenform im NS Kennzeichnen Sie in der Abbildung die folgenden chemischen Synapsentypen: A Dornsynapse, B Schaftsynapse, C axo-dendritische Synapse, D axo-somatische Synapse, E axo-axonale Synapse Zeichnen Sie das Schema einer chemischen Synapse mit folgenden Strukturen: A - synaptisches Endköpfchen, B - synaptische Vesikel, C - Mitochondrien, D - präsynaptische Membran, E - präsynaptische Verdichtung,ung, F - synaptischer Spalt, G - freier Neurotransmitter, H - postsynaptische Membran, I postsynaptische Verdichtung RW 2005 * Institut für Anatomie & Zellbiologie * Philipps-Universität Marburg 5

6 Im Elektronenmikroskop lassen sich 2 Haupttypen chemischer Synapsen unterscheiden (Gray I & II). Wie unterscheiden sich die beiden Typen? Machen Sie sich klar, dass für die chemische Signalübertragung eine Vielzahl molekularer Vorgänge notwendig ist: Transmittersynthese, -typen, -verpackung, -transport, potentialabhängige Aktivierung, Docking, Exocytose, Rezeptorbindung, Generation der synapt. Potentiale, Transmitterinaktivierung, -endocytose, -recycling, -abbau, -entsorgung, usw. Diese Vorgänge werden in der integrierten Neuranatomie-/Physiologie-Vorlesung +/- ausführlich behandelt und sind natürlich Lern- und Prüfungsstoff. Im Kurs können wir darauf nicht eingehen. Beispielhaft sollen Sie an der folgenden Abbildung kurz Mechanismen der monoaminergen Neurotransmission rekapitulieren Machen Sie sich anhand der Abbildung die wichtigsten Schritte des Vesikel-Kreislaufs klar. RW 2005 * Institut für Anatomie & Zellbiologie * Philipps-Universität Marburg 6

7 02.04 Glia (ca. 15 min) Machen Sie sich anhand der Abbildung klar, wie groß der Anteil der Gliazellen : Neurone : Blutgefäßzellen am ZNS ist Machen Sie sich anhand der Abbildung klar, welche Haupttypen von Gliazellen es gibt, welche Aufgaben sie haben und welcher Herkunft sie sind Beschriften sie in der Abbildung die wichtigsten Zelltypen des ZNS & PNS. RW 2005 * Institut für Anatomie & Zellbiologie * Philipps-Universität Marburg 7

8 Beschreiben sie die Unterschiede zwischen den beiden Haupttypen von Astrocyten Nennen Sie möglichst viele Aufgaben von Astrocyten. Blut-Hirn-Schranke, Stoffaustausch mit Gefäßen, Stoffaustausch mit Neuronen, Regulation der lokalen Homöostase, Regulation der synaptischen Plastizität, Kompartimentierung, Wachstumsfaktorproduktion, Glianarben, Phagozytose(?), Antigenpräsentation (?), Transmitterabbau / -recycling, usw. usw Wie Unterscheiden sich myelinisierende Oligodendrocyten und myelinisierende Schwann-Zellen morphologisch und bezüglich der Axon-Regeneration? Oliogdendrocyten umscheiden Abschnitte mehrerer Axone und hemmen die Axonregeneration (keine zentrale Regeneration) Schwann-Zellen umscheiden einen Abschnitt eines einzigen Axons und fördern die Axonregeneration (relativ gute periphere Regeneration) Nennen Sie Eigenschaften und Funktionen der Mikroglia (auch Mesoglia oder Hortega-Zellen genannt). * mesodermaler Herkunft * einzige nicht ortsständige Zellen des ZNS * mit ca. 5 µm kleinste Zellen des ZNS * entsprechend dem physiologischen Zustand (ruhend, aktiviert - nicht phagocytierend, aktiviert phagocytierend) existieren unterschiedliche morphologische Formen * Aktivierung durch Trauma, Detritus, Infektionen, etc. * gehören dem mononucleären phagocytotischem System an (entsprechen funktionell in etwa Makrophagen) Welche Bedeutung hat Radialglia für die Entwicklung des Endhirncortex? Wo kommt Radialglia auch noch im adulten ZNS vor?. * Die corticale Schichtung entwickelt sich entlang der Radialglia * Bergmann-Glia im Cerebellum; Müller-Glia der Retina peripherer Nerv (ca. 5 min) Beschreiben Sie anhand der Abbildung den Unterschied zwischen unmyelinisierten und myelinisierten Nervenfasern. RW 2005 * Institut für Anatomie & Zellbiologie * Philipps-Universität Marburg 8

9 Beschriften sie in der Abbildung eines Nervenquerschnitts folgende Strukturen: A Epineurium; B Blutgefäß; C - Perineurium; D unmyelinisiertes Axon; E Myelin; F Schwann-Zelle; G Endoneurium, H Erythrozyt Klinik (ca. 10 min) Überlegen Sie, wo an einem Neuron Sie am Besten mit Medikamenten in das neuronale Geschehen eingreifen können. Welche Prozesse lassen sich dort beeinflussen? Kennen Sie schon Medikamente, die hier wirken? Synapse: Transmittersynthese, -transport & -verpackung, Transmitterfreisetzung, Transmitter-Rezeptor-Bindung, Transmitterrecycling/-abbau Um was handelt es sich bei dem braunen Bereich um die Hirnzyste? Welche Bedeutung hat diese Struktur? Welche pathologischen Veränderungen erkennen Sie im CT-Scan? Um welche Erkrankung handelt es sich wahrscheinlich? Auf welchen Zelltyp ist die überwiegende Mehrheit der adulten Hirntumore zurückzuführen? Gliome, häufig Astrocytome RW 2005 * Institut für Anatomie & Zellbiologie * Philipps-Universität Marburg 9

10 Die Kenntnis der Drogenwirkung im ZNS, Mechanismen der Abhängigkeitsentwicklung, etc. sind mittlerweile ein großes Gebiet der Neurologie und Psychiatrie. Machen Sie sich anhand der Abbildung den Wirkmechanismus von Drogen im ZNS am Beispiel des Cocains klar mc-übungsfragen (Hausaufgabe) Bei welchem Zelltyp handelt es sich nicht um zentrale Gliazellen? A] Tanyzyten B] Pituizyten C] Ependymzellen D] Satellitenzellen (PNS) E] Astrozyten Welche Aussage zu Astrocyten ist falsch? A] Sie haben Kontakt zu Blutgefäßen. B] Sie sind am Recycling/Abbau mancher Transmitter beteiligt. C] Sie haben Kontakt zu Schwann-Zellen. (PNS) D] Sie haben Kontakt zu Neuronen. E] Sie sind häufig über Gap junctions untereinander verbunden und bilden so funktionelle Koppelungsgruppen Welche Aussage zu Synapsen ist falsch? A] Bei elektrischen Synapsen ist die Erregungsleitung in beiden Richtungen möglich. B] Neurotransmitter werden mittels membranständiger, vesikulärer Transmitter-Transportern aus den Vesikeln freigesetzt. (in die Vesikel aufgenommen) C] Transmitter-Rezeptoren können auch auf der präsynaptischen Membran vorkommen. D] GABA ist typischerweise ein inhibitorischer Neurotransmitter E] Im synaptischen Spalt gibt es Transmitter-abbauende/-inaktivierende Enzyme Welche Aussage zu Nerven ist falsch? A] Periphere, nicht-myelinisierte Axone haben keinen Kontakt mit Schwann-Zellen. (sind ebenfalls in Schwann eingebettet) B] Das Epineurium ist die äußere bindegewebige Hülle eines Nerven. C] In einem peripheren Nerv können myelinisierte und unmyelinisierte Fasern nebeneinander vorkommen. D] Die Leitungsgeschwindigkeit einer Nervenfaser steigt mit der Dicke der Myelinschicht. E] Das Endoneurium ist das Bindegewebe zwischen den einzelnen Nervenfasern Welche Aussage zu pathologischen Veränderungen des Nervensystems ist falsch? A] Die meisten Hirntumore entwickeln sich aus entarteten Neuronen. (Gliazellen) B] Astrocyten bilden um pathologisch veränderte Regionen eine Trennschicht (= Glia-Narbe) C] Bei Multipler Sklerose werden Myelin/Oligodendrocyten vom körpereigenen Immunsystem zerstört. D] Drogen greifen an unterschiedlichen Stellen in das synaptische Geschehen ein. E] Nach der Durchtrennung einer Nervenfaser degeneriert grundsätzlich der Teil, der keine Verbindung zum Perikarion mehr hat. RW 2005 * Institut für Anatomie & Zellbiologie * Philipps-Universität Marburg 10