Fragen zur Vorlesung Tierphysiologie: Teil Neurobiologie, Sinne, Verhalten 2. Semester (Harald Wolf)

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1 Fragen zur Vorlesung Tierphysiologie: Teil Neurobiologie, Sinne, Verhalten 2. Semester (Harald Wolf) (Anzahl und Schwierigkeit der Fragen reflektieren in etwa den gebotenen Vorlesungsstoff. Bitte nicht durch spitzfindige Fragen irritieren lassen: sie dienen evtl. v.a. als Anregung zum Nachdenken über bestimmte Probleme und zur möglichst vollständigen Abdeckung der Vorlesungsthemen.) Die kursiv gedruckten Fragen kamen in der Vorlesung 2011 nicht explizit zur Sprache, sind aber der Vollständigkeit halber in ihrem Kontext erwähnt. 1. Nennen Sie die Hauptabschnitte des Säugerhirns und ihre grobe Funktion! 2. Skizzieren Sie einen Querschnitt durch das Rückenmark und benennen Sie die Hauptstrukturen 3. Was versteht man unter einer sog. Homunculus-Karte, und welche Funktionen könnte sie erfüllen?. 4. Skizzieren Sie grob den Schichtenaufbau der Hirnrinde und nennen Sie die wichtigsten funktionellen Unterschiede zwischen Schichten (falls geläufig, können Sie die Funktionen den jeweiligen Schichten zuordnen, ansonsten machen Sie eine generelle Aussage)!. 5. Was ist der Unterschied zwischen dem sogenannten Broca- und dem Wernicke-Areal des menschlichen Cortex? 6. Nennen Sie die wichtigsten Stationen der sog. Sehbahn und deren jeweilige Hauptfunktion! Welche Parameter werden jeweils (vor-)verarbeitet? 7. Welche Wissenschaftsbereiche umfasst die Neurobiologie? Nennen Sie die wichtigsten Teildisziplinen bzw. die entsprechenden organismischen Organisationsebenen! 8. Nennen Sie die unter neurobiologischen Gesichtspunkten wichtigsten Unterschiede zwischen Tieren und Pflanzen!. 9. Was sind die Hauptunterschiede und was die Gemeinsamkeiten zwischen neuronaler und hormonaler Informationsübertragung? 10. Skizzieren Sie eine Nervenzelle und benennen Sie die wichtigsten Strukturen! 11. Welche Methoden sind Ihnen geläufig, um Neuronen (-populationen) mehr und weniger selektiv zu markieren? Unterscheiden Sie Markierungsmethoden, die auf morphologischen von solchen, die auf physiologischen Eigenschaften der markierten Zellen beruhen! 12. Welches sind die grundsätzlichen Unterschiede zwischen Nervenzellen bei Wirbeltieren und Wirbellosen, und wie manifestieren sich diese im Aufbau des ZNS? 13. Welche zellulären Filamenttypen sind am sog. axoplasmatischen Transport beteiligt? Wie wird bei diesen Filamenttypen die Transportfunktion molekular realisiert?. 14. Welche Funktion hat der axoplasmatische, oder axonale, Transport?. 15. Welche Typen von Gliazellen kennen Sie? Welche Hauptfunktionen erfüllen diese Typen? 16. Was ist die Blut-Hirn Schranke und wodurch wird sie gebildet? Welcher Zelltyp besitzt im ZNS Immunkompetenz? 17. Skizzieren Sie Aufbau und Funktion der sog. Myelinscheide, welche die Axone der Wirbeltiernervenzellen umgibt. Wo liegt hier der Unterschied zwischen zentralem und peripherem Nervensystem?

2 18. Weshalb haben Caenorhabditis elegans und Drosophila melanogaster eine solch große Bedeutung für die Neurobiologie (und auch die Entwicklungsbiologie)? 19. Was ist der Unterschied zwischen sog. Determinations- und Regulationskeimen? 20. Wie wächst ein Axon? Unterscheiden Sie zwischen der Vergrößerung der Membranfläche und der Verlängerung des Zytoskeletts! 21. Was ist ein Wachstumskegel (growth cone)? Welche physiologisch wichtigen Strukturen trägt er? 22. Was sind Lamelli- bzw. Filopodien und welche Funktion haben sie? 23. Was versteht man unter Faszikulation von Axonen? Wodurch wird sie vermittelt und inwiefern ist sie spezifisch? 24. Welche Funktion haben Pionierneurone (-zellen)? 25. Was versteht man unter Zelladhäsion und durch welche molekularen Mechanismen wird sie vermittelt? 26. Vor welchen Hauptproblemen steht eine Nervenzelle bei der Entwicklung des Nervensystems in einem höheren Organismus? Welche Hauptmechanismen nutzt sie, um diese Probleme zu lösen? 27. Welche Klassen von Adhäsionsmolekülen kenne Sie? Was bedeuten in diesem Zusammenhang die Begriffe homo- und heterophil? 28. Was sind Radialgliazellen, und welche Aufgabe erfüllen sie? 29. Weshalb wird stereoskopisches Sehen und damit beispielsweise das Einschätzen von Entfernungen unmöglich, wenn während der frühen Kindheitsentwicklung ein Auge völlig verschlossen wird oder Augenfehlstellungen vorliegen? 30. Werden Nachbarschaftsbeziehungen in der Sehbahn (und anderswo) durch synchrone oder asynchrone Aktivität benachbarter Nervenzellen signalisiert? 31. Welche (unterschiedlichen) Konsequenzen hat die Entfernung der Struktur auf die Entwicklung der neuronalen Versorgung im Embryo, 1. im Falle einer Extremitätenknospe für die betreffenden Motoneurone, 2. im Falle des optischen Tectums für die Projektionen der Retina? 32. Weshalb sterben bei der frühkindlichen bzw. spätembryonalen Entwicklung etwa die Hälfte der ursprünglich gebildeten Motoneurone (wie auch vieler anderer Nervenzellen) wieder ab? 33. Welche Größe und welche Polarität hat in etwa das Ruhepotential einer Nervenzelle, bzw. einer beliebigen anderen Körperzelle? 34. Weshalb ist die Bezeichnung Ruhe potential für das Membranpotential einer Zelle irreführend? Und wie kommt das Potential zustande? 35. Wie ist in etwa die Verteilung der wichtigsten drei Ionen über einer tierischen Zellmembran, insbesondere der eines Neurons? 36. Geben Sie die Nernst-Gleichung für Chlorid-Ionen an! Welche Aussage erlaubt das aus einem bestimmten Konzentrationsverhältnis errechnete Potential? 37. Geben Sie die Goldmann-Gleichung an! Welche Aussage erlaubt diese Gleichung in Bezug auf das Membranpotential einer Zelle? 38. Skizzieren Sie das Ersatzschaltbild einer (Nerven-)Zelle unter Berücksichtigung der wichtigsten Kapazitäten und Widerstände, inklusive veränderlicher Leitfähigkeiten (Ionenströme)! 39. Was versteht man unter der sog. Patch-clamp Technik? Wozu wird diese Technik vorwiegend eingesetzt?

3 40. Was ist der grundsätzliche Gedanke der sog. "Spannungsklemme" Was kann man damit erreichen? 41. Welches sind die wesentlichen Unterschiede zwischen aktiver und passiver Fortleitung elektrischer Signale über die Zellmembran? 42. Welche Parameter bestimmen die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Aktionspotentials über ein Axon? 43. Was versteht man unter der sog. Längskonstante? Was versteht man unter der Zeitkonstante? 44. In welchen ungefähren Größenordnungen bewegen sich die Längskonstanten und Zeitkonstanten von Nervenzellen? 45. Wie müßte der Durchmesser eines nicht myelinisierten Axons geändert werden, damit die Leitungsgeschwindigkeit 100 mal schneller wird. Um welchen Faktor würde sich in diesem Fall das Volumen des Axons ändern? 46. Was versteht man unter einem exzitatorischen, was unter einem inhibitorischen postsynaptischen Potential (EPSP und IPSP)? 47. Welche Ionenleitfähigkeiten können inhibitorische postsynaptische Potentiale (IPSPs) vermitteln, und weshalb? 48. Wie entsteht ein Aktionspotential und welche Ionenleitfähigkeiten sind vorwiegend daran beteiligt? 49. Welche Bedeutung besitzen die spannungsgeschalteten Kaliumkanäle für die Bildung eines Aktionspotentials? 50. Zeichnen Sie den Na + - und den K + -Strom während eines Aktionspotentials in ein Diagramm (Beschriftung). Woran erkennt man, ob die Ionen in die Zelle hinein oder aus ihr heraus fließen? 51. Bei welchem Potential liegt (im Durchschnitt) die Schwelle zur Auslösung eines Aktionspotentials, und wodurch wird die Höhe dieser Schwelle bestimmt? 52. Was versteht man unter der sog. Refraktärzeit, und weshalb ist diese für die gerichtete Ausbreitung eines Aktionspotentials unabdingbar? 53. Schätzen Sie grob ab, wie viele Aktionspotentiale eine Nervenzelle generieren kann, wenn die membranständigen Ionenpumpen ausgefallen sind! 54. Skizzieren Sie grob die molekulare Struktur des spannungsgeschalteten Natriumkanals (auf der Ebene von Transmembran-Helices etc.)! Geben Sie grob an, wie die Spannungsempfindlichkeit des Kanals vermittelt wird!! 55. Wenn man annimmt, dass zur Auslösung eines Aktionspotentials eine Depolarisation von 50 mv ausreichend ist, welcher makroskopischen Feldstärke (in V/cm) entspricht eine solche Spannungsänderung in etwa? 56. Skizzieren Sie grob den Vorgang der saltatorischen Erregungsleitung und erläutern Sie, warum dies die Fortleitungsgeschwindigkeit erhöht! 57. Was ist und wie wirkt Tetrodotoxin? 58. Weshalb gehören Neurotoxine zu den wirksmsten Giften in der Natur? 59. Skizzieren Sie, in welcher Art und Weise eine einzelne Nervenzelle rhythmische Spike-Aktivität erzeugen kann! Welche Rolle spielen hierbei durch Calcium-Ionen aktivierte Kaliumströme? 60. Skizzieren Sie die Struktur einer elektrischen Synapse! Wie kommt der enge und elektrische Kontakt zu Nachbarzellen zustande?

4 61. Skizzieren Sie die Struktur einer chemischen Synapse und benennen Sie die wichtigsten Elemente! 62. Ein paar Zahlen (ungefähre Zahlenangaben reichen!): Wie dick ist eine Elementarmembran? Wie groß ist das Ruhepotential einer Zelle und welche Polarität hat es? Wie groß sind die Konzentrationen an Natrium- und Kalium-Ionen innerhalb und außerhalb einer Zelle? In welchem Bereich bewegt sich die Leitungsgeschwindigkeit von Axonen? Wie groß können Längskonstanten und Zeitkonstanten von Axonen in etwa sein? Wie lang können Axone von Nervenzellen werden? Wie schnell läuft der schnelle axonale Transport? Wie viele Nervenzellen enthält in etwa das menschliche Gehirn, und wie viele Gliazellen? Wievielfach kann eine intrazelluläre Signalkaskade mittels Second-Messengern das ursprüngliche Signal in etwa verstärken? Wieviele Glomeruli enthält der Riechkolben eines typischen Säugers, und wieviele Typen olfaktorischer Rezeptorzellen gibt es in der Riechschleimhaut? 63. Nennen Sie die wichtigsten Stoffklassen synaptischer Transmittersubstanzen! 64. Wie "funktioniert" eine erregende Synapse, und wie eine hemmende? 65. Welche Transmitter vermitteln normalerweise hemmende und welche erregende postsynaptische Potentiale? 66. Weshalb enthalten synaptische Boutons normalerweise sehr viele Mitochondrien? 67. Wie vermittelt ein Aktionspotential an der synaptischen Endigung die Transmitterausschüttung? 68. Nennen Sie zwei beliebige Substanzen, die sowohl als Neurotransmitter wie als Hormon wirken können! 69. Falls ein synaptisches Endknöpfchen mehr als einen Vesikeltyp enthält, welche Funktion kommt diesen dann zu? 70. Wie viele Transmittervesikel können auf ein Aktionspotential hin von einem synaptischen Endknöpfchen ausgeschüttet werden? Geben Sie einen groben Bereich an! 71. Welche wichtigen Proteine trägt ein synaptisches Vesikel in seiner Membran und welche Funktionen erfüllen diese? 72. Nennen Sie zwei Gifte, die an der neuromuskulären Synapse ansetzen und benennen Sie deren Wirkung! 73. Welches sind die beiden wichtigsten Typen von Ionenkanälen in der Axonmembran einer Nervenzelle? 74. Welches sind die beiden wichtigsten Klassen von Ionenkanälen in der subsynaptischen Membran einer Nervenzelle? Nennen Sie jeweils ein Beispiel! 75. Welches sind die beiden wichtigsten Klassen von Ionenkanälen in den Rezeptormembranen von Sinneszellen? Und in welchen Sinnesmodalitäten werden sie eingesetzt? 76. Nennen Sie drei wichtige Typen von intrazellulären Messengern! 77. Skizzieren Sie die Funktionsweise des sog. NMDA-Rezeptors! Welche besondere Rolle schreibt man diesem Rezeptortyp in der Hirnfunktion zu? 78. Was versteht man unter Summation, und welche beiden Typen sind hier zu unterscheiden?

5 79. Was versteht man unter Bahnung und welcher zelluläre Mechanismus liegt ihr zugrunde? 80. Welches sind die grundsätzlichen drei Funktionen von Sinneszellen? 81. Was ist der Unterschied zwischen primären und sekundären Sinneszellen? 82. Warum sind die meisten Rezeptoren bzw. ihre ableitenden Neuronen phasisch aktiv? 83. Skizzieren Sie kurz den Transduktionsprozess bei einer olfaktorischen Sinneszelle! 84. Was ist und wozu dient das Vomeronasalorgan? 85. Was ist ein Glomerulus und welche Rolle spielt er bei der Geruchskodierung? 86. Skizzieren Sie den Längsschnitt durch einen Geruchsrezeptor auf der Antenne eines Schmetterlings! 87. Wozu dient bei den Sinneshaaren der Insekten der Rezeptorlymphraum, und wodurch ist die Rezeptorlymphe ausgezeichnet? 88. Wie heißen und welche Rolle spielen die Hüllzellen, welche die Sinneszellen beim Mechanorezeptor eines Insekts umgeben? 89. Welche Orientierungsstrategie verfolgt ein Tier, das sich auf eine Duftquelle zu bewegen möchte? 90. Wie kommt die Richtungsempfindlichkeit von Mechanosensoren zustande a) bei filiformen Haaren der Insekten? b) bei den Haarzellen der Wirbeltiere? 91. Wie wird im ZNS der Insekten die Richtung eines auf die Cerci treffenden Windreizes kodiert? 92. Nennen Sie die drei wichtigsten Typen von Mechanorezeptoren bei Insekten, sowie je ein Beispiel für davon gebildete komplexere Sinnesorgane! 93. Skizzieren Sie die Haarzelle eines Wirbeltiers und geben Sie den Transduktionsmechanismus für mechanische Reize an! 94. In welchen drei Typen von Sinnesorganen der Wirbeltiere kommen Haarzellen vor? Geben Sie jeweils ein konkretes Beispiel! 95. Wozu dienen äußeres Ohr und Gehörknöchelchen? 96. Skizzieren Sie eine Windung der Cochlea im Querschnitt und benennen Sie die wichtigsten Strukturen! 97. Aufgrund welcher Prinzipien erfolgt die Frequenzabbildung im Innenohr? 98. Worin besteht der aktive Beitrag von Haarzellen zum Hörvorgang? 99. Was versteht man unter einer akustischen Fovea? 100. Welche Parameter des Schalls kann ein Organismus mit zwei Hörorganen (Ohren) zur Lokalisation einer Schallquelle nutzen? 101. Worin besteht der Hauptunterschied bei Erzeugung einer topographischen Repräsentation der Umwelt beim visuellen System und beim Hörsystem? 102. Was sind die sog. Weber'schen Knöchelchen? 103. Geben sie die Formel für die Berechnung der Schallintensität in db an! 104. Wie kommt die Adaptation von Haarzellen des Innenohrs auf der zellulären Ebene zustande? 105. Wieviele Haarzellen besitzt ein Mensch in etwa in seinem Innenohr, und wie verteilen sich diese?

6 106. Welche grundsätzlichen Typen von Lichtsinnesorganen kennen Sie? 107. Was ist der Unterschied zwischen eversen und inversen Augen; geben Sie jeweils ein Beispiel! 108. Skizzieren und vergleichen Sie die Photorezeptoren eines Vertebraten und eines Insekts! 109. Welche Unterschiede gibt es zwischen den Stäbchen und Zapfen der Retina? 110. Skizzieren Sie kurz den Transduktionsprozess im Photorezeptor der Vertebraten! 111. Wodurch kommt die Adaptation der Photorezeptoren bei Vertebraten zustande? 112. Skizzieren Sie die Grundlagen des Farbensehens beim Menschen; berücksichtigen Sie dabei das trichromatische Farbensehen und die tetrachromatische Farbwahrnehmung! 113. Geben Sie die grundsätzlichen in der Retina des Menschen vorhandenen Zelltypen an und skizzieren Sie deren grobe Verschaltung! 114. Was versteht man unter Fovea centralis und Blindem Fleck, und wodurch sind diese beiden Bereiche gekennzeichnet? 115. Wodurch kommen auf der molekularen Ebene die unterschiedlichen Absorptionsspektren der Photopigmente in den Zapfentypen zustande, wo doch alle Rhodopsin als Photopigment enthalten? 116. Geben Sie ein Beispiel an für Wirbeltier-Nerzenzellen die keine Aktionspotentiale erzeugen. Unter welcher Bedingung ist so etwas sinnvoll? 117. Was versteht man unter "lateraler Inhibition" und wozu dient sie? 118. Wie sieht das Farbensehen eines typischen Insektes aus? 119. Skizzieren Sie den Aufbau eines Insektenauges! 120. Was versteht man in diesem Zusammenhang unter Appositionsaugen, Superpositionsaugen, bzw. fakultativen und neuronalen Superpositionsaugen? 121. Weshalb sind Insekten (zumeist) zur Wahrnehmung polarisierten Lichtes in der Lage? 122. Weshalb sind bei der visuellen Wahrnehmung Auflösung und Lichtstärke einander gegenläufige Anforderungen? 123. Skizzieren Sie den Aufbau einer quergestreiften Muskelfaser! 124. Wie erfolgt die Übertragung der elektrischen Erregung der Muskelfasermembran auf die kontraktile Maschinerie der Aktin und Myosinfilamente? 125. Wie sieht der sog. Querbrückenzyklus bei der Muskelkontraktion aus, und was ist Totenstarre (Rigor mortis)? 126. Skizzieren und begründen Sie die Längenabhängigkeit der Kraftentwicklung beim Skelettmuskel! 127. Benennen Sie die wichtigsten Unterschiede zwischen quergestreifter Muskulatur, glatter Muskulatur und Herzmuskulatur! 128. Wie wird die Kontraktion beim glatten Muskel ausgelöst; geben Sie v.a. die Unterschiede zum quergestreiften Muskel an! 129. Wie "funktioniert" das elektrische Organ eines schwach elektrischen Fisches? 130. Wie erfolgt die Cilienbewegung bei Einzellern und Metazooen? 131. Skizzieren Sie die grundsätzliche Struktur eines Regelkreises und benennen Sie die wesentlichen Elemente!

7 132. Geben Sie ein physiologisches Beispiel für den Regelkreis, der der Kontrolle einer (beliebig von Ihnen zu wählenden) Körperfunktion zugrunde liegt! 133. Welche Eigenschaft ermöglicht es dem Hörsystem der Schleiereule, eine Schallquelle hinsichtlich zweier Dimensionen Horizontal- und Vertikalachse zu lokalisieren, während die Mehrzahl aller anderen Tiere dies nur in der Horizontalachse vermag? 134. Was ist das Prinzip der Echoortung von Fledermäusen? 135. Was versteht man unter "Dopplerverschiebung"? Wozu kann eine echoortende Fledermaus dieses physikalische Phänomen nutzen? 136. In welche Weise sind die Anforderungen an die Kodierung von Zeit bzw. Intensität durch Nervensystem unterschiedlich? 137. Welche Mechanismen dienen der Verarbeitung und Erkennung sehr kurzer Zeitdifferenzen durch das Nervensystem - beispielsweise im Zusammenhang mit dem Richtungshören, wo Laufzeit und Phasenunterschiede von deutlich weniger als einer ms (Dauer eines Aktionspotentials!) aufgelöst werden können? Skizzieren Sie ggf. ein neuronales Schaltbild! 138. In welcher Art und Weise beeinflusst die Körper- und damit Kopfgröße eines Tieres dessen akustische Orientierungsfähigkeit, und in welcher Weise hat dies Einfluss beispielsweise auf die zur Kommunikation verwendeten Laute?