Neuronale Netze 1. Biologische Grundlagen

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1 Neuronale Netze 1 Biologische Grundlagen

2 Gliederung 1. Das Gehirn: wichtige anatomische Strukturen 2. Nervenzellen und Nervensystem 3. Informationsübertragung im Nervensystem 4. Einige neurologische Untersuchungsmethoden

3 1. Das Gehirn: Wichtige anatomische Strukturen

4 Komplexität Das menschliche Gehirn ist die bei weitem komplizierteste Struktur, die wir im Universum kennen. (Richard F. Thompson)

5 Komplexität ca.100 Mrd Neuronen bis zu Synapsen pro Neuron x 10 3 = synaptische Verbindungen

6 Wichtige anatomische Strukturen Hirnstamm (truncus cerebri) Mittelhirn (Mesencephalon) Kleinhirn (Cerebellum) Zwischenhirn (Diencephalon) Großhirn (Telencephalon) Großhirnrinde (Cortex)

7 Hirnstamm Bestandteile: Medulla oblongata (= verlängertes Rückenmark), Pons und Mesencephalon enthält wichtige Kerne des autonomen Nervensystems kontrollieren Herzschlag, Atmung, Darmfunktion Wach-Schlaf-Rythmus

8 Hirnstamm Der Hirnstamm gilt zwar als der primitivste Teil des Gehirns der Säuger, besitzt aber für das Überleben die größte Bedeutung. Ein Mensch kann eine Schädigung des Kleinund Großhirns durchaus überleben, aber eine Schädigung des Hirnstamms führt schnell zum Tod. (M. F. Bear, B. W. Connors, M. A. Paradiso 2009)

9 Mittelhirn (Mesencephalon) Mittelhirn bildet den obersten Teil des Hirnstamms phylogenetisch alte Struktur enthält verschiedene Kerngebiete, z.b. die Substantia nigra Wichtig für motorische Steuerung ( Parkinson-Krankheit)

10 Kleinhirn (Cerebellum) zweitgrößte Struktur im Gehirn Nur 1/7 des Großhirnvolumens und 10% des Gesamtgewichts Aber: genauso viel Neuronen wie das Großhirn Wichtig für motorische Koordination und Gleichgewicht Läsionen führen zu Ataxien (= Störungen der Bewegungskoordination)

11 Zwischenhirn (Diencephalon) Hauptbestandteile sind Der Thalamus und Der Hypothalamus Thalamus = Tor zum Bewusstsein Alle sensorischen Übertragungswege aus Augen, Ohren und Haut bilden Synapsen im Thalamus, bevor sie in der Großhirnrinde enden.

12 Zwischenhirn (Diencephalon) Der Hypothalamus kontrolliert mit Hilfe der Hirnanhangsdrüse (Hypophyse) die Freisetzung von Hormonen durch die endokrinen Drüsen. Wichtiges Zentrum für die Steuerung von Gefühlen Elektrische Stimulation von bestimmten Regionen führt zu Wutausbrüchen und Angriffsverhalten

13 Großhirn (Telencephalon) Besteht aus der Großhirnrinde (Cortex cerebri) und verschiedenen subkortikalen Strukturen z.b. Amygdala und Hippocampus Basalganglien Hippocampus ist wichtig für Lernfähigkeit und Gedächtnis, Räumliche Orientierung

14 Die Großhirnrinde (Cortex) Die phylogenetisch jüngste Struktur, ca 3 mm dick Sie macht den Menschen zu dem, was er ist (Richard F. Thompson) Ohne die Großhirnrinde wäre ein Mensch blind, taub, stumm und unfähig, willentlich Handlungen auszuführen. (Bear et al.) Zuständig für alle höheren kognitiven Funktionen

15 Die Großhirnrinde (Cortex) z.b. bewusste Wahrnehmung, Sprachverarbeitung, logischmathematisches Denken, Planung und Steuerung von komplexen Handlungsabläufen usw. Linke und rechte Hemisphäre weitgehend symmetrisch Corpus callosum ( Balken ) Split-Brain-Patienten

16 Brodmann-Areale Korbinian Brodmann 1909 Einteilung der Großhirnrinde aufgrund von anatomischen (histologischen etc.) Merkmalen in 52 Areale Methode der Nissl-Färbung Funktionelle Spezialisierung z.b. Areale : Sehzentrum Areale 41+42: Hörzentrum

17 Funktionelle Spezialisierung Evidenz z.b. aufgrund von Läsionen Beispiel: Paul Broca 1861 Broca-Areal (= Brodmann-Areale 44+45) durch experimentelle Ablation (hauptsächlich im Tierversuch) durch elektrische Stimulation (z.b. motorische Reaktionen bei Versuchstieren) durch bildgebende Verfahren

18 Wichtige Bereiche

19 Cortikale Landkarten

20 Cortikale Landkarten Somatotope Organisation der Landkarten Benachbarte Punkte der Körperoberfläche werden auf benachbarte Gehirnregionen abgebildet Das gilt auch für den motorischen Kortex Zum Vergleich: Retinotope Organisation im visuellen Kortex Tonotope Organisation im auditorischen Kortex Somatomotorische Homunculi auch im Kleinhirn

21 Zusammenfassung Das menschliche Gehirn bestimmt aus unterschiedlichen Komponenten (Hirnstamm, Kleinhirn, Großhirn usw.) die ihrerseits wieder zahlreiche anatomisch unterscheidbare Substrukturen beinhalten (z.b. die verschiedenen Areale der Großhirnrinde) Es gilt der Grundsatz der funktionellen Spezialisierung Nachweis durch Läsionen, experimentelle Interventionen, bildgebende Verfahren usw.

22 II. Nervenzelle und Nervensystem

23 Das Nervensystem

24

25 Das Nervensystem Das Nervensystem durchzieht den gesamten Körper und verbindet das Gehirn mit den Sinnesorganen, den Muskeln und Drüsen. Einteilung: Zentrales Nervensystem (ZNS) = Rückenmark + Gehirn Peripheres Nervensystem = afferentes + efferentes NS Afferentes Nervensystem: von den Sinnesorganen zum ZNS Efferentes Nervensystem: vom ZNS an Muskeln und Drüsen Autonomes (= vegetatives) NS

26 Das Nervensystem Sinnesorgane ( Eingabeeinheiten ) afferentes NS ZNS (Gehirn + Rückenmark) efferentes NS Muskeln + innere Organe ( Ausgabeeinheiten ) Umwelt

27 Nervenzellen (Neuronen) Neuronen sind die funktionellen Grundbausteine des Nervensystems spezialisiert auf Informationsübertragung durch elektrische und chemische Signale Charakteristische Form: Zellkörper und Neuriten

28 Nervenzellen (Neuronen) Durchmesser ca 20 m (= 20 Millionstel Meter) sichtbar im Lichtmikroskop (Auflösung ca. 0,1 m) Vorbedingungen: sehr dünne Schnitte aus gehärtetem Präparat Sichtbarmachen von Strukturen durch Färbetechniken (Nissl- Färbung, Golgi-Färbung) Neurohistologie (= mikroskopische Untersuchung der Gewebestruktur)

29 Bestandteile des Neurons Zellkörper (Soma) enthält die üblichen Bestandteile (Zellkern mit DNA, Ribosomen, Mitochondrien usw.) Ribosomen sind wichtige Orte der Proteinbiosynthese ( Proteinfabriken ; N 36) Mitochondrien liefern Energie in Form von ATP ( Zellkraftwerke ; N 39)

30 Bestandteile des Neurons Zwei Arten von Zellfortsätzen (= Neuriten): Dendriten empfangen Informationen von anderen Neuronen (die Antennen des Neurons; neuronaler Input ) Über das Axon werden Informationen (elektrische Signale) an andere Neuronen weitergeleitet (neuronaler Output ).

31 Bestandteile des Neurons Axone können sehr lang sein (über 1 Meter!) Am Ende verzweigt sich das Axon in zahlreiche Seitenarme (Axonkollateralen) und bildet Kontaktstellen (Synapsen) mit anderen Neuronen Axonendungen = synaptische Endknöpfchen sichtbar im Elektronenmikroskop (Auflösung 0,1 nm)

32 3. Informationsübertragung im Nervensystem

33 Ruhepotential Die Zellmembran weist im Ruhezustand eine elektrische Spannung von ca. -70 mv auf Ruhepotential Ursache: Überschuss an negativen Ladungen (Ionen) auf der Innenseite

34 Depolarisation und Aktionspotential Bei ausreichender Erregung strömen positive Na+-Ionen in das Zellinnere ( Depolarisation) Wenn dabei ein kritischer Schwellenwert erreicht wird, steigt das Membranpotential kurzfristig auf +40 mv bevor sich der Ausgangszustand wieder einstellt ( Aktionspotential; Nervenimpuls)

35 Alles oder Nichts Die Entstehung und Ausbreitung von Nervenimpulsen folgt einem Alles-oder-Nichts-Gesetz Stärkere Reize führen nicht zu stärkeren Nervenimpulsen (höheres Aktionspotential), sondern zu einer höheren Pulsfrequenz. Maximal Impulse pro sec ( Feuerrate )

36 Neurotransmitter und Synapsen Aktionspotential breitet sich über das ganze Axon aus bis zu den synaptischen Endknöpfchen Synapse als Schnittstelle der Informationsübertragung Ankommende Nervenimpulse führen zur Ausschüttung von chemischen Substanzen (Neurotransmittern) in den synaptischen Spalt ( chemische Synapsen)

37 Neurotransmitter und Synapsen Neurotransmitter können an spezielle Rezeptormoleküle andocken Schlüssel-Schloss-Prinzip Folge: Positiv oder negativ geladene Ionen strömen ins Zellinnere ( Ionotrope Rezeptoren ) und erzeugen Exzitatorische oder inhibitorische postsynaptische Potentiale (EPSP oder IPSP)

38 Räumliche + zeitliche Integration

39 Zusammenfassung Information wird im NS durch elektrische und chemische Signale übertragen Ausschüttung von Neurotransmittern führt zur Entstehung von postsynaptischen Potentialen Signale werden am Axonhügel räumlich und zeitlich integriert Wenn der Schwellenwert erreicht wird, wird ein Aktionspotential ausgelöst (Neuron beginnt zu feuern ). Alle Aktionspotentiale haben dieselbe Form, Dauer und Amplitude Stärkere Erregung führt nicht zu stärkeren Signalen, sondern zu einer höheren Pulsfrequenz

40 4. Einige neurologische Untersuchungsmethoden

41 Elektroenzephalogramm (EEG) Hans Berger 1924 gemessen werden elektrische Potentialschwankungen an der Kopfoberfläche Potentialschwankungen werden durch die summierte neuronale Aktivität von Millionen Neuronen erzeugt Messung durch Elektroden (z.b. im10-20-system)

42 Elektroenzephalogramm (EEG) Änderungen des Bewusstseinsbzw. Wachheitszustands (z.b.im Tiefschlaf oder unter Narkose) führen zu messbaren Veränderungen im Frequenzspektrum der EEG- Signale Beispiel: langsame Deltawellen (bis 4 Hz) typisch für traumlosen Tiefschlaf Schnelle Beta- und Gammawellen (> 30 Hz) typisch für Wachzustand

43 Elektroenzephalogramm (EEG) Oft interessiert man sich für die Messung von ereigniskorrelierten Potentialen (EKP) EKP werden durch innere oder äußere Ereignisse (z.b. Geräusche) ausgelöst oder gehen der Auslösung von motorischen Reaktionen voraus (z.b. Bereitschaftspotentiale; Libet-Experiment)

44 Elektroenzephalogramm (EEG) Nachteile: Geringe räumliche Auflösung (im cm-bereich) anfällig für Messfehler ( Artefakte ) Gemessen wird hauptsächlich oberflächennahe Aktivität Keine Rückschlüsse auf einzelne Neuronen

45 Computertomographie (CT) Bessere räumliche Auflösung Röntgenstrahlen Erzeugen drei-dimensionale Schnittbilder Hirninfarkte, Blutungen, Geschwulste lassen sich mit großer Sicherheit erkennen Nachteil: hohe Strahlenbelastung

46 Positron-Emissions-Tomographie (PET) Positron = Antiteilchen des Elektrons Positronen werden erzeugt durch radioaktive Kontrastmittel Zerfallen im Körper bei Wechselwirkung mit Elektronen und erzeugen dabei messbare Gamma-Strahlung Aus der räumlichen und zeitlichen Verteilung dieser Zufallsereignisse kann man Rückschlüsse auf die Ausbreitung des Kontrastmittels im Körper ziehen

47 Funktionelle Bildgebung (PET)

48 Funktionelle MRT (fmrt) Beispiel: neuronale Aktivität im visuellen Cortex eines Probanden Präsentation eines bewegten visuellen Stimulus Aktivität im Thalamus (CGL) Aktivität im primären visuellen Kortex und in einigen extrastriären Arealen

49 Funktionelle MRT (fmrt) Vorteil: gute räumliche Auflösung (im mm-bereich) Auflösung in hunderttausende Voxel Keine Strahlenbelastung Nachteil: schlechte zeitliche Auflösung Signal ist sehr schwach: muss daher durch wiederholte Messungen aus dem statistischen Rauschen herausgefiltert werden Fehleranfälligkeit der statistischen Auswertung

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