Humanbiologie. Nervenphysiologie

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1 Humanbiologie Nervenphysiologie Prof. Dr. Karin Busch Institut für Molekulare Zellbiologie - IMZ

2 Gliederung der VL SoSe Bestandteile und Funktionen der Zelle Atmung Herz/Blutkreislauf Gewebetypen Ferien Sinnesorgane Nervensystem Hormonales System Immunsystem Evolution des Menschen Ernährung-Verdauung 6.7. DASA Museum Dortmund Klausur Karin Busch Gliederung der VL 2

3 Sonderausstellung: Roboter -Verhältnis Mensch und Maschine 6/1/2016 Prof. Dr. Karin Busch 3

4 Überblick Nervensystems 1. Aufgaben von Nervensystemen 2. Aufbau von Nervensystemen Input, Integration und Output zellulär: Neurone und Gliazellen Neuronale Netze 3. Funktionsweise von Nervensystemen Entstehung von Nervensignalen: Grundlagen und Prozesse Reizweiterleitung innerhalb von Nervenzellen Reizweiterleitung zwischen Zellen Signalintegration auf zellulärer Ebene 6/1/2016 Prof. Dr. Karin Busch 4

5 Nervensystem-Einteilung ZNS Gehirn Rückenmark Gehirnnerven PNS Ganglien Spinalnerven Afferente Axone + Efferente Axone 5/31/2016 5

6 Zellen des Nervensystems 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 6

7 Aufgaben des Nervensystems Verarbeitung Wahrnehmung der Umwelt (Informationsaufnahme Codierung) Filterung, Verarbeitung, Speicherung von Informationen Erinnerung, Assoziationen, Lernen Erzeugung + Koordination von Bewegungen (willkürlich, unwillkürlich) Interaktion mit anderen Organsystemen (Effektoren, Drüsen ) Erhaltung der Homöostase Input Antwort 6/1/2016 Prof. Dr. Karin Busch 7

8 Organisation des Nervensystems Zentrales Nerven- System ZNS Peripheres Nerven- System: PNS 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 8

9 PNS ENS 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 9

10 Glossar 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 10

11 Bau eines peripheren Nervs Mehrerer parallel verlaufende Axone bilden einen Nerv 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 11

12 Morphologie von Neuronen multipolar unipolar bipolar Die Funktion bestimmt die Morphologie! 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 12

13 Dynamik des Zytoplasmas 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 13

14 Myelinscheiden durch Gliazellen Neuronen: elektrische Signalleitung Glia: keine elektrischen Signale Xiaolong Jiang et al. Science 2015;350:aac9462 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 14

15 Gliazellen und ihre Funktionen 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 15

16 Myelinscheiden 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 16

17 Multiple Sklerose Multiple Sklerose (MS) ist die häufigste Autoimmun-Krankheit, die das Zentral-Nerven-System angreift starben weltweit Menschen durch MS. Die Krankheit macht sich meist im Alter zwischen 20 und 50 bemerkbar und ist bei Frauen doppelt so häufig wie bei Männern. Eine Behandlung ist möglich, eine Heilung bisher nicht. Es handelt sich um eine demyelinierende Krankheit, bei der die Myelinscheiden der Nervenzellen im Gehirn und Rückenmark betroffen sind. Die Symptome sind vielfach, meist basierend auf einer fehlenden oder mangelhaften Kommunikation zwischen Nervenzellen und sind physischer, mentaler und manchmal psychiatrischer Natur. In Deutschland ist die Häufigkeit ~ 1:500. Relapsing-remitting Multiple Sclerosis Primary/ Secondary Progressive MS 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 17

18 Modell eines Neurons Generatorpotenzial 6/1/2016 Prof. Dr. Karin Busch 18

19 Elektrische Signale durch Neuronen Die Eigenschaft von Nerven- und Muskelzellen, wegen derer die zugehörigen Gewebe als erregbar bezeichnet werden, ist ihre Fähigkeit, als Antwort auf einen Reiz elektrische Signale zu erzeugen und schnell weiterzuleiten. Die Zellmembran besitzt ein Ruhe-Membranpotential, das durch die unterschiedliche Verteilung von Ionen im extra- und intrazellulären Raum (Konzentrationsgradienten) und die Permeabilität der Membran für diese Ionen bestimmt wird. Ionenflüsse durch Membranen erzeugen elektrische Signale.

20 Funktionsweise von Nervenzellen Membranpotenzial = ungleiche Ladungsverteilung über biologische Membranen 6/1/2016 Prof. Dr. Karin Busch 20

21 Membranpotenzial Bedingungen für den Aufbau eines Membranpotenzials ΔΨ 1. Selektiv permeable Membran 2. Kontrollierter elektrogener Transport über die Membran 3. Existenz von Ionengradienten, die durch aktive Transportprozesse erzeugt werden E K + = 61 mv z log [K+ ] außen [K + ] innen Gleichung zur Berechnung Des Gleichgewichtspotentials (E K +) 61 mv entspricht dem Faktor 2,303 x RT/F in der allg. Nernst-Gleichung bei 37 C (310,15 K) mit R als der idealen Gaskonstante (8,215 J K -1 mol -1 ), T als absoluter Temperatur in Kelvin und F als Faraday-Konstanten (96485 J V -1 mol -1 ). 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 21

22 Generierung des Membranpotenzial 1. Selektiv permeable Membran 2. Kontrollierter elektrogener Transport über die Membran Kanal Transport Transport von Nettoladung über die Membran Spezifisch selektiv - langsam Wassergefüllte Poren Selektiv: nur eine Ionensorte, zb. Na + oder K + Unselektiv: mehrere Ionen, zb. Na + und K + schnell Erzeugung von Ionengradienten 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 22

23 Generierung des Membranpotenzial? Membranpotenzial: K + -Diffusionspotenzial + Strom der Na + /K + -ATPase 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 23

24 Einzelkanal-Aktivitätsmessung Patch-clamp Technik Ionenkanäle kontrollieren die Ionenpermeabilität der Zellmembran von Neuronen. 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 24

25 Steuerung der Kanalöffnung Liganden-gesteuert chemischer Reiz: Ligand Spannungs-gesteuert Reiz: Potenzialänderung Mechanosensitive Ionenkanäle Reiz: physikalische Krafteinwirkung 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 25

26 Schwellenspannung von Kanälen Spannungsgesteuerte Na + und K + Kanäle Reiz: Potenzialänderung Axone enthalten Na + -Kanäle und K + - Kanäle, die beide durch Depolarisation der Zellmembran geöffnet werden. Die Na + -Kanäle öffnen sich schnell, die K + -Kanäle deutlich langsamer 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 26

27 Schwellenspannung von Kanälen Spannungs-gesteuert Reiz: Potenzialänderung Axone enthalten Na + -Kanäle und K + -Kanäle, die beide durch Depolarisation der Zellmembran geöffnet werden. Die Na + -Kanäle öffnen sich schnell, die K + -Kanäle deutlich langsamer Das Aktionspotenzial wird durch die Aktivität der Na + -Kanäle bestimmt! 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 27

28 Lokaler Stromfluss infolge v. Depolarisierung Depolarisation durch Generatorpotential 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 28

29 Fortpflanzung eines Aktionspotenzials 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 29

30 Ionenströme während eines Aktionspotenzials 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 30

31 Spannungsgesteuerte Na + -Kanäle Spannungsgesteuert Na+-Kanäle haben zwei Tore: das Aktivierungs- und das Inaktivierungstor. Deren Öffnungszustand hängt in unterschiedlicher Weise vom Membranpotenzial ab. 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 31

32 Saltatorische Erregungsleitung In myelinisierten Axonen scheinen die APs von einem Ranvier schen Schnürring zum nächsten zu springen: die Erregungsleitung ist schneller als in nicht-myelinisierten Axonen! Erregungsweiterleitung 150 m/s 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 32

33 Saltatorische Erregungsleitung In Axonen mit degenerierten Myelinscheiden nimmt die Erregungsleitung infolge von Leckströmen ab Multiple Sklerose 3 m/s 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 33

34 Axondurchmeser und Erregungsleitung Geschwindigkeit (S r ) der Reizleitung abhängig vom Durchmesser des Axons bzw. dem Myelinisierungsgrad! 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 34

35 Unterschwellige und überschwellige Generatorpotentiale a) b) Aktionspotenziale pflanzen sich ohne großen Intensitätsverlust über größere Entfernungen fort 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 35

36 Codierung der Reizstärke Alle Aktionspotenziale in einem Neuron weisen die gleiche Amplitude auf. Die Stärke des Reizes wird durch die Frequenz der aufeinanderfolgenden APs codiert. 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 36

37 Codierung der Reizstärke Typen von beteiligten gesteuerten Ionenkanälen Amplitude des Signals Mechanosensitive Ligandengesteuerte Spannungsgesteuerte Aufsummierung möglich Hängt von Stärke des Anfangsreizes ab Spannungsgesteuerte Keine Aufsummierung, immer gleich große Amplitude Mindesreizschwelle nötig 6/1/2016 Prof. Dr. Karin Busch 37

38 Reizübertragung an der Synapse Der Physiologe und Nobelpreisträger Charles S. Sherrington ( ) prägte den Begriff Synapse (von griechisch syn für zusammen und haptein für ergreifen, fassen). An der Synapse wird das elektrische vorrübergehend in ein chemisches Signal umgewandelt. Neurokrine: Acetylcholin, Noradrenalin, Dopamin, Serotonin, Histamin, Glutamat, GABA, Adenosin, Stickstoffmonoxid Rezeptortypen: Nikotinisch, Muscarinisch, Adrenerg, Glutaminerg... 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 38

39 Reizübertragung an der Synapse An der Synapse wird das elektrische vorrübergehend in ein chemisches Signal umgewandelt. Zwischen Herzmuskelzellen wird das elektrische Signal direkt über gap junctions übertragen. In neuromuskulären Verbindungen initiiert Acetylcholin die elektromechanische Kopplung Muskel. 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 39

40 Reizübertragung an der Synapse Ca 2+ 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 40

41 Reizübertragung an der chemischen Synapse 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 41

42 Reizübertragung an der Synapse 4 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 42

43 Reizübertragung an der Synapse Ionenkanäle öffnen sich Erhöhter Na + Einstrom Erhöhter K + Ausstrom oder C l- Einstrom EPSP Exzitatorisches postsynaptisches Potenzial Depolarisation der postsynaptischen Membran IPSP Inhibitorisches (hemmendes) postsynaptisches Potenzial Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 43

44 Modulare Netzwerke Neuronen arbeiten in Netzwerken zusammen Neuronale Netze Sensorische Rezeptoren Sensorisches Neuron Inter- Neuron Motorneuron Effektorzelle Reizleitung Neuron 1: sensorisches Neuron (Empfang der Signale vom Rezeptor Weiterleitung) Neuron 2: Interneurone (Signalübertragung Neuron Neuron) Neuron 3: Motorneurone (Signalübertragung NS Effektorzelle) Einfachster neuronaler Schaltkreis: 2 Neuron-typen SN MN MN = Motorneuron SN = Sensorisches Neuron 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 44

45 Signalintegration 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 45

46 Räumliche Summation von Generatorpotenzialen 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 46

47 Divergenz und Konvergenz 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 47

48 Divergenz und Konvergenz 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 48

49 Nervensytem-Lateralisierung Spektrum der Wissenschaft Juli /31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 49

50 Nervensystem-Signalintegration Spektrum der Wissenschaft Juli /31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 50

51 Aufbau neuer Synapsen Nervenzellen teilen sich nicht mehr. Ein Verlust durch Schädigung kann aber teilweise ausgeglichen werden durch die Generierung neuer Synapsen. Gehirntraining z.b. durch verkehrte Aktionen Tue es mit der falschen Hand! Gliazellen teilen sich nicht mehr. Ein Verlust durch Schädigung kann nicht mehr ausgeglichen werden. 6/1/2016 Prof. Dr. Karin Busch 51

52 ips als mögliche Erneuerungsquellen für Gliazellen Czepiel et al., /1/2016 Prof. Dr. Karin Busch 52

53 Nervensysteme anderer Spezies 6/1/2016 Prof. Dr. Karin Busch 53

54 Hirn und Körpergröße Spektrum der Wissenschaft April/12 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 54

55 Literatur Neuronen brauchen eine Aufgabe Was macht ein Gehirn eigentlich so den ganzen Tag? Nutzen wir wirklich nur zehn Prozent unseres Gehirns? 55 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch

56 Literatur Physiologie, D.U. Silverthorn, Verlag Pearson /31/2016 Prof. Dr. Karin Busch

57 Blut-Hirn-Schranke Physiologische Barriere zwischen dem Blutkreislauf und dem ZNS Erhält Homöostase im Gehirn, grenzt sie von der des Blutes ab Bestehend aus Endothelzellen, die über Tight Junctions eng miteinander verknüpft sind 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 57

58 Anatomie von Neuronen 5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 58