Versuch 9: Nerv. 9.1 Membranpotential, Aktionspotential, Membranphysiologie

Transkript

1 Versuch 9: Nerv Aufgaben 9.1 Membranpotential, Aktionspotential, Grundlagen der Membranphysiologie 9.2 Elektrophysiologische Untersuchungen am isolierten Nerv 9.3 Bestimmung der Nervenleitungsgeschwindigkeit am Menschen Lernziele passive elektrische Eigenschaften der Zellmembran Ruhemembranpotential Aktionspotential absolute und relative Refraktärphase Summenaktionspotential Veränderungen der elektrischen Erregbarkeit Fortleitung des Aktionspotentials 9.1 Membranpotential, Aktionspotential, Membranphysiologie Vorbemerkung: Aufgrund des äußerst komplexen und aufwendigen Aufbaus können die Versuche nicht live im Praktikum durchgeführt werden. Daher werden in diesem Praktikumsabschnitt anhand des Computerprogramms Neurosim die Gesetzmäßigkeiten des Ruhemembranpotentials, sowie des Aktionspotentials veranschaulicht. Sie finden im Versuchsaufbau eine Zelle (grün unterlegt), in der eine Messelektrode eingebracht ist. Die Zelle befindet sich in einer Badlösung (blau), die die extrazelluläre Flüssigkeit simulieren soll. Alle Versuche in diesem Aufgabenbereich werden bei Raumtemperatur (20 C) durchgeführt. Blutuntersuchung

2 2 Versuch 9: Nerv 9.1 Membranpotential, Aktionspotential, Membranphysiologie 3 Aufgabe 1: Ruhemembranpotential Starten Sie die 1. Aufgabe, indem sie doppelt auf die Datei Aufgabe_1 klicken, und anschließend continue im neu erscheinenden Fenster. Anschließend öffnet sich die Aufgabe 1 im Programm Neurosim, bestehend aus zwei Fenstern, dem Setup- und dem Results-Fenster. Im Setup-Fenster werden grundsätzlich die nötigen Versuchseinstellungen vorgenommen, im Fenster Results wird das Versuchsergebnis graphisch dargestellt. In diesem Versuchsteil wird das Results-Fenster allerdings nicht benötigt. Sie fangen mit folgenden relativen Permeabilitäten der Zellmembran an: P K = 100% P Na = 0% (das bedeutet, dass die Zellmembran nur für Kalium, aber nicht für Natrium permeabel ist). Am Anfang beträgt die extrazelluläre Kaliumkonzentration 1 mm. Im Setup-Fenster soll nun im Feld Ion Concs (Ionenkonzentrationen) die extrazelluläre Kaliumkonzentration ([K] out in der Tabelle 1) schrittweise gemäß den unten in der Tabelle 1 angegebenen Werten auf 155 mm erhöht werden. Die extrazellulären Konzentrationswerte für Kalium (K im Setup-Fenster) befinden sich in der blau unterlegten Bad-Lösung. Im oberen Bereich des Setup-Fensters finden Sie die zur jeweiligen extrazellulären Kaliumkonzentration gehörenden Werte für das Kalium-Gleichgewichtspotential (K Eq) und für das Ruhemembranpotential (E m in der untenstehenden Tabelle, Mem Pot im Setup-Fenster). Notieren Sie bitte die entsprechenden Werte in Tabelle Tabelle 1 [K] out (mm) K Eq (mv) E m (mv) Stellen Sie ihre Versuchsergebnisse im Diagramm 1 graphisch dar. Bitte beachten sie dabei, dass die x-achse (Aussenkaliumkonzentration) logarithmisch aufgetragen ist. Wie beeinflusst die Erhöhung der extrazelluären Kaliumkonzentration das Ruhemembranpotential? Warum? Erhöhen Sie nun die Permeabilität der Membran für Natriumionen, in dem Sie unter Relative permeability im Setup-Fenster den Wert für Na auf 4 setzen (P K = 100% P Na = 4%). Führen Sie nun mit dieser erhöhten Natriumpermeabilität (P Na) denselben Versuch wie oben durch, in dem Sie wieder schrittweise die extrazelluläre Kaliumkonzentration erhöhen. Tragen Sie die entsprechenden Werte in die Tabelle 2 ein.

3 4 Versuch 9: Nerv 9.1 Membranpotential, Aktionspotential, Membranphysiologie 5 [K] out (mm) K Eq (mv) E m (mv) Tabelle 2 Stellen Sie auch diese Versuchsergebnisse im Diagramm 1 graphisch dar. Bitte beachten Sie, dass die x-achse (Aussenkaliumkonzentration) logarithmisch aufgetragen ist. Wie beeinflusst die Erhöhung der Natriumpermeabilität der Zellmembran das Ruhemembranpotential? Bei welchem Membranpotential ist die Auswirkung der erhöhten Natriumpermeabilität am größten? Warum? Schließen Sie nun das Programm Neurosim. Diagramm 1 Aufgabe 2: Abhängigkeit der Amplitude des Aktionspotentials von der Aussennatriumkonzentration Starten Sie die 2. Aufgabe indem Sie doppelt auf die Datei Aufgabe_2 und anschließend auf continue im neu erscheinenden Fenster klicken. Sie lösen mit der Schaltfläche Start im Setup-Fenster ein Aktionspotential aus. Dabei wird durch eine zusätzliche Reizelektrode ein Strom in die Zelle injiziert. Die extrazelluläre Natriumkonzentration können Sie ändern, in dem Sie den blauunterlegten Wert von [Na] im Feld Ion Concs markieren und mit dem gewünschten Wert überschreiben. Am Anfang beträgt die Natriumkonzentration ([Na] out) 145 mm. Klicken Sie auf die Taste Measure im Results-Fenster. Eine Tabelle öffnet sich und es erscheint ein Cursor im Results-Fenster. Wenn Sie jetzt den Cursor an einer bestimmten Stelle im Results-Fenster positionieren und darauf klicken können Sie die Koordinaten dieses Punktes in der Measure-Tabelle ablesen. Messen Sie nun

4 6 Versuch 9: Nerv mit Hilfe des Cursors die maximale Amplitude des Aktionspotentials (Peak des APs) und das Gleichgewichtspotential für Natrium (Na Eq) und tragen Sie die entsprechenden Werte in die Tabelle 3 ein. Klicken Sie nun auf die Taste Clear im Results-Fenster. Lösen Sie für jede der 4 in der Tabelle angegebenen Werte der extrazellulären Natriumkonzentration ein Aktionspotential aus, in dem Sie jeweils nach Änderung der Konzentration mit Start ein neues Aktionspotential auslösen. Im Results-Fenster wird u.a. das Aktionspotential (rot), das Natriumgleichgewichtspotential (pink) und das Kaliumgleichgewichtspotential (blau) graphisch dargestellt. Im Fenster Measure können sie dann den zugehörigen Messwert ablesen. Zur besseren Übersichtlichkeit im Results-Fenster können Sie nach jedem Aktionspotenzial mit Clear das vorangegangene Aktionspotenzial löschen. Tragen Sie ihre Messwerte in die Tabelle 3 ein. Erstellen Sie danach aus Ihren Messwerten einen Graphen im Diagramm 2. [Na] out (mm) Peak des APs (mv) Na Eq (mv) Tabelle 3 Wie beeinflusst die Minderung der extrazellulären Natriumkonzentration die Amplitude des Aktionspotentials? Warum? 9.1 Membranpotential, Aktionspotential, Membranphysiologie 7 Diagramm 2 Aufgabe 2a: Abhängigkeit des Ruhemembranpotentials von der Aussennatriumkonzentration Messen Sie nun die Werte des Ruhemembranpotentials (RMP), die sich bei ca. 2 und ca. 8 Millisekunden ergeben und tragen Sie diese in die nächste Tabelle ein. In der untersten Zeile des Results-Fensters finden Sie die zugehörige Zeitachse in Millisekunden. Zusätzlich können auch im Measure-Fenster die entsprechenden Zeitangaben gefunden werden. [Na] out (mm) RMP 2ms RMP 8ms Tabelle 4 RMP = Ruhemembranpotential

5 8 Versuch 9: Nerv Warum sind die gemessenen Werte bei verschiedenen [Na] out unterschiedlich? Warum wurden hier RMP-Werte bei 2 und 8 ms gemessen? Schließen Sie das Programm Neurosim. Aufgabe 3: Beeinflussung des Aktionspotentials durch Inaktivierung der Natriumkanäle Starten Sie die 3. Aufgabe indem Sie doppelt auf die Datei Aufgabe_3 und anschließend auf continue im neu erscheinenden Fenster klicken. In der nun vorliegenden Versuchsanordnung ist es möglich 2 Stimuli hintereinander zu geben. Der 2. Stimulus (pulse 2) löst dabei ein Aktionspotential aus. Der 1. Stimulus soll eine Vordepolarisation simulieren. Klicken Sie auf Start, wodurch ein Aktionspotential ausgelöst wird. Haben Sie bemerkt, dass vor dem Aktionspotential die Zellmembran durch den pulse 1 langsam vordepolarisiert wurde? Diese Vordepolarisation können Sie ausschalten in dem Sie die Amplitude des Stimulus (pulse1) im Feld Stimulating des Setup-Fensters auf 0 setzen (den Wert markieren und mit dem gewünschten Wert überschreiben). Führen Sie nun zwei Messungen durch, einmal mit 0 und einmal mit 9.1 Membranpotential, Aktionspotential, Membranphysiologie 9 32 µa als Amplitude des 1. Stimulus. Zeichnen Sie den Verlauf der Aktionspotentiale in das Diagramm 3. Die y-achse stellt das Membranpotential (mv), die x-achse die Zeit (ms) dar. Bestimmen Sie dabei analog zur 2. Aufgabe den Peak des Aktionspotentials. Zusätzlich sollen Sie die Amplitude des Aktionspotentials bestimmen. Dazu bilden Sie die Differenz aus Maximalwert des Aktionspotentials und Wert des Ruhemembranpotentials bei ca. 13 Millisekunden. Tragen Sie Ihre Messwerte in die Tabelle 5 ein. Amplitude des 1. Stimulus (µa) 0 32 Tabelle 5 Peak des APs (mv) RMP 13 ms (mv) Amplitude des APs (mv) Was hat die vorgeschaltete langsame Depolarisation bewirkt? Warum? Schließen Sie das Programm Neurosim. Aufgabe 4: Beeinflussung des Aktionspotentials durch spezifische Kanalblocker Starten Sie die 4. Aufgabe indem Sie doppelt auf die Datei Aufgabe_4 und anschließend auf continue im neu erscheinenden Fenster klicken. In der nun vorliegenden Versuchsanordnung im Setup-Fenster stehen zusätzlich Pharmaka zu Verfügung, mit denen Sie gezielt den Aktionspotentialverlauf verändern können. Tetrodotoxin (TTX) blockiert spannungsabhängige Natriumkanäle, Tetraethylammoniumchlorid (TEA) blockiert spannungsabhängige Kaliumkanäle und Skorpion-Toxin verhindert die Inaktivierung der spannungsgesteuerten Natriumkanäle. Diagramm 3

6 10 Versuch 9: Nerv 9.2 Untersuchungen am isolierten Nerv 11 Führen Sie nun 4 Messungen durch, in dem Sie jeweils mit Start ein Aktionspotential auslösen. Einmal soll die Messung ohne Pharmakon-Gabe erfolgen und je einmal unter TTX, TEA, und Skorpion-Toxin. Setzen Sie dazu im Setup-Fenster im Feld Drugs mit der Maus ein Häkchen für das gewünschte Pharmakon. Bestimmen Sie jeweils den Maximalwert des Aktionspotentials, die Differenz aus Natriumgleichgewichtspotential und Maximalwert des Aktionspotentials (Na Eq Peak), sowie die Anstiegszeit des Aktionspotentials. Die Anstiegszeit des Aktionspotentials wird gebildet, indem Sie vom Zeitpunkt des Maximalwertes des Aktionspotentials, den Zeitpunkt der Stimulation, also 2 Millisekunden abziehen. Zeichnen Sie die Verläufe von einzelnen Aktionspotentialen (insgesamt 4) in das Diagramm 4 und übertragen Sie Ihre Messwerte in die Tabelle 6. Schließen Sie das Programm Neurosim. Kontrolle TTX TEA Scorp Tx Peak des APs (mv) Na Eq - Peak (mv) Anstiegszeit (ms) Tabelle 6 Wie beeinflussen die untersuchten Pharmaka die Amplitude und den Zeitverlauf des Aktionspotentials? Warum? Welchem P Na /P K (siehe Aufgabe_1) entspricht das bei 8 ms gemessene Membranpotential unter Scorp Tx? 9.2 Untersuchungen am isolierten Nerv Vorbemerkung: In diesem Aufgabenbereich werden (durch ein virtuelles Experiment an einem isolierten Froschnerven) extrazelluläre elektrophysiologische Reiz- und Ableittechniken erarbeitet, mit denen die Funktion von peripheren Nerven untersucht werden kann. Extrazelluläre Ableittechniken erfassen in der Regel die Aktivität von mehreren Zellen, d.h. das Summenaktionspotential eines peripheren Nervs. Starten Sie das Programm SimNerv, in dem Sie auf die Verknüpfung SimNerv auf dem Desktop klicken. Drücken Sie die Taste Praktikum. Jetzt sind Sie in einem virtuellen Labor und können beginnen. Diagramm 4 Versuchsaufbau (Computer mit dem Programm SimNerv) Der Praktikumsversuch besteht aus einer Computersimulation eines Originalexperimentes an einem isolierten Froschnerven (N. ischiadicus). Der Nervenstamm wird in einer feuchten Kammer über eine Reihe von Silberdrahtelektroden gelegt. Die Reizelektroden werden mit dem Ausgang des Reizgerätes, die Ableitelektroden mit einem Kathodenstrahloszillographen verbunden. Die Nervenaktionspotentiale können über die Ableitelektrodenpaare umschaltbar entweder reiznah oder reizfern abgegriffen werden (siehe Abb. 1.)

7 12 Versuch 9: Nerv 9.2 Untersuchungen am isolierten Nerv 13 Ein Kästchen entspricht einem Skalenteil (z.b. 5 bedeutet 5 ms/skalenteil,.5 bedeutet 0.5 ms/skalenteil). Abb. 1 Messplatz für Ableitung am isolierten Froschnerv Der Messaufbau des Computersimulationsprogramm SimNerv Das Oszilloskop: Die Grundlagen zur Funktionsweise des Oszilloskops wurden im Physik-Praktikum vermittelt. Siehe: Schalten Sie das virtuelle Oszilloskop an: (linke Maustaste: Power on Schalter). Channel 1 ist der Kanal, auf dem der Reiz abgebildet wird Channel 2 ist der Kanal, auf dem das von den Ableitelektroden aufgenommene Signal erscheint. An den Drehreglern Channel 1 und Channel 2 des Oszilloskops stellen Sie ein, welche Spannung einem Skalenteil (Kästchen) am Oszilloskopbildschirm entspricht. Hiermit beeinflussen Sie also die y-achse des Oszilloskopbildschirms. (z.b. Channel 2 auf 200 bedeutet: 200 mv/skalenteil von CH2) Der Drehregler Timebase wirkt gleichzeitig auf Channel 1 und Channel 2. Sie verwenden diesen Regler, um die zeitliche Auflösung einzustellen. Sie beeinflussen mit diesem Regler den Maßstab der x-achse des Oszilloskopbildschirms. Das Reizgerät (Stimulator, Tastenfeld): Schalten Sie das Gerät über Power on/off an. Die Schalterleiste des Reizgerätes erlaubt Ihnen die Art des Reizes zu steuern. Die Mode-Tasten Single und Twin dienen zur Umschaltung zwischen Einzel- und Doppelreizen. Die Polarity-Tasten verwenden Sie, um die Polarität der Reizelektroden einzustellen: Norm ist die Standardeinstellung, Invert vertauscht die Anode mit der Kathode. Die Trig.-Tasten funktionieren nur bei Einzelreizen. Norm: der Reiz wird ganz links auf dem Oszilloskopbildschirm dargestellt. Delay: der Reizbeginn lässt sich mit dem Delay-Regler einstellen. Das Reizgerät (Stimulator, Schieberegler): AMPLITUDE [mv] stellt die Reizstärke ein. DURATION [ms] stellt die Dauer des jeweiligen Reizes dar. DELAY [ms] bei Doppelreizen zur Messung der Refraktärzeit wird die Zeit zwischen dem Beginn des ersten und dem Beginn des zweiten Impulses festgelegt. Die Messkammer: Sie kann durch einen Mausklick auf ihren Deckel geöffnet oder geschlossen werden. Messen Sie bitte nur mit geschlossenem Deckel! Warum? Elektroden: Stimulationselektroden: Anode (gelb), Kathode (blau), Ableitelektroden: erste Ableitelektrode (grün), zweite Ableitelektrode (rot).

8 14 Versuch 9: Nerv Die Position der Ableitelektroden kann mit der Maus verändert werden. Setzen Sie jedoch die Stimulationselektroden nicht auf 0. Beachten Sie das Masseblech in der Mitte der Kammer! Empfohlene Versuchseinstellungen: Reizgerät und Oszilloskop sind angeschaltet (Power ON). Öffnen Sie den Deckel der Messkammer (linke Maustaste auf Deckel der Kammer). Ziehen Sie einen der senkrecht liegenden Nerven in die Mitte der Messkammer (durch drag and drop; linke Maustaste; der Nerv (dann gelb) legt sich in die Kammer). Schließen Sie die Messkammer. 9.2 Untersuchungen am isolierten Nerv 15 Aufgabe 9.2.a Diphasisches oder monophasisches Summenaktionspotential Extrazellulär abgeleitete Aktionspotentiale unterscheiden sich in Form und Signalamplitude deutlich von einem intrazellulär abgeleiteten Aktionspotential. Bei extrazellulärer Ableitung mit zwei Elektroden erreicht die fortgeleitete Erregung zuerst die eine, dann die andere Elektrode: diphasisches Aktionspotential. Wird die Membran unter der zweiten Elektrode von der Erregung nicht erreicht, ergibt sich eine andere Potentialform: monophasisches Aktionspotential (Abb. 2) Anfangseinstellungen/Grundeinstellung: Oszilloskop: Drehregler Channel 1 auf 200 mv/ Div Drehregler Channel 2 auf 2 mv/ Div Drehregler Timebase auf 1 ms/ Div (nicht auf.1 ms/ Div!!) Schieberegler Reizgerät: Amplitude: 120 mv Duration: Delay: Mode: Polarity: Trig.: CH1 am Bildschirm des Oszilloskops nach oben verschieben CH2 am Bildschirm des Oszilloskops im unteren Drittel anordnen 1 ms 0 ms single Norm. Norm. Abb. 2 Form von extrazellulär abgeleiteten Aktionspotentialen Verändern Sie die Form des Summenaktionspotentials von diphasisch zu monophasisch Clear screen Polarity [Normal] drücken [Stimulus] drücken Deckel öffnen und Nerv mit Faden an richtiger Stelle abbinden [Stimulus] drücken Vergleichen Sie die beiden Summenaktionspotentiale und zeichnen Sie beide in das Diagramm 5 ein.

9 16 Versuch 9: Nerv 9.2 Untersuchungen am isolierten Nerv 17 Stimulus in mv Amplitude Stimulus in mv Amplitude Tabelle 7 Tragen Sie die Amplitude des Summenaktionspotentials (SAP) gegen die Reizstärke auf: Diagramm 5 Aufgabe 9.2.b Beziehung zwischen Reizstärke und Amplitude des Summenaktionspotentials Dicke Nervenfasern: niedrige Reizschwelle, hohe Nervenleitungsgeschwindigkeit. Dünne Nervenfasern: hohe Reizschwelle, niedrige Nervenleitungsgeschwindigkeit. Deswegen werden mit zunehmender Reizstärke zuerst die dicksten, schnellstleitenden Fasern erregt. Mit dem Schieberegler Ch2 das Bild optimal anpassen (am besten den Schieberegler auf die zweite gepunktete Linie von unten eintellen) Clear screen Reizstärke (stimulus amplitude) von 20 mv bis 120 mv in 20 mv-schritten erhöhen, jeweils stimulieren und die Amplitude des Summenaktionspotentials in Tabelle 7 eintragen Anschließend jeweils noch bei 200, 400 und 600 mv einen Reiz auslösen. Diagramm 6 Aufgabe 9.2.c Refraktärzeit des Nervenaktionspotentials Testen Sie die Auslösbarkeit von Aktionspotentialen bei Reizen mit kurzem zeitlichem Abstand. Zur besseren Übersichtlichkeit messen Sie bitte unter monophasischen Bedingungen, d.h. mit Faden zwischen den Ableitelektroden.

10 18 Versuch 9: Nerv Reizstärke: 200 mv Duration: 1 ms Mode (Twin) Verändern Sie schrittweise auf dem Reizgerät den Schieberegler [Delay] von 7 ms bis 2 ms in Schritten von 1 ms. Registrieren Sie die Aktionspotentiale. Zeichnen Sie bitte das Messergebnis am Oszilloskop in das untenstehende Diagramm Untersuchungen am isolierten Nerv 19 Benutzen Sie dazu folgende Einstellungen: Oszilloskop: Drehregler Channel 1 auf 100 mv/ Div Drehregler Drehregler Schieberegler Channel 2 auf 2 mv/ Div Timebase auf 2 ms/div (nicht auf.2 ms/div!!) CH1 am Bildschirm des Oszilloskops nach oben verschieben CH2 am Bildschirm des Oszilloskops im unteren Drittel anordnen Reizgerät: Amplitude: 120 mv Diagramm 7 Duration: Delay: Mode: Polarity: Trig.: 8 ms 0 ms single Norm. Norm. Aufgabe 9.2.d Kathodenschließungserregung und Anodenöffnungserregung Isolierte Nerven (z.b. der N. ischiadicus des Frosches) oder Nerven des Menschen in situ können durch elektrische Strompulse erregt werden. Dabei treten unter der Kathode (negative Elektrode) und der Anode (positive Elektrode) entgegengesetzte Veränderungen des Membranpotentials auf. Dabei können sowohl beim Schließen des Stromkreises unter der Kathode, als auch beim Öffnen des Stromkreises unter der Anode ein Aktionspotenzial ausgelöst werden. Führen Sie die Messungen ebenfalls unter monophasischen Ableitungsbedingungen durch. Drücken Sie auf [Stimulus]. y-achse mit Schieberegler Ch2 so verschieben, dass das Aktionspotential optimal im Bild liegt. Vergleichen Sie die beiden ausgelösten Summenaktionspotentiale und zeichnen Sie beide in das Diagramm 8 ein.

11 20 Versuch 9: Nerv 9.2 Untersuchungen am isolierten Nerv 21 In der Messkammer grün (Ableitelektrode) auf 8 cm stellen und erneut stimulieren. Vergleichen Sie die Summenaktionspotentiale. Bestimmen Sie hieraus die Nervenleitungsgeschwindigkeit. Hinweis: Wegdifferenz beträgt8 3,5cm = 45mm Zeitdifferenz am Oszilloskop ablesen (in ms) Beantworten Sie folgende Fragen: Warum ist die Amplitude eines extrazellulär abgeleiteten Aktionspotentials kleiner als die bei einer intrazellulären Messung? Diagramm 8 Aufgabe 9.2.e Nervenleitungsgeschwindigkeit (Froschnerv) Bestimmen Sie die Nervenleitungsgeschwindigkeit der schnellsten Fasern im peripheren Nerven des Frosches: Nervenleitungsgeschwindigkeit (NLG) = Weg (mm ) / Zeit (ms) Messen Sie unter den Anfangsbedingungen/Grundeinstellungen (siehe oben) Den Timebase-Regler des Oszilloskops stellen Sie bitte auf 0.5 ms Messkammer: Gelb (Anode) 0,5 cm Blau (Kathode) 2 cm Grün (Ableitelektrode) 3,5 cm Rot (Ableitelektrode) >9cm Faden zwischen grün und rot Stimulieren Danach: Wie verändert sich das Membranpotential der Nervenfaser unter Kathode und Anode?

12 22 Versuch 9: Nerv 9.3 Nervenleitungsgeschwindigkeit am Menschen 23 Welche Fasern eines peripheren Nervens werden bei elektrischer Reizung zuerst erregt? Erklären Sie die Refraktärzeit des Nervenaktionspotentials mit den Zustandsformen von spannungsabhängigen Natriumkanälen. 9.3 Nervenleitungsgeschwindigkeit am Menschen Vorbemerkung: Die Messung der Nervenleitungsgeschwindigkeit (NLG) von peripheren Nerven des Menschen erlaubt die Funktionsfähigkeit motorischer oder sensorischer Nervenfasern zu beurteilen und zu quantifizieren. Eine Schädigung der Axone und/oder ihrer Myelinscheide hat i.a. eine Verlangsamung der NLG und in schweren Fällen sogar Ausfälle von motorischen Einheiten zur Folge. Naturgemäß lässt die Elektroneurographie nur eine Aussage über Ort und Ausmaß einer Beeinträchtigung der Leitungsfunktion, nicht aber über deren Entstehungsursachen zu. Störungen bzw. Läsionen können wie bei Kompressionssyndromen (z.b. Karpaltunnelsyndrom) eng umschrieben sein; sie können sich aber auch wie im Fall von Polyneuropathien über größere Nervenabschnitte disseminiert erstrecken. Versuchsaufbau Der Messplatz, an dem Sie die Nervenleitungsgeschwindigkeit am peripheren Nerven messen, besteht aus zwei Komponenten: (1) Einem PC mit der Software, die zur Steuerung der Messungen und zur Auswertung der Daten dient. (2) Dem Messverstärker/Stimulator PowerLab 4/25T. Mit diesem Gerät werden Reizimpulse generiert und abgeleitete Summenaktionspotentiale digitalisiert. (Mit dem Schalter im Feld Isolated Stimulator kann die Stimulation wahlweise ein- oder ausgeschaltet werden). Abb. 3 Messverstärker/Stimulator PowerLab 4/2T

13 24 Versuch 9: Nerv Der Messverstärker/Stimulator PowerLab 4/25T hat an der Frontseite zwei Schnittstellen: (1) Für die Stimulation (rotes und schwarzes Kabel: Anode/Kathode) (2) Für die Ableitung/Erdung (grauer Stecker mit grünem, schwarzem und weißem Kabel: Erdung, Ableitung und Referenz) Inbetriebnahme des Messplatzes: Starten Sie die Recording-Software indem Sie das Symbol Nervenleitungsgeschwindigkeit anklicken. Durch das Anklicken wird Scope Application mit den Voreinstellungen gestartet Messung der Nervenleitungsgeschwindigkeit (N. medianus) Im Praktikum sollen die Leitungsgeschwindigkeiten von motorischen Nervenfasern des N. medianus bestimmt werden. Der N. medianus versorgt u.a den M. abductor bzw. flexor pollicis brevis (Muskeln des Daumenballens); hier werden also die Ableitelektroden für das Muskelaktionspotential angelegt. Im Gegensatz zur intrazellulären Ableittechnik, bei der eine Mikroelektrode in die Zelle eingestochen und die Potentialdifferenz zwischen Intra- und Extrazellulärraum gemessen wird, basiert die Bipolarableittechnik auf zwei extrazellulären Messelektroden, welche die Registrierung der Potentialdifferenz zwischen zwei Membranaußenbezirken erlauben. Eine Spannungsdifferenz ungleich Null ergibt sich praktisch nur dann, wenn beide Ableitorte weit genug voneinander entfernt liegen. Ein Aktionspotential, das über die betrachtete Struktur (Nervenfaser, Muskelfaser etc.) hinwegläuft, kann dann in den beiden Membranbereichen zu unterschiedlichen Ladungszuständen führen. Im unerregten Zustand ist natürlich die Potentialdifferenz gleich Null; im Zustand der Erregung zeigen sich charakteristische negative und positive Ausschläge (analog zu den am Froschnerv gemessenen Summenaktionspotentialen, s. oben). Im völlig entspannten Muskel sollten keine EMG-Aktivitäten nachweisbar sein. Anhaltende Spontanaktivitäten hingegen sind abnormal und können auf peripher-neurogene Läsionen hinweisen, z.b. Fibrillationen oder Faszikulationen. 9.3 Nervenleitungsgeschwindigkeit am Menschen Registrierung eines Elektromyogramms (EMG) Mit Hilfe zweier aufgeklebter Hautelektroden werden Summenaktionspotentiale des M. abductor bzw. flexor pollicis brevis (Muskeln des Daumenballens) abgeleitet. Eine Ableitelektrode wird über der Ballenmitte, die andere distal des Daumengrundgelenkes mit Hilfe eines Klebestreifens fixiert (s. Abb. 4). Elektrodengel zwischen Elektroden und entfetteter Hautoberfläche soll den Übergangswiderstand möglichst vermindern. Die Klettbandelektrode wird um das Handgelenk gelegt und über die Gerätemassebuchse geerdet. An der Frontplatte des PowerLab-Verstärkers muss der Stimulator eingeschaltet werden. Unter SCOPE des PowerLab-Systems ist in der oberen Leiste folgende Grundeinstellung gewählt: Delay 10 ms Duration (Durat.): 0.2 ms Amplitude (Ampl.): 0 ma Nur während der Aufzeichnungsphase unter SCOPE, d.h. nach Betätigung des grünen <START>-Knopfes, werden elektrische Impulse über den Reizausgang an die angeschlossene Reizelektrodeneinheit abgegeben. Dabei muss die Reizkathode ( ) proximal, die Reizanode (+) distal im Handgelenk über dem N. medianus aufgesetzt werden. Die Reizstromstärke (Ampl.) ist solange zu erhöhen (max. 20 ma), bis die typischen einzelnen Summenaktionspotentiale der Daumenmuskulatur auftreten. Außerdem sollte bei Reizung des N. medianus typischerweise eine Flexion und Adduktion des Daumens auftreten. Markieren Sie den optimalen Reizpunkt auf der Haut! Bestimmung der Nervenleitungsgeschwindigkeit Die NLG ist deutlich temperaturabhängig (ca. 5% Zunahme pro C); daher sollte während der Messung für eine gleichbleibende Temperatur gesorgt werden. Im allgemeinen fällt die NLG in den oberen Extremitäten (= m/s) höher als in den unteren (= m/s) aus, wobei sensible Fasern schneller als motorische leiten. Man beachte auch die Abhängigkeit der NLG von Alter und Faserdurchmesser (letzterer kann im Experiment nicht abgeschätzt werden!). Die motorische Nervenleitungsgeschwindigkeit des N. medianus wird bei supramaximaler Reizung seiner motorischen Anteile bestimmt. Eine exakte Bestimmung der NLG erfordert eine Zweipunktreizung aus unterschiedlichen

14 26 Versuch 9: Nerv Entfernungen zum Ableitort des EMGs mit anschließender Differenzbildung der Laufzeiten und -strecken. Dadurch trägt man der Tatsache Rechnung, daß die Latenzzeit zwischen Reizimpuls und EMG-Anstieg neben der eigentlichen axonalen Nervenleitungszeit auch die Aktivierungszeit der Axone, Übertragungszeit an der motorischen Endplatte und Aktivierungszeit der Muskelfasern einschließt. 2 Abb. 4. Nervenleitungsgeschwindigkeit von motorischen Fasern: Messanordnung. Messung des EMGs und der motorischen Nervenleitungsgeschwindigkeit bei überschwelliger elektrischer Reizung der motorischen Fasern des N. medianus. Mit Hilfe zweier aufgeklebter Hautelektroden werden die Summenaktionspotentiale des M. abductor bzw. flexor pollicis brevis (Muskeln des Daumenballens) abgeleitet. Ein Elektrodenband wird zur Erdung um das Handgelenk gelegt. Die elektrischen Reize werden über eine Halterung mit festinstallierten Reizelektroden appliziert, wobei die Reizkathode stets muskelnäher als die Anode aufgesetzt werden muß (warum?). Zur Bestimmung der Nervenleitungsgeschwindigkeit mittels der Zweitpunktreizung muß die Reizung an zwei verschieden entfernten Orten erfolgen: handgelenksnah (Pos. 1) und in der Ellenbeuge (Pos. 2) Nervenleitungsgeschwindigkeit am Menschen 27 Die erste Reizung soll am Reizort der Aufgabe (Handgelenk), die zweite Reizung in der Ellenbeuge erfolgen (s. Abb. 4 ). Mit Hilfe eines Maßbandes ist die anatomische Distanz, die Laufstreckendifferenz, zwischen beiden Reizorten zu bestimmen. Die Laufzeitdifferenz ergibt sich aus der Subtraktion der beiden Latenzzeiten. Wählen Sie dieselbe Grundeinstellung für die Reizung wie in Aufgabe Starten Sie SCOPE und steigern Sie die Reizstromstärke, bis ein maximales EMG-Signal auftritt. Anschließend werden die Reizelektroden in der Ellenbeuge angelegt und langsam die Kathode solange quer zum Arm bewegt, bis gleichfalls ein optimales EMG ausgelöst wird. Benutzen Sie die Tabelle 8 zur Bestimmung der Nervenleitungsgeschwindigkeit. Zur Messung der Latenzzeiten fahren Sie mit dem Mauszeiger in der Anwendung SCOPE über die Kurvenpunkte, deren Koordinaten Sie ermitteln wollen. Messen Sie dann die Weglängen zwischen den markierten Positionen der Reizelektroden und der Ableitelektrode. Die Nervenleitungsgeschwindigkeit errechnet sich aus folgender Beziehung: NLG Laufstreckendifferenz Laufzeitdifferenz wobei die Laufstreckendifferenz (= Abstand der beiden Reizorte) in Meter, die Laufzeitdifferenz (= Latenzzeitdifferenz) in Sekunden einzusetzen sind. kleiner Abstand Kathode Ableitelektrode (mm) großer Abstand Kathode Ableitelektrode (mm) Tabelle 8 Abstände (mm) m s Latenz zu Beginn des Muskelaktionspotentials (ms) NLG =

15 28 Versuch 9: Nerv Vergleichen Sie die maximalen Nervenleitungsgeschwindigkeiten von Frosch und Mensch. ERFOLGSKONTROLLE Nach diesem Praktikumsteil sollten Sie in der Lage sein: Zusammenhänge zwischen [K + ], [Na + ] und dem Aktionspotential zu verstehen, den Aufbau eines peripheren Nerven am Beispiel des Nervus ischiadicus zu beschreiben, die nacheinander ablaufenden Vorgänge von der synaptischen Reizung eines Motoneurons bis hin zur synaptischen Übertragung an der motorischen Endplatte zu erläutern, den Unterschied zwischen einem AP und einem SAP zu erklären, den Entstehungsmechanismus des diphasischen SAPs zu erklären, die Größenordnung der Amplitude eines vom Froschnerven abgeleiteten SAPs anzugeben, die ungefähre Dauer eines mono- und diphasischen SAPs anzugeben, eine Methode zur Umwandlung eines diphasischen in ein monophasisches SAP erklären zu können, anzugeben, wie man die Nervenleitungsgeschwindigkeit bestimmt, die Leitungsgeschwindigkeit der schnellen, menschlichen Fasern anzugeben, die Bedeutung der Längskonstante bei der elektrotonischen Erregungsausbreitung zu erklären, den Zusammenhang zwischen Axondurchmesser und Leitungsgeschwindigkeit zu beschreiben, die Dauer der absoluten und relativen Refraktärphase am Froschnerven zu nennen, zu erklären, weshalb das SAP in der relativen Refraktärphase kleiner wird, die Ursache der relativen und absoluten Refraktärzeit zu nennen, den Versuchsaufbau zu skizzieren, die Versuchsapparatur selbständig zu verschalten, die in Ihrem Protokoll aufgeführten Kurven zu skizzieren und zu erklären.

16