Grundlagen der Tierphysiologie

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1 Grundlagen der Tierphysiologie Neurobiologie/Stoffwechselphysiologie SS 2016 Prof. Dr. Monika Stengl (Vorlesung basierend auf VLs nach Profs. Drs. U. Homberg, Univ. Marburg, G. Heldmaier, Univ. Marburg and S. Frings, Univ. Heidelberg) 1

2 Neuropeptide im Circadianen Schrittmacher der Schabe Rhyparobia maderae Pheromon-Wahrnehmung & circadiane Rhythmik beim Schmetterling Manduca sexta

3 Tierphysiologie, Neuroethologie Prof. Dr. Monika Stengl Fragen ans Sekretariat: Thordis Arnold Marius Bartolomai Ragna Maya von Berlepsch David Estruth Lara Fricke Petra Gawalek Julia Gestrich Maria Giese Susanne Kocziarek Sebastian Korek Azar Massah Robin Schumann Dr. Achim Werckenthin Dr. Hongying Wei Karin Große-Mohr Pamela Westphalen André Arand 3

4 Methoden: molekular-zellulär-organismisch RT-PCR, Realtime PCR, RNAi Western blots, ELISAs, Immunocytochemie, Neuroanantomie, 3D-Rekonstruktionen, Laser-scanning Konfokale Mikroskopie, Elektrophysiologische Techniken, Patch Clamp, Calcium-Imaging, FRET, Verhaltensversuche, Mikrochirurgie, Pharmakologie. 4

5 Lehrbücher Tierphysiologie Penzlin: Lehrbuch der Tierphysiologie. 8. Auflage 2005, Spektrum, Heidelberg, 80,00 Eckert: Tierphysiologie. 4. Auflage 2002, Thieme, Stuttgart, 69,95 Animal Physiology 5th Ed. 2002, Freeman, England, 59,95 Schmitdt Thews "jphysiologie des Menschen, 24. Ed., Springer Verlag Müller Frings "Tier und Humanphysiologie" und alle weiteren, die in der Bibliothek zur Verfügung stehen, Neurobiologie Dudel, Menzel, Schmidt: "Neurowissenschaft". 2. Auflage 2001, Springer, Berlin, 24,95 Kandel, Schwartz, Jessel 4th Edition, Mc Graw Hill Stoffwechselphysiologie Knut Schmidt-Nielsen: Animal physiology, Adaptation and environment, 5th edition Heldmaier, Neuweiler: "Vergleichende Tierphysiologie", Band 2, "Vegetative Physiologie" , Springer Verlag, 45.

6 Klausur zur Vorlesung: Studienleistung (muss bestanden werden) VL-Klausur: Uhr HS HS 298 Nachklausur: Uhr HS HS 298 Kurs-Abschluss-Klausur = Prüfungsleistung genaue Termine, Ort, Zeit können sich ändern! ausgehängt vor dem Sekretariat der Tierphysiologie und im Internet: Username: tierphys Kennwort: tierphys09 6

7 Alle müssen den jeweils ersten Klausur-Termin wahrnehmen. Wer unentschuldigt fehlt, hat nicht bestanden. Pro Jahr nur eine Nachhol-Klausur Prüfungsfragen/Folien aller VLs im Netz! username: tierphys Kennwort: tierphys09 7

8 Tutorin: Maja von Berlepsch Bitte im Sekretariat Bedarf anmelden! Bitte Termine direkt mit Maya abmachen 8

9 Grundlagen der Tierphysiologie: Neurobiologie I Einführung: Nervensystem Membran-Ruhepotential Aktionspotential, Ionenkanäle Synaptische Übertragung Muskel Allgemeine Prinzipien der Sensorik Chemosensorik Optischer Sinn Mechanische Sinne, Hören, Lernen und Gedächtnis Osmo-, Ionenregulation, Exkretion Endokrinologie, Hormone + Abschlussbesprechung 9

10 Gliederung 1. Themenbereiche der Tierphysiologie 2. Funktionen des Nervensystems 3. Bau des Nervensystems Organisation von Nervensystemen zellulärer Aufbau von Nervensystemen 10

11 Vergleichende Tierphysiologie Neurophysiologie: Bau und Funktionen des peripheren und zentralen Nervensystems, einschließlich der Sinnesorgane und der Muskulatur Stoffwechselphysiologie: Bau und Funktion der inneren Organe, zur Stoffaufnahme, -verteilung, zur Energieversorgung und zur Homöostase 11

13 Funktionen des Nervensystems - Aufnahme von Informationen (Sensorischer Eingang aus Körper und Umwelt) 13

14 Funktionen des Nervensystems - Aufnahme und Transduktion von Informationen (Sensorischer Eingang aus Körper und Umwelt) - Integration (multisensorische Integration; Lernen und Gedächtnis; Bewertung und Auswahl, Koordination motorischer Programme) 14

15 Funktionen des Nervensystems - Aufnahme und Transduktion von Informationen (Sensorischer Eingang aus Körper und Umwelt) - Integration ((multisensorische Integration; Lernen und Gedächtnis; Bewertung und Auswahl, Koordination motorischer Programme) - Steuerung von Erfolgsorganen (Muskeln, Drüsen) 15

16 Menschliches Gehirn: 2x10 Nervenzellen und etwa 50mal soviel Glia Ein Neuron hat mit etwa Neuronen Kontakte Das menschliche Gehirngewicht ist 2% des Körpergewichtes und verbraucht 20% der Stoffwechselenergie 11 16

18 Wie ist das Nervensystem entstanden? 18

19 Darwin ( ), Wallace: Abstammungslehre = Deszendenz- und Selektionstheorie 20tes Jhd. Neodarwinismus: Gradualismus: vereinigt Paläontologie, Morphologie mit Populationsgenetik zufällige Mutationen und Rekombination im Erbgut und Selektion führen zu neuen Merkmalen: wer besser angepasst ist an Umwelt vermehrt sich mehr 19

20 Wie sind die Nervensysteme in unterschiedlichen Tierstämmen gebaut? Entwicklungsprinzipien? Charakteristika? 20

21 Die 3 Domänen der Organismen: Eukarya Archaea Bacteria 21

22 Auf molekularen Vergleichen beruhender Stammbaum Auf dem Organisationsgrad des Körperbaus beruhender Stammbaum 22

23 23

24 Coelenteraten: Cnidaria (Nesseltiere) diffuses Nervensystem mit Konzentrationen um Mund und Stiel Hydropolyp 24

25 Plathelminthes, Nemathelminthes, Nemertines Gehirn mit davon abgehenden Längsträngen variabler Zahl, mit Kommissuren. Plattwürmer Gehirn Nematoden (Fadenwürmer) Markstränge Kommissuren 25

26 Mollusca Gehirn mit 4 abgehenden Längssträngen (Tetramerie): abgeleitet: 5-6 Ganglienpaare statt Marksträngen Sinnesorgane, Haut Mantel Buccalganglion Pharynx, Schlund, Magen Fuss, Haut Mantel, seitliche Körperwand kaudaler Darm, Anus, Körperwand, Haut, Niere, Leber, Herz, Geschlechtsorg. 26

27 Das größte Gehirn der Mollusca hat der intelligente Octopus! 1.htm#

28 Das Arthropoden Gehirn 28 Mayer et al., 2010

29 Arthropoda: Insekta: Strickleiternervensystem Gehirn mit abgehenden paarigen, ventralen Längssträngen Kopf (6 Segmente) -Oberschlundganglion -Unterschlundganglion Thorax (3 Segmente) -3 Ganglienpaare Abdomen (11 Segmente) -8 Ganglienpaare 29

30 Insekt: Gehirn 30

31 Chordata, Hemichordata Vertebrata: dorsales Neuralrohr mit rostral anschließendem Gehirn Prosencepahlon Mesencephalon Vorderhirn Mittelhirn Prosencephalon Rhombencephalon Rautenhirn Mesencephalon Rückenmark Rhombencephalon Mensch Tag 28 Mensch Tag 36 31

32 Mensch: Stadien der Gehirnentwicklung Tag 35 Tag 44 5 Monate 32

33 Wirbeltiergehirn Grosshirnrinde =Cortex Thalamus Epiphyse Kleinhirn =Cerebellum Ventrikel Hypothalamus Basalkerne Hypophyse Sagittalschnitt Bulbus olfaktorius Endhirn (Telenceph.) Zwischenhirn (Dienceph.) Mittelhirn (Mesenceph.) Hinterhirn (Metenceph.) Verl. Mark =Medulla oblongata (Myelenceph.) Rückenmark Cerebellum Sicht von dorsal 33

34 Organisation von Nervensystemen 1. Nervennetz ohne zentralnervöse Organe wie Gehirn/Ganglien 2. Vier Grundtypen von Nervensystemen: Gehirn mit abgehenden Längssträngen mit Kommissuren =plesiomorph für bilaterale Tiere; Gehirn mit abgehenden 2 ventralen Längssträngen mit metameren Ganglien: Strickleiternervensystem der Artikulata; Gehirn mit 4 abgehenden Längssträngen = Tetramerie der Molluska; Dorsales Nervenrohr mit rostral direkt anschließendem zentralnervösem Gehirn, wie bei Hemichordaten und Chordaten. 34

35 Trends: bei Entwicklung des Nervensystems Konzentrierung von Nervenzellen in Ganglien; zunehmende Cerebralisation = Bildung eines hierarchisch übergeordneten Nervenzentrums (Gehirn) im Kopfbereich; 35

36 Gliederung 1. Themenbereiche der Tierphysiologie 2. Funktionen des Nervensystems 3. Bau des Nervensystems Beispiele von Nervensystemen zellulärer Aufbau von Nervensystemen 36

37 Die wesentlichen molekularen Komponenten der neuronalen Erregungsübertragung und -Verarbeitung sind sehr viel älter als die Nervensysteme und die Neuronen 37

38 Zellmembran Rezeptoren Ionenpumpen Enzyme Ionenkanäle Membranproteine Lipiddoppelschicht 38

39 Zelluläre Differenzierung Kondensation zu vielzelligen Nervensystemen 39

40 Verschiedene Neuronentypen: 40

41 Wirbeltiermotoneuron Zentralnervensystem Dendriten Synapse Soma, Perikaryon Myelinscheide Peripheres Nervensystem Axonhügel Axon Schwann- Zelle Axonkollaterale Oligodendrozyt Motorische Endplatten Aus: Junqueira, Carneiro (1996): Histologie 41

42 Neuronentypen Multipolares Neuron Bipolares Neuron Pseudounipolares Neuron Amakrines Neuron 42

43 Gliazellen Olygodendrozyten (Myelinscheiden im ZNS) Schwann-Zellen (Myelinscheiden im PNS) Astrozyten (Stoffaustausch, Narbenbildung) Mikroglia (Immunantwort, Phagozytose) 43

44 Glia Axon Schwann- Zelle Oligodendrozyt Ranvier- Schnürring Myelinscheide 44

45 Zusammenfassung Nervensysteme - besitzen verschiedene Baupläne; - bestehen aus zwei Zelltypen: Neuronen, Glia; - Neuronen sind die Hauptinformationsträger; - Neuronen besitzen funktionale Regionen. 45

46 VL.1 Prüfungsfragen: Welche Funktionen erfüllt das Nervensystem? Welche generellen Strukturveränderungen finden in zentralen Nervensystemen der Organismen im Laufe der Evolution statt? Zeichnen Sie den schematischen Aufbau des Gehirns eines Wirbeltieres und eines Insekts. Nennen Sie die 4 wichtigsten Membranprotein-Klassen der Neuronenmembran. Skizzieren Sie ein Neuron und beschriften Sie die wichtigsten Strukturen. Welche Typen von Gliazellen gibt es und welche Aufgaben haben Sie? Aus welchen funktionalen Regionen ist ein Neuron aufgebaut? 46