Springer. Josef Dudel Randolf Menzel Robert F. Schmidt (Hrsg.) Vom Molekül zur Kognition. Zweite, überarbeitete und aktualisierte Auflage

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1 Josef Dudel Randolf Menzel Robert F. Schmidt (Hrsg.) Vom Molekül zur Kognition Zweite, überarbeitete und aktualisierte Auflage Mit Beiträgen von R. Blickhan, P. Bräunig, B. Brenner, J. A. Campos-Ortega, J. Dudel, G. Ehret, G. Fleissner, M. Gahr, W. Hanke, H. Hatt, W. Heiligenberg, K.-P. Hoffmann, W. Jänig, R. Keller, K. Kirschfeld, R. Mausfeld, R. Menzel, F.-K. Pierau, W. Rathmayer, G. Roth, R. Rudel, H.-G. Schaible, R. F. Schmidt, U. Thurm, G. von der Emde, C. Wehrhahn, W. Wiltschko, M. F. Wullimann und H. Zimmermann Mit 352 überwiegend vierfarbigen Abbildungen und 32 Tabellen Springer

2 Inhalt Evolution der Nervensysteme 3.6 und der Sinnesorgane G. Roth und M. F. Wullimann Evolutionstheorie und Stammesgeschichte 1 4 Entstehung der Nervensysteme 3 Nervensysteme der Eumetazoen 3 Die Evolution der Nervensysteme: eine Synthese Literatur Molekulare Funktionsträger der Nervenzelle H. Zimmermann 33 Die Zellmembrali 33 Vom Gen zum funktioneilen Protein Allgemeine Methoden der molekularen Neurobiologie 39 Membrantransport 42 Einwirkung chemischer Signale: Hormone und Transmitter 43 Filamentöse Zellproteine 50 Molekulare Motoren und axonaler Transport 52 Membranfluß, Exozytose und Endozytose 56 Literatur 60 Ontogenie des Nervensystems und der Sinnesorgane J. A. Campos-Ortega 63 Die Entstehung der neuralen Anlagen. 63 Zelldetermination und Zellstammbäume; Neurone und Gliazellen 67 Zellwanderung im Nervensystem 73 Morphogenese 76 Die Entwicklung spezifischer Nervenverbindungen Zelltod: Morphogenetische Auswirkungen Literatur 86 Erregungsbildung und -leitung im Nervensystem J. Dudel 87 Ruhepotential 87 Erregung, Aktionspotential 92 An der Erregung beteiligte, spannungsabhängige Na + - und Ca 2+ -Kanäle 97 Spannungsabhängige und stoffwechselabhängige K + - und Cr-Kanäle 101 Elektronische Ausbreitung von Potentialänderungen 107 Fortleitung des Aktionspotentials 109 Literatur 114 Synaptische Erregung und Hemmung J. Dudel 115 Die neuromuskuläre Endplatte als Prototyp einer schnellen chemischen Synapse 115 Andere schnelle chemische Synapsen, synaptische Hemmung 119 Direkt ligandengesteuerte Membrankanäle 122 Langsame Synapsen, G-Proteinvermittelt gesteuerte Kanäle und Modulationen 129 Informationsverarbeitung an chemischen Synapsen 135 Elektrische Synapsen 142 Literatur 143 Inhalt IX

3 6 Muskeln und Motilität R. Rudel und B. Brenner Steuerung der Muskelfunktion im Körper Strukturelle Grundlagen und stoffliche Zusammensetzung der Vertebratenskelettmuskeln Die elektromechanische Kopplung Die Muskelkontraktion Energieumsatz und Ermüdung Molekulare Mechanismen von Kontraktion und Regulation Die Herzmuskulatur Die glatte Muskulatur der Wirbeltiere Die glatte Muskulatur der Mollusken Andere Myozine Mechanismen intrazellulären Stofftransports Literatur Motorische Steuerung bei Invertebraten W. Rathmayer Die neuromuskulären Grundlagen Die Entstehung motorischer Muster Die Rolle sensorischer Signale (Afferenzen) für die motorische Steuerung Modulationjnotorischer Steuerung Die Rolle von Riesenfasern für schnelle Bewegungsabläufe Die motorische Steuerung des Fliegens bei Insekten Die genetische Kontrolle motorischen Verhaltens Literatur Vegetatives Nervensystem bei Vertebraten und Invertebraten W. Jänig und P. Bräunig Organisation und allgemeine Funktionen des vegetativen Nervensystems bei Vertebraten Überträgerstoffe im peripheren Sympathikus und Parasympathikus Neuroeffektorische Übertragung im peripheren vegetativen Nervensystem Impulsübertragung und Integration in vegetativen Ganglien Darmnervensystem Zentrale Organisation des vegetativen Nervensystems in Rückenmark, Hirnstamm und Hypothalamus Das viszerale Nervensystem von Invertebraten Integration von viszeralen Funktionen und Verhalten bei Wirbellosen Literatur Neurohormonale Systeme bei Invertebraten R. Keller Bau und Funktion der neurosekretorischen Zellen Neurohormonale Systeme bei Invertebraten in Beispielen Cnidaria (Coelenteraten) Insekten Crustaceen Mollusken Literatur.' Motorische Systeme bei Vertebraten R. Blickhan Von der Muskelerregung zur Bewegung Schaltkreise des Rückenmarkes Motorische Funktionen des Hirnstammes Der motorische Kortex Das Zerebellum Die Basalganglien Literatur Neurohormonelle Systeme der Vertebraten W. Hanke Übersicht und Einteilung der neurohormonellen Systeme Die Neuropeptide von Hypothalamus und Neurohypophyse Die Peptide der Adenohypophyse Die Zerebro-Intestinalen Peptide, Tensine und Kinine Zentren der Lokalisation von Neuropeptiden im Dienzephalon Regulationsprinzipien und Wirkungsmechanismen der neurohormonellen Systeme Literatur 278 X Inhalt

4 12 Allgemeine Sinnesphysiologie R. Mausfeld Die biologische Funktion sensorischer Systeme \... V Grundbegriffe und Fragestellungen der allgemeinen Sinnesphysiologie Neurobiophysik und Neurobiologie sensorischer Systeme Verhaltensbiologie sensorischer Systeme: Neuroethologie und vergleichende Sinnesphysiologie Psychophysik und Wahrnehmungspsychologie Literatur Chemosensibilität, Geruch und Geschmack H. Hatt Morphologie des Riechsystems von Wirbeltieren Morphologie des Riechorgans bei Invertebraten Geruchsdiskriminierung; Beteiligung des Nervus trigeminus Geruchsqualitäten bei Invertebraten Wirkung von Duftstoffen auf molekularer Ebene Bau der Geschmacksorgane und ihre Verschaltung bei Vertebraten Geschmacksqualitäten bei Vertebraten Molekulare Mechanismen der Geschmackserkennung Chemorezeption bei Invertebraten Biologische Bedeutung des Geruchsund des Geschmackssinns Literatur Thermosensibilität Fr.-K. Pierau Temperatursensoren Reiztransduktion in Temperatursensoren Zentrale Verarbeitung von Temperatursignalen Adaption an extreme Temperaturbedingungen Literatur Mechanosensorik U. Thurm Grundzüge mechanischer Reize und mechanosensorischer Rezeptorsysteme Bau und Reiztransduktion epithelialer Mechanorezeptorzellen Bau und Reiztransduktion ganglionärer Mechanorezeptorzellen Efferente Steuerungen mechanorezeptorischer Signalaufnahme und sensorische Kontrolle der Stellung, Bewegung und Belastung von Körperteilen Rezeption von Berührung, Druck und Vibration Rezeption von Aero- und Hydrodynamik durch Strömungsrezeptoren Rezeption von Linear- und Winkelbeschleunigungen (Schwereund Drehsinn) Literatur Auditorische Systeme G. Ehret Schallcharakterisierung Aufbau und Funktionsprinzipien von Hörorganen bei Invertebraten Aufbau und Funktionsprinzipien von Hörorganen bei Vertebraten Kodierung der Schallsignale im Hörnerven Zentralnervöse Verarbeitung bei Invertebraten Zentralnervöse Verarbeitung bei Vertebraten Akustische Mustererkennung und Verhaltenskontrolle Literatur Photorezeption (periphere Sehorgane) K. Kirschfeld Licht und Sehen.' Augentypen Phototransduktion Voraussetzungen zum Farbensehen Die Netzhaut (Retina) Literatur Zentrale Sehsysteme K.-P. Hoffmann und C. Wehrhahn Sehen als aktiver Prozeß Parallele Informationsverarbeitung in zentralen Sehsystemen Helligkeitssehen Funktionelle Anatomie des visuellen retinothalamokortikalen Systems Bewegungssehen Verarbeitung von Rauminformation im Sehsystem Formwahrnehmung 424 Inhalt XI

5 18.8 Farbensehen Literatur Der elektrische Sinn und seine Rolle bei der Orientierung und Kommunikation G. von der Emde und W. Heiligenberg 429 Die stammesgeschichtliche Herkunft der Elektrorezeption 429 Struktur und Funktion der Elektrorezeptoren 431 Biophysikalische Eigenschaften der Elektrorezeptoren 435 Die zentralnervöse Verarbeitung elektrorezeptiver Information im Rahmen der Orientierung und Kommunikation Literatur 438 Magnetische Orientierung W. Wiltschko 439 Das Magnetfeld der Erde 439 Der Magnetkompaß der Vögel 439 Richtungsorientierung nach dem Magnetfeld bei anderen Tiergruppen Verhaltensweisen, die nicht auf der Vektoreigenschaft des Magnetfelds beruhen r 445 Die physiologischen Grundlagen der Magnetfeldperzeption 447 Literatur 449 Nozizeption und Schmerz H.-G. Schaible und R. F. Schmidt 451 Schmerzen bei Mensch und Tier 451 Rezeption noxischer Reize durch primär afferente nozizeptive Neurone 455 Nozizeptive Neurone im Zentralnervensystem 458 Nozizeption und chemische Erregungsübertragung im Nervensystem 462 Literatur 464 Neurale Grundlagen von Motivation und Emotion M. Gahr 465 Theoretische Forderungen an neurale Motivationssysteme 465 Neurale Mechanismen des Freßverhaltens von Aplysia Neurale Grundlagen von Trinkverhalten Neurale Korrelate der motivationellen Komponenten von männlichem Sexualverhalten Zelluläre Mechanismen des weiblichen Kopulationsverhaltens Neurale Grundlagen von Emotionen Literatur Neuronale Plastizität, Lernen und Gedächtnis R. Menzel Neuronale Plastizität Aktivitätsabhängige Plastizität Strukturelle Plastizität und Anpassung während der Entwicklung des Nervensystems Assoziatives Lernen: eine Übersicht Assoziatives Lernen durch klassische Konditionierung Assoziatives Lernen durch operante Konditionierung Gedächtnis: Spuren neuronaler Plastizität im Nervensystem Literatur Rhythmizität, zirkadiane Rhythmik und Schlaf G. Fleissner Rhythmizität Zirkadiane Rhythmik Schlaf der Wirbeltiere Schlaf bei wirbellosen Tieren Literatur Neuronale Grundlagen kognitiver Leistungen G. Roth und R. Menzel Kognitive Leistungen und ihre Lokalisation im Gehirn Die Einheit der Wahrnehmung Kognitive Aspekte des Lernens: Kontextabhängiges Lernen, Regellernen und Raumorientierung Sprachliche Kommunikation Komplexe kognitive Leistungen des menschlichen Gehirns und ihre Störungen Gehirn und Bewußtsein Gehirn und Geist Literatur 562 Sachverzeichnis 565 XII Inhalt