Vorlesung Einführung in die Biopsychologie. Kapitel 4: Nervenleitung und synaptische Übertragung
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- Rüdiger Geisler
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1 Vorlesung Einführung in die Biopsychologie Kapitel 4: Nervenleitung und synaptische Übertragung Prof. Dr. Udo Rudolph SoSe 2018 Technische Universität Chemnitz
2 Grundlage bisher: Dieser Teil nun: Struktur des Gehirns Wie kommunizieren die Strukturen des Gehirns miteinander? Stichworte: Nervenleitung und Synaptische Übertragung Zum Ruhepotenzial (dt.): Zum Ruhe- & Aktionspotenzial (engl.): 2
3 Übersicht zur heutigen Sitzung: Das Ruhepotential: Wie sieht es in einer Nervenzelle normalerweise aus? Was sind post-synaptische Potentiale? Wie werden Signale bezeichnet als: Aktionspotentiale weiter geleitet? Wie funktioniert die synaptische Übertragung? Was sind Neurotransmitter und welche Arten von Neurotransmittern gibt es? Welche pharmakologischen (medikamentösen) Einflüsse auf die synaptische Übertragung gibt es? 3
4 Das Ruhepotential Das Ruhepotential: Es herrscht eine Spannungsdifferenz von 70 Millivolt (innen sind mehr negative Teilchen als außen), das Neuron ist "polarisiert". Vier Ionenarten sind hierbei von zentraler Bedeutung: Im Inneren des Neurons befinden sich mehr Kalium (+) Ionen und mehr negativ geladene Protein-Ionen als außerhalb des Neurons. In der Zellumgebung befinden sich mehr Natrium (+)-Ionen und Chlorid (-)-Ionen als im Inneren des Neurons. 4
5 Das Ruhepotential Das Ruhepotential: K+ und Cl- Ionen können die Zellmembran leicht passieren, im Gegensatz zu Protein- Ionen (-) (so gut wie gar nicht) und Natrium- Ionen (+) (eher langsam). In der Membran existieren spezielle Ionenkanäle, die im Ruhepotential-Zustand geschlossen sind. Warum gibt es nun ein Gleichgewicht zwischen den Ionen, das ausgerechnet ein Ruhepotential von 70 Millivolt erzeugt? 5
6 Das Ruhepotential Das Ruhepotential: Homogenisierende Faktoren: Brown sche Molekularbewegung (Stichwort: Konzentrationsgradient) Elektrostatische Abstoßung gleichartiger Ionen (elektrostatische Kraft). Anti-homogenisierende Faktoren: Die Art der Ionen und deren unterschiedliche Fähigkeit zur Diffusion durch die Zellmembran (selektive Permeabilität, ein passiver Faktor). Natrium-Kalium-Pumpe (ein aktiver Faktor) [ Überblick nächste Folie ] 6
7 Funktionsweise der Natrium-Kalium-Pumpe: (nach Hodgkin & Huxley, 1952) 7
8 Zusammengefasst: Cl- Ionen: Hohe Konzentration außen; Diffusion nach innen, aber höhere negative Ladung innen Abstoßung. Bei 70 mv entsteht ein Gleichgewicht zwischen Konzentrationsgradient und elektrostatischer Kraft. Na+ Ionen: Hohe Konzentration außen, Diffusion nach innen, auch aufgrund der negativeren Ladung innen; Anziehung. Ungleichgewicht von -120 mv. Rücktransport (nach außen) durch Natrium-Kalium-Pumpe K+ Ionen: Hohe Konzentration innen; Diffusion nach außen, aber negativere Ladung innen Anziehung. Kraft des Konzentrationsgradienten liegt bei 20 mv > elektrostatische Kraft. Rücktransport (nach innen) durch Natrium-Kalium-Pumpe. 8
9 Und wie kommunizieren jetzt die Nervenzellen mit einander und was passiert dann? Hierzu ein Blick auf 2 miteinander verbundene Neuronen: Die Verbindung erfolgt durch Synapsen, von denen es die folgenden Typen gibt: axodentritisch axosomatisch dendrodendritisch axoaxonal 9
10 EPSP: Freisetzung von Neurotransmittern Depolarisation des postsynaptischen Membranpotentials (z. B. auf -67mV). Depolarisation höhere Wahrscheinlichkeit der Generierung eines Signals, das an andere Neurone weitergegeben wird. Ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) 10
11 IPSP: Freisetzung von Neurotransmittern Hyperpolarisation des postsynaptischen Membranpotentials (z. B. 72 mv). Hyperpolarisation geringere Wahrscheinlichkeit der Generierung eines Signals, das an andere Neurone weitergegeben wird. Ein inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP) 11
12 Wie sieht das konkret bei einem bestimmten Neuron aus? Hier: Nächste Folie: Schematische Abbildung eines Neurons Mögliche räumliche & zeitliche Summationen von EPSP's & IPSP s. 12
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15 Das Aktionspotential Das Aktionspotential: Eintreffen von EPSP's & IPSP's am Axonhügel. Diese addieren sich. Wenn dadurch das Membranpotential über die Erregungsschwelle gelangt: Aktionspotential. Wenn AP (= 1 ms), dann Umkehrung des Membranpotentials auf etwa + 50 mv Dies ist eine ALLES-oder-NICHTS- Antwort des Neurons mit anschließender Hyperpolarisation. Erregungsschwelle oft um 65 mv. 15
16 Welche chemischen Prozesse begleiten ein Aktionspotential? Normalerweise passiert Na+ die Zellmembran schwer, dies ändert sich K+ hinaus Na+ hinein 16
17 Was geschieht nach Auslösung des Aktionspotenzials? A. In der sendenden Zelle entsteht eine absolute (ca. 2 ms) und eine relative (weitere ca. 2-3 ms) Refraktärzeit: das heißt, ein neues AP kann nicht oder nur erschwert (d.h. bei höherer Stimulation) ausgelöst werden. B. Das Aktionspotential wird entlang des Axons aktiv weitergeleitet (im Gegensatz zu EPSP/IPSP, die sich passiv verbreiten). Die aktive Weiterleitung bewirkt, dass sich AP bei Ausbreitung nicht abschwächt (anders bei EPSP/IPSP). Myelinisierte Axone: passive (schnelle) Weiterleitung an myelinisierten Abschnitten, aktive (langsame) Weiterleitung an den Schnürringen. Leitungsgeschwindigkeit im Axon: 1 m/s bis 100 m/s (bei manchen Motoneuronen). Besonderheit: Interneurone bilden keine APs aus, sondern nur EPSP's und IPSP's. 17
18 Postsynaptische Hemmung 18
19 Präsynaptische Hemmung 19
20 Beispiel für eine ungerichtete Freisetzung von Neurotransmittern. Einige Neurone setzen Neurotransmitter aus Variskositäten entlang des Axons und seiner Äste weiträumig frei. 20
21 Synaptische Übertragung: Schematische Darstellung des Aufbaus einer Synapse. 21
22 Neurotransmitterfreisetzung (Exocytose) 22
23 Wie funktioniert die Deaktivierung eines Neurotransmitters? Option A: Wiederaufnahme des Neurotransmitters. 23
24 Wie funktioniert die Deaktivierung eines Neurotransmitters? Option B: Enzymatischer Abbau des Neurotransmitters. 24
25 Welche Neurotransmitter gibt es? Aminosäuren (Glutamat, Aspartat, Glycin, GABA). Diese steuern die Mehrheit der zielgerichteten Synapsen im ZNS. Monoamine (Dopamin Noradrenalin Adrenalin; Serotonin). Lokation der Neurone oft im Hirnstamm, typischerweise diffuse Freisetzung. Lösliche Gase (Stickoxid, Kohlenmonoxid). Acetylcholin. Diffundieren aus dem Cytoplasma in den Extrazellulärraum. Besonders weite Verbreitung im gesamten NS, gutes Beispiel: Vagusnerv. Neuropeptide (viele, u.a. Endorphine). Große Moleküle; oftmals beteiligt an Empfindungen von Schmerz und Lust. Typisch ist die modulierende (Meta-) Wirkung auf zielgerichtete Synapsen. 25
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28 Das sollten Sie wissen: Zustand des Neurons im Ruhepotential. EPSP/IPSP, Summations- (Subtraktions-) Prinzipien. Generierung und Weiterleitung von Aktionspotentialen. Der Aufbau von Synapsen. Ungerichtete und gerichtete Synapsen. Die postsynaptische Wirkung von Neurotransmittern. Teilschritte der Neurotransmitterwirkung und Mechanismen der Pharmakonwirkung. Typen von Neurotransmittern. 28
29 Vorbereitung zur nächsten Sitzung: Forschungsmethoden. Literatur: Kapitel 5 aus Pinel Pinel, J.P., & Pauli, P. (2007). Biopsychologie (8.aktualisierte Auflage), Kapitel 5: Die Forschungsmethoden der Biopsychologie (pp ). 29
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