Neurobiologie

Nervenzelle Aufgabe

Informationen empfangen, verarbeiten und weiterleiten

Membranpotenzial

Beschreibt Spannung, die sich zwischen Innen- und Außenseite einer semipermeablen Membran bildet

Entstehung: durch Konzentrationsunterschied von Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle

Ruhepotenzial

Beschreibt den Zustand einer unerregten Nervenzelle

Ionenverteilung:

• Intrazellular: vorwiegend Kalium-Ionen und organische Anionen

• Extrazellular: vorwiegend Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen

Aufrechterhaltung Ruhepotenzial

Kaliumkanäle: offen (K+ aus Zelle für Konzentrationsausgleich) → chemischer Gradient

Natriumkanäle: geschlossen (Na+ durch Natrium-Leckströme entlang Konzentrationsgefälle nach innen)

Natrium-Kalium-Pumpe: arbeitet entgegen Ionenströme (2K+ in Zelle und 3Na+ aus Zelle) → aktiver Transportmechanismus

Aktionspotenzial

Elektrischer Impuls, der entlang der Membran verläuft und zur Weiterleitung von Signalen dient

Erregungsleitung

Beschreibt Weiterleitung einer elektrischen Erregung entlang der Nervenzellen

Kontinuierlich: Nervenzellen nicht isoliert, d.h. elektrische Signale müssen kontinuierlich weitergeleitet werden → an jeder Stelle des Axonmembrans muss Depolarisierung stattfinden

Saltatorisch: Nervenzellen sind durch Myelinscheiden isoliert, d.h. elektrische Signale werden “sprunghaft” entlang Ranvier´scher Schnürringe weitergeleitet →Depolarisierung nur an Schnürringen nötig

Codierung von Informationen

Im Nervensystem werden Informationen in Veränderung des Membranpotenzials codiert

Dendriten und Zellkörper: können keine AP erstellen und reagieren auf Erregungen mit PSP

Axon: Informationen werden als AP codiert

Synapse: Bei Übertragung erfolgt ständiger Wechsel zwischen AP- und PSP-Codierung

Chemische und elektrische Synapse

Synapsen verbinden zwei Neurone und ermöglichen die Übertragung von Informationen

Chemisch: Signale werden über Neurotransmitter übertragen

Elektrisch: direkte elektrische Kommunikation

Synapsengifte

Substanzen, die die normale Funktion von Synapsen im Nervensystem stören/ blockieren können

Herkunft: synthetisch, Bakterien, Pflanzen, Tiere

Stoffeinwirkung am Beispiel Curare

Sammelbegriff für Pfeilgifte sudamerikanischer Indios

• Kompetitive Hemmung am nikotinischen Acetylcholinrezeptor an neuromuskulären Synapsen → Curare als Antagonist von Acetylcholin

• Curare blockiert die AC-Rezeptoren → so kann AC nicht mehr andocken → keine Erregung und keine Weiterleitung des Signals

EPSP und IPSP

EPSP (exzitatorisches Postsynaptisches Potenzial): Auslösung an erregenden Synapsen, Transmittermolekül Glutamat öffnen Na+-Kanäle und es kommt zur Depolarisation

IPSP (inhibitorisches Postsynaptisches Potenzial): Auslösung an hemmenden Synapsen, Transmittermolekül GABA öffnen K+- und Cl- -Kanäle und es kommt zur Hyperpolarisation

Zeitliche und Räumliche Summation

Zeitlich: mehrere Signale, die schnell hintereinander an Synapse eintreffen, summieren sich
→ wenn diese schnell genug aufeinander folgen, können sie die Schwelle zur Auslösung eines APs überschreiten

Räumlich: mehrere Signale von verschiedenen Synapsen treffen zeitgleich auf und summieren sich
→ wenn die Summe groß genug ist und den Schwellenwert übertrifft, wird ein AP ausgelöst

Sinnesorgane, Sinneszellen, Eigenschaften

Sinnesorgane: erfassen Ausschnitte der verfügbaren Informationen, bestehen aus vielen Sinneszellen, verbessern Reizaufnahme durch Filterung und Verstärkung, Signaltransduktion

Sinneszellen: empfangen adäquate Reize und wandeln sie proportional zu seiner Stärke in Rezeptorpotenziale um, Signaltransduktion

Eigenschaften: hochselektiv, Modalität = adäquater Reiz, leisten Signaltransduktion, leistungsfähige Verstärker

Sinneszellen Arten

Primäre Sinneszelle: nehmen Reize direkt auf und erzeugen selbst AP, Zellkörper ist direkt mit Axon verbunden

Sinnesnervenzelle: Reize über freie Nervenendigungen aufnehmen, in Generatorregion wird AP erzeugt und weitergeleitet

Sekundäre Sinneszelle: Reize werden aufgenommen, aber keine eigene AP-Erzeugung, Signal über Synapse an afferente Nervenzelle weitergeben, welche Erregung weiterleitet

Signaltransduktion

Umwandlung eines Reizes in elektrische Signale in Sinneszellen

→ Reiz → Aktivierung eines spezifischen Rezeptors → Signalweiterleitung ins Nervensystem

Rezeptorpotenzial

Membranpotenzial der Sinneszelle

• adäquater Reiz wird proportional zu seiner Stärke ins Rezeptorpotenzial umgewandelt (amplitudencodiert)

Hell-Dunkel-Adaption

Anpassung des Auges an unterschiedliche Lichtverhältnisse (Anpassung durch Iris)

Dunkel: Weiten der Pupille

Hell: Verengen der Pupille

Akkommodation

Anpassung des Auges an verschiedene Entfernungen (Anpassung durch Formänderung der Linse)

Nah: Ziliarmuskel zieht zusammen, Zonulafasern entspannen, Linse stärker gewölbt

Fern: Ziliarmuskel entspannt, Zonulafasern spannen an, Linse flacher

Fotorezeptoren

Spezialisierte Sinneszelle in Netzhaut, die Lichtreize aufnehmen und in elektrische Signale umwandeln

Stäbchen:

• hell/ dunkel, Dämmerung-/ Nachtsehen

• sehr lichtempfindlich, keine Farbwahrnehmung

• Sehpigment: Rhodopsin

• ca. 110-125 Millionen

Zapfen:

• Farben, Tages-/ Farbsehen

• weniger lichtempfindlich, hohe Auflösung/ Farbunterschiede

• Drei Typen: S(blau)-, M(grün)-, L(rot)-Zapfen

• ca. 5-6 Millionen

Gesichtsfeld

Ausschnitt des Raumes, der auf der Netzhaut abgebildet und visuell wahrgenommen wird (zentrales und peripheres GF)

Zentral: Bereich des schärfsten Sehens (Details, Farben, scharfes Tagessehen)

Peripher: größeres Sehgebiet (Bewegungen, Lichtveränderungen, Orientierung)

Farbensehen

Substraktive Farbmischung: Mischen von Malfarben → schwarz

Additive Farbmischung: Mischen von Lichtfarben → weiß (schwarz ohne jegliche Lichtreizung)

Zapfentypen fürs Farbensehen

Etwa 7 Millionen Farbtöne unterscheidbar

→ Kombination von Zapfenaktivierungen erzeugt Farben; Farbsehen gelingt nur durch Vergleich von Erregungsverhältnissen

S (blau) - Zapfen: kurzwelliges Licht 320-500nm

M (grün) - Zapfen: mittelwelliges Licht 440-630nm

L (rot) - Zapfen: langwelliges Licht 470-650nm

→ jeder Zapfen kann nur Lichtstärke codieren, nicht die Wellenlänge allein

Kontrastverstärkung durch laterale Inhibition

Durch gegenseitige Hemmung von Fotorezeptoren wird die Konturenerkennung erleichtert

→ Rezeptorsignal der Stäbchen immer zu 25% gehemmt (durch laterale Verschaltung der Rezeptoren)

→ Durch Summation kommt grundsätzlich reduziertes Signal in Bipolarzellen an, ist jedoch an Kontrastkanten verstärkt

Sensorische und motorische Nervenbahnen

Sensorisch (afferent): leiten Signale von Sinnesorgan zum ZNS → dienen zur Wahrnehmung von Reizen

Motorisch (efferent): übermitteln Signale vom ZNS zu Effektoren → aktivieren gezielte Muskelfasern

Interneurone

Neurone, die zwischen sensorischen und motorischen Neuronen im ZNS vermitteln und verbinden → ermöglichen die Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen

Neuromuskuläre Synapse/ motorische Endplatte

Synapse zwischen motorischem Neuron und Muskelfaser

1. AP erreicht präsynaptische Endigung → Calcium-Ione strömen ein

2. Vesikel setzen Acetylcholin im synaptischen Spalt frei

3. Acetylcholin bindet an Rezeptoren der Muskelfasermembran

4. Depolarisation der Membran → Signalweiterleitung → Muskelkontraktion

Second-messenger Vorgänge

Prinzip beschreibt Weiterleitung eines Signals innerhalb einer Zelle, bei der ein erster Botenstoff (Primärsignal) eine Kaskade auslöst, die über einen zweiten Botenstoff (second messenger) verstärkt wird

Verhalten

“Verhalten ist das, was ein Tier tut und wie es dies tut”

→ ermöglicht es einem Organismus mit seiner Umwelt zu interagieren

Attrappenversuche

Experimentelle Untersuchungen, bei denen Tiere auf Attrappen reagieren → genutzt um Verhaltensmuster, Auslöser, Mechanismen des Verhaltens zu untersuchen

Proximate Ursachen

unmittelbare Gründe/ aktuelle Ursachen = Wirkursachen
→ warum tritt ein Verhalten auf?

Alle inneren und äußeren Bedingungen, die ein Verhalten hervorrufen und oft zusammenwirken

Ultimate Ursachen

evolutionsbiologische Ursachen = Zweckursache
→ wozu ist es nützlich?

Erklären, welchen evolutionsbiologischen Hintergrund ein Verhalten hat → Verhaltensweise aus evolutionsbiologischer Sicht immer dann sinnvoll, wenn sie einen positiven Beitrag zur reproduktiven Fitness leistet

Fitness

Reproduktionsfähigkeit

Maß für die Fähigkeit eines Individuums seine Gene im Genpool der nächsten Generation einzubringen

Direkt: eigene Weitergabe der Gene durch eigene Fortpflanzung

Indirekt: Unterstützung von Verwandten/ Anderen, sodass deren Gene weitergegeben werden

Angeborenes Verhalten

Von Anfang an vollständig beherrscht, formstarr, artspezifisch, laufen im gleichen Kontext in ähnlicher Form bei verwandten Arten ab

→ Reflexe und Instinkthandlungen sind weitgehend festgelegte Reaktionsmuster und damit “angeboren”

→ meisten Verhaltensweisen werden durch Lernprozesse modifiziert

Reflexe

Weitgehend genetisch bedingte, unwillkürliche, schnelle, spezifische Reaktion auf einen Reiz

1. Reiz

2. Afferenz

3. Reflexzentrum

4. Efferenz

5. Effekt/ Reaktion

Monosynaptischer/ Polysynaptischer Reflex

Mono: nur zwei Neurone bilden den Reflexbogen

Poly: zwischen sensorischem und motorischem Neuron liegt mindestens noch ein Interneuron

Eigenreflex/ Fremdreflex

Eigen: Rezeptor gleich Effektor

Fremd: Rezeptor und Effektor liegen in unterschiedlichen Organen

Erbkoordination (Instinkthandlung)

Weitgehend genetisch bedingte Verhaltensweisen, die durch äußere Reize ausgelöst werden und innere Motivation brauchen

1. Reizmuster

2. Verknüpfung/ Verrechnung

3. Endhandlung

Handlungsbereitschaft

Innerer Zustand eines Organismus, der bestimmt, ob und wie schnell er auf einen Reiz reagiert und bestimmte Handlungen ausführt

→ abhängig von physiologischen und humoralen Faktoren (Kombination bestimmt, wie schnell und intensiv ein Tier auf Umweltreize reagiert)

Schlüsselreiz

Reiz, der ein genetisch bedingtes Verhalten auslöst und abhängig von der Handlungsbereitschaft ist

Angeborene SR: genetisch verankert und lösen reflexartige oder instinktive Reaktionen aus

Erworbene SR: durch Lernen und Erfahrung erworben

Lernen

Umfasst den Prozess, der zu individuellen, erfahrungsbedingten Ausprägung neuer/ Änderung alter Verhaltensweisen führt

Lerndisposition: Fähigkeit, bestimmte Dinge gut erlernen zu können

Klassische Konditionierung

Lernprozess, bei dem ein neutraler Reiz durch wiederholte Kopplung mit einem unbedingten Reiz eine bedingte Reaktion auslöst

Operante Konditionierung

Lernprozess, bei dem Konsequenzen eines Verhaltens dessen Auftreten beeinflussen

→ Lernen am (Miss-) Erfolg

Prägung

Alle Lernprozesse, die an die zeitlich begrenzte sensible Phase in der Verhaltensentwicklung gebunden sind und oft irreversibel sind

Nachahmungslernen

Verhaltung wird durch Beobachtung übernommen/ kopiert

Natürliche Selektion

Maximiert eine Verhaltensweise den Reproduktionserfolg eines Individuums im Vergleich zu anderen Individuen?

→ Gene von Individuen mit maximierter Fitness werden häufiger weitergegeben

Kosten-Nutzen-Balance

Um Beitrag eines Verhaltens zur reproduktiven Fitness abschätzen zu können, müssen Nutzen und Kosten gegenübergestellt werden

Elterliche Investition

Aufwand der Eltern in Nachkommen, das deren Überlebenschancen erhöht, aber weitere Fortpflanzungsmöglichkeiten einschränkt

“Parental Investment Conflict”: Nachwuchs fordert mehr, als Eltern bereit sind, zu geben

Altruismus

Verhalten, das anderen nutzt, aber eigene Kosten verursacht

Verwandtselektion: Altruismus gegenüber Verwandten, wenn Kosten kleiner als Nutzen

Reziproker Altruismus: hilft einem Nicht-Verwandten in Erwartung zukünftiger Gegenleistung

Infantizid

Töten eigener oder fremder Jungtiere

Männlicher I: Ziel ist Eliminierung fremder Gene und schnelle Paarungsbereitschaft des Weibchens

Weiblicher I: Tritt auf, wenn Ressourcen knapp sind oder schwache Jungtiere die Überlebenschancen der Mutter und stärkerer Geschwister senken

Umweltbedingter I: kann Überlebensrate der Gruppe erhöhen

Kognitive Prozesse

Planen, Problemlösen, Lernen durch Beobachtung

Alzheimer Demenz

Neurodegenerative Erkrankung, die zu fortschreitendem Gedächtnisverlust, kognitiven Einschränkungen und Verhaltensänderungen führt

Alzheimer Demenz Entstehung

1. Entstehung von Beta-Amyloid-Plaques, die sich an Calciumionenkanäle der Neuronen anlagern und diese öffnen

2. Normale Informationsweitergabe gestörgt

3. Erhöhter Calciumgehalt führt zur Aktivierung einer Kinase, die zur erhöhten Tau-Protein-Phospholierung führt

4. Die verstärkt phospholierten Tau-Proteine ändern ihre Konformation: lösen sich von Mikrotubuli und verklumpen

5. Mikrotubuli verlieren ihre Funktion, werden nicht mehr stabilisiert und zerfallen

→ Zelle stirbt ab, Krankheitsbild AD entsteht