Neurobiologe

Rezeptorpotential

• Lokale Spannungsänderung an einer Sinneszelle

• Entsteht Signal/Reiztransduktion → Ionenkanäle

• graduell: Stärke hängt von der Reizstärke ab, Kann sich summieren

• wenn stark genug → AP auslösen —> reizstärkenabhängig

Mechanorezeptoren

Öffnen sich durch Druck, Dehnung, Bewegung (z. B.: Muskelspindeln Tastrezeptoren)

Chemisch / ligandengesteuerte Ionenkanäle

Öffnen sich durch Bindung eines Stoffes (z. B.: Geruchs- und Geschmacksrezeptoren, Neurotransmitter an Synapsen)

Temperatur-sensitive Ionenkanäle

Reagieren auf Hitze oder Kälte (z. B. Schmerz- und Thermorezeptoren)

Reiztransduktion

Umwandlung von Reizenergie in elektrische Energie (z. B.: mechanische Dehnung → elektrische Spannung

Reizcodierung

• Darstellung von Reizinformationen im Nervensystem

• Reizdauer, Reizort und Reizart, reiz Intensität (  Was ist das für ein Reiz?

• (z. B. Druck, Licht, Schmerz, Wärme), Woher kommt er?, Wie stark ist er?, Wie lange dauert er?

• AP haben immer die gleiche Amplitude (Alles-oder-Nichts-Prinzip)

• Reizstärke wird nicht über Amplitude, sondern über Frequenz der Aktionspotenziale kodiert

• Stärkerer Reiz → größeres Rezeptorpotenzial → höhere AP-Frequenz

• Reizstärke kann über Anzahl aktivierter Rezeptoren kodiert werden

Schwellenwert Aktionspotenzial

ca. -60/-55 m.V.

Adaptation

• Abnahme der Erregungsantwort bei gleichbleibendem Reiz

• Rezeptor „passt sich an“ → weniger oder keine APs

• Sinn: Entlastung des Nervensystems, Fokus auf Veränderungen

• (Chronische Schmerzen:  entstehen durch eine dauerhafte Aktivierung von Schmerzrezeptoren→ normale Adaptation ausbleibt, meist aufgrund einer Überempfindlichkeit der Rezeptoren (Sensibilisierung)

Sekundäre Sinneszellen

• Sind keine Neurone

• Haben kein Axon

• Können keine Aktionspotenziale erzeugen

• Rezeptorpotenzial führt zu: Transmitterfreisetzung

• → Erregung eines nachgeschalteten sensorischen Neurons → AP entstehen erst dort → Reizcodierung bestimmt durch Transmittermenge

• Bsp. Photorezeptoren (Auge) Haarzellen (Innenohr) Geschmackszellen

Primäre Sinneszellen

• Sind selbst Neurone

• Besitzen ein Axon

• Wenn das Rezeptorpotenzial groß genug ist:

  • → AP entstehen direkt in derselben Zelle  neuronales Signal beginnt direkt → Reizcodierung bestimmt durch Ap Frequenz

• Bsp. : Schmerzrezeptoren, Mechanorezeptoren der Haut, Muskelspindeln

Tonische Rezeptoren

• Reagieren dauerhaft auf einen Reiz

  • Senden kontinuierlich Aktionspotenziale, solange der Reiz vorhanden ist

  • Kaum oder keine Adaptation

• Codieren vor allem Reizdauer und Reizstärke

• Bsp.: Schmerzrezeptoren, Muskelspindeln, Lage-/Dehnungsrezeptoren

• Feuern auch dann weiter, wenn sich der Reiz nicht verändert

Phasische Rezeptoren

• Reagieren vor allem auf Änderungen eines Reizes

• Starke AP-Antwort bei Reizbeginn oder Reizänderung, danach Abnahme

• Schnelle Adaptation

• Codieren vor allem Reizänderungen

• Bsp.: Tastrezeptoren der Haut, Temperaturänderungen

• Nehmen den Reiz zwar weiter wahr,melden ihn aber kaum noch

(Es gibt auch noch Kombination aus phasisch-tonisch wo Impuls Frequenz abnimmt aber nicht beendet wird)

EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potenzial)

• Führt zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran: Wirkt erregend

• Öffnung ligandengesteuerter Na⁺-Kanäle

  • Positive Ladung strömt in die Zelle

  • Erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotenzial entsteht

• Ist graduell und summierbar (zeitlich und räumlich)

• Neurotransmitter: Glycin und GABA

  IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potenzial)

• Führt zu einer Hyperpolarisation/Stabilisierung der Membran: Wirkt hemmend

• Entsteht durch Öffnung von Cl⁻-Kanälen oder K⁺-Kanäle

  • Negative Ladung strömt in die Zelle oder positive verlässt sie

  • Senkt die Wahrscheinlichkeit eines Aktionspotenzials

• Ist graduell und summierbar

• Neurotransmitter: Glutamat im ZNS, Acetylcholin im PNS

Summation

EPSPs und IPSPs werden am Axonhügel (Triggerzone) summiert; ist das resultierende postsynaptische Signal unterschwellig, entsteht kein Aktionspotenzial, ist es überschwellig, wird am Initialsegment des Axons durch Öffnung spannungsgesteuerter Na⁺-Kanäle ein Aktionspotenzial ausgelöst

Potenzialmessungen

• Kapillarelektrode: misst intrazelluläres Potenzial

• Bezugselektrode: misst extrazelluläres Potenzial

  • Spannungsdifferenz wird verstärkt und dargestellt

• Darstellung z. B. mit Oszillosop (Potenzialverlauf über Zeit)

Aktionspotential: (grafisch)

Ruhepotential, überschwellig, Depolarisation, Umpolarisierung (bei ca. +30mV), Repolarisierung, Hyperpolarisation, Ruhepotential

Hyperpolarisation – warum?

• Spannungsgesteuerte K⁺-Kanäle bleiben länger offen als nötig

  • Verstärkter K⁺-Ausstrom

  • Membranpotenzial fällt unter das Ruhepotenzial

  • Erschwert die erneute Auslösung eines Aktionspotenzials

Refraktärzeit

Zeitraum nach einem Aktionspotenzial, in dem kein oder nur erschwert ein neues AP entstehen kann

• Absolute Refraktärzeit

  • Na⁺-Kanäle Inaktivierungstor geschlossen → kein neues AP möglich

• Relative Refraktärzeit:

  • Membran hyperpolarisiert → stärkerer Reiz nötig (nur noch Aktivierungstor geschlossen)

• Funktion:

  • gerichtete Weiterleitung des Aps → eine Richtung

  • Begrenzung der maximalen AP-Frequenz / Reizüberflutung

Kontinuierliche Erregungsleitung

• Axon ohne Myelinscheide

• Aktionspotenzial wird an jedem Membranabschnitt neu gebildet

• langsame Weiterleitung

• energieintensiv, da große Membranfläche depolarisiert wird

Saltatorische Erregungsleitung

• Axon mit Myelinscheide

• Myelin wirkt elektrisch isolierend → kein Ionenaustausch unter der Myelinscheide

• Aktionspotenziale entstehen nur an den Ranvierschen Schnürringen

• Erregung „springt“ von Schnürring zu Schnürring

• sehr schnell und energieeffizient, da nur wenige Membranabschnitte depolarisiert werden

Einfluss des Axondurchmessers

• Größerer Axondurchmesser → geringerer Innenwiderstand

  • Ionenströme breiten sich schneller aus

• Effekt unabhängig von Myelinisierung

Motorische Endplatte / neuromuskuläre Synapse

• Synapse zwischen Motorneuron und Muskelzelle (größer)

• Elektromechanische Kopplung: Umwandelung elektrisches Signal in mechanische Veränderung des Muskels

• Neurotransmitter: Acetylcholin

• ACh bindet an nikotinerge Acetylcholinezeptoren (nAChRs) an der Muskelzellmembran

  • Triggert Öffnung ligandengesteuerte Na⁺-Kanäle

• Na⁺-Einstrom → Depolarisation ist Endplattenpotenzial (EPP)

• EPP ist graduell, aber normalerweise immer überschwelllig → Muskelaktionspotenzial

• Muskelaktionspotenzial → Kontraktion

Muskelaktionspotenzial

• Entsteht nach dem EPP

• läuft: über Sarkolemm in T-Tubuli (entlang äußerer Muskelmembran in Einstülpung) dort kommt Signal ans sarkoplasmatische Retikulum

• → Ca²⁺wird ins Sarkoplasma freigesetzt → Kontraktion startet

Somatisch

Steuerung der Skelett Muskulatur (willkürlich)

Vegetativ

Steuerung/Regulation innerer Organe, Drüsen, Gefäße (unbewusst)

• Parasympathikus: Ruhe und Erholung, Aufbau Energiereserven

• Sympathikus: Aufregung und Stress

• Enterisches System: Magen-Darm-Trakt (Para und Sympathikus können aktivieren)

Interneurone

Nervenzellen innerhalb ZNS

• Verbinden sensorische mit motorischen Neuronen  integrieren 

 

Chemische Synapse

• Form der Synapse, bei Signalübertragung von der Präsynapse auf die Postsynapse durch Ausschüttung von Neurotransmittern aus Vesikeln erfolgt

• Kalzium Einstrom triggert Exozytose / Fusion Vesikel mit präsynaptischer Membran (Kalzium Ionen werden aus Präsynapse ausgepumpt)

• Die Neurotransmitter binden reversibel an Rezeptoren der Postsynapse

  • ionotrop: binden an ligandengesteuerte Ionenkanäle (direkt, schnell)

    • (Beispiel: nikotinischer Acetylcholinrezeptor)

  • metabotrop: Bindung = Auslösung einer Second-Messenger-Kaskade (langsamer, länger anhaltend, Kette bleibt aktiv, auch wenn der Neurotransmitter außen schon wieder weg ist)

    • (Beispiel: adrenerger Noradrenalinrezeptor)

• Transmitter werden anschließend durch Enzyme (z.B. Acetylcholinesterase) abgebaut, durch die Präsynapse aufgenommen (z.B. bei Serotonin) oder von Gliazellen entfernt

Benennung chemischer Synapsen

(nach Neurotransmitter)

• cholinerg → Acetylcholin

• adrenerg → Noradrenalin / Adrenalin

• glutamaterg → Glutamat

• GABAerg → GABA

Wirkung von Nervengiften

• Angriff an der Präsynapse:

  • Blockade spannungsgesteuerter Ca²⁺-Kanäle → keine Transmitterfreisetzung

  • Hemmung oder Daueraktivierung der Exozytose

  • Störung der Vesikelbildung oder Vesikelbeladung

  • Hemmung der Transmittersynthese

• Angriff im synaptischen Spalt:

  • Hemmung der Acetylcholinesterase → Transmitter wird nicht abgebaut → Dauererregung

  • Beschleunigter Abbau von Neurotransmittern → Signal bricht ab

  • Chemische Inaktivierung des Transmitters

• Angriff an der Postsynapse:

  • Blockade von Transmitter-Rezeptoren → kein postsynaptisches Signal

  • Dauerhafte Aktivierung von Rezeptoren → Übererregung

  • Veränderung ligandengesteuerter Ionenkanäle

  • Verhinderung der Kanalöffnung trotz Transmitterbindung

• Beispiele:

  • Botulinumtoxin (Botox): hemmt Vesikelfusion, Exozytose

  • Curare: blockiert ACh-Rezeptoren an der Postsynapse

  • Tetrodotoxin (TTX): blockiert spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle (AUCH Axon)

Regelkreis

• Führungsgröße (soll-Wert) und Ist-Wert (durch Messfühler erfasst) wird vom Regler verglichenStörgrößen wirken von außen  

• Bei Anpassung:

  • Stellglied (Drüse schüttet Hormon aus)

  • Regelstrecke: Organe werden durch ausgeschüttete Hormone beeinflusst

Peptidhormone

• sind hydrophil →  können die Zellmembran nicht passieren

• binden an Membranrezeptoren → wirken indirekt über Second-Messenger-Systeme (z. B. cAMP).

• Beispiele: Insulin, Adrenalin

Steroidhormone

• sind lipophil → können die Zellmembran durchdringen

• binden an intrazelluläre Rezeptoren (Zytoplasma oder Zellkern) → wirken direkt auf die Genexpression

• Beispiele: Cortisol, Testosteron, Östrogene

Hypothalamus-Hypophysen-Achse (Nicht alle Hormone zB. Insulin direkt)

Hypothalamus (ZNS) registriert Veränderung (Innere Einflüsse: Müdigkeit, Äußerer Einflüsse: Kälte)

→ releasing-/ Inhibiting Hormon direkt an Hypophyse weitergeleitet

→ Hypophyse bildet Steuerhormone, die über Blutkreislauf zu peripheren Hormondrüsen transportiert werden

→ Hormondrüse bilden Effektohormone die über Blutstrom zu Zellen gelangen

Zellulären Prozesse des Lernens

• spezifischen Verstärkung von bestimmten Synapsen, an denen die Signalübertragung durch biochemische und strukturelle Modifikationen erleichtert wird (neuronaler Plastizität)

• Grundlage: häufig genutzte synaptische Verbindungen werden verstärkt, selten genutzte abgeschwächt

• Informationen über verschiedene Hirnareale verteilt –

  • Der Hippocampus ist zentral (für Langzeitgedächtnis)

• Speicherung wird beeinflusst durch Aufmerksamkeit, Motivation, Emotionen und Belohnung

Gedächtnisstufen

1. sensorisches Gedächtnis:

• sehr kurzfristige Speicherung von Sinneseindrücken, Filterung wichtiger Reize

2. Arbeits-/Kurzzeitgedächtnis:

• vorübergehende Verarbeitung und aktive Nutzung von Informationen

3. Langzeitgedächtnis:

• dauerhafte Speicherung relevanter Informationen, abzuspeichernden Informationen müssen wiederholt werden (Konsolidierung)

• Deklaratives Gedächtnis = Ereignisse, Fakten (autobiografisch) im Hippocampus

• Prozedurales Gedächtnis = (unbewusst / Verhalten) automatische Bewegungsabläufe, Fertigkeiten, kognitive Fähigkeiten, Im Cerebellum, Basalganglien, Amygdala

Lernen als An- und Aufbau

• Expanding

  • Anzahl und Stärke der neuronalen Verbindungen wird verbessert

• Tuning:

  • Erstellung neuer Zusammenhänge → Verbesserung der neuronalen Verbindungen

• Re-Constructing:

  • Umlernen: Bestehende Lernergebnisse (motorische Muster, aber auch routinierte Prozesse) werden durch neue ersetzt, die besser geeignet sind  Sehr zeitintensiv und anstrengend

• Pruning:

  • Rückbildung von neuronalem Potential betrifft nicht oder wenig genutzte Verbindungen

Langzeitpotenzierung (LTP)

• Dauerhafte Verstärkung einer Synapse nach wiederholter Aktivierung (über Stunden bis Wochen)

  • Präsynapse: erhöhte Freisetzung von Neurotransmittern

  • Postsynapse: Einbau zusätzlicher Rezeptoren / höhere Empfindlichkeit

• → Synaptische Kontaktfläche vergrößert sich = Gleiches Signal löst stärkere postsynaptische Antwort aus

• Folge: Informationen werden stabiler und langfristig gespeichert

• Beteiligter Neurotransmitter ist das Glutamat gemeinsam mit seinen Rezeptoren AMPA und NMDA

1. bei sehr starker Depolarisation wird Magnesium-Blockade aus NMDA Rezeptor entfernt

→ durch den Kanal kann Ca2+ strömen

→ Ca²⁺ aktiviert als intrazellulärer Second Messenger Proteinkinasen

→ bewirken Einbau zusätzlicher AMPA-Rezeptoren / retrograde Botenstoffe die Präsynapse zur verstärkten Glutamatfreisetzung anregen / neue Synapse gebildet)

(Gedächtnisspuren sind Engramme)

Neuron (Skizze)