Humanbiologie - Universität Münster · Neuron 1: sensorisches Neuron (Empfang der Signale vom...

Institut für Molekulare Zellbiologie - IMZ Prof. Dr. Karin Busch

Humanbiologie Nervenphysiologie

Karin Busch

Gliederung der VL SoSe 2016

2 Gliederung der VL

20.4. Bestandteile und Funktionen der Zelle 27.4. Atmung 04.5. Herz/Blutkreislauf 11.5. Gewebetypen 18.5. Ferien 25.5. Sinnesorgane 01.6. Nervensystem 08.6. Hormonales System 15.6. Immunsystem 22.6. Evolution des Menschen 29.6. Ernährung-Verdauung 6.7. DASA Museum Dortmund 20.7. Klausur

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https://www.dasa-dortmund.de/startseite/

Sonderausstellung: Roboter -Verhältnis Mensch und Maschine

Überblick Nervensystems

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1. Aufgaben von Nervensystemen

2. Aufbau von Nervensystemen • Input, Integration und Output • zellulär: Neurone und Gliazellen • Neuronale Netze

3. Funktionsweise von Nervensystemen • Entstehung von Nervensignalen: Grundlagen und Prozesse • Reizweiterleitung innerhalb von Nervenzellen • Reizweiterleitung zwischen Zellen • Signalintegration auf zellulärer Ebene

Nervensystem-Einteilung

5/31/2016 5

Gehirn

Rückenmark

ZNS PNS Gehirnnerven

Ganglien

Spinalnerven

Afferente Axone +

Efferente Axone

Zellen des Nervensystems

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https://youtu.be/cXm9kEsr4c4

Aufgaben des Nervensystems

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• Wahrnehmung der Umwelt (Informationsaufnahme Codierung)

• Filterung, Verarbeitung, Speicherung von Informationen

• Erinnerung, Assoziationen, Lernen

• Erzeugung + Koordination von Bewegungen (willkürlich, unwillkürlich)

• Interaktion mit anderen Organsystemen (Effektoren, Drüsen…)

• Erhaltung der Homöostase

Input

Verarbeitung

Antwort

Organisation des Nervensystems

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Zentrales Nerven- System ZNS Peripheres Nerven- System: PNS

PNS

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ENS

Glossar

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Bau eines peripheren Nervs

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Mehrerer parallel verlaufende Axone bilden einen Nerv

Morphologie von Neuronen

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multipolar unipolar bipolar

Die Funktion bestimmt die Morphologie !

Dynamik des Zytoplasmas

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Myelinscheiden durch Gliazellen

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Xiaolong Jiang et al. Science 2015;350:aac9462 Neuronen: elektrische Signalleitung Glia: keine elektrischen Signale

Gliazellen und ihre Funktionen

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Myelinscheiden

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Multiple Sklerose

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Multiple Sklerose (MS) ist die häufigste Autoimmun-Krankheit, die das Zentral-Nerven-System angreift. 2013 starben weltweit 20.000 Menschen durch MS. Die Krankheit macht sich meist im Alter zwischen 20 und 50 bemerkbar und ist bei Frauen doppelt so häufig wie bei Männern. Eine Behandlung ist möglich, eine Heilung bisher nicht. Es handelt sich um eine demyelinierende Krankheit, bei der die Myelinscheiden der Nervenzellen im Gehirn und Rückenmark betroffen sind. Die Symptome sind vielfach, meist basierend auf einer fehlenden oder mangelhaften Kommunikation zwischen Nervenzellen und sind physischer, mentaler und manchmal psychiatrischer Natur. In Deutschland ist die Häufigkeit ~ 1:500.

Relapsing-remitting Multiple Sclerosis Primary/ Secondary Progressive MS

Modell eines Neurons

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Generato-rpotenzial

Elektrische Signale durch Neuronen

Die Eigenschaft von Nerven- und Muskelzellen, wegen derer die zugehörigen Gewebe als erregbar bezeichnet werden, ist ihre Fähigkeit, als Antwort auf einen Reiz elektrische Signale zu erzeugen und schnell weiterzuleiten. Die Zellmembran besitzt ein Ruhe-Membranpotential, das durch die unterschiedliche Verteilung von Ionen im extra- und intrazellulären Raum (Konzentrationsgradienten) und die Permeabilität der Membran für diese Ionen bestimmt wird. Ionenflüsse durch Membranen erzeugen elektrische Signale.

Funktionsweise von Nervenzellen

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= ungleiche Ladungsverteilung über biologische Membranen

Membranpotenzial

Membranpotenzial

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Bedingungen für den Aufbau eines Membranpotenzials ΔΨ

1. Selektiv permeable Membran 2. Kontrollierter elektrogener Transport

über die Membran 3. Existenz von Ionengradienten, die

durch aktive Transportprozesse erzeugt werden

EK+ = 61 mV z log [K

+]außen [K+]innen

Gleichung zur Berechnung Des Gleichgewichtspotentials (EK+)

61 mV entspricht dem Faktor 2,303 x RT/F in der allg. Nernst-Gleichung bei 37°C (310,15 K) mit R als der idealen Gaskonstante (8,215 J K-1 mol-1), T als absoluter Temperatur in Kelvin und F als Faraday-Konstanten (96485 J V-1 mol-1).

Generierung des Membranpotenzial

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• Transport von Nettoladung über die Membran • Spezifisch – selektiv - langsam

• Wassergefüllte Poren • Selektiv: nur eine Ionensorte,

zB. Na+ oder K+

• Unselektiv: mehrere Ionen, zB. Na+ und K+

• schnell

Transport Kanal

1. Selektiv permeable Membran 2. Kontrollierter elektrogener Transport über die Membran

Erzeugung von Ionengradienten

Generierung des Membranpotenzial

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Membranpotenzial: K+-Diffusionspotenzial + Strom der Na+/K+-ATPase

?

Einzelkanal-Aktivitätsmessung

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Ionenkanäle kontrollieren die Ionenpermeabilität der Zellmembran von Neuronen.

Patch-clamp Technik

Steuerung der Kanalöffnung

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Liganden-gesteuert ⇒ chemischer Reiz: Ligand

Spannungs-gesteuert ⇒ Reiz: Potenzialänderung

Mechanosensitive Ionenkanäle ⇒ Reiz: physikalische Krafteinwirkung

Schwellenspannung von Kanälen

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Spannungsgesteuerte Na+ und K+ Kanäle ⇒ Reiz: Potenzialänderung

Axone enthalten Na+-Kanäle und K+-Kanäle, die beide durch Depolarisation der Zellmembran geöffnet werden. Die Na+-Kanäle öffnen sich schnell, die K+-Kanäle deutlich langsamer

Schwellenspannung von Kanälen

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Spannungs-gesteuert ⇒ Reiz: Potenzialänderung

Axone enthalten Na+-Kanäle und K+-Kanäle, die beide durch Depolarisation der Zellmembran geöffnet werden. Die Na+-Kanäle öffnen sich schnell, die K+-Kanäle deutlich langsamer

Das Aktionspotenzial wird durch die Aktivität der Na+-Kanäle bestimmt!

Lokaler Stromfluss infolge v. Depolarisierung

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Depolarisation durch Generatorpotential

Fortpflanzung eines Aktionspotenzials

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Ionenströme während eines Aktionspotenzials

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Spannungsgesteuerte Na+-Kanäle

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Spannungsgesteuert Na+-Kanäle haben zwei Tore: das Aktivierungs- und das Inaktivierungstor. Deren Öffnungszustand hängt in unterschiedlicher Weise vom Membranpotenzial ab.

Saltatorische Erregungsleitung

5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 32

In myelinisierten Axonen scheinen die APs von einem Ranvier‘schen Schnürring zum nächsten zu springen: die Erregungsleitung ist schneller als in nicht-myelinisierten Axonen!

https://youtube/219WnPfAnao

Erregungsweiterleitung 150 m/s

Saltatorische Erregungsleitung

5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 33

In Axonen mit degenerierten Myelinscheiden nimmt die Erregungsleitung infolge von Leckströmen ab Multiple Sklerose

3 m/s

Axondurchmeser und Erregungsleitung

5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 34

Geschwindigkeit (Sr) der Reizleitung abhängig vom Durchmesser des Axons bzw. dem Myelinisierungsgrad!

Unterschwellige und überschwellige Generatorpotentiale

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a) b)

Aktionspotenziale pflanzen sich ohne großen Intensitätsverlust über größere Entfernungen fort

Codierung der Reizstärke

5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 36

Alle Aktionspotenziale in einem Neuron weisen die gleiche Amplitude auf. Die Stärke des Reizes wird durch die Frequenz der aufeinanderfolgenden APs codiert.

Codierung der Reizstärke

6/1/2016 Prof. Dr. Karin Busch 37

Typen von beteiligten gesteuerten Ionenkanälen

Mechanosensitive Ligandengesteuerte Spannungsgesteuerte

Spannungsgesteuerte

Amplitude des Signals Aufsummierung möglich Hängt von Stärke des Anfangsreizes ab

Keine Aufsummierung, immer gleich große Amplitude Mindesreizschwelle nötig

Reizübertragung an der Synapse

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Der Physiologe und Nobelpreisträger Charles S. Sherrington (1857-1952) prägte den Begriff Synapse (von griechisch syn für zusammen und haptein für ergreifen, fassen).

An der Synapse wird das elektrische vorrübergehend in ein chemisches Signal umgewandelt.

Neurokrine: Acetylcholin, Noradrenalin, Dopamin, Serotonin, Histamin, Glutamat, GABA, Adenosin, Stickstoffmonoxid Rezeptortypen: Nikotinisch, Muscarinisch, Adrenerg, Glutaminerg.....

Reizübertragung an der Synapse

5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 39

An der Synapse wird das elektrische vorrübergehend in ein chemisches Signal umgewandelt.

Zwischen Herzmuskelzellen wird das elektrische Signal direkt über gap junctions übertragen.

In neuromuskulären Verbindungen initiiert Acetylcholin die elektrome-chanische Kopplung Muskel.

Reizübertragung an der Synapse

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Ca2+

Reizübertragung an der chemischen Synapse

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Reizübertragung an der Synapse

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4

Reizübertragung an der Synapse

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EPSP Exzitatorisches postsynaptisches Potenzial Depolarisation der

postsynaptischen Membran

Ionenkanäle öffnen sich

Erhöhter Na+ Einstrom

IPSP Inhibitorisches (hemmendes) postsynaptisches Potenzial Hyperpolarisation der postsynaptischen

Membran

Erhöhter K+ Ausstrom oder Cl- Einstrom

Modulare Netzwerke

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Neuronen arbeiten in Netzwerken zusammen ⇒ Neuronale Netze

Reizleitung

Neuron 1: sensorisches Neuron (Empfang der Signale vom Rezeptor ⇒ Weiterleitung)

Neuron 2: Interneurone (Signalübertragung Neuron ⇒ Neuron)

Neuron 3: Motorneurone (Signalübertragung NS ⇒ Effektorzelle)

Einfachster neuronaler Schaltkreis: 2 Neuron-typen MN = Motorneuron SN = Sensorisches Neuron

Effektorzelle Sensorische Rezeptoren

Sensorisches Neuron

Inter-Neuron

Motor-neuron

SN MN

Signalintegration

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Räumliche Summation von Generator-potenzialen

5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 46

Divergenz und Konvergenz

5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 47

Divergenz und Konvergenz

5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 48

Nervensytem-Lateralisierung

5/31/2016 49

Spektrum der Wissenschaft

Juli 2010

Prof. Dr. Karin Busch

Nervensystem-Signalintegration

5/31/2016 50

Spektrum der Wissenschaft

Juli 2010

Prof. Dr. Karin Busch

Aufbau neuer Synapsen

6/1/2016 51 Prof. Dr. Karin Busch

Nervenzellen teilen sich nicht mehr. Ein Verlust durch Schädigung kann aber teilweise ausgeglichen werden durch die Generierung neuer Synapsen. Gehirntraining z.B. durch „verkehrte Aktionen“ Tue es mit der falschen Hand!

Gliazellen teilen sich nicht mehr. Ein Verlust durch Schädigung kann nicht mehr ausgeglichen werden.

6/1/2016 Prof. Dr. Karin Busch 52

Czepiel et al., 2014

iPS als mögliche Erneuerungsquellen für Gliazellen

6/1/2016 Prof. Dr. Karin Busch 53

Nervensysteme anderer Spezies

Hirn und Körpergröße

5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 54

Spektrum der Wissenschaft

April/12

Literatur

55 Prof. Dr. Karin Busch 5/31/2016

Neuronen brauchen eine Aufgabe

Was macht ein Gehirn eigentlich so den ganzen Tag?

Nutzen wir wirklich nur zehn Prozent unseres Gehirns?

Literatur

56 Prof. Dr. Karin Busch

• „Physiologie“, D.U. Silverthorn, Verlag Pearson

5/31/2016

• http://www.inside-immunity.org/de#explication

Blut-Hirn-Schranke

5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 57

• Physiologische Barriere zwischen dem Blutkreislauf und dem ZNS • Erhält Homöostase im Gehirn, grenzt sie von der des Blutes ab • Bestehend aus Endothelzellen, die über Tight Junctions eng miteinander

verknüpft sind

Anatomie von Neuronen

5/31/2016 Prof. Dr. Karin Busch 58