Anatomie und Physiologie des Nervensystems - kssg.ch · Anatomie und Physiologie des Nervensystems I . anatomisch: Einteilungen des Nervensystems • zentrales Nervensystem (ZNS)

Anatomie und Physiologie

des Nervensystems

Teil 1

Andreas Lüthi

1. Grundlagen

2. Ruhepotential

3. Aktionspotential

4. Leitung in Neuronen

5. Synapsen, Rezeptoren und Transmitter

6. Zentrales Nervensystem

Anatomie und Physiologie des Nervensystems I

anatomisch:

Einteilungen des Nervensystems

• zentrales Nervensystem (ZNS)

• peripheres Nervensystem (PNS)

• Sinnesorgane

• Hirnnerven

einfache Einteilung, aber Funktion bleibt ausser Betracht

funktionell: • somatisches = willkürliches NS

• vegetatives = autonomes = unwillkürliches NS

• sympathisches NS

• parasympathisches NS

• Darmnervensystem

Systeme sind nicht zu trennen, hormonelles System fehlt

Neuronen = Nervenzellen (n ~ 1012)

Nervengewebe

hohe Spezialisierung: Erregungsbildung, Erregungsleitung

aber: Grundfunktionen sind an Gliazellen delegiert

Gliazellen = Stützgewebe (n ~1013)

• Makroglia

• Astrozyten Struktur, Ernährung

• Oligodendrozyten Nervenscheiden im ZNS

• Schwann‘sche Zellen Nervenscheiden im PNS

• Mikroglia bewegliche Phagozyten

• Ependymzellen Auskleidung der Hohlräume im ZNS

Elemente des Neurons

Struktur des Neuron

• Zellkörper (Kern, Fibrillen, Nissl-Schollen)

Funktionszentrum

• Zellmembran

Zellidentität

Isolation elektrische Funktion

• Dendrit afferent, kurz, n = bis > 1000

• Axon = Neurit efferent, n = 1, 1 bis > 50 Synapsen, bis > 1 Meter lang

Funktionseinheit aus

Nervenfaser

• Axon = Neurit = Achsenzylinder

• Nervenscheide (Neurolemm)

• Im ZNS: Oligodendrozyten

• Peripher: Schwann`sche Zellen

bei marklosen C-Fasern können

mehrere Axone in einer Scheide sein

Schwann`sche Zelle

bildet bei A- und B- Fasern Myelin

Bezeichnung als „Markscheiden“

Vergleich: isolierter Draht, aber:

Ranvier`sche Schnürringe

Aufbau-Prinzip eines peripheren Nerven

Reizleitungsspektrum

nach Erlanger und Gasser

verschiedene Fasertypen im Nerven

Nerv mit 6 Nervenfaser-Bündel

Epineurium Perineurium

Axon

Endoneurium

Faszikel

Zellmembran

doppelte Schicht von Phospholipiden

• hydrophiler Kopf gegen aussen

• lipophile C-Ketten gegen innen

• ca. 8 nm dick (1/1000 Ec)

• eingelagerte

Protein-Makromoleküle

• integrale (mit / ohne Ionen-Kanal)

• periphere (innen / aussen)

• Ionenkanäle

• ca. 1 nm Durchmesser

Fick‘sches Diffusions-Gesetz

Faktoren der Diffusion

• Membrandicke (d)

• Membranfläche (A)

• Konzentrationsdifferenz (Δc)

• Substanz-Eigenschaften (in D)

• Membran-Eigenschaften (in D)

Fluss von Teilchen durch eine Membran

dm/dt = Diffusionsgeschwindigkeit

Diffusion / Permeabilität

Diffusion / Permeabilität

erschwert durch:

• zunehmende Grösse

• zunehmende Hydrophilie

• zunehmende Ladung

Permeabilität:

d in D einbezogen

Ionen-Transport

Ionen-Transport erfolgt durch Kanäle:

• Kanal geschlossen niedrige Permeabilität

• Kanal offen hohe Permeabilität

• Permeabilität in Ruhe: PK+ : PCl- : PNa+ = 1 : 0.45 : 0.04

Ionen (polar) diffundieren

extrem langsam durch die

Zellmembran 10-2 10-10 cm/s

H2O Glucose Na+ / K+

1. Grundlagen

2. Ruhepotential

3. Aktionspotential





Ionenverteilung an der Zellmembran (in Ruhe)

Wichtig sind die Verhältnisse

Zahlen mnemotechnisch angeglichen

Ionen diffundieren nicht frei unterschiedliche Konzentrationen

Ion (mmol/l) extrazellulär intrazellulär Verhältnis

Na+ 145 10 15 : 1

Cl- 105 4 25 : 1

K+ 4 140 1 : 35

Ca2+ 3 ~0 > 1 : 1000

Ruhe-Potential

grundsätzlich 2 Kanaltypen:

• spannungsgesteuert = voltage gated

hier massgebend

gesteuert vom Potential der Zelle

• liganden gesteuert = chemical gated

ergibt sich pro Art des Ions aus:

• Konzentrations-Differenz

• Permeabilität

• Zahl der Kanäle

• Öffnungsverhalten der Kanäle

Kanäle sind ionenspezifisch

Kalium-Kanal

bei ungehindertem Abstrom:

Ausgleich der Konzentrationsdifferenz

kein elektrisches Potential mehr

• „in Ruhe offen“

• lässt Kalium-Ionen passieren

• durch Abstrom von Kationen

wird das Zellinnere negativ

• „schliesst“ sich während dem

Aktionspotential K+

aussen

innen K+-Ion

Kräfte am Kalium-Ion im Ruhezustand

Donnan – Gibbs – Verteilung

Nicht diffusible Ionen bestimmen

die Verteilung der diffusiblen Ionen

zwei Kräfte am Kalium-Ion im Zellinnern:

• Konzentrationsdifferenz c

Kraft nach extrazellulär

• Potentialdifferenz E

Kraft nach intrazellulär

im Gleichgewicht gilt: c = E

im Zellinnern:

Fixe Protein-Anionen

K+

aussen

innen

E

P-

c

Bestimmung des Ruhepotentials

Gleichung von Nernst:

• Ruhepotential aus der Konzentrationsdifferenz

• gilt für ein theoretisches System mit nur einem Ion

• cave: für Kalium zufällig ähnlicher Wert wie in Realität

Kräfte am Chlorid- und Natrium-Kanal (Ruhezustand)

• Diffusionsgradient nach innen

• elektrischer Gradient nach aussen

Protein-Kationen

• „in Ruhe offen“

• Potential: - 70 mV

Chlorid-Kanal Natrium-Kanal

• Diffusionsgradient nach innen

• elektrischer Gradient nach innen

Zellinneres negativ

• „in Ruhe geschlossen“

• Potential: + 60 mV

Chlorid-Kanal

aussen

innen

Cl- P

+

c

E

aussen

innen

Na+

c E

Berechnung des realen elektrischen Potentials

• berücksichtigt alle drei massgebenden Ionen

• Ruhepotential je nach Zelltyp verschieden:

• allgemein: - 50 bis - 120 mV

• Neurone: - 70 mV ( Potential K+ allein)

Formel von Goldman – Hodgkin - Katz

Natrium – Kalium – Pumpe (Na / K-ATPase)

transportiert pro Mol ATP:

• 2 K+-Ionen nach innen

• 3 Na+-Ionen nach aussen

• benötigt 30-70 % der

verfügbaren Energie

bestimmt damit:

• Ionenverteilung

• Wassergehalt der Zelle

• Zellvolumen

• Ruhepotential

Die Natrium-Kalium-Pumpe unterstützt das negative Ruhepotential

1. Grundlagen

2. Ruhepotential

3. Aktionspotential





Aktionspotential

• kurzzeitige Depolarisation mit

Potentialumkehr bis ca. + 40

mV

• ausgelöst, wenn

Membranschwelle (ca. -55

mV) überschritten

• uniform, reizunabhängig, stets

maximal: „Alles – oder – nichts

Regel“

Ionenbewegungen als Ursache des Aktionspotentials

Änderung der Leitfähigkeiten

Animation Ionenbewegungen

Refraktärzeit

Membranschwelle sinkt

verzögert zurück auf – 55 mV

Folgen:

• absolute Refraktärzeit (2 ms)

kein AP auslösbar

• relative Refraktärzeit (2 ms)

AP auslösbar,

aber:

• stärkerer Reiz nötig

• AP zunehmend grösser

-80

-60

-40

-20

0

+20 Aktions-

potential

Membranpotential

[mV]

Membranschwelle

MS

absolute relative

Refraktärzeit

Chronaxie / Rheobase

Rheobase

minimale Reizstromstärke, um bei

genügend langer Reizung (1 sec) eine

Zuckung hervorzurufen (3 – 8 mA)

Chronaxie

minimal nötige Zeit, um mit doppelter

Rheobase eine Zuckung

hervorzurufen (0.04 – 1 msec)

Nervenschädigung:

akut: Verkürzung der Chronaxie

chronisch: Verlängerung (bis 300%)

Rheobase

1 2 3 msec

100

200

300

Reizstromstärke %

Chronaxie

Natrium-Kanal

• formt massgebend das Aktionspotential (die Depolarisation)

• unter Ruhepotential geschlossen

• öffnet spannungsgesteuert, wenn Schwellenpotential erreicht

• viele Kanäle gleichzeitig aktiviert: uniformes Aktionspotential

• schliesst nach 1-3 msec und bleibt kurzzeitig refraktär

Konsequenzen für die Reizleitung

dieses Verhalten der Zelle bewirkt:

• Integration / Bewertung des Eingangssignals

nicht jeder Reiz wird weitergeleitet

„Alles – oder – nichts – Regel“

• das weitergeleitete Signal wird:

erneuert / verstärkt

gesichert durch Frequenzcodierung

(digitales statt analoges Signal, max. 250 Hz)

• Definition der Ausbreitungsrichtung nur nach distal

Rückkoppelung (feedback) verhindert

Einflüsse auf den Natrium-Kanal

Lokalanästhetika penetrieren durch die Membran (in Basenform)

Blockade von aussen:

Tetradotoxin, Saxitoxin

Kompression in der Mitte:

Benzocain,

Inhalationsanästhetika (?)

Blockade von innen:

Lokalanästhestika (ionisiert)

Andere Aktionspotentiale: Herzmuskelzelle

wichtigster Unterschied:

Herzmuskelzelle: Längere Phase 2 (längere Refraktärzeit)

antiarrhythmische Therapie (Vaughan Williams)

Phase 0 = rascher Na+-Einstrom

Phase 1 = Abnahme Na+-Einstrom

unterhält Depolarisation

Phase 2 = Ca2+ -Einstrom

erzeugt Plateau

Phase 3 = Repolarisation durch

K+-Ausstrom

Phase 4 = Ruhepotential

0

1 2

3

4

refraktär

Aktionspotential Herzmuskelzelle

Andere Aktionspotentiale: Schrittmacherzelle

wichtigster Unterschiede zur Herzmuskelzelle:

• Plateau (Phase 2) fehlt

• Schrittmacherzellen: Rhythmische Depolarisationen (Phase 4)

0

1 2

3

4

refraktär

Aktionspotential Herzmuskelzelle Aktionspotential Schrittmacherzelle

3

4 Schwelle

Calcium-Ionen

Ca2+/3 Na+-

Austauschcarrier

• physiologischer Trigger

• grosse Konzentrationsdifferenz über der

Zellmembran (> 1 : 1000)

• Einstrom bedeutet Depolarisation

(Muskelzelle)

• zwei membrangebundene Pumpen entfernen

Calcium-Ionen aus der Zelle:

• bei kleinen Konzentrationsdifferenzen:

1 Ca2+ unter Verbrauch von 1 Mol ATP

• bei grossen Konzentrationsdifferenzen:

1 Ca2+ gegen 3 Na+ (Ca2+ / Na+ - Pumpe)

Ca2+ - ATPasen

Einflüsse extrazellulärer Ionen

• extrazelluläre Ionen Starker Einfluss auf die Erregbarkeit

Ruhe- und / oder Schwellenpotential wird verschoben

• klassische Untersuchung über Tetanie von Szent-Györgyi (NP 1937)

• Verallgemeinerungen nicht möglich:

Erregbarkeit als multifaktorielles Geschehen

+ 30 mV

0 mV

-55 mV

-70 mV

S

R

Verschiebung in Pfeilrichtung E

E = K+ x HCO 3- x HPO4

2-

Ca2+ x Mg2+ x H+

Tetanie als Beispiel:

Formel von Szent-Györgyi (1932)

E = Erregbarkeit

1. Grundlagen

2. Ruhepotential

3. Aktionspotential





Leitgeschwindigkeit von Neuronen

• unterscheiden: markhaltige (A, B) und marklose (C) Neurone

• marklose: Leitgeschwindigkeit steigt proportional zum Durchmesser

• markhaltige Neurone mit Ranvier‘schen Schnürringen:

saltatorische Leitung mit überproportionaler Leitgeschwindigkeit

Zellkörper

Dendrit

Kern

Axon

Ranvier‘sche Schnürringe

Markscheide

Endknöpfe

(Synapsen)

Impulsfortleitung im marklosen Axon

• 2 virtuelle Kreisring-Zonen (aktiv / refraktär)

gleiten nach distal ( Zündschnur)

• im Grenzbereich (aktive Zone): starker

Ionenstrom löst Aktionspotential aus

• aktive Zone ist energetisch selbstständig

unabhängig vom auslösenden Reiz

Reizfortleitung gut gesichert, nicht

aufhaltbar

Vergleich mit Zündschnur,

Unterschied zu Leitung mit Draht

• refraktäre Zone blockiert unerwünschte

Ausbreitung nach proximal

Ausbreitungsrichtung

Saltatorische Impulsfortleitung

• bei Neuronen mit Markscheiden

(Typ A und B)

• Kreisströme springen von Schnürring zu

Schnürring

virtuelle Verkürzung der Neuronlänge auf

die marklosen Ringe

stark erhöhte Leitgeschwindigkeit,

proportional zur:

• Dicke der Markscheide

• Schnürringdistanz

• in den Schnürringen:

hohe Dichte von schnellen Na+-Kanälen

Ausbreitungsrichtung

Animation Impulsfortleitung

Typen von Nervenfasern (Erlanger und Gasser)

• klassische Einteilung nach Leitungsgeschwindigkeit (Erlanger + Gasser)

(d = Schnürring-Distanz)

• erklärt nicht alle Phänomene alternative Einteilungen

Typ Funktion (μm) V (m/sec) d (mm)

A Motoneuron, Spindelafferenzen 15 100 1.0

Afferenzen: Berührung, Druck 8 50

motorisch zu Muskelspindeln 5 20

Afferenzen: Schmerz, Temperatur (I) 3 15 0.5

B vegetativ präganglionäre Fasern 3 7 0.5

C • vegetativ postganglionäre Fasern 1 1 -

• Afferenzen: Schmerz, Temperatur (II)

Typen von Nervenfasern (Lloyd und Hunt)

• auch Einteilung nach Leitgeschwindigkeit

• umfasst aber nur sensorische Fasern

• Typen I – III entsprechen etwa Typ A, Typ IV etwa Typ C

Typ Funktion (μm) V (m/sec)

Ia afferente Impulse von Muskelspindeln 13 80 -120

Ib afferente Impulse von Sehnenorganen

II Berührungsimpulse der Haut 9 60

III afferente Impulse von tiefen

Mechanorezeptoren des Muskels

3 15

IV langsame Schmerzfasern (marklos) 1 1

1. Grundlagen

2. Ruhepotential

3. Aktionspotential





Informationsübermittlung zwischen zwei Neuronen

zwei Typen von Synapsen:

• elektrische Synapse

Reizübertragung über

elektrische Kontaktstrukturen:

Konnexone (gap junctions)

• chemische Synapse

Transmitter-Freisetzung

Anlagerung an

liganden-gesteuerten

Rezeptor-Kanal-Komplex

öffnen eines Ionen-Kanal

Synapse: Vorgänge und Aufgaben

Vorgänge an der Synapse:

• Aktionspotential öffnet Calcium-Kanäle

• Transmitter vermittelt Signal an

Rezeptor-Kanal-Komplex

• sofortige Inaktivierung des Transmitters

durch Reuptake oder Hydrolyse

Aufgaben der Synapse:

• Erneuerung des Aktionspotential (Relais)

• Restauration der Impulsform

• Sicherung der Ausbreitungsrichtung

• synaptische Verzögerung (?)

ligandengesteuerte Rezeptoren: 2 Typen

direkte Wirkung auf den Ionen-Kanal

(sehr schnell, Bsp: GABA-Rezeptor)

indirekte Wirkung über G-Protein

und second messenger Systeme:

• cAMP Bsp: -Wirkung

• Phosphoinositole Bsp: 1-Wirkung

Animation: Rezeptoren

Übersicht: Rezeptoren

Rezeptor-Typ Auslöser Reaktionszeit

spannungsgesteuerter

Ionenkanal

Aktionspotential < 1 msec

ligandengesteuerter

Ionenkanal

Azetylcholin (Bsp) < 1 msec

G-Protein gekoppelter

Rezeptor

Katecholamine (Bsp) > 10 msec bis < 10 sec

ligandengesteuerte

Tyrosin-Kinasen

Insulin (Bsp) Min bis Stunden

Rezeptor im Zellkern Cortisol, Tyroxin (Bsp) Stunden

exzitatorische und inhibitorische Synapsen

• Aktivierung des Rezeptors Ionenströme (K+, Cl-, Na+)

• Summenstrom postsynaptisches Potential (PPS)

• Summenstrom: positiv Hebung PPS exzitatorische S.

negativ Senkung PPS inhibitorische S.

exzitatorisch inhibitorisch

Zusammenwirkung mehrerer Neurone

Beispiel: präsynaptische Hemmung

• Reizung der Faser 1:

normales Aktionspotential im

nachfolgenden Neuron

• Reizung der Faser 2:

kein Aktionspotential im


• Reizung beider Fasern:

abgeschwächtes

Aktionspotential im


Kotransmission (Beispiel: noradrenerge Synapse)

• Noradrenalin initiale schnelle

Phase der Kontraktion

• Purin sekundäre langsamere

Phase der Kontraktion

Wirkung des Transmitters:

• direkte Wirkung auf den

postsynaptischen Rezeptor

• positiver Feedback via

postsynaptischem Co-Rezeptor

• negativer Feedback via

präsynaptischem Co-Rezeptor

chemische Codierung des digitalen elektrischen Signals

Neurotransmitter: Beispiele

• klassische: Azetylcholin, (Noradrenalin = Katecholamine)

• Monoamine: Serotonin, Katecholamine

• Aminosäuren: Glycin Inhibitor auf spinaler Ebene

Glutamat wichtigste erregende Substanz im ZNS

GABA wichtigster Inhibitor im ZNS

• Purine: ATP

• Polypeptide: VIP vasoaktives intestinales Polypeptid

NPY Neuropeptid Y

CGRP Calcitonin gene related peptid

SP Substanz P

• weiter: Angiotensin, Encephaline, etc.

bis heute sind über 60 Neurotransmitter bekannt

1. Grundlagen

2. Ruhepotential

3. Aktionspotential





Hirnabschnitte 1

anatomische Einteilung:

• Telencephalon (Grosshirn)

• Diencephalon (Zwischenhirn)

• Stammhirn (Hirnstamm):

• Mesencephalon (Mittelhirn)

• Pons

• Medulla oblongata

• Cerebellum

(siehe Entwicklungsgeschichte)

Telencephalon

Diencephalon

Mesencephalon

Pons

Medulla oblongata

Cerebellum

Hirnabschnitte 2

Einteilung nach Transmittern:

neuere Einteilungsart

funktionelle Einheit ohne Rücksicht auf

anatomische und entwicklungs-

geschichtliche Grenzen

Beispiel: dopaminerges System

hemmende Einflüsse aus der Substantia

nigra auf:

• Corpus striatum

• Grosshirnrinde

Corpus striatum Substantia nigra

Grosshirn

4 Lappen:

• Stirnlappen

motorische Rindenfelder

• Scheitellappen

sensorische Rindenfelder

• Hinterhauptslappen

Sehen

• Schläfenlappen

Hören

Sprachverständnis

• jüngster Hirnteil, charakteristisch in der Grösse für den Menschen

• Funktionen: (Sich-) Bewusst-Sein, Willen, Kreativität, Gedächtnis

Zwischenhirn

Thalamus:

• mehr als 200 Nervenzellkerne

• Umschaltung der meisten

afferenten Bahnen

• integrative Funktion:

„Tor zum Bewusstsein“

Hypothalamus:

• Zentrum des vegetativen

Nervensystems

• Regulation von Blutdruck,

Temperatur, Hunger und Durst

Hypophyse

beidseits des 3. Ventrikels

graue Substanz Balken Thalamus Nucleus caudatus

weisse

Substanz

Corpus

amygdaloideum

Hypothalamus Putamen

Globus pallidus

Hirnstamm

Mittelhirn und Pons:

• Kerngebiete der motorischen

Funktion (Basalganglien):

Substantia nigra, Nucleus ruber

• Hirnnervenkerne

Medulla oblongata:

• Hirnnervenkerne VIII - XII

• Kreuzung der Pyramidenbahnen

• Herz-Kreislauf-Zentrum

• Atemzentren

• Reflexzentren für Schlucken,

Niesen, Erbrechen

Vierhügelplatte

Pons

Medulla oblongata

Rückenmark Zentralkanal

Cerebellum

Nucleus ruber

Epiphyse

Corpus callosum

Zwischenhirn mit

eröffnetem 3.

Ventrikel

Adhaesio

interthalamica

Chiasma

opticum

Hypophyse

Mittelhirn

Formatio reticularis

Anatomie:

• Verteilung über ganzen

Hirnstamm

• Netzwerk von Neuronen

verbindet motorisches,

sensorisches und vegetatives

System

Funktion:

• Vigilanz, Lernfähigkeit, Schlaf-

Wach-Rhythmus

• möglicher Hauptwirkort von

Hypnotika und Anästhetika

Vierhügelplatte

Pons

Formatio

reticularis

Medulla oblongata

Rückenmark Zentralkanal

Cerebellum

Nucleus ruber

Epiphyse

Corpus callosum

Zwischenhirn mit

eröffnetem 3.

Ventrikel

Adhaesio

interthalamica

Chiasma

opticum

Hypophyse

Mittelhirn

Limbisches System

funktionelle Einheit aus Gross-,

Zwischen- und Mittelhirn

• Corpus amygdaloideum • Hippocampus

• Fornix, Mamillarkörper

• Teile des Hypothalamus

verantwortlich für:

• Riechen, Teile des Gedächtnisses

(frühere Stufen: „Riechhirn“)

• Zentrale der vegetativen und

endokrinen Funktionen

• Gefühle und Emotionen

„viszerales Gehirn“

vorderer Thalamuskern

Balken

(Corpus callosum)

Schweifkern

(Nucleus caudatum)

Fornix

Hypo-

thalamus

Hyppocampus

(Ammonshorn)

Hirnstamm

Mamillarkörper

(Corpus mamillare) Mandelkern (Corpus

amygdaloideum)

Hypophyse

Tractus

olfactorius

Riechkolben

(Bulbus olfactorius,

vorderster Teil

des Riechhirns)

Pyramidenbahn

Verbindung vom primären motorischen

Rindenfeld (Gyrus praecentralis = Area 4)

zu den Motoneuronen im Vorderhorn

traditionelle Funktion:

Vermittlung bewusster Bewegungen

zur Anatomie:

• ca 1 mio. Axone, z.T.> 1 Meter lang

• 80 % der Axone kreuzen in der

Medulla oblongata zur Gegenseite:

Tractus corticospinalis lateralis

• 20 % der Axone bleiben ipsilateral:

Tractus corticospinalis anterior

extrapyramidales System

anatomische Definition:

Alle Nervenkern-Gruppen und motorischen

Neurone, welche nicht der Pyramidenbahn

angehören.

wichtige Elemente:

• Basalganglien

• Verbindungen zum Kleinhirn • Gleichgewichtsorgan

• Tractus rubrospinalis

• Tractus reticulospinalis

Funktion:

früher: unwillkürliche Motorik

heute: Zusammenwirken mit der

Pyramidenbahn (Agonist/ Antagonist)

Hirnnerven

Name: beteiligte Systeme:

motor. sens. PS

I Olfactorius - + -

II Opticus - + -

III Oculomotorius + - +

IV Trochlearis + - -

V Trigeminus + + -

VI Abducens + - -

VII Facialis + + +

VIII Statoacusticus - + -

IX Glossopharyngeus + + +

X Vagus + + +

XI Accessorius + - -

XII Hypoglossus + - -

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