Inhalt und Einsatz im Unterricht

"Nervenzelle & Nervensystem II" (Biologie Sek. II)

Diese DVD behandelt das Unterrichtsthema Nervenzelle und Nervensystemfür die Sekundarstufe II. Das DVD-Hauptmenü bietet 2 Untermenüs zurAuswahl:

„Nervenzelle“ und „Nervensystem“

In diesen beiden Untermenüs der DVD finden Sie insgesamt 7 Filme: NervenzelleRuhepotenzial der Nervenzelle 4:50 minAktionspotenzial der Nervenzelle 6:40 minSynapsen 6:40 minReiz-Reaktions-Kette: Muskelspindel 3:00 min(+ Grafikmenü mit 10 Farbgrafiken)

NervensystemAufbau des zentralen Nervensystems 7:20 minLernen, Gedächtnis, Erinnern 5:20 minDas vegetative Nervensystem 5:20 min(+ Grafikmenü mit 8 Farbgrafiken)

Aufwändige und sehr detaillierte 3D-Computeranimationen verdeutlichenAufbau und Leistung des menschlichen Nervensystems.Die 3D-Computeranimationen sind filmisch eingebettet in kleine, unterhaltsameRahmenhandlungen: Die Filme begleiten den Architekturstudenten Markus inunterschiedlichen Situationen des täglichen Lebens und vermitteln einen sehrumfassenden Eindruck der Leistungsfähigkeit einer Nervenzelle und dereinzelnen Bauteile des menschlichen Nervensystems.

Ergänzend zu den o.g. 7 Filmen finden Sie auf dieser DVD:

- 18 Farbgrafiken, die das Unterrichtsgespräch illustrieren (in den Grafik-Menüs)

- 13 ausdruckbare PDF-Arbeitsblätter, jeweils in Schüler- und Lehrerfassung(im DVD-ROM-Bereich)

Im GIDA-Testcenter (auf www.gida.de) finden Sie auch zu dieser DVDinteraktive und selbstauswertende Tests zur Bearbeitung am PC. Diese Testskönnen Sie online bearbeiten oder auch lokal auf Ihren Rechner downloaden,abspeichern und offline bearbeiten, ausdrucken etc.

2

Begleitmaterial (PDF) auf dieser DVDÜber den „Windows-Explorer“ Ihres Windows-Betriebssystems können Sie dieDateistruktur der DVD einsehen. Sie finden dort u.a. den Ordner „DVD-ROM“.In diesem Ordner befindet sich u.a. die Datei

index.htmlWenn Sie diese Datei doppelklicken, öffnet Ihr Standard-Browser mit einemMenü, das Ihnen noch einmal alle Filme und auch das gesamte Begleitmaterialder DVD zur Auswahl anbietet (PDF-Dateien von Arbeitsblättern, Grafiken undDVD-Begleitheft, Internetlink zum GIDA-TEST-CENTER etc.).Durch einfaches Anklicken der gewünschten Begleitmaterial-Datei öffnet sichautomatisch der Adobe Reader mit dem entsprechenden Inhalt (sofern Sie denAdobe Reader auf Ihrem Rechner installiert haben). Die Arbeitsblätter ermöglichen Lernerfolgskontrollen bezüglich der Kerninhalteder DVD. Einige Arbeitsblätter sind am PC elektronisch ausfüllbar, soweit dieArbeitsblattstruktur und die Aufgabenstellung dies erlauben. Über die Druck-funktion des Adobe Reader können Sie auch einzelne oder alle Arbeitsblätterfür Ihren Unterricht vervielfältigen.

Fachberatung bei der inhaltlichen Konzeption und Gestaltung dieser DVD:Frau Erika Doenhardt-Klein, Oberstudienrätin (Biologie, Chemie und Physik, Lehrbefähigung Sek. I + II)

Inhaltsverzeichnis Seite:

DVD-Inhalt - Strukturdiagramm 4

Die FilmeNervenzelleRuhepotenzial der Nervenzelle 5Aktionspotenzial der Nervenzelle 7Synapsen 9Reiz-Reaktions-Kette, Muskelspindel 10

NervensystemAufbau des zentralen Nervensystems 11Lernen, Gedächtnis, Erinnern 13Das vegetative Nervensystem 14

3

DVD-Inhalt - Strukturdiagramm

4

Hauptmenü

MenüNervenzelle

Reiz-Reaktions-Kette, Muskelspindel

Synapsen

Ruhepotenzial am Axon

Menü Grafiken

Menü Nervensystem

Aufbau d. zentralen Nervensystems

Menü Grafiken

Filme

Grafiken

Grafiken

Lernen, Gedächtnis, Erinnern

Das vegetative Nervensystem

Zentrales & peripheres Nervensystem

Aufbau der Nervenzelle

Zellmembran am Axon

Aufbau des Rückenmarks

Aufbau des Gehirns

Funktionsfelder der Großhirnrinde

Großhirnrinde - Körperfühlregionen

Gedächtnis-Modell

Sympathicus

Parasympathicus

Filme

Aktionspotenzial der Nervenzelle

Ruhepotenzial der Nervenzelle

Das Aktionspotenzial

Synapse

Fortpflanzung Aktionspotenzial

Saltatorische Erregungsleitung

Postsynaptisches Potenzial

PSP-Summation

Muskelspindel-Reflex

Ruhepotenzial der NervenzelleLaufzeit: 4:50 min, 2007

Lernziele: - Den Aufbau einer Nervenzelle wiederholend vergegenwärtigen;- Die biochemischen Abläufe (Ionenverteilung, -wanderung) an der Axon-

membran der Nervenzelle bei Ruhepotenzial kennenlernen.

Inhalt:Der Architekturstudent Markus, evtl. schon bekannt von einigen anderenBiologie-DVDs, wird in verschiedenen Alltagsszenen gezeigt: Vom Denken amPC bis zum 400m-Lauftraining. Der Film leitet zum Thema, indem er betont,dass alle körperlichen Aktivitäten letztlich vom Nervensystem gesteuert undkontrolliert werden. Die Realaufnahmen leiten über zu einer ausführlichenSequenz von 3D-Computeranimationen, zunächst wird der Grundbauplan einerNervenzelle kurz dargestellt (ist schon aus der Sek.I bekannt).

Dann zoomt die Darstellung auf die Zellmembran ein, in die Region Axonhügel-Axon. Dort, an der Nahtstelle zwischen Extrazellularraum und Zytoplasma,werden nun die wesentlichen Elemente und biochemischen Abläufe vorgestellt,die den Ruhezustand, das Ruhepotenzial der Nervenzelle charakterisieren.

5

Abbildung 1: Aufbau der Nervenzelle

Die filmische Darstellung in kurzen Stichworten: An der Axonmembran (Axonohne Hüllzellen) liegt ein deutliches Konzentrationsgefälle von Na+- und K+-Ionen vor – innen mehr Kaliumionen, außen mehr Natriumionen (alle anderenIonen sind für das Verständnis zweitrangig und werden nicht gezeigt). Dadurchkommt es zu einer stetigen Ionenwanderung von Na+- und K+-Ionen: K+-Ionenkönnen die Zellmembran relativ leicht nach außen durchdringen, Na+-Ionengelangen (überwiegend) nur über spezielle Kanäle nach innen.Eine Na+-K+-Pumpe arbeitet der Ionenwanderung ständig entgegen, um dasKonzentrationsgefälle stetig aufrecht zu erhalten. Wie wichtig dieser Zustanddes Konzentrationsgefälles ist, zeigt die Tatsache, dass der Körper rund 20%seines gesamten Energieumsatzes (!) in Form von ATP für den Betrieb dieserIonenpumpe einsetzt.Resultat: An der Membran herrscht eine konstante Spannung von -60 mV, dassogenannte Ruhepotenzial der Nervenzelle.

* * *

6

Abbildung 2: Axonmembran bei Ruhepotenzial

Aktionspotenzial der NervenzelleLaufzeit: 6:40 min, 2007

Lernziele: - Bildung und Ablauf eines Aktionspotenzials im Axon verstehen.

Inhalt:Der Markus startet seinen 400m-Lauf, das Gehirn schickt entsprechendeBefehle (in Form von Aktionspotenzialen) an die Bein- / Körpermuskulatur. DieDarstellung zoomt auf die Beinmuskulatur. Wie gibt das Gehirn über die langenAxone der Beinnerven „Gas“? Übergang in 3D-Computeranimation, Axon ohneHüllzellen:

Durch Aktionspotenziale („Befehl“vom Gehirn), umgesetzt in einRezeptorpotenzial an der Zell-membran der betrachtetenNervenzelle, sinkt am Axonhügeldas Membranpotenzial auf -50 mVab. Spannungsgesteuerte Na+-Kanäle öffnen, Na+-Ionen strömenlawinenartig ins Axoninnere undbewirken eine Depolarisation auf30 mV. Start des Aktions-potenzials.

Leicht zeitversetzt öffnen nunspannungsgesteuerte K+-Kanälein der Membran. Schlagartigströmen K+-Ionen nach außenund bewirken eine Hyper-polarisation von -80 mV an derAxonmembran.

7

Abbildung 3: Öffnende Na+-Kanäle,Depolarisation, Start des Aktionspotenzials

Abbildung 4: Öffnende K+-Kanäle, Hyperpolarisation

Dann stellen die Ionenpumpen den Ausgangszustand wieder her:Ruhepotenzial mit -60 mV. Das ganze Aktionspotenzial dauert 3-4Millisekunden. Es folgt der „Alles-oder-Nichts-Regel“: Es läuft in voller Stärkeoder gar nicht. Die Stärke eines Nervensignalswird über die zeitliche Frequenzder Aktionspotenziale bestimmt.Der Film zeigt dann den Ablaufeines Aktionspotenzials nocheinmal im Diagramm.

Im folgenden erklärt eineFilmsequenz, warum das Aktions-potenzial sich immer nur in eineRichtung fortpflanzen kann, derBegriff der Refraktärzeit wirdeingeführt.

Zu guter Letzt erklärt der Filmdetailliert die saltatorischeErregungsleitung an Axonen mitHüllzellen (Hüllzellen-Isolierung,Ausgleichsströme von einemSchnürring zum nächsten,sprungartige Fortpflanzung desAktionspotenzials).

* * *

8

Abbildung 5: Ablauf eines Aktionspotenzials

Abbildung 6: Refraktärzeit

Abbildung 7: Saltatorische Erregungsleitung

SynapsenLaufzeit: 6:40 min, 2007

Lernziele: - Aufbau und Funktion einer Synapse vertieft kennenlernen.

Inhalt:Eine kurze Realsequenz – der Markus beim 400m-Training – leitet ein: EineNervenbahn vom Gehirn bis zum ausführenden Muskel oder Organ bestehtmeist aus mehreren hintereinandergeschalteten Nervenzellen. Wie werden dieSignale / Aktionspotenziale von einer zur nächsten Nervenzelle und schließlichauf die Muskelfaser übertragen?Eine 3D-Computeranimation zoomt auf eine motorische Endplatte und dort aufdie Kontaktstelle Endknöpfchen-Muskelfaser ein. Zunächst wird der Aufbau unddann die Funktionsweise einer Synapse ausführlich erläutert.

Der Filminhalt in Stichworten: Synapsen setzen das elektrischeAktionspotenzial mit Hilfe eines Transmitters (z.B. Acetylcholin) in einchemisches Signal um, das den synaptischen Spalt überwinden kann. Am„anderen Ufer“ entsteht dann wieder ein elektrisches Potenzial. Synapsendienen so auch als „Gleichrichter“, sie erlauben nur eine Signal-Laufrichtung.Der Film erklärt auch die Begriffe PSP (postsynaptisches Potenzial) sowieIPSP und EPSP. Die räumliche und zeitliche Summation von Potenzialenund deren Verrechnung zu einem Gesamt-Rezeptorpotenzial auf post-synaptischer Seite werden geschildert.

* * *

9

Abbildung 8: Aufbau einer Synapse

Reiz-Reaktions-Kette: MuskelspindelLaufzeit: 3:00 min, 2007

Lernziele: - Eine Reiz-Reaktions-Kette am Beispiel der Muskelspindel vertieft

kennenlernen.

Inhalt:Der Markus stolpert beim Waldlauf, und kann durch einen Ausfallschritt einenSturz gerade noch vermeiden. Die folgende, sehr detaillierte 3D-Computer-animation schildert den genauen Ablauf der Reiz-Reaktions-Kette am Beispielder Muskelspindel. Die rettende, sehr schnelle Unterschenkelstreckung wirddirekt über das Rückenmark gesteuert bzw. ausgelöst.

Am Ablauf dieser Reiz-Reaktions-Kette wird auch noch einmal sehr gutnachvollziehbar dargestellt, wie ein Reiz in Aktionspotenziale umgesetzt wird,und wie diese auf dem Weg über mehrere Nervenzellen und Synapsenmehrfach in Transmitterausschüttung, Rezeptorpotenzial und wieder in Aktions-potenziale umgewandelt werden.

* * *

10

Abbildung 9: Die Reiz-Reaktions-Kette, am Beispiel „Muskelspindel“.

Aufbau des zentralen NervensystemsLaufzeit: 7:20 min, 2007

Lernziele: - Den Grundbauplan des menschlichen Nervensystems (zentrales und

peripheres, sensorisches und motorisches N.) vertieft kennenlernen;- Den Aufbau des Rückenmarks rekapitulieren;- Den Aufbau und Funktionsfelder des Gehirns vertieft kennenlernen.

Inhalt:Der Markus beim Waldlauf. Der Film stellt zunächst die verschiedenen Bau-gruppen des Nervensystems im Überblick vor, die diese vielfältigen Leistungendes Körpers ermöglichen und steuern.

Das Rückenmark wird als„Datenautobahn“ des Nerven-systems vorgestellt. In ihmlaufen (fast) alle Nerven-stränge aus dem Körper zumGehirn und umgekehrt.

11

Abbildung 10: Aufbau des Nervensystems

Abbildung 11: Aufbau des Rückenmarks

Dem Signalfluss durch das Rückenmark aufwärts folgend gelangt der Film (3D-Computeranimation) zur Schaltzentrale des Nervensystems, dem Gehirn. Dasmenschliche Gehirn hat sich im Laufe von Jahrmillionen der Evolutionentwickelt. Noch heute kann man die Bereiche identifizieren, die dem GehirnSchritt für Schritt mehr Leistungsfähigkeit verliehen haben.

Der Film stellt anhand einer 3D-Kartierung und eines Schnittsdurch das Gehirn fünf Bereichevor, es werden wesentlicheFunktionen dieser Gehirn-regionen beispielhaft genannt:

Verlängertes Rückenmark Steuerung lebenswichtiger Reflexe

Mittelhirn Schaltstelle zw. Sinnesorganen und Muskulatur

Zwischenhirn Steuerung des vegetativen Nervensystems unddes Hormonsystems, emotionale Wertungen

Kleinhirn Feinkoordination von Körperbewegungen,trainierte motorische Bewegungsmuster

Großhirn Intelligenz, Bewusstsein, Denken, Handeln

Im Weiteren werden bestimmteGehirnfelder lokalisiert: Sen-sorische Felder, in denen z.B.das Sehen und das Hörenstattfinden. Eine Kartierung der„Körperfühlregionen“ vertieftdie Darstellung.Ebenso motorische Felder (z.B.Sprechen und Bewegungen) undGedankenfelder, in denen unserDenken stattfindet und dasBewusstsein lokalisiert ist.

* * *

12

Abbildung 12: 5 Gehirnregionen im Schnitt

Abbildung 13: Gehirnfelder

Lernen, Gedächtnis, ErinnernLaufzeit: 5:20 min, 2007

Lernziele: - Ein modellhaftes, vertieftes Verständnis für die Lern-, Gedächtnis- und

Erinnerungsfunktionen des Gehirns entwickeln.

Inhalt:Der Markus paukt mal wieder für eine Klausurwoche, es muss so schrecklichviel Stoff hinein in den Kopf! Der Film entwickelt nach dieser kurzen Einleitungein sehr anschauliches 3D-Computermodell der dreistufigen Gedächtnisfunktiondes Gehirns.

Es wird ausführlich erläutert, dass unser Gehirn trotz seiner enormen Kapazität(ca. 10 Milliarden Nervenzellen!) die unzähligen, ständig aufgenommenenInformationen zum großen Teil sehr schnell wieder löscht. Nur wenige, alswichtig gefilterte (z.B. gelernte / geübte) Informationen gelangen in langfristigereSpeicherbereiche (Tage, Jahre) und stehen dort als wiederabrufbares,prozedurales oder deklaratives Wissen dauerhaft zur Verfügung (Erinnern).Am tiefsten verankert ist sog. Verhaltenswissen, das wir im Kindesalter lernenund (normalerweise) nie wieder vergessen: Das Laufen, das Lesen oderSchreiben.

* * *

13

Abbildung 14: Dreistufiges Gedächtnis-Modell

Das vegetative NervensystemLaufzeit: 5:20 min, 2007

Lernziele: - Den Aufbau und die speziellen Steuerungsfunktionen des vegetativen

Nervensystems vertieft kennenlernen;- Sympathicus und Parasympathicus als sich ergänzende Gegenspieler bei der

Steuerung vieler Organfunktionen erkennen.

Inhalt:Der Markus beim 400m-Lauftraining. Der Film erläutert die Funktion dermotorischen Nerven bei der Steuerung der diversen am Lauf beteiligtenMuskeln, weitet dann aber aus auf die Darstellung eines weiteren Nerven-Teilsystems in unserem Körper: Die inneren Organe werden durch dasvegetative Nervensystem gesteuert.

Das vegetative Nervensystem wird vom Hypothalamus gesteuert, einerspeziellen Region im Zwischenhirn. Dort nehmen die beiden Hauptstränge,Sympathicus und Parasympathicus, ihren Ursprung. Der Sympathicus verläuftähnlich einer Strickleiter entlang des Rückenmarks. Der Parasympathicus teiltsich in Höhe der Halswirbelsäule in einzelne Stränge auf. Beide, S. + P., stehenmit allen inneren Organen in Verbindung.

14

Abbildung 15: Aufbau des vegetativen Nervensystems

Am Beispiel des „rasenden Markus“ werden die unterschiedlichen Funktionender beiden vegetativen „Gegenspieler“ erläutert. Dabei können Sympathicusund Parasympathicus auf einzelne Organe (Verdauungstrakt, Drüsen, etc.)entweder fördernde oder hemmende Wirkung ausüben:

Der Sympathicus stellt denKörper schlagartig aufHöchstleistung ein. Eraktiviert den ganzen Körperin gefährlichen bzw. an-strengenden Situationenwie Kampf, Flucht odereben sportlicher Höchst-leistung.

Der Parasympathicus leitetdanach die Phasekörperlicher Erholung einund sorgt für das Aufladender Energiereserven desKörpers.

* * *

15

Abbildung 16: Sympathicus, körperliche Leistung

Abbildung 17: Parasympathicus, körperl. Erholung