Einführung in die Neurobiologie Nervensysteme, Neurone, Glia Termine immer dienstags, donnerstags und freitags, 13:15 bis 14:00 16.11.2004 bis 07.01.2005 neurobiologischer Teil Hans-Joachim Pflüger, Neurobiologie, Königin-Luise-Strasse 28-30 [email protected] , Tel 838 54676 Abbildungen der Vorlesung finden Sie unter: www.neurobiologie.fu-berlin.de, linke Spalte : Lectures and Courses, Winter semester 2004/2005, Vorlesung 23 120 b Tierphysiologie Info hier anklicken, dann sind die Folien unter den einzelnen Vorlesungstagen abrufbar, ausserdem gibt es Buchempfehlungen Skripten für den Kurs kosten 3,Alle brauchen ein Skript!! NEUROWISSENSCHAFT * Alle Lebensvorgänge werden vom Nervensystem gesteuert (Bewegung, Körperfunktionen wie Atmung, Herzschlag, Sexuelle Reaktionen, kognitive Funktionen, Lernen, Gedächtnis, Denken, Sprache, Emotionen, Träume, Gefühle, „Liebe“: Sitz der Gefühle in Nervensystem ( Herz, Magen ? vegetatives Nervensystem beteilgt) * Nachdenken über die eigene Existenz nur mit einem Nervensystem (Gehirn) möglich * Gefühle, Intelligenz usw. sind SYSTEMEIGENSCHAFTEN des Nervensystems (Frage: Gibt es eine freien Willen, oder ist dieser mit bestimmten Systemzuständen des Gehirns erklärbar (manipulierbar)?) * Ein „Leib-Seele“-Problem existiert nicht, da ALLES mit Zuständen oder Eigenschaften des Nervensystems erklärt werden kann. * Durch Messung der Stoffwechselaktivität lässt sich indirekt und nicht-invasiv mit „Imaging-Verfahren“ dem Gehirn beim „denken“ zuschauen. anterior posterior Hören von Wörtern Sprechen von Wörtern PET Messungen Sehen von Wörtern Generieren von Wörtern Nervensysteme werden unterteilt in * Peripheres Nervensystem (Sinneszellen, sensorische Neurone, afferente Neurone) * Zentrales Nervensystem (ZNS; CNS) (Rückenmark und Gehirn) * Autonomes (vegetatives) Nervensystem (Sympathikus und Parasympathikus) * Enterisches Nervensystem (Nervensystem des Darms, Plexus myentericus, Plexus submucosus) Bei Wirbeltieren wird das Zentrale Nervensystem unterteilt in 1. Rückenmark (Medulla spinalis) (spinal cord): * welches aus dem Neuralrohr entsteht (siehe Lanzettfischchen) und segmental gegliedert ist. * In jedem Segment gibt es einen Spinalnerv, der sich aufteilt in: - dorsalen Nerv (dorsale Wurzel, Hinterwurzel, Hinterhorn, dorsal root) mit dem Dorsalwurzelganglion (Spinalganglion), welches Sitz der bipolaren Zellkörper aller afferenten Neurone ist (rein sensorisch) - ventralen Nerv (ventrale Wurzel, Vorderwurzel, Vorderhorn, ventral root), welches die Axone aller motorischen Neurone enthält * In der Mitte der Zentralkanal (gefüllt mit cerebro-spinaler Flüssigkeit, oder Liquor) * Weisse Substanz: die Axone von längsziehenden Neuronen Graue Substanz: Die Zellkörper (Somata) aller Neurone * Unterteilt in Hals-, Brust-, Lendenmark * Topographisch geordnet somatische und viscerale Afferenzen und Efferenzen from: Heldmaier, Neuweiler: Vergleichende Tierphysiologie, Bd. 1, Springer Funktionelle Klassifizierung der Neurone Haut, Gelenke Skelettmuskel Skelettmuskel somatische Afferenzen viscerale Eingeweide motorische ZNS Efferenzen vegetative Drüsen glatte Muskulatur Herzmuskel anterior Entwicklung des Nervensystems Chorda dorsalis posterior Neuralleiste Neuralfalte Bodenplatte Epidermis Epidermis Neuralrohr Neuralleistenzellen Bei Wirbeltieren wird das Zentrale Nervensystem unterteilt in: * Rückenmark (Medulla spinalis) * Gehirn (brain) * fünfteilig, entwickelt sich aus Ausstülpungen des Neuralrohrs, besitzt Ventrikel (mit Liquor gefüllte Hohlräume) Prosencephalon: Vorderhirn (Telencephalon) und Zwischenhirn (Diencephalon) Rhombencephalon (Rautenhirn): Nachhirn (Myelencephalon) und Hinterhirn (Metencephalon) ohne Kleinhirn (Cerebellum) Stammhirn (brain stem): Rhombencephalon und Mittelhirn (Mesencephalon) Hirnstamm: Alle Gehirnteile mit Ausnahme der Cortices Übergeordnete Zentren des Wirbeltiergehirns: Pallium des Vorderhirns Cortex: mehrschichtige Hirnrinde des Palliums und des Cerebellums Tectum des Mittelhirns Cerebellum des Hinterhirns { Embryo des Menschen Innerhalb der ersten 5 Schwangerschaftswochen { (Rückenmark) In der 5. Schwangerschaftswoche Diencephalon (Zwischenhirn) Mesencephalon (Mittelhirn) (Rautenhirn) Embryo des Menschen Telencephalon (Vorderhirn) Metencephalon (Hinterhirn) Myelencephalon (Nachhirn) Ventrikel from: Delcomyn, Foundations of Neurobiology, Freeman Mit 12 Schädelnerven (Cranialnerven) Nervus olfactorius (Riechnerv, enthält primäre Sinneszellen des Riechepithels der Nase) N. opticus (Sehnerv, Axone der Ganglienzellen aus der Retina des Auges) N. oculomotoris (motorischer Nerv zu den Augenmuskeln) N. trochlearis (motorischer Nerv zu Augenmuskel) N. trigeminus (sensorischer Nerv aus dem Gesichts- und Kiefernbereich) N. abducens (motorischer Nerv zu Augenmuskel) N. facialis (sensorischer/motorischer Nerv aus dem Gesichtsbereich incl. Geschmacksrezeptoren) N. vestibulocochlearis (statoacusticus) (sensorischer Nerv aus dem Gleichgewichtsorgan und Hörnerv) N. glossopharyngealis (sensorischer/motorischer Nerv zum Kopfbereich N. vagus (Vagusnerv, Nerv des Parasympathikus) N. accessorius (nur in Amniota) (spezieller motorischer Nerv zu viszeralen Muskeln) N. hypoglossus (nur in Amniota) (motorischer Zungennerv) Segmentierung des Neuralrohrs durch Enwicklungsgene Isthmus (Verengung) zwischen Mittel- und Hinterhirn Sonic hedgehog Engrailed Wnt-1 Fgf8 rot blau gelb grün Aufbau des Wirbeltier Zentralen Nervensystems (ZNS) Endhirn mit olfaktor.Bulbus Cerebral Cortex, Basalganglien Zwischenhirn mit Thalamus Mittelhirn mit Tectum Hinterhirn und Cerebellum Rückenmark, segmentiert cervikal thorakal lumbar sakral * Nachhirn (Myelencephalon) oder verlängertes Mark (Medulla oblongata) (vegetative Kontrollzentren, z.B. Atmungszentrum) Formatio reticularis: Sammelbegriff für maschenartig (reticularis!) angeordnete Zellvebände des Thalamus, Hirnstamm und des Nachhirns Locus coeruleus (Noradrenalin) kontrolliert Aufmerksamkeit, Wachheit, Raphékerne (Serotonin oder 5-HT) Bewegungskontrolle, Hustenreflexe, extrapyramidales motorisches System * Hinterhirn (Metencephalon) mit Brücke (Pons) und Kleinhirn (Cerebellum) (Gleichgewichtssinn und motorische Feinkontrolle, komplexe Bewegungskontrolle, motorisches Lernen, gut ausgeprägt bei bewegungsaktiven Tieren, mit Lappen und Furchen, z.B. gefurchte Rinde bei Haien), motorische Intelligenz Cerebellum dreischichtig: Molekular-, Purkinjezell-, Körnerzellschicht * Mittelhirn (Mesencephalon) dorsales Tectum und ventrales Tegmentum (wichtige Umschaltstation oder Analysestation aller sensorischen Eingänge, topographische Organisation und Überlappung visueller und akustischer Areale) Körperorientierung, Beutefang Striatum, Substantia nigra und Nucl. Ruber: Bewegungskontrolle z.B. auch der Augenmuskeln, auch Reflexe wie Lidschlagreflexe Nachhirn, Hinterhirn, und bei Säugetieren auch Mittelhirn werden als Hirnstamm bezeichnet. * Zwischenhirn (Diencephalon) mit Hypophyse (Gehirnanhangdrüse) und Epiphyse (Pinealorgan, Zirbeldrüse)) - Thalamus (dorsal): wichtige Umschaltstation aller sensorischen Eingänge), - Hypothalamus (ventral): Homöosthase z.B. Hunger, Durst, Osmoregulation, Temperatur, Reproduktion, wichtigste Kontrollzentrum der Haushaltsfunktionen des Körpers, Kontrollzentrum des vegetativen Nervensystems Hormonregulation (mit Hypophyse), Sexualfunktion. Eng mit dem limbischen System verknüpft. - Epiphyse: circadiane Rhythmik * Vorderhirn (Telencephalon): auch Riechhirn bei Nagetieren (zwei Hemisphären, bei Vögeln und Säugern mit Asymmetrien, z.B. Sprachzentrum, sensorische Rindenfelder, Sehrinde, Hörrinde, somatosensorischer Cortex, Riechhirn, höhere Verarbeitung sensorischer Signale, Assoziationsfelder, komplexe Gedächtnisinhalte, motorischer Cortex, Zielmotorik, Willkürbewegungen) Limbisches System: Hippocampus (Lernen, Bildung von Kurzzeitgedächtnis), Amygdala: Furcht Bewertung von sensorischen Signalen, Kontrolle von Emotionen Basalganglien (Teile des Telen- und Diencephalons): Motorische Kontrolle (Bewegungsplanung) Limbisches System From: Delcomyn, Foundations of Neurobiology, Freeman Im Verlauf der Entwicklung der Wirbeltiere kommt es zu einer enormen Vergrösserung der Oberfläche der Grosshirnrinde, und zur Bildung des Neocortex. Die vergleichende Morphologie und Anatomie der Wirbeltiergehirne zeigt in besonders eindrucksvoller Weise die Verwandtschaftsbeziehungen zwischen den Tiergruppen. Diese Argumentation lässt sich auch auf die physiologischen Eigenschaften ausdehnen, und es ist heute klar, dass sich die komplizierten neuronalen Netzwerke des Menschen aus einfacher strukturierten Vorstufen entwickelt haben. (Sprachzentrum beim Mensch, Vokalisationszentren bei Affen, Gesangssteuerung bei Vögeln) Damit sind auch Netzwerke, welche die menschliche Intelligenz bedingen, schon in „Vorstufen“ bei Tieren vorhanden („prärationale Intelligenz“). Das Gehirn des Menschen enthält ca. 1012 Neurone, und ein typisches Stück Cortex (Grosshirnrinde) von 1 mm3 enthält etwa 105 Neurone. Inger Frosch Salamander Neunauge Alligator Dornhai Gans Glatthai Fledermaus Drückerfisch Pferd Elektrischer Fisch Taktil fühlen Bewegung Hören Sehen Eduard Julius Hitzig (1838 – 1907) Elektrische Stimulation des Cortex, bei Hunden (Auslösung von Bewegungen) Wilder Penfield (1891-1976) Gehirnstimulation während Gehirnoperationen in den 1950/60 Jahren Hirnentwicklung Limbisches System ab 6. Woche der Embryonalentwicklung Hippocampus ab 22. Woche der Embryonalentwicklung Assoziativer Cortex nach der Geburt bis zum Erwachsenenalter (nach Spektrum der Wissenschaft) Log Gehirngewicht in mg log Körpergewicht in mg Allometrischer Zusammenhang zwischen Gehirngewicht und Körpergewicht Autonomes Nervensystem * Sympathikus („fight and flight“) * Parasympathikus („rest and digest“) Mit präganglionären Neuronen (Somata im Rückenmark) und postganglionären Neuronen (liegen entweder in Ganglien des Sympathikus im Körper verteilt, z.B. Grenzstrang, oder in parasympathischen Ganglien, die sich immer am Zielgewebe (z.B. Darm) befinden. Transmitter (Botenstoffe): Acetylcholin (Sympathikus präganglionär und Parasympathikus) und Noradrenalin (Sympathikus postganglionär) Durch das autonome Nervensystem werden die Körperfunktionen gesteuert, was einem normalerweise nicht bewusst wird (Herz, Darm, Gefässe usw.). Es gelingt aber, z.B. durch autogenes Training oder die Methode des Biofeedback, einen willkürlichen Zugang zu schaffen, sodass man seinen Herzschlag oder andere Körperfunktionen durch den Willen beeinflussen kann. Enterisches Nervensystem * Im englischen auch als „second oder abdominal brain“ bezeichnet * Komplexes Geflecht aus Nervenzellen, welches den gesamten Gastrointestinaltrakt durchzieht * Zahl der Neuronen (100 Millionen) entspricht etwa der des Rückenmarks * Reguliert die Darmmotilität sowie den Ionentransport, der mit Sekretion und Absorption verbunden ist, und den gastrointestinalen Blutfluss * Zwei in die Darmwand eingebettete Nervengeflechte - Plexus myentericus (zwischen Ring- und Längsmuskelschicht, Auerbach-Plexus) - Plexus submucosus (in der Submukosa, Meissner-Plexus) Plexus myentericus eines Meerschweinchens Evolution der Nervensysteme Protozoa (Einzeller) noch kein echtes Nervensystem, reagieren auf taktile, chemische, Temperatur- und Lichtreize mit spannungsabhängigen Ionenkanälen (K+ und Ca2+) Porifera (Schwämme) Myozyten, Existenz von echten Nervenzellen umstritten, aber Koordination von Bewegungen Coelenteraten (Hohltiere), Diffuses Nervennetz Einfachste Nervensysteme (Nervennetze), bipolare und mulipolare Nervenzellen bilden Nervenringe (Medusen, Quallen), mit Statozysten Nervennetz bei Hydra mit Konzentraton von Sinneszellen um Mund und Stiel, Neuropeptide als Transmitter (Botenstoffe) Es dominieren elektrische Synapsen (Kontaktstellen zwischen Neuronen) Diffuses Nervennetz der Coelenteraten Tentakel Meduse RFamid-Immunoreaktive Zellen (ein Peptid) bei Hydra Fuß Polyp anti- FMRFamide after Grimmelikhuijzen A Schwämme (Porifera) Muskelzelle hat Sensor- (e) und Effektorfunktion Hohltiere (Coelenterata, Cnidaria) Sensomotorisches Neuron (b) und richtige sensorische (s) Neurone und Motoneurone (m) in (C). From: Zigmond et al. , Fundamental Neuroscience, 1999, Plattwürmer (Plathelminthes, flatworms) Einfachstes bilateral symmetrisches Nervensystem, mit Zerebralganglion, Längsstränge (Markstränge) mit Kommissuren, Neurone in Ganglien konzentriert (Kopfganglion) Nematoden (Fadenwürmer, Rundwürmer) ZNS mit Ringkommissur um den Vorderdarm, 4-12 Längsbahnen mit Marksträngen und halbseitigen Kommissuren Caenorhabditis mit 302 Neuronen (Zellkonstanz) Viele Sinneszellen am Vorderende, Muskelzellen mit Fortsätzen zum Nervensystem Mollusca (Weichtiere: Kahnfüsser, Schnecken, Muscheln, Tintenfische) Grosse Viefalt der Nervensysteme, z.B. Vierstrangnervensystem: vom Zerebralganglion gehen zwei dorsale Pleuroviszeral- und ventral zwei Pedalstränge ab Gastropoda (Schnecken) Starke Konzentrierung der Neurone in Ganglien Zerebralganglion: Augen, Statozysten, Tentakel, Lippenregion, Penis Bukkalganglien: Pharynx, Speicheldrüsen, Schlund, Magen Pleuralganglien: Mantel Pedalganglien: Fussmuskel, Haut Supra- und Subintestinalganglion: Kiemen, Ophradium Parietalganglien: Mantel Viszeralganglien: Darm, Anus, Haut, Geschlechtsorgane, Niere, Leber, Herz Sehr gut ausgebildete Sinnesorgane: Augen (vom einfachsten Typ bis zum Linsenauge), Chemorezeptoren, Mechanorezeptoren Höchst entwickeltes Nervensystem: Cephalopoden (Tintenfische) mit gut ausgebildetem Gehirn und sensorischen Loben (Verarbeitung sensorischer Signale), mehrschichtiger Cortex, Lernen und Gedächtnis Komplexes Linsenauge, Art Seitenliniensystem, Riesenfasersysteme (giant axons) Nervensystem der Mollusken Abdominalganglion Aplysia Abdominalganglion Helix Anneliden (Ringelwürmer) Strickleiternervensystem mit Gehirn und segmentalen Ganglien, Kommissuren (Querstränge) und Konnektiven (Längsstränge), auch Riesenfasersysteme Arthropoden (Gliedertiere) Gut ausgebildetes Gehirn mit Proto-, Deuto- und Tritocerebrum Chelicerata (Spinnentiere) Kein Deutocerebrum da keine Antennen, Thorakalganglien zu einem Ganglion verschmolzen Spezielle „Hörhaare“: Trichobothrien Crustaceen (Krebse und Krabben) Optische Neuropile und ausgeprägtes Deutocerebrum (Antenne), viele Sinnesorgane (Chemorezeptoren, Statozysten, Komplexaugen) Insekten Gehirn mit optischen Ganglien (Retina, Lamina, Medulla, Lobula), mit Ocellen (Stirnaugen), Protocerebrum mit Zentralkörper (Bewegungskoordination, Multimodale Neurone) und Pilzkörper (Becher, Calyces, Stiel, Pedunculus, und Loben, α und β-Lobus) zur Verarbeitung visueller und olfaktorischer Signale, Gedächtnisbildung, Ortsgedächtnis, Lernen, Antennallobus (olfaktorische Signale) Ventrale Aufsicht auf ein Ganglion des Blutegels T = touch, Berührung P = pressure, Druck N = nociceptive, „Schmerz“ Blutegel besitzen sensorische Neurone, deren Zellkörper im Ganglion (ZNS) sitzen. Aus Nicholls, Martin, Wallace: Vom Neuron zum Gehirn Strickleiternervensysteme können unterschiedlich verschmolzen sein Hypothetical basic „Bauplan“ Grasshopper (Acrididae) Honeybee (Hymenoptera) Heuschrecke Honigbiene from: Dettner, Peter: Lehrbuch der Entomologie, Fischer Horsefly (Tabanidae) Bremse Bug (Pentatomidae) Schildwanze Die zellulären Bausteine des Nervensystems Neuronenprinzip Die kleinste anatomische und funktionelle Einheit im Nervensystem aller mehrzelligen Tiere ist das Neuron. Neben dem Neuron gibt es einen anderen Zelltyp im Nervensystem, die Gliazelle. Grundaufbau eines Neurons (Wirbeltier) Zellkörper (Soma) Dendriten Ranvier´sche Schnürringe Präsynaptische Endigungen Myelin Kern Glasmikroelektroden werden zum Ableiten der elektrischen Aktivität und zum anschliessenden Färben der Neurone benutzt (Iontophorese oder Druckinjektion des Farbstoffs) Neuron aus dem Rückenmark Anatomische Typen Anatomical typesvonofNeuronen neurons Axon Anaxonales Neuron Bipolares Neuron Unipolares Neuron Multipolares Neuron Formenvielfalt von Nervenzellen a) Purkinjezelle (Mensch) b) Pyramidenzelle (Hase) c) Motoneuron (Katze) d, e) Horizontalzelle (Katze) f) Prämotorneuron (Heuschrecke) g) Visuelle amakrine Zelle (Fliege) h) Multipolarneuron (Fliege) i) Visuelles Monopolarneuron (Fliege) j) Visuelles Interneuron (Heuschrecke) k) Prämotorneuron (Flusskrebs) l) Mechanosensorisches Interneuron (Flusskrebs) Aus: Reichert (2000) Neurobiologie, Thieme Neuron communicati on Kommunikation von Neuronen präsynaptisch synapse Synapse postsynaptisch Dendriten Zellkörper (Soma) Neuron functional types Funktionelle Typen von Neuronen Zentrales Nervensystem Spinalganglion Sensorisches Neuron periphere Endigungen Sensorisches Neuron Interneurone Motoneuron Muskel Neuromuskuläre Synapse, oder Endplatte Schwann´sche Schwann Zelle: Gliahülle um das Axon cells “demyelination” Unmyelinated Axone nur von einer Membran (One layer only) umhüllt 75 nm Gliazelle aus einem Ganglion des Blutegels von J. Deitmer, Kaiserslautern Gliazellen aus der Retina Glia R. Virchow 1846: Es gibt 10 mal mehr Gliazellen als Nervenzellen im Wirbeltiergehirn * bei anderen Tieren weniger Glia (z.B. Caenorhabditis, Glia : Neuron wie 1 : 5) * Glia bedeutet: Leim, Nervenkitt * Gliazellen und Nervenzellen entstehen aus Neuroglioblasten * Weiterhin teilbar (im Gegensatz zu Neuronen) (Tumore bestehen aus Gliazellen) * Astrocyten (im Gehirn, hauptsächlich Ernährung) * Oligodendrocyten (Hüllzellen um Axone im ZNS) * Schwann‘sche Zellen (Myelinscheide um periphere Axone) * Ependymzellen (Auskleidung des Gehirns, Blut-Hirn-Schranke) * Mikroglia (Immunsystem des Gehirns, Fresszellen - „Makrophagen“, entstehen aus Monocyten des Knochenmarks) Es ist heute klar, dass Gliazellen im Nervensystem von Wirbellosen Tieren und Wirbeltieren vorkommen, und eine viel grössere Rolle bei neuronalen Prozessen spielen als nur eine „Kitt“-substanz bzw. ein Gerüst für die Neurone zu sein. GliaZellen besitzen viele Rezeptoren für neuronale Botenstoffe und Kaliumionenkanäle. Sie sind aber nicht in der Lage, Aktionspotentiale zu bilden. Neuropil: Geflecht aus Dendriten und Axonen Astrozyt Blutkapillare Tsacopoulos and Magistretti, J. Neuroscience 16:877-885, 1996 Tsacopoulos and Magistretti, J. Neuroscience 16:877-885, 1996 Funktionen der Glia - Bei saltatorischer Erregungsleitung elektrische Isolierung von Membranabschnitten (Myelinscheide), multiple Sklerose (Demyelinisierung der Axone) und damit Verlangsamung der Leitungsgeschwindigkeit und Verlust von Koordination - Stützgewebe (für Neurone) - Auffangen von aus Neuronen freigesetzten Ionen und Botenstoffen (z.B. Kaliumionen, Regulation von Glutamat und γ-Aminobuttersäure, GABA), Ionenhomöostase - Reparaturfunktion (bei Denervierung füllen Gliazellen geschädigte Stellen aus (Membranmoleküle der zentralen Glia sind Grund für fehlende Regenerationsfähigkeit zentraler Neurone) - Trophische Funktion (Ernährungsfunktion der Astrocyten, Laktattransport in Neurone) - Legen während der Entwicklung Wachstumsbahnen für Neurone fest („Gliarasen“, oder Radiärglia im Gehirn) - Phagozytierende Funktion (Fressfunktion) der Mikroglia (Immunsystem)