Kurstag 2: Allgemeine Histologie & Zellbiologie des Nervengewebes

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Neuroanatomiekurs für HM im SS 2006 * Kurstag 2: Histologie & Zellbiologie des Nervengewebes
Dozenten- & Bremserscript
Name: __________________________
Kurstag 2: Allgemeine Histologie & Zellbiologie des Nervengewebes
Übersicht
02.01 histol. Färbungen des Nervengew.
02.02 Neuron
02.03 Synapse
02.04 Glia
1
3
5
7
02.05
02.06
02.07
peripherer Nerv
Klinik
mc-Übungsfragen
9
9
10
Ziele: Vertiefung der histologischen und zellbiologischen Grundlagen, ohne die ein Verständnis der Hirnfunktionen nicht möglich ist. Es ist ein ziemlich theoretischer, aber vom Stoff auch sehr wichtiger
Kurstag. Sollten Sie nicht alle Aufgaben im Kurs schaffen, arbeiten Sie sie unbedingt zu Hause nach.
Kursmaterial pro Tisch: Binokularlupen, Mikroskope, histologische Präparate
Notwendige theoretische Voraussetzungen: Kenntnisse der Histologie des Nervengewebes sowie der
allgemeinen Zellbiologie von Neuronen und Gliazellen (Vorlesungen Histologie, Neuroanatomie,
Neurophysiologie). Schauen Sie sich im freien Mikroskopieren unbedingt noch einmal die Präparate
Nerv quer/längs, Spinalganglion und Rückenmark an. Die spezielle Histologie einzelner ZNSAbschnitte werden wir zu einem späteren Kurstermin behandeln.
02.01 Histologische Färbungen des Nervengewebes (ca. 5-10 min)
Es gibt 3 klassische Grundmethoden zur histologischen Darstellung des Nervengewebes, die Sie am Präparat unterscheiden können müssen. Moderne Methoden können im Kurs leider nur theoretisch behandelt
werden.
02.01.01
Abbildung
Erklären Sie anhand der Tabelle wesentliche Unterschiede zwischen den 3 Grundfärbungen.
A: Myelin- oder Markschei- B: Zellkörper- / ZellkernfärC: Versilberungen (z.B.
denfärbungen
bungen (z.B. Nissl,
Golgi, Cajal).
Kresylviolett)
Myelin, d.h. Nervenfasern
+/- alle Perikarien
einzelne Neurone
Welche
Strukturen
sind gefärbt?
Was ist sicht- Myelindicke einzelner Ner- Form,
Größe,
Dichte,
bar?
venfasern, Anteil der Fasern Verteilung der Perikarien,
am Nervengewebe, Verlauf
der Fasern/Faserbündel
Was ist nicht zugehörige
Perikarien, zugehörige Axone & Dend-
einzelne Perikarien, mit +/allen Axonen, Dendriten,
Dornen
Dichte und Verteilung der
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sichtbar?
Mögliche
Anwendungen?
Präparat
nichtmyelinisierte
Fasern,
Dendriten, Gliazellen
Untersuchung der Faserdicke und des Verlaufs, Diagnostik von Demyelinisierungserkrankungen, etc.
Cerebellum,
Übersichtsvergr.
riten, Zellkörper von Gliazellen
Untersuchung der Neurondichte und -verteilung, Diagnostik div. Erkrankungen
(z.B. Alzheimer), etc.
Cortex
cerebelli,
Purkinjezellen
Neurone, viele Gliazellen
Untersuchung der Gesamtmorphologie eines Neurons,
Synapsen, Verschaltungen,
etc.
Cerebellum,
einzelne
Purkinjezelle
02.01.02 Auf den Fensterbänken stehen Lupen und Mikroskope mit ausgewählten Präparaten und
deren Beschreibung bereit. Schauen Sie sich im Verlauf des Kurses diese Präparate an. Die erste
Frage, die Sie sich jeweils stellen müssen, ist die nach dem Färbungstyp. Erst dann können Sie
entscheiden was sichtbar ist und sich genauer mit dem Präparat befassen.
02.01.03 Die Färbungstypen werden oft auch auf makroskopische Präparate angewandt. Welche
Strukturen sind dann gefärbt/erkennbar?
02.01.04 Diskutieren Sie kurz wie einige moderne histologische Verfahren (Abb.) funktionieren und
was mit Ihnen darstellbar ist.
A Immuncytochemie (ICC), Immunhistochemie (IHC)
Nachweis/Lokalisation bestimmter Moleküle in Zellen/Geweben oder Typisierung von Zellen/Geweben
mittels spezifischer Antikörper (typischerweise mit Enzymen, Farbstoffen oder fluoreszierenden
Farbstoffen gekoppelt). Mittlerweile Standardmethode der mikroskopischen Pathologie.
B Laser-Scanning-Mikroskopie (LSM)
Auf Lasern basierende Fluoreszenzmikroskopie mit verbesserter Auflösung, Möglichkeit zu
Vielfachmarkierung und, aufgrund der gerasterten Bildaufnahme, Möglichkeit zur 3D-Bildrekonstruktion.
Anwendbar z.B. für A, C, D, E.
C In situ Hybridisierung (ISH)
Nachweis/Lokalisation spezifischer mRNAs oder anderer spezifischer RNA/DNA-Sequenzen über
markierte, sequenzspezifische Nukleinsäuresonden.
D Single cell injection (SCI)
Mikroinjektion einzelner Zellen mit Enzymen, Farbstoffen, fluoreszierenden Farbstoffen, z.B. zur
Markierung oder 3D-Darstellung einzelner Zellen, oder zur Analyse von mittels gap junction- erbundener
Koppelungsgruppen von Zellen.
E Tracing
Injektion/Mikroinjektion von speziellen Farbstoffen/Molekülen/Viren, die sich anterograd und/oder
retrograd über Synapsen verbreiten können. Primär zur Analyse neuronaler Verbindungen und
Netzwerke.
F Laser-capture microdissection (LCM, LCMD)
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Ausschneiden einzelner Zellen/Zellgruppen aus einem Gewebsverband mittels eines Lasers. Ermöglicht
die detaillierte molekulare/biochemische Analyse einzelner Zellen/Zellgruppen.
02.02
Neurone (ca. 15 min)
02.02.01 Kennzeichnen Sie in der Abbildung die folgenden Abschnitte eines Neurons und beschreiben
Sie deren Aufgaben. Kennzeichnen sie mit einem Pfeil die Richtung der Erregungsleitung. Welches ist
das afferente, welches das efferente Neuron?
A Dendrit
Afferenter Nervenzellfortsatz, Aufnahme afferenter Erregungen und Generation von
synaptischen Potentialen;
B Perikarion Neuronzellkörper mit allen essentiellen Organellen und Stoffwechselprozessen.
C Axonhügel Übergangsbereich zwischen Perikarion und Axon, Generierung der APs;
D Axon Efferenter Nervenzellfortsatz, Leitung der APs zum Zielgebiet.
E Synapse
Spezialisierte Kontaktstelle zwischen 2 Neuronen für die chemische
Erregungsübertragung.
Neurit Begriff für einen Nervenzellfortsatz, bei dem nicht klar ist, ob es sich um einen Dendriten
oder ein Axon handelt.
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02.02.02 Zeichnen Sie - schematisch - die vier morphologischen Haupttypen von Neuronen (mit
Dendrit, Perikarion, Axon, Synapse) und geben Sie jeweils ein Beispiel für das Vorkommen an.
02.02.03 Im Verlauf des Kurses und in den Prüfungen werden Sie immer wieder neuronale
Schaltkreise zeichnen müssen. Machen Sie sich zunächst klar, welche 3 Teile und welche Eigenschaft
eines Neurons für seine schematisch/funktionelle Darstellung ausreichend sind. Erklären Sie dann
anhand von einfachen Schaltzeichnungen die folgenden Begriffe
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02.02.04 Die Elektronenmikroskopie (EM) kann aufgrund der technischen Bedingungen im Grundstudium leider nur theoretisch behandelt werden. Schauen Sie sich in den Lehrbüchern unbedingt nochmals EM-Abbildungen von Neuronen, Synapsen & Gliazellen an. Beschriften Sie in der EMZeichnung eines Neurons die folgenden Strukturen:
A – Dendrit
B – Perikarion
C – Axonhügel
D – Axon
E – Nucleus
F – Nucleolus
G – Kernpore
H – rER (= Nissl-Schollen)
I – Mitochondrien
J - Golgi-Apparat
K - Microtubuli/Neurofilamente L – synaptisches Endköpfchen
M – synaptische Vesikel
N – postsynapt. Verdichtung
O – synaptischer Dorn
P – axo-dendritische Synapse
Q – axo-somatische Synapse
R – axo-axonale Synapse
02.02.05 Machen Sie sich anhand der Abbildung die Transportvorgänge in Neuronen klar und füllen
Sie dann die Tabelle aus.
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Richtung
ungerichtet
Motor
Kinesine, Dyneine bzw. ?
langsamer axonaler Transport
überwiegend
anterograd
keine bzw. ?
schneller anterograder Transport
schneller retrograder Transport
vom Perikarion Kinesine
zur Synapse
dendritischer
Transport
von der Syanpse zum Perikarion
Dyneine
Leitstruktur
Transportgut
Microtubuli & ? alle in der Peripherie benötigten Komponenten
keine bzw. ?
z.B. Filamentproteine,
Clathrin, andere
cytoplasm. Proteine
Microtubuli
z.B. Vesikel,
von – nach +
Mitochondrien
Microtubuli
von + nach -
Geschwindigkeit
0,5 – 100
mm/Tag
0,5 – 5 mm/Tag
100 – 400
mm/Tag
z.B. Endoso100 – 400
men, aktivierte mm/Tag
Wachstumsfaktoren
02.02.06 Haben Sie eine Vorstellung von der Gesamtlänge aller Neuriten des Nervensystems (d.h. alle
Axone und Dendriten und deren Äste aneinander gelegt)?. Können Sie ein halbwegs verständliches Vergleichsbeispiel für diese Zahl nennen?
Viele Schätzungen liegen größenordnungsmäßig wirklich bei ca. 700 000 km
Das ist nahezu einmal die Strecke Erde – Mond und zurück (= 768 000 km).
Pathologischer Vergleich: Bei Alzheimer-Patienten im Endstadium kann die Neuritenlänge auf unter 40%
gegenüber dem Normalwert schrumpfen, d.h. noch nicht einmal die einfache Strecke Erde - Mond.
02.03
Synapse (ca. 15 min)
02.03.01 Erklären Sie mittels der Tabelle die wichtigsten Unterschiede zwischen elektrischen und
chemischen Synapsen.
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Leitungsart
Leitstrukturen
Richtung
Beeinflussbarkeit
Vorkommen
elektrisch
kontinuierl. elektr. Erregungsleitung
(Potential * Potential), elektrotonische
Leitung
Gap junctions
ungerichtet, d.h. in beide Richtungen
möglich und auch immer erfolgend
spezifische Beeinflussung elektrisch
schwer (z.B. Defi) und chemisch noch
schwerer möglich
normal zwischen Herzmuskelzellen;
normal zwischen Astrozyten;
zwischen Neuronen nur in einigen kleineren Neurongruppen, z.B. des Hypothalamus
chemisch
diskontinuierliche
Erregungsleitung
(Potential * Transmitter * Potential),
chemische Übertragung
Präsynapse, synapt. Spalt, Postsynapse
immer gerichtet, d.h. Rückwärtsübertragung grundsätzlich unmöglich
über auf Transmitter & Rezeptoren wirkende Medikamente gut und spezifisch
beeinflussbar
typische, praktisch einzige Synapsenform im NS der Säugetiere
02.03.02 Kennzeichnen Sie in der Abbildung die folgenden Formen chemischer Synapsen.
A – Dornsynapse
B – Schaftsynapse
C – axo-dendritische Synapse
D – axo-somatische Synapse
E – axo-axonale Synapse.
02.03.03 Zeichnen Sie ein einfaches Schema einer chemischen Synapse mit den folgenden mikroskopischen Strukturen! Welche Aufgaben haben die einzelnen Strukturen?
A – synapt. Endköpfchen
B – synapt. Vesikel
C - Mitochondrien
D – präsynapt. Membran
E - präsynapt. Verdichtungung
F – synapt. Spalt
G - freier Neurotransmitter
H – postsynapt. Membran
I - postsynapt. Verdichtung
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02.03.04 Elektronenmikroskopisch kommen im ZNS 2 Haupttypen chemischer Synapsen vor, Gray I &
II. Wie unterscheiden sich die beiden Typen bezüglich Bau und Funktion?
02.03.05 Machen Sie sich klar, dass für die chemische Signalübertragung eine Vielzahl molekularer
Vorgänge notwendig ist, z.B.
Neurotransmittertypen
Neuropeptide
Transmittersynthese
Transmitterverpackung
Transmittertransport
potentialabhängige Aktivierung
Vesikel-Docking
Exocytose
Rezeptorbindung
2nd messenger pathways
Generation der synapt. Potentiale Transmitterinaktivierung
Transmitterendocytose
Transmitterrecycling
Transmitterabbau
Transmitterentsorgung
usw. usw.
Diese Vorgänge werden in der integrierten Neuranatomie-/Neurophysiologie-Vorlesung in mehreren Beispielen behandelt und sind natürlich Lern- und Prüfungsstoff. Im Kurs können wir darauf nicht detailliert
eingehen. Beispielhaft sollen Sie an der folgenden Abbildung kurz ein paar Mechanismen der monoaminergen Neurotransmission rekapitulieren.
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02.03.06
Machen Sie sich anhand der Abbildung die wichtigsten Abschnitte des Vesikelkreislaufs klar.
02.03.07 Machen Sie sich klar, wo und wie Toxine bzw. Medikamente in das synaptische Geschehen
eingreifen und was sie bewirken können.
Prinzipiell in alle unter 02.03.05 & 06 genannten (und auch nicht genannten) Teilschritte.
Wichtigste Aspekte dabei sind die Gängigkeit der Substanz durch die Blut-Hirn-Schranke und die Spezifität des Eingriffs (Beispiele s. Lehrbücher der Neurologie).
02.03.08 Haben Sie eine Vorstellung von der Anzahl der Synapsen im ZNS? Können Sie einen plausiblen Vergleich bringen?
Einzelne Neurone können nur 1 Synapse, aber auch bis zu 100 Synapsen haben. Grobe Schätzungen gehen von durchschnittlich 5 Synapsen/Neuron aus, d.h. ca. 500 000 000 000 Synapsen/ZNS. Das sind fast
doppelt so viel, wie es Sterne in unserer Milchstraße gibt (ca. 300 000 000 000).
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02.04
Glia (ca. 15 min)
02.04.01 Machen Sie sich anhand der Abbildung klar, wie groß der Anteil der Gliazellen, Neurone und
Blutgefäßzellen am ZNS ist.
02.04.02 Machen Sie sich anhand der Abbildung klar, welche Haupttypen von Gliazellen es gibt, welche Aufgaben sie haben und welcher Herkunft sie sind.
02.04.03
Beschriften sie in der Abbildung die wichtigsten Zelltypen des ZNS & PNS.
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02.04.04 Beschreiben Sie Unterschiede zwischen den beiden morphologischen Haupttypen von Astrocyten.
02.04.05 Nennen Sie möglichst viele Aufgaben von Astrocyten.
Blut-Hirn-Schranke, Stoffaustausch mit Gefäßen, Stoffaustausch mit Neuronen, Regulation der lokalen
Homöostase, Regulation der synaptischen Plastizität, Kompartimentierung, Wachstumsfaktorproduktion,
Glianarben, Phagozytose(?), Antigenpräsentation (?), Transmitterabbau / -recycling, usw. usw.
02.04.06 Wie Unterscheiden sich myelinisierende Oligodendrocyten und myelinisierende SchwannZellen morphologisch und bezüglich der Axon-Regeneration?
Oliogdendrocyten umscheiden Abschnitte mehrerer Axone und hemmen die Axonregeneration (keine
zentrale Regeneration)
Schwann-Zellen umscheiden einen Abschnitt eines einzigen Axons und fördern die Axonregeneration
(relativ gute periphere Regeneration)
02.04.07 Nennen Sie spezifische Eigenschaften und Funktionen der Mikroglia (auch Mesoglia oder
Hortega-Zellen).
* mesodermaler Herkunft
* einzige nicht ortsständige Zellen des ZNS
* mit ca. 5 µm kleinste Zellen des ZNS
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* entsprechend dem physiologischen Zustand (ruhend, aktiviert - nicht phagocytierend, aktiviert – phagocytierend) existieren unterschiedliche morphologische Formen
* Aktivierung durch Trauma, Detritus, Infektionen, etc.
* gehören dem mononucleären phagocytotischem System an (entsprechen funktionell in etwa
Makrophagen)
02.04.08 Welche Bedeutung hat Radialglia für die Entwicklung von Neuronschichten (Endhirncortex,
Kleinhirncortex, Retina, etc.)? Wo kommt Radialglia auch noch im adulten ZNS vor?
Entlang der Fortsätze der Radialglia wandern die Neurone und bilden so die Schichten aus.
Bergmann-Glia im Cerebellum; Müller-Glia der Retina
02.05
peripherer Nerv (ca. 5 min)
02.05.01 Beschreiben Sie anhand der Abbildung den Unterschied zwischen unmyelinisierten und myelinisierten Nervenfasern.
02.05.02 Beschriften sie in der Abbildung eines Nervenquerschnitts folgende Strukturen:
A – Epineurium
B – Blutgefäß
C – Perineurium
D – unmyelinisiertes Axon
E – Myelin
F – Schwann-Zelle
G – Endoneurium
H – Erythrozyt
02.06
Klinik (ca. 10 min., evtl. Hausaufgabe)
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02.06.01 Überlegen Sie, wo an einem Neuron Sie am Besten mit Medikamenten in das neuronale Geschehen eingreifen können. Welche Prozesse lassen sich dort beeinflussen? Kennen Sie schon Medikamente, die hier wirken?
Vergl. 02.03.07
02.06.02 Um was handelt es sich bei dem braunen Bereich um die Hirnzyste? Welche Bedeutung hat
diese Struktur?
02.06.03
Welche pathologischen Veränderungen erkennen Sie im CT-Scan? Um welche Erkrankung
handelt es sich wahrscheinlich?
02.06.04 Auf welchen Zelltyp ist die überwiegende Mehrheit der adulten Hirntumore zurückzuführen?
Gliome, häufig Astrocytome
02.06.05 Die Kenntnis der Drogenwirkung im ZNS, Mechanismen der Abhängigkeitsentwicklung, etc.
sind mittlerweile ein großes Gebiet der Neurologie und Psychiatrie. Machen Sie sich anhand der Abbildung den Wirkmechanismus von Drogen im ZNS am Beispiel des Cocains klar.
02.07
mc-Übungsfragen (Hausaufgabe)
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02.07.01
Bei welchem Zelltyp handelt es sich nicht um zentrale Gliazellen?
A] Tanyzyten
B] Pituizyten
C] Ependymzellen
D] Satellitenzellen (PNS)
E] Astrozyten
02.07.02
Welche Aussage zu Astrocyten ist falsch?
A] Sie haben Kontakt zu Blutgefäßen.
B] Sie sind am Recycling/Abbau mancher Transmitter beteiligt.
C] Sie haben Kontakt zu Schwann-Zellen. (die gibt’s nur im PNS)
D] Sie haben Kontakt zu Neuronen.
E] Sie sind häufig über Gap junctions untereinander verbunden und bilden so funktionelle Koppelungsgruppen.
02.07.03
Welche Aussage zu Synapsen ist falsch?
A] Bei elektrischen Synapsen ist die Erregungsleitung in beiden Richtungen möglich.
B] Neurotransmitter werden mittels membranständiger, vesikulärer Transmitter-Transporter aus den
Vesikeln freigesetzt. (in die Vesikel aufgenommen)
C] Transmitter-Rezeptoren können auch auf der präsynaptischen Membran vorkommen.
D] GABA ist typischerweise ein inhibitorischer Neurotransmitter
E] Im synaptischen Spalt gibt es Transmitter-abbauende/-inaktivierende Enzyme.
02.07.04
Welche Aussage zu Nerven ist falsch?
A] Periphere, nicht-myelinisierte Axone haben keinen Kontakt mit Schwann-Zellen. (sind ebenfalls
in Schwann eingebettet)
B] Das Epineurium ist die äußere bindegewebige Hülle eines Nerven.
C] In einem peripheren Nerv können myelinisierte und unmyelinisierte Fasern nebeneinander vorkommen.
D] Die Leitungsgeschwindigkeit einer Nervenfaser steigt mit der Dicke der Myelinschicht.
E] Das Endoneurium ist das Bindegewebe zwischen den einzelnen Nervenfasern.
02.07.05
Welche Aussage zu pathologischen Veränderungen des Nervensystems ist falsch?
A] Die meisten Hirntumore entwickeln sich aus entarteten Neuronen. (Gliazellen)
B] Astrocyten bilden um pathologisch veränderte Regionen eine Trennschicht (= Glia-Narbe)
C] Bei Multipler Sklerose werden Myelin/Oligodendrocyten vom körpereigenen Immunsystem zerstört.
D] Drogen greifen an unterschiedlichen Stellen in das synaptische Geschehen ein.
E] Nach der Durchtrennung einer Nervenfaser degeneriert grundsätzlich der Teil, der keine Verbindung zum Perikarion mehr hat.
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