Neurobiopsychologie 11.10.2004 Literatur: Kuffler/Nicholls/Martin

Neurobiopsychologie
11.10.2004
Literatur: Kuffler/Nicholls/Martin „From neuron to brain“
Dudel/Menzel/Schmidt „Neurowissenschaften“
Heldmaier/Neuweiler „Vergleichende Tierphysiologie“ Band 1
Inhalt:
 Bau der Nervenzelle
 Wie entsteht Nervenzelle/Stammzelle
 Physiologie von Nervenzellen
 Schaltkreise (Nervenzelle in Kontakt mit anderen Zellen)
Reihe von Informationen → Vorarbeitung im Gehirn → kommt zu Reaktion (z.B.
Verhaltensreaktion)
Von Gehirn aus können auch Informationen ausgesendet werden → kommt zu
Verhaltensweise
Stereotype Signale: (elektrisch) Informationseinheit im Gehirn → in elektrische
Signale (Retina) umgesetzt, Spannungsänderungen im Gehirn

STEREOTYPES ELEKTRISCHES SIGNAL
SYMBOL
Reizquelle: Gehirn unterscheidet zwischen Reiz und nicht Reiz
 QUALITÄT (Bedeutung) eines Reizes durch Verbindungen festgelegt
→kommt es zu Reiz der Retina entstehen Bilder → Reiz Epitel = akustisches
Signal
Verbindung Peripherie + Gehirn
Reiz zuordnen können → kann hell oder dunkel sein (Objektivität)

QUANTITÄT (Intensität) durch Frequenzcodierung → je höher Intensität desto
höher die Frequenz des elektrischen Signals
Stereotype elektrische Signale: 2 Typen:
1. AKTIONSPOTENTIAL (Impuls)
Dauert ca. 1ms
Signal über weite Strecken weitergeleitet → werden rasch weitergeleitet →
über 100 m/s
Sagt auch die Intensität:
2. ELEKTRONISCHE POTENTIAL (lokalisiertes Potential)
 Synaptisches Potential (Nervenzelle + Nervenzelle/Muskelzelle)
 Rezeptorpotential (Sinnenzelle greizt)
Rezeptorpotential:
Nur über kurze Distanzen ca. 2mm
Intensität von Reiz codieren => AMPLITUDEN
CODIERUNG
→ je stärker Reiz desto höher Amplitude
Integration vornehmen = Amplitude überlagern
Informationen integrieren => synaptisches Potential
Wenn synaptisches Potential hoch → kann Aktionspotential entstehen.


Elektrische Signale bei jeder Nervenzelle gleich → wichtig für grundlegende
Probleme
Aktionspotential bei allen Tieren gleich → für Grundlagenforschung großer
Vorteil (Tintenfisch riesiges Axion = 1mm)
Unterschied liegt im Anzahl der Verbindungen → Verbindungen zwischen
Nervenzellen wichtig!
SYMBOLE: z.B. Buchstabe (aneinanderreihen)
M A
U
S
Nervenzelle:
Bipolare Zelle:
Zelltypen Kleinhirn:

PURKINJE ZELLE:




KÖRNERZELLE:
KORBZELLE
STERNZELLE
GOLGIZELLE (kein direkter Kontakt mit Purkinjezelle nur indirekt über
Körnerzelle
Zelle für Output: Purkinjezelle
Input: Kletterphasern, Moosphasern
Zelle:
Membran:
1. Teil: (rund)= hydrophil 1. Teil (Linien) = hydrophob
Amphiphiles Molekül
INTEGRALE PROTEINE
Neurobiopsychologie
18.10.2004
Lipid: Biomembran
 PHOSPHOLIPID
PHOSPHOLIPID A1
G
L
Y
C
E
R
I
N
Fettsäure
Fettsäure
PHOSPHAT - Aminosäure
PHOSPHOLIPID A2
PHOSPHOLIPID C
Glycerin = 3-wertiger Alkohol
Hydrophiler und Hydrophober Teil
Haben Informationsgehalt → für Signalvermittlung
Plasmamembran:
R
= Rezeptor
R
= Phospholipid

SPHINGOLIPID
Sphingosin + Fettsäure + Phosphatgruppe (Colinrest)
 CHOLESTERIN
Lipide in horizontaler Ebene sehr beweglich
Geringe Bewegung in Flop – Richtung
Proteine auch in Plasmamembran → Vesikel: in Vesikel werden Protonen
transportiert.
Zytoplasma: pH 7,4
Vesikel: pH 5,5
Wo ist höhere Konzentration von Protonen?
Im Vesikel höhere Konzentration von Protonen. Um Protonen nun zu befördern
braucht man Energie → ATP→ADP + Phosphatgruppe
Vesikel
pH 5,5
[H+]
pH7,4
ATP
[H+]
ADP
+ Phosphatgruppe
Azetylcholin: muss in Vesikel transportiert werden durch Konzentrationsgradient H+
Für Transport:
 Spaltung ATP
 Konzentrationsgradient
Transporter charakterisieren:
 Substratsspezifisch
 Sind settigbar
Geschwindigkeit


Settigung
Können blockiert werden
Passive Difusion durch
Membran → Transport rascher als einfache Difusion
ATP
Elektrische Signale:
Motorneuron für Bewegung zuständig
= Muskel gedehnt
Rezeptorpotential immer höher → entstehen Aktionspotentiale → führen bis
Motorneuron → an Motorneuron werden Transmitter ausgeschüttet > entsteht
synaptisches Potential → führen weiter zu Aktionspotential und Endplattenpotential.
Soma
Spinalganglion
Dorsal (Rückenseite)
Rückenmark
Weiße Substanz
INTEGRATION
graue
Subst
anz
100m/s
Motorneuron – bilden
synaptische Kontakte mit
Muskel
Synaptisches Potential
100m/s
Rezeptorpotential
Ventral (Bauchseite)
Aktionspotential Muskelkontraktion
Muskel
(quergestreift)
Muskelspindel
Sensorische
Nervenfaser
Motorneuron: 1000-de Synapsen
→ hat integrierende Eigenschaft
Intensitätskodierung: je höher Rezeptorpotential umso höher die Aktionspotentiale
→ erst wenn Rezeptorpotential hoch genug → Aktionspotential
Messung der Potentiale:
Signal verstärken
Erdung
In Zelle
eingestochen
Membranpotential
Feine Elektrode
Zelle
Na- → kann
einströmen
Warum hat Zelle ein Membranpotential?
 Lipiddoppelschicht nicht durchlässig für Ionen
 Ionenkanäle für Ionen selektiv permeabel (können eindringen)

Konzentration ungleich zwischen Innen und Außen (Ionen)
in Zelle viele Kaliumione
K+
außerhalb Zelle wenige
Zelle
Kaliumione
K+
in Zelle wenige Natriumione
außerhalb Zelle viele
Natirumione
Clin Zelle wenig Chlorid außerhalb
ClNaZelle viel Chlorid
NaElektroneutralität: negative Ionen gleich viele wie positive Ionen
Osmotisches Gleichgewicht: innen und außen gleich viele Teilchen
selektive Permabilität: Eindringen können
Wenn Kalium von innen nach außen difundiert entsteht negatives Kaliumion.
NERNST-Gleichung: Wechselspiel zwischen innen und außen
Ex = RT ∙ ln [x]a
zF
[x]i
Ex…
R…
T…
z…
F…
ln…
[x]a…
[x]i…
Potential (Gleichgewichtspotential von Ion x)
allgemeine Gaskonstante
Temperatur
Anzahl der formal ausgetauschten Elektronen
Faraday-Konstante
Logarithmus
Ion außen
Ion innen
Neurobiopsychologie
25.10.2004
NERNST-Gleichung hat fundamentale Bedeutung und gibt an, welche Spannung
man braucht, um Konzentrationsdifferenz aufrecht zu erhalten.
x → durch Ionen ersetzt
Prüfung: Gleichgewichtspotential berechnen
Gleichgewichtspotential: wie sind Ionen innen und außen verteilt.
Osmotisches Gleichgewicht: innen und außen gleiche Anzahl von Teilchen
Membranpotential: von K+ abhängig
→ schon 1902 bekannt durch JULIUS BERNSTEIN
→ er führte chemische Analysen durch
→ Membran nicht pärmeabel für Ionen → stimmt nicht ganz → für große Ionen nicht,
für kleine Ionen schon
→ Plasmamembran undurchlässig → heute widerlegt
→ berechnete Membranpotential durch NERNST’sche Gleichung
mV
Experiment hierfür:
x
Te
t
58 mV
[K+] mM
Signal verstärken
Erdung
In Zelle
eingestochen
Feine Elektrode
Zelle
Membranpotential
Na- → kann
einströmen
mV…
M...
58mV…
Spannung in Millivolt
Mol
ergibt sich aus Nernst-Gleichung RT
zF
Ex=
RT ∙ ln [x]a
zF
[x]i
Ex=
58 ∙ log [x]a
[x]i
Für Membrranruhepotential K+ sehr wichtig, aber nicht nur für
um es zu erklären
braucht man Ionen
Ionen sind Na+ und ClBeide Seiten der Membran gleich viele K+:
i
150mM
a
150mM
K+
Kalium durch Pore →
gleich viele von innen
nach außen wie von
außen nach innen
Membran
Strom = 0
EK= 58 ∙ log [K+]a = EK= 58 ∙ log 150 = EK= 58 ∙ log 1 = EK= 58 ∙ 0 = 0mV
[K+]I
150
Bei Prüfung beträgt RT immer 58mV
zF
in Zelle:
i
a
150mM
3mM
K+
K+ innen mehr
Wahrscheinlichkeit,
das auf Pore trifft
Membran
[K+]i > [K+]a
EK= 58 ∙ log [K+]a = EK= 58 ∙ log 3 = EK= 58 ∙ log 0,02 =
[K+]i
150
EK=
58 ∙ -1,698970004 = EK= -98,54026023
Membranpotential:
EK
mV
t
Um dies zu berechnen: GOLDMAN-HODGKIN-KATZ-Gleichung
E= RT ∙ ln PK[K+]a + PNa[Na+]a + PCl[Cl-]i
zF
PK[K+]i + PNa[Na+]i + PCl[Cl-]a
PK…
PNa…
PCl…
Permiabilität K+
Permiabilität Na+
Permiabilität Cl-
[K+]a…
[K+]i…
[Na+]a…
[Na+]i…
[Cl-]a…
[Cl-]i…
Kaliumione außen
Kaliumione innen
Natriumione außen
Natriumione innen
Chloridione außen
Chloridione innen
Gleichung vereinfachen durch relative Permiabilität:
E= RT ∙ ln [K+]a + PNa/PK [Na+]a + PCl/PK [Cl-]i
zF
[K+]i + PNa/PK [Na+]i + PCl/PK [Cl-]a
PNa/
PCl/
PK…
PK…
relative Permiabilität Na+
relative Permiabilität Cl-
PK:PNa:PCl = 1,0:0,03:0,1
[K+]a= 10mM / [K+]i= 100mM
[Na+]a= 460mM / [Na+]i= 500mM
[Cl-]i = 40mM / [Cl-]a= 540mM
E= RT ∙ ln 10 + 0,03∙460 + 0,1∙40 = 58 ∙ log 10 + 13,8 + 4 = 58 ∙ log 27,8
zF
100 + 0,03∙500 + 0,1∙540
100 + 15 + 54
169
= 58 ∙ log 0,164497041 = 58 ∙ -0,783841909 = -45,4628307
Schema:
Im
Aktionspotential
2K+
Na+
3Na+
K+
ATP
K+
ADP+P
Im Ruhezustand
Elektrogene Pumpe…
mehr Ionen von innen nach außen transportiert
K-ATPase → Energie entsteht, wird für Transport begraucht
Membran in Form eines Schaltkreises:
Na+
Em
..
gNa…
…
Baterie= Gleichgewichtspotential für Na
…
gK…
…
…
regelbarer Widerstand
leitbar
Baterie = Gleichgewichtspotential für K
…
gCl…
regelbarer Widerstand
leitbar
regelbarer Widerstand
leitbar
Baterie = Gleichgewichtspotential für Cl
…
Em…
Kondensator = Membrankapazität
Membranpotential
Neurobiopsychologie
8.11.2004
Aktionspotential:
ENa
Leitfähigkeit
Aktionspotential
gNa
gK
Membranpotential
0
[Na+]a
vermindern
gNa
gK
Depolarisierung
EK
Ruhezustand K
~1-2ms
Aktionspotential kann nie negativer werden als das Gleichnispotential für K + und nie
positiver als Gleichnispotential für Na+.
Natrium in Zelle diffundieren → bald schließen sich Leitfähigkeiten für Na+ und
Leitfähigkeit für K+ öffnet sich.
Experiment um Leitfähigkeit zu prüfen:
 Konzentration der [Na+]a vermindern
Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung:
PK∙PNa∙PCl
1 : 15 : 0,1
Spannungsklemme: (voltage clamp)
Um Membranpotential konstant zu halten
-9mV
-65 mV
Kann Membranpotential kontrolliert werden und Spannungssprünge durchführen.
-9mV
-65 mV
Iout
Iin
Iin…Einstrom = Natriumstrom
Iout…Ausstrom = Kaliumstrom
Kann Ionenströme messen
Kann Komponenten voneinander trennen:
V
Aktivierungsphase
Inaktivierungsphase
Natriumstrom aktiviert sehr rasch → Aktivierungsphase erfolgt sehr rasch
Kaliumstrom aktiviert mit Verzögerung → Verzögerter Kaliumstrom, solange
Impuls vorhanden fließt Strom







Membranpotential konstant gehalten
Kann sprunghaft Spannung ändern
Durch Änderung Einstrom und Ausstrom
Auftrennen in Natrium- und Kaliumstrom
Natriumstrom aktiviert und inaktiviert
Kaliumstrom verzögert aktiviert
Niemals gemeinsam aktiviert → beiden Ströme zeitlich versetzt
Natriumstrom nach außen?
Unter Laborbedingungen ja, in der Natur nein!
Normal misst man Natriumstrom nach innen, irgendwann misst man keinen Strom
und zwar bei Gleichgewichtspotential:
nA
Einstrom = Ausstrom ENa = Gleichgewichtspotential
Auswertsstrom
Na-Strom = Spannungsabhängig
Mit Kaliumstrom ähnlich umgehen:
nA
Kaliumausstrom
mV
Wenn nicht genug Ionen zur Verfügung können Ionenkanäle nicht geöffnet werden
und es fließt kein Strom.
Inaktivierung von Natriumkanal: 3 Zustände:
1.
Ionenkanal Na+
Geschlossen, aber
aktivierbar
A
Aktivierungsgate
I
Inaktivierungsgate
2.
offen und aktiv
Na Ionen fließen durch
+
A
I
3.
Geschlossen, inaktiviert
A
Aktivierungsgate offen, aber Inaktivierungsgate in Pore geschwungen
REFRAKTÄRZEIT:
Absolute Refraktärzeit:
Schwelle unendlich hoch
S
Schwelle muss nicht konstant sein
Relative Refraktärzeit:
ENa
absolute
relative
S
EK
In eine Richtung
Wenn kein Schwellenpotential
wäre dann alle Richtungen
Positive Rückkoppelung bei Na:
Membranpotential depolarisiert, Leitfähigkeit für Na erhöht, Na-Strom erhöht sich
kommt zu Depolarisation.
Dep…Depolarisierung
Dep
gNa…Leitfähigkeit
INa…Einstrom
+
INa
gNa
Positive Rückkoppelungen sind immer Explosionen!!!
Negative Rückkoppelung bei K:
IK
gK
Hyp
Dep
Dep…Depolarisierung
gK…Leitfähigkeit
IK…Einsrom
Hyp…Hyperpolarisation
Wie wird Aktionspotential fortgeleitet?
Strömchentheorie
bei Aktionspotential kommt es
zur kurzzeitigen Umpolung
Stromkreis
…Natriumeinstrom
IC
+++
---
- + +
+++
---
Axom
…Kaliumausstrom
-++
…Umpolung
---…innen in Zelle
+++…außen
IC…Kapazitiver Strom welcher fließt
Wie kommt man zu geschlossenem Stromkreis?
Membrankapazität → ähnlich wie
Plattenkondensator
Cm
RC
Kombination zweier Eigenschaften:
 Aktive Membraneigenschaften
 Passive Membraneigenschaften
RC-Glieder:
a
Ra
i
Ri
Neurobiopsychologie
15.11.2004
Kapazitiver Strom läuft Aktionspotential voraus.
Saltatorische Regungsausbreitung:
150 x
MYELIN-
Axom
HÜLLE
ZNS: OLIGO-DENDROZYTEN (= Gliazellen)
PNS: SCHWANN’sche Zellen
Oligo-dendrozyten kann viele Fortsätze bilden.
Schann’sche Zellen nur ein Fortsatz.
Gliazellen:
 MAKROGLIA:
o Oligo-dendrozyten
o Astrozyten
 MIKROGLIA:
Gehört zum Immunsystem (Vertreter des Immunsystems im Gehirn) → verwendet
bei Parkinson, Altsheimer
Kann beschädigte Zellen eliminieren (Vorteil =wenn Krankheitsträger im Gehirn;
Nachteil =wenn Nervenzellen eliminiert werden)
o Sauerstoffradikale
o Phagozytose
MYELINHÜLLE gebildet durch:
o Oligo-dendrozyten
o Schwann’sche Zellen
N
150 x
INTERN
MYELIN-
Axom
Natriumkanäle liegen zentral
Ionenkanäle vorhanden
HÜLLE
RANVIER’sche Schnürring
Aktionspotential
Zwischen Schnürringen nimmt Aktionspotential ab
Abwechslung von aktivem und passivem Signal.
t
t...Zeit
x...Strecke
x
Myelisierte und nicht Myelisierte Strecken
Zeit welche verstreicht bei den Schnüren länger.
3 Vorzüge des Systems: (Myelisiertes Axom)
1. rasche Regungsausbreitung ~120m/s
2. benötigt weniger Energie
3. mit höherer Frequenz arbeiten
Nachteile des Systems:
1. bricht zusammen, wenn Probleme mit Myelinhülle (weil: Intermodium darf nicht zu
stark sein) → z.B. MS: erblinden oder motorische Ausfälle
2. MS = Autoimmunerkrankung, eigene Immunsystem greift Myelinhülle an und
zerstört sie → hauptsächlich Frauen betroffen. Frauen haben effizienteres
Immunsystem und haben dadurch weniger Parasiten → der Nachteil so kann sich
das Immunsystem schneller gegen den eigenen Körper richten.
SYNAPSEN:
Anatomische Spezialisierungen zwischen zwei Neuronen oder zwischen einem
Neuron und einer nachgeschaltenen Zelle.
2 Typen:
o Chemische:
Funktion: Axom häuft Aktionspotential, dieses gelangt in Synapse und in der
Synapse kommt es zur Öffnung von Kalziumkanäle, CO2+ kann einströmen und so
fusionieren Vesikel mit der Plasmamembran der präsynapse und so wird
Neurotransmitter in synaptischen Spalt entlassen. Transmitter difundiert, zerfällt und
bindet an einem Rezeptor. Folge: kommt zu Depolarisierung oder Hyperpolarisation.
Vesikel enthalten Neurotransmitter (z.B. Acetylcholin
präsynaptisch
Co2+
Mitochondrien
Rezeptor
postsynaptisch
Depolarisation: Erhöhung von Leitfähigkeit Na → wenn Depolarisation stark genug
dann Kalziumkanäle geöffnet → Exzellatorisches postsynaptisches Potential
Hyperpolarisation: Erhöhung von Leitfähigkeit K oder Cl → Inhipitorisches
postsynaptisches Potential.
o Elektrische:
Plasmabrücke
Zelle
Kein durchgehender Spalt zwischen 2 Zellen sondern 2 Zellen bilden Plasmabrücke
Aktionspotential von Zelle zu Zelle weitergeleitet.
Zumeist findet man chemische Synapsen!
Neuromuskuläre Endplatte:
Transmitter = Acetylcholin → von Synapse ausgeschüttet, kommt zu Kontraktion
Muskelfaser
VTP
CCP
Neuromuskuläre Endplatte
Jedes Motoneuron braucht funktionsfähige Synapse.
Skizze von System:
Vesikel der Transmitter
Muskelfaser
Rezeptoren für Acetylcholin
Ach
Vesikel
Ach
p+
Membranpolarisation → Kalzium strömt ein → Muskelfaser kontrahiert
Ach… Acetylcholin:
Cholin + AcetylcoenzymA
Cholin
Acetylcotransferase
Acetylcholin
Acetylcholin in Vesikel: hinein: Acetylcholin; heraus: Protonen
Anzahl der Acetylcholinmoleküle im synaptischen Vesikel = 2000
Neurobiopsychologie
22.11.2004
Myelisiertes Axom:
Bündchen
Oligo-dendrozyt hat mehrere
Ausläufer und Axome sind von
Myelinhülle sehr schön umhüllt.
Krankheit = MS
Ionenkanäle sind ungleichmäßig verteilt → kommen in den Schnürringen vor.
Cl--Kanäle sind peripher
+
Na -Kanäle
K+-Kanäle
Neuromuskuläre Endplatte: Aussehen ähnlich wie Brezel (Brezelförmig)
Acetylcholinrezeptor:
Bilden verzweigte Muster
An Axome neuromuskuläre Synapse gehängt.
Neuromuskuläre Synapse:
ENa
4 Reaktionen:
 Aktionspotential
 Kalziumstrom
 Im synaptischen
Spalt
Acetylcholin
entleert
 EPSP
EK
Ca-Kalziumstrom
Ach – im synaptischen Spalt Acetylcholin entleert
Muskelfaser
Vesikel
Ach
ACETYLCHOLINESTERASE
Acetylcholin mit Hilfe eines
Protonengradienten in Vesikel
transportiert.
Acetylcholinesterase baut Transmitter ab.