B2Fol6 - Bionik TU
Werbung
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 6. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“ Wie eine Nervenzelle funktioniert und Konstruktion einer künstlichen Nervenzelle Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet Riechsinneszelle im Grubenkegel einer Wanderheuschrecke Antwort auf einen Duftreiz Impulsfrequenzcodierung am Ausgang einer Riechsinneszelle Dendrit Synapse Soma Nucleus Axon Myelin Neuron - Biologische Bezeichnungen Das Gehirn besitzt ungefähr 100 000 000 000 Nervenzellen Das Gehirn besitzt ungefähr 10 000 Synapsen pro Nervenzelle Elektrisch gesteuerte Membran – Synapse Soma Encoder Axon Chemisch gesteuerte Membran + Synapse Aufbau einer Nervenzelle Axon Synaptische Bläschen Synapse Präsynaptisches Gitter Synaptischer Spalt Postsynaptische Membran + Na -Tor Transmitter EPSP Erregendes PostSynaptisches Potenzial -50 mV -60 EPSP -70 IPSP ≈ 10 ms -80 t -90 mV mV Form eines EPSPs und eines IPSPs mV PSP Soma PSP > 50mV Encoder Axon Membrantypen Ionen Magnetspule Membran Ionen Stabmagnet Signalmolekül (Transmitter) Membran Rezeptor Chemisch gesteuerte Membran V Elektrisch gesteuerte Membran Aufgeprägte Spannung V Signalverlauf am Axonhügel (Encoder) 30 40 50 60 70 80 90 Signalverarbeitung in einer Nervenzelle offen geschlossen m-Gate Spannungsgesteuerter Na-Kanal mit 2 Toren Depolarisation 1 2 bis 5 ms 2 h-Gate 1 bis 2 ms Repolarisation 4 3 1. Das spannungsabhängige m-Gate ist zu, das spannungsunabhängige h-Gate ist offen. 2. Depolarisation führt zu einer Konformationsänderung des m-Gates. Na-Ionen strömen in die Zelle. 3. Die Aktivierung führt nach 1-2 ms zur Schließung des Inaktivierungstores (h-Gate). 4. Repolarisation führt zum Schließen des m-Gates. Beide Tore sind zu. 1. Die Konformationsänderung des m-Gates führt nach 2-5 ms (Refraktärzeit) zur Öffnung des h-Gates. Transmittermolekül Acetylcholin N S Magnet Mechanisches Modell für ein Transmitter gesteuertes postsynaptisches Ventil Essigsäure Cholin Acetylcholin-Esterase Wie entsteht ein Ruhepotenzial ? Nerven- und Sinneszellenpotenziale entstehen durch Ionenströme, die durch veränderliche Poren der Zellmembran fließen. Um die Zahlenverhältnisse der beteiligten Ionen zu veranschaulichen, wird eine Volumenelement betrachtet. Die Zellmembran teilt dieses Volumen in zwei gleich große Hälften von 1 m Länge, 1 m Höhe und 0,001 m Tiefe. Nervenimpuls ? ? Wie entsteht ein Rezeptorpotenzial Depolarisierung Reiz 50mV mV Wir vermindern die die Spannung des Ruhepotentials Ein Reiz verändert Durchlässigkeit der Zellkünstlich Anbringen einer externen Spanmembran,durch hier die Durchlässigkeit für Natriumnungsquelle auf -50 mV. An der Membran tritt eine ionen. Extrazelluläre Natriumionen diffundieren Instabilität DieZellinnere. Zahl der durchlässigen schlagartigauf. in das Die SpannungPoren für Natriumionen erhöht sichReiz um ein Vielfaches. steigt an. Ein mechanischer könnte die Extrazelluläre diffundieren MembranporenNatriumionen durch Deformation öffnen,schlagein artig in das Zell innere. Spannung bis chemischer Reiz durchDie Anbindung dersteigt Signalin den positiven Bereich an moleküle an Membranschlösser aufschließen. 0 mV 100 000 + 10 000 Na+ 2 200 Cl 107 800 + K+ A 2 000 K + 108 000 Na+ 110 000 Cl Im intrazellulären Testvolumen von 10 -12 mm 3 befinden sich 100 000 + 6 Kaliumionen, 10 000 Natriumionen, 2 200 Chloridionen und 107 800 + 6 negativ geladene Aminosäuremoleküle. Das gleich große extrazelluläre Testvolumen enthält 2 000 Kaliumionen, 108 000 Natriumionen und 110 000 Chloridionen. Wir messen die Spannungsdifferenz 0V. +30 mV +30 mV -90 mV Die Zellmemran besitzt Poren, durch die die Kaliumionen hindurchgelassen werden. Wegen der Konzentrationsdifferenz beginnen Kaliumionen nach außen zu diffundieren. Es baut sich eine elektrische Gegenkraft auf. Bei 6 aus dem Testvolumen herausdiffundierten Kaliumionen ist diese Gegenkraft im Gleichgewicht mit der Diffusionskraft. Wir messen eine Spannung von -90 mV. -70 mV Die Zellmembran besitzt einige Poren, durch die auch die größeren Natriumionen hindurchtreten können. Wegen der höheren extrazellulären Natriumkonzentration diffundieren langsam Natriumionen in das Zellinnere. Andererseits fördert eine vom Stoffwechsel betrieben Natriumpumpe Natriumionen nach außen. Es stellt sich eine neue Gleichgewichtsspannung von -70 mV ein. Der Na-Einstrom käme erst bei einer Spannungsdifferenz von + 60käme mV zum in das Der Na-Einstrom erstStillstand bei einer(10 SpannungsTestvolumen Natriumionen). differenz von eindiffundierte + 60 mV zum Stillstand (10 in Aber das durch Abnahme der elektrischen Gegenkraft, die Testvolumen eindiffundierte Natriumionen. Aber zuvor Ausströmen weiterer Kaliumionen durch das Abnahme der elektrischen Gegenkraft,verdie hinderte, weitere Kaliumionen zuvor dasdiffundieren Ausströmennun weiterer Kaliumionen verzellauswärts. Der Natrium-Ioneneinstrom kann hinderte, diffundieren nun weitere Kaliumionen nur eine Spannung von + 30 mV aufbauen. zellauswärts. Der Natriumioneneinstrom kann nur eine Spannung von + 30 mV aufbauen. -70 mV 70 mV Rezeptorzellen adaptieren, wenn der Reiz länger anhält. Der Natriumioneneinstrom wird gesperrt, und der intrazelluläre Überschuss an Kaliumionen Nervenzellen adaptieren, wenn die Depolarisation stellt das Ruhepotential von -70 mV wieder her. länger anhält. Der Natriumioneneinstrom wird geDie in die eindiffundierten Natriumionen und sperrt undZelle der intrazelluläre Überschuss an Kalidie aus der Zelle gelangten Kaliumionen werden umionen stellt das Ruhepotential von -70 mV wiedurch eine gekoppelte Nader her. Diestoffwechselgetriebene in die Zelle eindiffundierten Natriumiotrium-Kalium-Pumpe wieder zurücktransportiert. nen und die aus der Zelle gelangten Kaliumionen werden durch eine stoffwechselgetriebene Natrium-Kalium-Pumpe wieder zurücktransportiert. Wiederholung -70 mV -45 Fortleitung eines Nervenimpulses Fortleitung eines Nervenimpulses Zündschnur Dominosteine Analogien zur Impulsfortleitung in einer Nervenfaser Die Größe der Synapse bestimmt die Zeitkonstante (für zeitliche Summation) Die Entfernung der Synapse vom Axonhügel bestimmt die Potenzialhöhe (für räumliche Summation) Evolutionsfähigkeit eines Neuronennetzwerkes VZ1 Synapse Gewichtung Soma U Encoder F Synapse VZ1 Spannungs-Frequenzwandler mit Schwellwertcharakteristik F VZ1-Glied (Linearspeicher) U VZ1 Nachbau eines Neurons VZ1 VZ1 VZ1 VZ1 U F VZ1 F Bionik-Neuron Das Berliner Neuronenmodell U vh v dh dt lin. DGL h(t ) h(t0 ) e dh kh 0 dt k( t t0) h(t0 ) v Mechanisches VZ1-Verhalten Elektrisches VZ1-Verhalten fe -50mV -70mV TR fa Impulsvervielfachung TR = Refraktärzeit fa n . fe Rechenoperation mit einem Neuron f e1 f e2 -50mV -70mV fa Impulsaddition fa fe1 + fe2 Rechenoperation mit einem Neuron fe1 f e2 -50mV -70mV fa Impulsmultiplikation fa k . fe1. fe2 Rechenoperation mit einem Neuron Impulsverarbeitung in einem Neuronalen Netz H1 E H2 H3 Hemmung größer als Erregung ! Inhibitorischer Neuronenring H1 E H2 H3 Hemmung größer als Erregung ! Inhibitorischer Neuronenring Ende
