Grundlagen der Tierphysiologie

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Grundlagen der Tierphysiologie
Neurobiologie/Stoffwechselphysiologie
SS 2016
Prof. Dr. Monika Stengl
(Vorlesung basierend auf VLs nach Profs. Drs. U.
Homberg, Univ. Marburg, G. Heldmaier, Univ.
Marburg and S. Frings, Univ. Heidelberg)
1
Neuropeptide im Circadianen Schrittmacher
der Schabe Rhyparobia maderae
Pheromon-Wahrnehmung & circadiane Rhythmik
beim Schmetterling Manduca sexta
Tierphysiologie, Neuroethologie
Prof. Dr. Monika Stengl
Fragen ans Sekretariat:
<christina.wollenhaupt@uni-kassel.de>
Thordis Arnold
Marius Bartolomai
Ragna Maya von Berlepsch
David Estruth
Lara Fricke
Petra Gawalek
Julia Gestrich
Maria Giese
Susanne Kocziarek
Sebastian Korek
Azar Massah
Robin Schumann
Dr. Achim Werckenthin
Dr. Hongying Wei
Karin Große-Mohr
Pamela Westphalen
André Arand
3
Methoden:
molekular-zellulär-organismisch
RT-PCR, Realtime PCR, RNAi
Western blots, ELISAs, Immunocytochemie,
Neuroanantomie, 3D-Rekonstruktionen,
Laser-scanning Konfokale Mikroskopie,
Elektrophysiologische Techniken, Patch Clamp,
Calcium-Imaging, FRET,
Verhaltensversuche, Mikrochirurgie, Pharmakologie.
4
Lehrbücher
Tierphysiologie
Penzlin: “Lehrbuch der Tierphysiologie”. 8. Auflage 2005, Spektrum, Heidelberg, € 80,00
Eckert: “Tierphysiologie”. 4. Auflage 2002, Thieme, Stuttgart, € 69,95
„Animal Physiology“ 5th Ed. 2002, Freeman, England, € 59,95
Schmitdt Thews "jPhysiologie des Menschen, 24. Ed., Springer Verlag
Müller Frings "Tier und Humanphysiologie"
und alle weiteren, die in der Bibliothek zur Verfügung stehen,
Neurobiologie
Dudel, Menzel, Schmidt: "Neurowissenschaft". 2. Auflage 2001, Springer, Berlin, € 24,95
Kandel, Schwartz, Jessel 4th Edition, Mc Graw Hill
Stoffwechselphysiologie
Knut Schmidt-Nielsen: „Animal physiology“, Adaptation and environment, 5th edition
5
Heldmaier, Neuweiler: "Vergleichende Tierphysiologie", Band 2, "Vegetative Physiologie"
2004, Springer Verlag, € 45.
Klausur zur Vorlesung:
Studienleistung
(muss bestanden werden)
VL-Klausur: 25. 07.2016
13 Uhr HS 100 + HS 298
Nachklausur: 26.8.16
15 Uhr HS 100 + HS 298
Kurs-Abschluss-Klausur =
Prüfungsleistung
genaue Termine, Ort, Zeit können sich ändern!
ausgehängt vor dem Sekretariat
der Tierphysiologie und im Internet:
Username: tierphys
Kennwort: tierphys09
6
Alle müssen den jeweils ersten Klausur-Termin
wahrnehmen. Wer unentschuldigt fehlt,
hat nicht bestanden. Pro Jahr nur eine
Nachhol-Klausur
Prüfungsfragen/Folien aller VLs im Netz!
username: tierphys
Kennwort: tierphys09
7
Tutorin:
Maja von Berlepsch
Bitte im Sekretariat Bedarf anmelden!
Bitte Termine direkt mit Maya abmachen
<ragna-majav.berlepsch@web.de>
8
Grundlagen der Tierphysiologie: Neurobiologie I
01. 18.04.16
02. 25.04.16
03. 02.05.16
Einführung: Nervensystem
Membran-Ruhepotential
Aktionspotential, Ionenkanäle
04. 09.05.16
Synaptische Übertragung
05. 23.05.16
Muskel
06. 30.05.16
Allgemeine Prinzipien der Sensorik
07. 06.06.16
Chemosensorik
08. 13.06.16
Optischer Sinn
09. 20.06.16
Mechanische Sinne, Hören,
10. 27.06.16
Lernen und Gedächtnis
11. 04.07.16
Osmo-, Ionenregulation, Exkretion
12. 11.07.16
Endokrinologie, Hormone + Abschlussbesprechung
9
Gliederung
1. Themenbereiche der Tierphysiologie
2. Funktionen des Nervensystems
3. Bau des Nervensystems
Organisation von Nervensystemen
zellulärer Aufbau von Nervensystemen
10
Vergleichende Tierphysiologie
Neurophysiologie:
Bau und Funktionen des peripheren und zentralen Nervensystems,
einschließlich der Sinnesorgane und der Muskulatur
Stoffwechselphysiologie:
Bau und Funktion der inneren Organe, zur Stoffaufnahme,
-verteilung, zur Energieversorgung und zur Homöostase
11
Gliederung
1. Themenbereiche der Tierphysiologie
2. Funktionen des Nervensystems
3. Bau des Nervensystems
Organisation von Nervensystemen
zellulärer Aufbau von Nervensystemen
12
Funktionen des Nervensystems
- Aufnahme von Informationen
(Sensorischer Eingang aus Körper und Umwelt)
13
Funktionen des Nervensystems
- Aufnahme und Transduktion von Informationen
(Sensorischer Eingang aus Körper und Umwelt)
- Integration
(multisensorische Integration; Lernen und
Gedächtnis; Bewertung und Auswahl,
Koordination motorischer Programme)
14
Funktionen des Nervensystems
- Aufnahme und Transduktion von Informationen
(Sensorischer Eingang aus Körper und Umwelt)
- Integration ((multisensorische Integration; Lernen und
Gedächtnis; Bewertung und Auswahl,
Koordination motorischer Programme)
- Steuerung von Erfolgsorganen (Muskeln, Drüsen)
15
Menschliches Gehirn: 2x1011 Nervenzellen
und etwa 50mal soviel Glia
Ein Neuron hat mit etwa 100 000 Neuronen Kontakte
Das menschliche Gehirngewicht ist 2% des Körpergewichtes
und verbraucht 20% der Stoffwechselenergie
16
Gliederung
1. Themenbereiche der Tierphysiologie
2. Funktionen des Nervensystems
3. Bau des Nervensystems
Organisation von Nervensystemen
zellulärer Aufbau von Nervensystemen
17
Wie ist das Nervensystem entstanden?
18
Darwin (1809-1882), Wallace: Abstammungslehre =
Deszendenz- und Selektionstheorie
20tes Jhd. Neodarwinismus: Gradualismus:
vereinigt Paläontologie, Morphologie mit Populationsgenetik
zufällige Mutationen und Rekombination im Erbgut
und Selektion führen zu neuen Merkmalen:
wer besser angepasst ist an Umwelt vermehrt sich mehr
19
Wie sind die Nervensysteme
in unterschiedlichen Tierstämmen gebaut?
Entwicklungsprinzipien?
Charakteristika?
20
Die 3 Domänen der Organismen:
Eukarya – Archaea – Bacteria
21
Auf molekularen Vergleichen
beruhender Stammbaum
Auf dem Organisationsgrad des
Körperbaus beruhender
Stammbaum
22
23
Coelenteraten:
Cnidaria (Nesseltiere)
diffuses Nervensystem mit Konzentrationen um Mund und Stiel
Hydropolyp
24
Plathelminthes, Nemathelminthes, Nemertines
Gehirn mit davon abgehenden Längsträngen variabler Zahl, mit
Kommissuren.
Plattwürmer
Gehirn
Nematoden
Markstränge
(Fadenwürmer)
Kommissuren
25
Mollusca
Gehirn mit 4 abgehenden
Längssträngen (Tetramerie):
abgeleitet: 5-6 Ganglienpaare statt Marksträngen
Sinnesorgane, Haut
Mantel
Buccalganglion
Pharynx, Schlund, Magen
Fuss, Haut
Mantel, seitliche
Körperwand
kaudaler Darm, Anus,
Körperwand, Haut, Niere,
Leber, Herz, Geschlechtsorg.
26
Das größte Gehirn der Mollusca hat der
intelligente Octopus!
http://www.naturfoto-online.de/krake-fotos1.htm#52820
27
Das Arthropoden Gehirn
28
Mayer et al., 2010
Arthropoda: Insekta: Strickleiternervensystem
Gehirn mit abgehenden paarigen, ventralen Längssträngen
Kopf (6 Segmente)
-Oberschlundganglion
-Unterschlundganglion
Thorax (3 Segmente)
-3 Ganglienpaare
Abdomen (11 Segmente)
-8 Ganglienpaare
29
Insekt: Gehirn
30
Chordata, Hemichordata
Vertebrata: dorsales Neuralrohr mit rostral anschließendem Gehirn
Prosencepahlon
Vorderhirn
Mesencephalon
Mittelhirn
Rhombencephalon
Prosencephalon
Rautenhirn
Mesencephalon
Rückenmark
Rhombencephalon
Mensch Tag 28
Mensch Tag 36
31
Mensch: Stadien der Gehirnentwicklung
Tag 35
Tag 44
5 Monate
32
Wirbeltiergehirn
Epiphyse
Grosshirnrinde
=Cortex
Kleinhirn
=Cerebellum
Thalamus
Ventrikel
Basalkerne
Hypothalamus
Sagittalschnitt
Hypophyse
Bulbus
Endhirn
Hinterhirn
Zwischenhirn Mittelhirn
olfaktorius (Telenceph.) (Dienceph.)
(Mesenceph.) (Metenceph.)
Cerebellum
Verl. Mark
=Medulla oblongata
(Myelenceph.)
Rückenmark
Sicht von dorsal
33
Organisation von Nervensystemen
1. Nervennetz ohne zentralnervöse Organe wie Gehirn/Ganglien
2. Vier Grundtypen von Nervensystemen:
Gehirn mit abgehenden Längssträngen mit Kommissuren
=plesiomorph für bilaterale Tiere;
Gehirn mit abgehenden 2 ventralen Längssträngen
mit metameren Ganglien: Strickleiternervensystem der Artikulata;
Gehirn mit 4 abgehenden Längssträngen = Tetramerie
der Molluska;
Dorsales Nervenrohr mit rostral direkt anschließendem
zentralnervösem Gehirn, wie bei Hemichordaten und Chordaten.
34
Trends: bei Entwicklung des Nervensystems
Konzentrierung von Nervenzellen in Ganglien;
zunehmende Cerebralisation = Bildung eines
hierarchisch übergeordneten Nervenzentrums
(Gehirn) im Kopfbereich;
35
Gliederung
1. Themenbereiche der Tierphysiologie
2. Funktionen des Nervensystems
3. Bau des Nervensystems
Beispiele von Nervensystemen
zellulärer Aufbau von Nervensystemen
36
Die wesentlichen molekularen Komponenten
der neuronalen Erregungsübertragung
und -Verarbeitung sind sehr viel älter als
die Nervensysteme und die Neuronen
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Zellmembran
Rezeptoren
Ionenpumpen
Enzyme
Ionenkanäle
Membranproteine
Lipiddoppelschicht
38
Zelluläre Differenzierung
Kondensation zu vielzelligen Nervensystemen
39
Verschiedene Neuronentypen:
40
Wirbeltiermotoneuron
Zentralnervensystem
Synapse
Dendriten
Soma, Perikaryon
Peripheres Nervensystem
Myelinscheide
Axon
Axonhügel
Oligodendrozyt
Aus: Junqueira, Carneiro (1996): Histologie
Schwann- Axonkollaterale
Zelle
Motorische
Endplatten
41
Neuronentypen
Multipolares Neuron
Bipolares Neuron
Pseudounipolares Neuron
Amakrines Neuron
42
Gliazellen
Olygodendrozyten (Myelinscheiden im ZNS)
Schwann-Zellen (Myelinscheiden im PNS)
Astrozyten (Stoffaustausch, Narbenbildung)
Mikroglia (Immunantwort, Phagozytose)
43
Glia
Oligodendrozyt
Axon
RanvierSchnürring
SchwannZelle
Myelinscheide
44
Zusammenfassung
Nervensysteme
- besitzen verschiedene Baupläne;
- bestehen aus zwei Zelltypen: Neuronen, Glia;
- Neuronen sind die Hauptinformationsträger;
- Neuronen besitzen funktionale Regionen.
45
VL.1 Prüfungsfragen:
•Welche Funktionen erfüllt das Nervensystem?
•Welche generellen Strukturveränderungen finden in zentralen
Nervensystemen der Organismen im Laufe der Evolution statt?
•Zeichnen Sie den schematischen Aufbau des Gehirns eines Wirbeltieres
und eines Insekts.
•Nennen Sie die 4 wichtigsten Membranprotein-Klassen der
Neuronenmembran.
•Skizzieren Sie ein Neuron und beschriften Sie die wichtigsten Strukturen.
•Welche Typen von Gliazellen gibt es und welche Aufgaben haben Sie?
•Aus welchen funktionalen Regionen ist ein Neuron aufgebaut?
46
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