Biologische Grundlagen der Elektrogenese

Proseminar: Elektrophysiologie kognitiver Prozesse
WS 2008/2009
Dozentin: Dr. Nicola Ferdinand
Referent: Michael Weigl
Biologische Grundlagen
der Elektrogenese
Ein Überblick
Zum Einstieg…
Die Gliederung des Nervensystems
Eine grobe Unterteilung des
Gehirns
Die vier Lappen des Neokortex
Die wichtigsten Furchen
Die sechs Schichten des Neokortex
• Zwei NeuronenTypen
• Säulenartiger
Aufbau
• Unterschiedliche
Ausdehnung u.
Zelldichte der
Schichten
• Schichtdicke
abhängig vom
untersuchten
Areal
Das Neuron
Grober Aufbau eines Neurons
Neuronentypen
Die Synapse
Das Membranpotential
Das Ruhepotential
•
•
•
Ruhemembranpotential eines Neurons bei -70 mV
Beteiligte Ionen: Natrium (+), Kalium (+), Chlor (-)
Homogenisierende Faktoren:
- Brownsche Molekularbewegung: Ionen bewegen sich zufällig
tendieren dazu, sich gleich zu verteilen.
- Elektrostatische Kraft: Aufgrund ihrer elektrischen Ladung
tendieren sich Ansammlungen von Ionen gleicher Ladung infolge
von Abstoßung aufzulösen.
• Entgegenwirkende Faktoren:
- Permeabilität der Zellmembran: Ionen passieren auf eine Art von
Ionen spezialisierte Ionenkanäle.
- Natrium-Kalium-Pumpe: Unter Verbrauch von Energie (ATP)
werden drei Na(+)-Ionen nach außen und zwei K(+)-Ionen ins
Neuron „gepumpt“.
Postsynaptische Potentiale
• Hyperpolarisation: inhibitorische
postsynaptische Potentiale (IPSP),
verringern die Wahrscheinlichkeit, dass
ein Neuron feuert.
• Depolarisation; exzitatorische
postsynaptische Potentiale (EPSP),
erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass ein
Aktionspotential entsteht.
Räumliche
Summation
Zeitliche
Summation
Das Aktionspotential
-Alles-oder-Nichts-Reaktion
-Tritt bei Depolarisation bis
zur Erregungsschwelle
( ~ -65 mV)
-Eine ca. 1ms andauernde
Umkehrung der
Membranpotential von -70
mV auf ca. +50 mV
-Höhe des AP konstant +50
mV unabhängig von
Reizstärke
-> Refraktärzeit
Das Ganze etwas genauer…
Die Refraktärzeit
• Absolute Refraktärzeit: Zeitraum, während dem kein
weiteres Aktionspotential ausgelöst werden kann (ca. 12 ms)
• Relative Refraktärzeit: Zeitspanne, in der es möglich ist,
ein AP auszulösen, wenn es stärker als normal gereizt
wird.
⇒ Aktionspotentiale werden nur in eine Richtung
weitergeleitet.
⇒ Neuronale Entladungsrate steht im Zusammenhang mit
der Intensität der Stimulation (d.h. bei kontinuierlich
starker Stimulation feuert das Neuron immer dann, wenn
seine absolute Refraktärzeit vorbei ist. Max. Feuerrate
1000 Entladungen pro Sekunde)
Erregungsleitung
• Geschwindigkeit abhängig von
Durchmesser des Axons und von
der Myelinisierung
• Motorneuron bei Säugetieren:
100 m/s; beim Mensch: 60 m/s
• Saltatorische Erregungsleitung bei
myelinisiertem Axon, d.h. Signal
„springt“ von einem RanvierSchnürring zum nächsten!
Synaptische Weiterleitung
- Synthese niedermolekularer Neurotransmitter im Cytoplasma und
vom Golgi-Apparat in
synaptische Vesikel
verpackt.
-Zusammensetzung von
Neuropeptide durch
Ribosome, im GolgiApparat zu Vesikel
verpackt und über Mikrotubuli zum Endköpfchen
transportiert.
Exzytose- Die
Neurotransmitterfreisetzung
-Die präsynaptische Membran
beinhaltet viele spannungsgesteuerte
Kalziumkanäle.
-Durch Aktionspotentiale stimuliert
öffnen sich diese und die
eindringenden Ca(2+)-Ione
veranlassen die Vesikel mit der
präsynaptische Membran zu
verschmelzen.
-Niedermolekulare Neurotrans-mitter
werden bei jedem Ca(2+)-Einstrom
freigesetzt.
-Die Freisetzung von Neuropeptiden
erfolgt z.B. durch allgemeine Zunahme
der Feuerrate eines Neurons
Rezeptoren
• ESPS: NT
öffnet
Na(+)-Kanal
• ISPS: NT
öffnet Cl(-)/K(+)-Kanal
⇒Neues
Aktionspotential
Elektrische Dipole
Das elektrische Feld
- Zwischen Ladungsträgern
unterschiedlicher Polarität
entsteht ein elektrisches Feld
- Änderung der elektrischen
Feldstärke erzeugt ein
Magnetfeld (-> Magnetoenzephalogramm (MEG))
- Teilchen können senkrecht zu
den Feldlinien bewegt werden,
ohne dass sich das Potential
ändert (-> Äquipotentialfläche)
Bedeutung für das EEG
- Die elektrische Spannung zwischen zwei Punkten eines elektrischen
Feldes ist gleich der Potenzialdifferenz: U = Δϕ = ϕ2 – ϕ1.
- Unterschiedliche Polarität muss am Skalp nachweisbar sein, um
sinnvoll messen zu können.
Das 10-20-System
EEG - MEG
• Bei der Entstehung eines EKPs entsteht
auch immer ein Magnetfeld.
• Diese können den Schädel relativ
ungehindert durchdringen.
=> Ereigniskorreliertes Magnetfeld
• MEG liefert größere räumliche Auflösung
(… ist aber teuer!)
=> Kombination EEG-MEG sinnvoll!!
Literatur
• Cooper, R.; Osselton, J.W.; Shaw, J.C.:
Elektroenzephalographie. Stuttgart:
Fischer. (1974)
• Pinel, J.P.J.; Pauli, P.: Biopsychologie.
München: Pearson. (2007)
• Luck, S.J.: An Introduction to the eventrelated potential technique. Cambridge:
MIT Press. (2005)
Vielen Dank für eure
Aufmerksamkeit!!