Kapitel 14 Sinnesphysiologie und Nervensystem

Nervensystem und Sinnesphysiologie
14. Nervensystem und Sinnesphysiologie
14. 1. Einleitender Versuch
Bestimmung der Reaktionszeit:
Vorgehen:
Um die Reaktionszeit zu bestimmen gehen Sie
vor, wie im neben stehenden Bild dargestellt.
Die Versuchsperson setzt sich so an den Tisch,
dass sie den linken (bzw. den rechten)
Unterarm entspannt auf die Tischkante legen
kann. Die Hand ragt über die Tischkante
hinaus.
Anschliessend hält der Versuchsleiter den
Massstab zwischen den Daumen und den
Zeigfinger der Versuchsperson. Die 0Markierung so genau zwischen den um 2 cm
geöffneten Daumen und Zeigfinger zu liegen
kommen.
Die Versuchsperson konzentriert sich auf das
untere Ende des Massstabs, nicht auf die Hand
des Versuchsleiters, und versucht den
Massstab so schnell wie möglich aufzufangen. Der Versuch wird
mindestens 10 Mal wiederholt.
Die Reaktionszeit kann mit der Beschleunigungsformel ausgerechnet
werden.
a = g = ∆v/∆t = ∆s/∆t2 = 9.81 m/s2
Diese Gleichung können Sie nun ableiten und nach der Zeit auflösen.
Also:
Reaktionszeit t = √2s/g
a) Berechnen Sie die Reaktionsgeschwindigkeit.
b) Berechnen Sie die Leitgeschwindigkeit der Nervenfasern. Schätzen Sie
dazu die Länge der Strecke, die zurückgelegt werden muss.
c) Überlegen welchen Weg die gemacht werden muss. Wie laufen die
Impulse. Welche Organe sind beteiligt?
d) Versuchen Sie die folgenden Fachbegriffe zuzuordnen: Reiz,
Sinneszelle, Nerv, ausführendes Organ, Reaktion.
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Schematische Darstellung des Ablaufs einer Reaktion im Nervensystem:
Reiz
Sinnesorgan: wandelt einen chemischen, physikalischen Umweltreiz in
eine nervöse Erregung um (elektrisches Potential)
Sensorisches Neuron: Leitet die Erregung
Zentralnervensystem (ZNS = Gehirn und Rückmark): Verarbeitet,
speichert, plant, gibt Befehle
Motorisches Neuron: Leitet Erregung
Zielorgan (i. d. R. ein Muskel oder eine Drüse): führt den Befehl aus. (z.B.
zieht sich zusammen)
Die einfachsten Reaktionen, die unbewusst und stereotyp ablaufen, nennt
man Reflexe (Lidschlussreflex uvm.).
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14. 2. Ein exemplarisches Sinnesorgan – Das Ohr
a) Was ist ein Sinnesorgan, oder wie viele Sinne hat der Mensch?
Die fünf ‚Klassischen Sinne’:
Chemische Sinne:
Riechen
Riechzellen in der
Nasenschleimhaut
(> 400 verschiedene
Rezeptoren!)
Schmecken
Geschmackszellen auf
der Zunge
(5 Geschmäcker -> 5
Rezeptorentypen)
Physikalische Sinne:
Lichtsinn:
(elektr.magn. Wellen)
Sehen
Stächen und Zäpfchen
der Retina
Mechanisch:
Hören
Sinneszellen im
Innenohr
Druckrezeptoren der
Haut
Tastsinn
Weitere Sinne?:
Chemisch:
Physikalisch:
Atemregulation
Chemorezeptoren z.B.
in Aorta
Konstanthalten des
Inneren Milieus
Chemorezeptoren
(z.B. für Salz,
Glucose, pH)
Vestibulärorgan im
Innenohr
Propriorezeptoren z.B.
in Gelenken
Muskelspindeln
Sinneszellen auf Haut
Nozirezeptoren
Gleichgewichtsorgan
Körperhaltung
Physiologisch/chemisch:
Muskelspannung
Temperatur
Schmerz
Bei Tieren findet man noch weitere Sinne:
Elektrischer Sinn (Wahrnehmung elektr. Felder) (Zitteraal)
Magnetsinn (Vögel)
Wärmesinn (Klapperschlange)
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b) Bau des Ohrs
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c) Schallwellen: Ein kurzer Exkurs in die Physik:
Um zu verstehen, wie das Gehör funktioniert, müssen wir uns vorgängig kurz mit Schallwellen beschäftigen.
1. Lesen Sie den Text.
2. Stellen Sie sicher, dass Sie folgende Begriffe verstanden haben: Schalldruck, Lautstärke und Tonhöhe
3. Was sind die physikalischen Eigenschaften und die Einheiten von: Tonhöhe, Lautstärke und Schalldruck?
4. Beantworten Sie die Fragen am Ende des Textes.
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d) Schallübertragung im Mittelohr
1. Betrachten Sie die unten stehende Detailansicht des Mittelohrs.
Versuchen Sie sich zu orientieren, und ziehen Sie dazu die Abbildung von
vorher zu Hilfe.
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4
Trommelfell
Hammer
Amboss
Steigbügel
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7
8
Ovales Fenster
Rundes Fenster
Paukenhöhle
Ohrentrompete
2. Schematisch dargestellt könnte man das Mittelohr auch so darstellen.
3. Versuchen Sie die Schallübertragung im Mittelohrmodell nachzuvollziehen. Übertragen Sie die Überlegungen auf das Mittelohr. Notieren Sie
Schritt für Schritt was geschieht, wenn ein Ton (eine Schallwelle) auf das
Trommelfell trifft.
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e) Bau und Funktion des Innenohrs
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Ablauf des Hörvorgangs:
Im Original sieht es dann oft etwas schwieriger aus: Interpretieren Sie
diesen histologischen Schnitt durch die Cochlea:
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f) Richtungshören:
Für den Menschen ist es wichtig wahrzunehmen, von wo ein Schall
kommt. Das geschieht durch die Interpretation der versetzt bei den Ohren
ankommenden Schallwellen.
1. Zeichnen Sie von den Punkten (stehen für Schallquellen) die
Schallwellen ein.
2. Sie können das in einem Versuch nachvollziehen:
Untersuchen Sie folgende Punkte:
1. Können Sie bestimmen, wo ihr Kollege klopft?
2. Wo ist die Grenze der Wahrnehmung? Bestimmen Sie die minimale
Distanz zur Schlauchmitte.
3. Bestimmen Sie die Auflösung der Wahrnehmung. Das heisst wie
gross der Zeitunterschied der versetzten Wellen ist, der das Hirn
noch auswerten kann. Die Schallgeschwindigkeit ist 340 m/s.
Ohrmuschel:
Die Ohrmuschel unterstützt das Richtungshören durch seine Trichterform.
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g) Lage- und Bewegungssinn
Aufgabe gemäss Postenblatt; Textquelle: Humanbiologie 2, Compendio Verlag
Nervensystem und Sinnesphysiologie
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Notizen zum Vergleich von Lage und Bewegungssinn:
Notizen zur Frage 7: (Warum ist es für eine Eiskunstläuferin schwierig
nach der Pirouette gerade aus zu fahren?)
h) Literaturstudium zu ausgewählten Themen:
Kurzzusammenfassung Artikel Wirkung von Alkohol:
Kurzzusammenfassung Wahlartikel
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14. 3. Nervenzelle (Neuron)
a) Bau einer Nervenzelle
Wir verfügen über eine Menge von ca. 100 Ma. Nervenzellen. Sie sind zuständig für die Bildung, Weiterleitung
und Verarbeitung nervöser Erregung und für die Speicherung von Informationen.
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Nervensystem und Sinnesphysiologie
Gliazellen:
Zellen des Nervensystems: Unterstützen, Halten, Umgeben Nervenzellen
Z.B.: Schwannzelle (Funktion folgt in einem späteren Kapitel)
Nerv:
Efferenz / Afferenz:
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b) Elektrische Impulsleitung Teil 1: Das Ruhepotential
Repetition Transportvorgänge an Membranen:
Für das Verständnis der Erregungsleitung entlang eines Axons brauchen
wir einige Mechanismen aus den Biologiegrundlagen.
Bei der Bildung des Ruhepotentials und dann auch vom Aktionspotential
spielen verschiedene Membrantransporte eine Rolle. Repetieren Sie in 3erGruppen
1. Klären Sie folgende Begriffe (in den alten Biologieunterlagen bzw. im
Natura):
Diffusion, Osmose, aktiver Transport, erleichterte Diffusion, Kanalproteine,
Carrier.
2. Betrachten Sie das Schema und erklären Sie:
Für das weitere Verständnis der Reizleitung sind folgende Punkte wichtig.
Stellen Sie sicher, dass Sie diese verstanden haben:
1. Ionen können nicht frei durch Membrane diffundieren.
2. Es gibt Ionenkanäle, und diese sind spezifisch.
3. Kanäle können durch Botenstoffe oder durch Spannungsänderungen
geöffnet werden.
4. Ionenpumpen oder Carrier können bestimmte Ionen aktiv gegen das
Konzentrationsgefälle befördern. Wichtig bei Nerven (auch
anderswo…) sind K/Na-ATPasen.
Nervensystem und Sinnesphysiologie
Nervenimpulse sind elektrische Impulse. Die Verteilung von Ionen entlang
der Zellmembran des Axons bilden das Spannungspotential. Damit eine
Nervenzelle Informationen in Form von elektrischen Impulsen übertragen
kann, benötigen wir zwei Zustände. Einen Ruhezustand und einen
aktivierten Zustand.
Das Ruhepotential:
Beteiligte Ionen:
Beteiligte Membranproteine:
Spannungsdifferenz:
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Fragen:
1. Warum wandern Kalium-Ionen aus der Zelle? Weshalb bleiben die
Konzentrationen trotzdem konstant? (= Fliessgleichgewicht)
2. Weshalb kann man sagen, das Ruhepotential ist gespeicherte Energie?
3. Weshalb spricht man von einem elektrochemischen Gradienten?
4. Bei einer Durchblutungsstörung (Infarkt o. a.) oder bei
Sauerstoffmangel ist in der Regel das Nervensystem das erste was
aussteigt. Symptome wie Schwindel, Bewusstlosigkeit etc. Warum ist das
Nervensystem so anfällig?
5. Was geschieht auf dem obigen Bild, wenn sich die geschlossenen
spannungsabhänigen Natriumkanäle öffnen?
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c) Elektrische Impulsleitung Teil 2: Das Aktionspotential
Sinneszellen reagieren auf bestimmte Reize mit der Bildung nervöser
Erregung. Der Reiz löst in der Sinneszelle Reaktionen aus, die zum öffnen
von spannungsabhängigen Natriumkanälen führen. Dies führt zu einer
Veränderung des Membranpotentials.
Grundsätzlicher Ablauf:
1. Spannungsabhängige Na-Kanäle werden geöffnet.
2. Als Folge: Na strömt in Zelle ein. (Konz.-Gradient)
3. Als Folge: Membranpotential steigt. Bis + 30V (Depolarisation)
4. Die Natriumkanäle schliessen wieder.
5. Die Kaliumkanäle öffnen sich verzögert.
6. K strömt aus der Zelle. Das Membranpotential sinkt wieder.
7. Es stellt sich nach einer gewissen Zeit wieder das Ruhepotential ein.
8. Die Na/K-ATPase stellt die Ionenverteilung wieder her.
Nervensystem und Sinnesphysiologie
Übung:
1. Lesen Sie die Texte durch.
2. Ordnen Sie die Bilder den Texten zu.
3. Interpretieren Sie die Grafen. Ordnen Sie die Nummer 1 – 5 den Bildern
oben (Aufgabe 2) zu.
4. Beachten Sie die Zeitachse der Graphen!
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Repetitionsaufgaben:
Nervensystem und Sinnesphysiologie
Reizweiterleitung:
Kontinuierliche Weiterleitung:
Modellvorstellung:
Geschwindigkeit: 3 – max. 30 m/s
Saltatorische Weiterleitung:
Modellvorstellung:
Geschwindigkeit: ca. 150 m/s
Multiple Sklerose
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d) Chemische Informationsübertragung: Die Synapsen
Die Übertragung des Impulses von Neuron zu Neuron findet an der
sogenannten Synapse statt:
Grundaufbau:
Detailschema:
b
c
a
f
d
g
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Vorteile und Nachteile der chemischen Informationsübertragung:
- viel, viel langsamer!
+
+
Hausaufgabe:
Lesen Sie im Natura den Text über Synapsen (Seite 290) und beantworten
Sie die folgenden Fragen.
1. Wie wird die Ausschüttung von Neurotransmittern ausgelöst?
2. Was löst ein Neurotransmitter postsynaptisch aus?
3. Was ist die Funktion der Acetylcholinesterase (im Bild 1 dargestellt)?
4. Für Clevere: wo werden die Neurotransmitter gebildet? Typ: die
meisten Neurotransmitter sind Proteine:
Zellbiologie dahinter: Exocytose:
Nervensystem und Sinnesphysiologie
Multiple Choice zur Repetition:
Was passiert, wenn die Membran eines Neurons depolarisiert wird?
a. Es kommt zu einem Nettoausstrom von Na aus der Zelle.
b. Die Membranspannung wird positiver
c. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotential entsteht wird kleiner.
d. Die Innenseite des Neurons wird im Vergleich zur Aussenseite
negativer.
Warum pflanzen sich die Aktionspotentiale im Axon nur in eine Richtung
fort?
a. Der Ranvier-Schnürring kann Potentiale nur in eine Richtung leiten.
b. Die Refraktärzeit verhindert ein erneutes Öffnen der
spannungsgesteuerten Natriumkanäle.
c. Ionen können in einem Axon nur in eine Richtung fliessen.
d. Spannungsgesteuerte Natrium- und Kaliumkanäle öffnen sich nur in
eine Richtung.
Welches ist das direkt folgende Ereignis als Folge der Depolarisation der
präsynaptischen Membran?
a. Spannungsabhänige Ca-Kanäle öffnen.
b. Synaptische Vesikel verschmelzen mit der Membran
c. Ligandengesteuerte Kanäle öffnen sich und erlauben Neurotransmitter
in den den synaptischen Spalt zu diffundieren.
Wo liegen Neurotransmitterrezeptoren?
a. In der Kernmembran
b. auf den Ranvier-Schnürringen
c. in der postsynaptischen Membran
d. in der Membran der synaptischen Vesikel
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Neurotransmitter:
Glutamat: Im Hirn und Rückenmark, erregend
Acetylcholin: Übertragung von Nervenzellen auf Muskeln. Auch im
vegetativen Nervensystem, erregend
Noradrenalin: Im Hirn und RM erregend (Aufmerksamkeit, Wachheit),
aktivierend im Körper (chemisch gleich wie Hormon Adrenalin)
Serotonin: Reguliert im Hirn Temperatur, Schlaf und Teile des Gefühls (> Migräne, Depressionen)
Dopamin: Erregend im Hirn (-> ADHS, Alzheimer, Parkinson).
GABA: hemmend im Hirn
Wirkungen von Giften an Synapsen:
Botox:
Tetanustoxin:
Stychnin:
Latrotoxin:
Sarin:
Curare / Atropin:
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Pharmakologie an den Synapsen: 3 Beispiele
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c) Botox
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14.4. Organisation des Nervensystems
Zentralnervensystem:
Peripheres Nervensystem:
Somatisches (animales) Nervensystem:
Vegetatives (autonomes) Nervensystem:
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Parasympathikus vs. Sympathikus
-
Teile des vegetativen Nervensystems
Sympatikus steigert unmittelbare Leistung im Körper. (Flucht- oder
Kampfverhalten; Fight or flight)
Parasympathikus fördert Regeneration und Aufbau von Reserven
Sympatikus und Parasympathikus sind Antagonisten
Teil des Sympathikus ist auch das Nebennierenmark (Verknüpfung
mit Hormonsystem)
Neurotransmitter des Parasympathikus: Noradrenalin (Adrenalin)
Neurotransmitter des Sympathikus: Acetylcholin
Funktion von Parasympathikus und Sympathikus:
Aufgaben:
1. Lösen Sie die Aufgabe auf der Rückseite.
2. Gewisse geflügelte Wörter enthalten mit diesem Wissen eine ganz
neue Bedeutung. Wie Interpretieren Sie: Angstschweiss, Die Haare
stehe zu Berge, Mir läuft das Wasser im Munde zusammen ...
3. Weshalb kann eine andauernde körperliche Belastung zu
Verdauungsstörungen? (Aufgabe aus Natura S. 297 -> Lösung im
Buch)
4. In Stresssituationen wird durch den Sympathikus die
Leistungsfähigkeit gefördert. Zivilisationskrankheiten wie z.B.
erhöhtes Infarktrisiko, Vergrösserung der Nebennieren, Störungen
des Sexualverhaltens (Stichwort Potenzprobleme) werden auf auch
auf Dauerstress zurückgeführt. Zeigen Sie den Zusammenhang auf.
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