Die Neurophysiologie beschäftigt sich mit Nervensystemen, deren Aufbau und Funktionsweise.
Nervensysteme bestehen aus Nervenzellen, die miteinander verschaltet sind. Dabei gibt es im Tierreich ganz einfach Nervennetze (z.B. bei den Nesseltieren) und hochkomplexe Nervensysteme wie das des Menschen.
Einstiegsfilm "Netzwerk Nerven" (Sek I)
Es gibt verschiedene Typen von Nervenzellen, die sich jedoch von einem Grundbauplan ableiten lassen. Danach bezeichnet man den Zellkörper auch als Soma, von ihm aus gehen Dendriten, welche die Erregung von anderen Nervenzellen aufnehmen können. Das Soma geht über die den Axonhügel, hier werden die elektrischen Impulse (Aktionspotentiale) gebildet und dann über das Axon (die Nervenfaser) fortgeleitet. Am Ende des Axons befindet sich das Synapsenendknöpfchen. Von hier aus wird der elektrische Impuls mit Hilfe eines chemischen Botenstoffes (Transmitter) auf die nächste Nervenzelle (oder eine Muskelzelle) übertragen.
Abbildung einer Nervenzelle aus der Wikipedia mit vielen Informationen
Erklärvideo Bau und Funktion der Nervenzelle
Ruhepotential
Am unerregten Axon einer Nervenzelle messen wir bei einer intrazellulären Ableitung ein negatives Potential von -70mV innen zu außen. Dieses nennt man Ruhepotential (RP).
Entstehung des RP:
Ionenverteilung am Axon:
innen außen
K+ Na+
Org- Cl-
Das Ruhepotential ist also im Wesentlichen ein Kalium-Diffusionspotential.
Leckströme:
Die Membran ist in geringem Maße aus durchlässig für Na+, deshalb sickern Na+ von außen in die Zelle ein und schwächen das Ruhepotential.
Rolle der Natrium-Kalium-Pumpe
Die Natrium-Kalium-Pumpe pumpt daher immer 3 Na+ (wieder) nach außen und im Gegenzug (Antiport) 2 K+ nach innen.
Dafür benötigt sie jeweils 1 ATP (Energieverbrauch)!
Patch-Clamp-Technik: Eine Methode zur Messung von Ionenströmen
Hier sind weitere Informationen Spektrum.de und Wikipedia
Erregungsfortleitung
Leitungsgeschwindigkeit
· Die Leitungsgeschwindigkeit bei Axonen mit größerem Durchmesser ist schneller als die bei Axonen mit geringerem Durchmesser.
· Myelinisierte Axone (von Gliazellen umwickelt, saltatorische Erregungsleitung) sind viel schneller als nicht-myelinisierte Axone (kontinuierliche Erregungsleitung). Letztere gibt es bei wirbellosen Tieren ausschließlich!
Hier eine Kurzversion.
Hier der ausführliche Artikel aus der Wikipedia.
Hier ist ein kurzer Animationsfilm dazu.
Hier ist ein Erklärfilm von the simple biology : Synapse und Reizweiterleitung
Hier ist ein weiterer Erklärfilm von the simple biology: Informationsverarbeitung
Synapsengifte greifen auf unterschiedliche Art und Weise in die Informationsübertragung an der Synapse ein.
Erregende und hemmende Synapsen
Erregende Synpasen erzeugen an der postsynaptischen Membran ein erregendes postsynaptisches Potential EPSP, also eine Depolarisation. Der wichtigste erregende Transmitter ist das Acetylcholin.
Daneben gibt es auch hemmende Synapsen, sie erzeugen an der postsynaptischen Membran ein hemmendes (inbhibitorisches) postsynaptisches Potential IPSP, also eine Hyperpolarisation. Ein hemmender Transmitter ist z.B. GABA (gamma-Amino-Buttersäure).
Hier ist ein Artikel von biologie-schule
Verrechnung an zentralen Neuronen
Laufen an einer erregenden Synapse mehrere Aktionspotentiale hintereinander auf, so erzeugt die erhöhte Transmittermenge an der postsynaptischen Membran eine Depolarisation, die sich immer höher aufbaut. Man spricht von zeitlicher Summation.
Laufen an mehreren erregenden Synapsen gleichzeitig Aktionspotentiale ein, so kommt es zu einer räumlichen Summation.
Laufen Erregungen über erregende und hemmende Synapsen ein, so wird die durch die hemmenden Transmitter erzeugte Hyperpolarisation mit der Depolarisation, die durch die erregenden Synapsen erzeugt wird, verrechnet.
Hier ist ein Artikel zur Verschaltung von Synapsen von U. Helmich.
Hier ist eine Erklärung von Biologie-Schule
Synapsengifte
greifen auf unterschiedliche Art und Weise in die Informationsübertragung an der Synapse ein.
Transduktion: Umwandlung von Reiz zu Erregung
Man unterscheidet adäquate Reize („passend“) und inadäquate („nicht passende“) Reize.
So ist Licht für das Auge der adäquate Reiz. Ein Schlag aufs Auge erzeugt ebenfalls Lichteindrücke (inadäquater Reiz mechanisch!).
Codierung der Reizenergie
Prinzipiell erzeugt ein Reiz abhängig von seiner Reizstärke mehr oer weniger APs pro Minute, das heißt die AP-Frequenz ist reizstärkenabhängig
Reiz :::::> Rezeptorpotential (graduierte Depolarisation) ::::::::::::> APs
Sinneszellen:
Umwandlung vom Reizenergie in Aktionspotentiale
Die Angaben beziehen sich auf diesen Artikel
Transduktion: Physikalische Reize werden in elektrische Potentiale (Erregung) verwandelt
Transformation: Reizstärke werden durch Aktionspotential-Frequenzen codiert!
Allgemein betrachtet läuft bei den meisten Sinnesorganen folgendes Schema ab:
Reiz
=> Rezeptorpotential (eine Depolarisation)
(je stärker der Reiz, desto höher die Amplitude)
=> Aktionspotentiale werden gebildet
(je größer das Rezeptorpotential, desto höher die AP-Frequenz)
=> Aktionspotentiale werden weitergeleitet
Die Transduktion (Umwandlung von Reiz zu Erregung) passiert schon im ersten Schritt !
Es fällt auf, dass bei gleichbleibender Reizstärke (1)
· Die Amplitude des Sensorpotentials (Rezeptorpotentials) abnimmt (2)
· Somit auch die AP-Frequenz der gebildeten (3) und weiter geleiteten (4) AP abnimmt.
So funktionieren die meisten Sinneszellen.
Man nennt das ein phasisch-tonisches Verhalten.
Somit wird die Veränderung einer Reizsituation besonders angezeigt.
Beispiel: Mücke setzt sich und sitzt. Wir nehmen nur die „Landung“ wahr.
Evolutiv gesehen ist die Wahrnehmung von Veränderungen für uns besonders wichtig!
Adäquate und inadäquate Reize
Man unterscheidet adäquate Reize („passend“) und inadäquate („nicht passende“) Reize.
So ist Licht für das Auge der adäquate Reiz. Ein Schlag aufs Auge erzeugt ebenfalls Lichteindrücke (inadäquater Reiz mechanisch!).
Sinnesphysiologie: Vom Reiz zur Reaktion: allgemeines Schema
Reiz à Sinneszelle: Transduktion: Umwandlung von Reiz in Erregung
Erzeugung eines Rezeptorpotentials (idR. Depolarisation)
â
Umwandlung in Aktionspotentiale (Transformation),
Die Reizstärke wird dabei in der AP-Frequenz codiert.
â
Weiterleitung der Aktionspotentiale zum Gehirn (sensorische Nevenbahnen),
dort Verarbeitung.
Hier entsteht der Sinneseindruck!
â
Die motorischen Zellen des Gehirns schicken AP über motorische Nervenbahnen
zu den Muskelzellen.
â
Dort lösen diese eine Kontraktion der entsprechenden Muskelzellen aus (Reaktion).
(Synapsen an Muskelzellen: motorische Endplatte)
Verschiedene Augentypen im Tierreich:
Wirbellose Tiere
- Grubenauge (Napfschnecke)
– Blasenauge (Nautilus)
– Linsenauge (evers)(Weinbergschnecke)
Das Linsenauge bei Wirbellosen Tieren ist evolutiv entstanden als Einstülpung der Epidermis („Haut“)
ð everses Linsenauge (Axone der Sehsinneszellen gehen nach hinten weg)
Sondertyp: Komplexauge (Facettenauge) bei den Insekten
Wirbeltiere besitzen inverse Linsenaugen: Die Axone der Sehsinneszellen (bzw. der Ganglienzellen) gehen nach „vorne“ weg und dann als Sehnerv raus. Somit gibt es einen blinden Fleck.
Evolutiv gesehen ist das Linsenauge bei Wirbeltieren entstanden als Ausstülpung des Vorderhirns!
Analogie: (Evolution)
Aufgrund des Selektionsdrucks hat sich mehrfach unabhängig etwas Ähnliches entwickelt (hier: Linsenauge), ohne dass man es auf einen gemeinsamen Ursprung zurück führen kann (konvergente Entwicklung)
Film: Das Auge - eine Erfolgsgeschichte der Evolution Terra X
Wie alle Wirbeltiere besitzt der Mensch inverse Linsenaugen.
Hier ist ein Ausschnitt aus meinem Skript für die Sek 1.
Hier ist eine Abbildung aus der Wikipedia.
Und hier geht es zum umfangreichen Artikel über das Auge aus der Wikipedia
Fototransduktion - Wie funktionieren die Sehsinneszellen bei Wirbeltieren?
Wirbeltiere besitzen
· Stäbchen für die Wahrnehmung von schwarz/weiß
· Zapfen für die Farbwahrnehmung (RGB) rot – grün – blau
Sehsinneszellen bei Wirbeltieren funktionieren anders als die meisten anderen Sinneszelltypen!
Im Ruhezustand sind Natrium- Kanäle offen => leichte Depolarisation
Bei Belichtung schließen sich Natriumkanäle => Hyperpolarisation
Vorgang der Fototransduktion
Die Sehsinneszellen müssen Lichtenergie aufnehmen und in Erregung umwandeln. Zentrale Bedeutung hat dabei der Sehfarbstoff Rhodopsin, der aus 2 Komponenten besteht: Retinal und Opsin.
Das Retinal ändert durch die Belichtung seine Raumstruktur (Konformation):
Licht (Photon)
ðUmlagerung von 11-cis-Retinal zu all-trans-Retinal, Anlagerung von Transducin
ðAktivierung von 500 Molekülen PDE (Phosphodieseterase)
ðUmwandlung von 10000 cGMP-Molekülen zu GMP (sekundärer Botenstoff), dadurch Ablösung des cGMP von den geöffneten Natrium-Kanälen
ð tausende Natrium-Kanäle schließen sich, Natrium-Einstrom stoppt.
Die Resynthese des Rhodopsins (11-cis-Retinal) dauert mehrere Minuten und findet bei Dunkelheit statt.
Im Dunkelzustand sind die Natrium-Kanäle von cGMP besetzt und dadurch offen
=> Natrium-Einstrom
Aufbau des Nervensystems beim Menschen
Einteilung nach Anatomie:
Einteilung nach Funktion:
Aufbau des Rückenmarks:
Aufbau des Gehirns beim Menschen
· Erforschung über Ausfallsuntersuchungen bzw. Computertomographie etc,
Abschnitt |
Funktion, Bemerkung
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Stammhirn (verlängertes Mark (Nachhirn) + Brücke + Mittelhirn) |
Info von Haut, Muskeln, Hör-, Gleichgewichtssinn Muskelkontrolle Gesicht Brücke zwischen Hirn und Rückenmark Schlafsteuerung
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Nachhirn (verlängertes Mark) |
Regulation d. Verdauung, Atmung, Herzschlagskontrolle
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Hinterhirn (mit Brücke und Kleinhirn) |
Regulation von Bewegungen, Kraftsteuerung
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Mittelhirn |
Kontrolle vieler Sinnesfunktionen und Bewegungsfunktionen (Augenbewegung)
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Zwischenhirn |
Hypothalamus als oberste Hormonkontrolle Thalamus verarbeitet Erregung aus anderen Hirnteilen
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Großhirn (Endhirn) |
für feingesteuerte Bewegungen Mandelkern (lymbisches System) für Emotionen Großhirnrinde für Denkvermögen
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Hier ist ein Film zum Gehirn des Menschen
Hier ist ein Beitrag von the simple biology zum Thema Gehirn
Animationen: Film Nervensystem Teil 1 Teil 2
Krank oder gesund? Psychische Erkrankungen
Alzheimer
• Alzheimer-Demenz ist die häufigste Form der Demenzen
• Bereits viele Jahre bevor erste klinische Symptome sichtbar werden, bilden sich im Gehirn Plaques, die aus fehlerhaft gefalteten Beta-Amyloid-Peptiden bestehen.
• Außerdem Neurofibrillen, die sich in Form von Knäueln in den Neuronen ablagern,
• Die zugrunde liegenden Veränderungen sind noch nicht behandelbar
• In Deutschland aktuell mehr als 1,3 Millionen Menschen betroffen
Molekulare Ursache
Amyloid-Plaques: Im Raum außerhalb der Zellen (Extrazellularraum) befinden sich Ablagerungen aus vielen Molekülen eines Proteins (Amyloid).
Amyloid-Plaques entstehen aus dem natürlich im Körper vorkommenden Amyloid-Vorläuferprotein APP, das die Zellmembran der Neuronen durchspannt (integrales Protein).
APP wird Enzyme zerschnitten => Bildung von Beta-Amyloid-Proteinfragment
Bei Alzheimer verklumpen diese zu unlösliche Plaques.
Tao-Fibrillen:
Das Axon wird durch ein Cytoskelett aus Mikrotubuli stabilisiert. Die Mikrotubuli bleiben durch das Tao-Protein stabil.
Bei der Alzheimer-Krankheit ist das Tao-Protein verändert, die Mikrotubuli degenerieren, das Axon verliert seine Stabilität.
Das Tao-Protein bildet in der Zelle lose Fibrillen.
Folgen:
a) Blockierung der Weiterleitung der AP (vgl. Synapse!)
b) Störung der Stabilität der Axone => Zelltod
Möglicherweise bewirkt die Bildung kleinerer Beta-Amyloid-Oligomere indirekt die Bildung der Taofibrillen.
Hier sind weitere Informationen
Hier ist ein Animationsfilm zum Thema Alzheimer.
Hier ist ein Quarks und Co zum Thema
Hormone
Hormone sind chemische Botenstoffe. Sie werden von Hormondrüsen ausgeschüttet und erreichen über die Blutbahn ihre Erfolgsorgane. Dabei kann ein Hormon auf unterschiedliche Organe wirken und unterschiedliche Effekte erzielen.
Hier ist ein Artikel zu den Hormonen
Hier ist ein Artikel zu den Hormondrüsen mit einer Übersicht über verschiedene Hormone
Evolution der Nervensystems
Hier ist ein Artikel von geo online
Nervensysteme im Tierreich
Grundtendenz: einfaches Nervennetz - komplexes ZNS
1. Einzeller: erste Reaktionen auf Umweltreize (Pantoffeltierchen: Lichtreaktion
(Phototaxis)
2. Vielzeller: -
Schwämme
Hohltiere (Polyp, Meduse): einfaches Nervennetz
Plattwürmer, Fadenwürmer.:
einfaches Nervensystem durchzieht den Körper
Ringelwürmer (Regenwurm), Egel:
NS schon leistungsfähiger, Reaktion auf Umweltreize
Gliedertiere (z.B. Insekten):
Strickleiter- NS mit zunehmender Ausbildung
eines Gehirns (Oberschlund-, Unterschlund- Ganglion)
Weichtiere (Schnecken, Muscheln, Kopffüßer):
Bei Kopffüßern recht hoch entwickeltes NS mit Gehirn.
Stachelhäuter (Seeigel, .Seesterne): einfaches-NS
Wirbeltiere:
- Lanzettfische einfaches Rückenmark
Fische
Amphibien (Frösche, Lurche) ZNS mit Rückenmark und
Reptilien zunehmend komplexeren
Vögel Gehirn
Säugetiere
Hier ist ein Artikel zu den Nervensystemen bei wirbellosen Tieren.