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.
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
Vom Reiz zur Erregung und zur Reaktion
Reiz ------------------------------------------> Gehirn --------------------------------------------> Muskel
Afferenz Efferenz
Der Reiz wird im Sinnesorgan in eine Erregung umgewandelt (elektrische Impulse), diese werden dann über afferente (sensorische) Bahnen zum Gehirn weiter geleitet, wo die Verarbeitung erfolgt. Dann werden Impulse über die efferenten (motorischen) Bahnen zum Effektor, dem Muskel geleitet, hier erfolgt die Reaktion.
Um die Entstehung des Ruhepotentials zu verstehen, muss man erst einmal die Ionenverteilung am unerregten Axon betrachten.
Ruhepotential
Zur Aufrechterhaltung des Ruhepotentials arbeitet stetig die Natrium-Kalium-Pumpe.
Patch-Clamp-Technik: Eine Methode zur Messung von Ionenströmen
Hier sind weitere Informationen Spektrum.de und Wikipedia
Aktionspotentiale werden im Axonhügel gebildet und dann über das Axon weitergeleitet.
Man unterscheidet folgende Phasen ausgehend vom Ruhepotential:
Abbildung dazu aus der Wikipedia.
Kurze Erklärung des Aktionspotentials aus dem DocCheck Flexikon
Artikel über das Aktionspotential in der Wikipedia
Detaillierte Darstellung des Aktionspotenzials auf you tube
Erklärvideo von the simple club
Erregungsfortleitung
Hier ist ein Artikel über die Informationsübertagung an der Synapse mit Abbildungen.
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. 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. Ein hemmender Transmitter ist z.B. GABA (gamma-Amino-Buttersäure).
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
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
Dabei gibt es
a) Lineare Codierung: Die AP-Frequenz ist direkt proportional der Reizstärke
b) Logarithmische Codierung: Die AP-Frequenz ist proportional dem Logarithmus der Reizstärke (häufiger!)
Außerdem unterscheidet man
1) Phasische Rezeptoren (zeigen nur die Änderung der Reizstärke an)
2) Tonische Rezeptoren (erzeugen gleichmäßig APs bei gleichbleibener Reizstäkre)
3) Phasisch-tonische Rezeptoren sind am häufigsten, es ist eine Mischform, bei der der Rezeptor bei einer Änderung der Reizstärke mehr APs produziert als bei gleichbleibender Reizstärke
Adäquate und inadäquate Reize
Ein adäquater Reiz ist der für den jeweiligen Rezeptortyp "passende" Reiz, er erzeugt mit einem Minimum an Reizenergie eine Antwort (Beispiel: Licht für Fotorezeptoren).
Ein inadäqater Reiz wäre z.B. der Schlag aufs Auge, der eine Lichtwahrnehmung erzeugt.
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
|
Stammhirn (verlängertes Mark (Nachhirn) + Brücke + Mittelhirn) |
Info von Haut, Muskeln, Hör-, Gleichgewichtssinn Muskelkontrolle Gesicht Brücke zwischen Hirn und Rückenmark Schlafsteuerung
|
Nachhirn (verlängertes Mark) |
Regulation d. Verdauung, Atmung, Herzschlagskontrolle
|
Hinterhirn (mit Brücke und Kleinhirn) |
Regulation von Bewegungen, Kraftsteuerung
|
Mittelhirn |
Kontrolle vieler Sinnesfunktionen und Bewegungsfunktionen (Augenbewegung)
|
Zwischenhirn |
Hypothalamus als oberste Hormonkontrolle Thalamus verarbeitet Erregung aus anderen Hirnteilen
|
Großhirn (Endhirn) |
für feingesteuerte Bewegungen Mandelkern (lymbisches System) für Emotionen Großhirnrinde für Denkvermögen
|
Hier ist ein Artikel mit einer gut verständlichen Übersicht.
Hier ist ein Film zum Gehirn des Menschen
Hier ist ein Beitrag von the simple biology zum Thema Gehirn
Zusammenspiel von Nerven und Hormonen
Beispiel Adrenalin: Fight or flight-Syndrom
Hypothalamus => Hypophyse => Sympathicus => Nebennierenmark
Bildung im Nebennierenmark, über den Sympathicus aktiviert
· Herzfrequenz rauf
· Blutdruck rauf
· Glycogenabbau rauf (=> cAMP-Freisetzung (second messenger) => Glucosebildung)
· Erweiterung der Gefäße (Entspannung der glatten Muskulatur der Arterien)
· Erweiterung der Bronchien (=> verstärkter Gasaustausch)
Abbildung.: Stress bewirkt die Freisetzung von Adrenalin
Hier geht es zur simple biology zum Thema Hormone 1 und Hormone 2
Hier ist eine kurze Animation zum System Hypothalamus/Hypophyse
Neurotransmitter: Botenmoleküle im Gehirn
Die direkte Verwandtschaft von Nervensystem und Hormonsystem erkennt man daran, dass bei beiden Systemen eine Informationsübertragung mit Hilfe eines chemischen Botenstoffes stattfindet. Dieser wird beim Nervensystem nur über den schmalen synaptischen Spalt "geschickt", beim Hormonsystem ins Blut abgegeben und so über weite Strecken transportiert.
Hier sind Informationen zu den Neurotransmittern und ihren Funktionen.
Hier ist dazu ein Artikel mit einer Übersichtstabelle von Spektrum.de
Nervensysteme im Tierreich
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.
Erzeugt ein Reiz immer und unwillkürlich dieselbe Reaktion, spricht man von einem Reflex.
REIZ à Rezeptor -----(über afferente / sensorische Neuronen)
à
Rückenmark ------(über efferente / motorische Neuronen)
à
EFFEKTOR => Reaktion
Der Kniesehnenreflex ist ein einfaches Beispiel. Hier misst ein Rezeptor die Dehnung der Sehne, die Erregung geht über sensorische Bahnen zum Rückenmark, dann über motorische Bahnen zum Muskel, der die Kontraktion ausführt.
Wenn man genauer hinsieht, ist die Verschaltung nicht ganz so einfach, die meisten Muskeln haben einen Antagonisten, einen Gegenspieler. Durch eine Verschaltung mit hemmenden Interneuronen wird gewährleistet, dass sich der Strecker entspannt wenn der Beuger kontrahiert und umgekehrt.
Beim Kniesehnenreflex handelt es sich um einen Eigenreflex, weil der Rezeptor und der Effektor im selben Organ liegen.
Außerdem ist es ein monosynaptischer Reflexbogen.
Betrachtet man die Vorgänge genauer, so wird das Bild komplizierter: Die Aktivierung des Streckermuskels muss eine Hemmung seines Gegenspielers (Antagonisten), des Beugers mit sich bringen.
Fremdreflexe:
Reizaufnahme und Reaktion liegen in verschiedenen Organen.
Beispiel: Hustenreflex
Hier eine Zusammenfassung über das Nervensystem incl. Reflex und Reflexbogen.
Klett S. 144f.
Zeitbezogenes Gedächtnismodell
Ultrakurzzeitgedächtnis à Arbeitsgedächtnis à Langzeitgedächtnis
wenige sec bis min Verarbeitung, Verknüpfung Dauerhafte Speicherung
wenige Byte (Kurzzeitgedächtnis)
Inhaltsbezogenes Gedächtnismodell (Markowitsch)
Unbewusster Bereich
Neuronale Plastizität – Das Gehirn als Dauerbaustelle
Klett S.146f.
Neuronale Plastizität ist die Fähigkeit von Nervenzellen, Synapsen bzw. Hirnarealen, sich in Abhängigkeit ihres Gebrauch oder Nicht-Gebrauchs zu verändern.
· lebenslang, bei Kindern besonders ausgeprägt
3 Ebenen:
auf molekularer Ebene (Synapsenmembran)
Beispiel Glutamat:
Ablösung von Mg2+
èCa2+ Einstrom postsynaptisch
èEnzymaktivierung -> Freisetzung von Botenstoffen oder Erhöhung der Anzahl der Natrium-Ionenkanäle
auf zellulärer Ebene
Veränderungen an Neuronen:
Auf- und Abbau von Synapsen und „Dornen“
ð Erhöhung der Zahl der Verknüpfungsstellen
in den versch. Gehirnregionen („Speicherorte“)
Zuordnung zu versch. Regionen, z.B.
Informationsaufnahme mit Aufmerksamkeit
ð emotionale Zuordnung
ð Zuordnung zur vorhandenen Informationen
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 degenergieren, 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 ausführlicher Film (eine abgefilmte Vorlesung) zum aktuellen Stand der Wissenschaft
Hier ist ein Quarks und Co zum Thema
Neurotransmitter und ihre Funktion genauer betrachtet
· Jeder Neurotransmitter definiert ein System, z.B. dopaminerges System für Dopamin, cholinerges für Acetylcholin
· Jeder Neurotransmitter hat in der Regel verschiedene spezifische Rezeptoren und kann an untersch. Stelle somit auch unterschiedlich wirken.
·
Klassen von Neutrotransmittern:
Aminosäuren – Amine – Neuropeptide
· Jeder Transmitter hat seine eigene „biochem. Maschinerie“
· Acetylcholin der "Vielseitige"
· Serotonin beeinflusst Gemütszustand, Schlafrhythmus, Schmerzemfpinden
· Dopamin als „Verhaltenslenker“ Bestandteil des Belohnungssystems
Schlaf – wichtige Erholung für Körper und Nervensystem
Man unterscheidet 4+1 Phasen des Schlafes:
1.
Entspannungsphase/Einschlafphase
- Muskelentspannung
- Umgebungsreize werden noch wahrgenommen
- langsame Augenbewegungen
2.
Leichtschlafphase
- Augen drehen schräg nach oben
- Hirnaktivität nimmt ab
3. Beginnender
Tiefschlaf
- keine / geringe Augenbewegungen
- kaum / keine Reaktion auf Außenreize
4.
Tiefschlafphase
- wichtig für einen Erholungseffekt!
5.
REM-Schlaf
- schnelle Augenbewegungen (Rapid-Eye-Movement)
- hohe Hirnaktivität, hoher Energieumsatz è Traumphase
Hier sind weitere Informationen
Animationsvideo zum Schlaf und den Schlafphasen
Quarks: Darum schlafen wir (Kurzfilm)
Hormone sind chemische Botenstoffe. Sie wirken über die Blutbahn, können so auf mehrere Erfolgsorgane wirken.
Hier eine kurze Zusammenfassung zu Hormonen:
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.
Hier ein kurzer Film, in dem ein Augenarzt den Bau des Auges vorstellt.
Hier ist ein ausführlicher Film über das Auge für alle die es ganz genau wissen wollen:
Fototransduktion
Wirbeltiere besitzen
· Stäbchen für die Wahrnehmung von schwarz/weiß
· Zapfen für die Farbwahrnehmung (RGB) rot – grün – blau
Aufbau eines Stäbchens Grüne Reihe Schroedel S. 44
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)
èUmlagerung von 11-cis-Retinal zu all-trans-Retinal, Anlagerung von Transducin
èAktivierung von 500 Molekülen PDE (Phosphodieseterase)
èUmwandlung von 10000 cGMP-Molekülen zu GMP (sekundärer Botenstoff), dadurch Ablösung des cGMP von den geöffneten Natrium-Kanälen
èca. 250 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
Auswertung optischer Reize im Gehirn
3 Bereiche der Großhirnrinde (optische Felder) werden aktiviert
· A liefert Positions- und Bewegungsinfos
· B liefert scharfe Details (=> Objektidentifikation)
· C liefert Farben
Ein weiterer Bereich liefert den räumlichen Seheindruck („3D“)
Augentypen im Tierreich
Im Tierreich gibt es verschiedene Augentypen (Präsentationen siehe unten)
Hier sind gut verständliche Informationen von "planet schule".
Sucht nach Belohnung
Drogen wirken auf das ZNS, indem sie in die Erregungsübertragung eingreifen.
Alkohol
·
hemmt die Freisetzung von Acetylcholin im ZNS
=> Muskelerschlaffung, Gedächtnisblockade, Verringerung der Herzfrequenz
· wirkt aufs Belohnungssystem und limisches System (Gefühle)
·
beeinflusst mehrere Rezeptoren z.B.
erhöht Aktivität der GABA-Rezeptoren (hemmende Wirkung)
=> Dämpfung der Amygdala im Limbischen System
=> geringere Hemmung im Belohnungssystem
· wirkt auch auf Dopamin- und Endorphin-Ausschüttung im Belohnungssystem
Endorphine
körpereigene Stoffe mit opiatähnlicher Wirkung
Simple Biology: Wie wirken Drogen?
Neuro-Enhancer – Doping für das Gehirn
Medikamente zur Steigerung der Gehirnleistung
Wirkungsweise:
Erhöhung der Transmitterkonzentration (z.B. Dopamin) durch
· zusätzliche Ausschüttung von Transmittern (Dopamin)
· verlangsamter Abbau der Transmitter
· geringe
Aufnahme im präsynaptischen Bereich
(Blockade der Dopamin-Kanäle)
Wirkung auf den Sympathicus => erhöhte Aktivität und Aufmerksamkeit
Nebenwirkungen
· Kopfschmerzen, Übelkeit, Aggression, Depression….
Forschungsansätze
Man überlegt, Erkenntnisse der Neuroplastizität zu nutzen und dort aktiv einzugreifen („Hardware-Veränderungen“)
Hier ist ein kurzes Video über Neuroenhancer von der Uni Mainz
Erklärvideo Neuroenhancer (SWR)
Ein Reiz führt zu einer bestimmten Reaktion.
Im einfachsten Fall ist es ein Reflex, der da abläuft.
Komplexere Verhaltensweisen sind entweder angeboren (Instinktverhalten) oder erlernt (Lernverhalten).
Ob ein Verhalten angeboren oder erlernt ist, versucht man mit Hilfe von Kasper-Hauser-Versuchen herauszufinden.
Hier ist ein Überblick über die wichtigsten Begriffe.