Informationsübertragung im Nervensystem

1. Informationsübertragung im Nervensystem

2. Informationsübertragung im Nervensystem • Aufbau des Nervensystems • Aufbau einer Nervenzelle • Ruhemembranpotential • Aktionspotential • Erregungsleitung • Erregungsübertragung • Erregungsausbreitung im Neuronenverband

3. Informationsübertragung im Nervensystem 1. Aufbau des Nervensystems

4. 1. Aufbau des Nervensystems Das menschliche Nervensystem

5. 1. Aufbau des Nervensystems Das menschliche Nervensystem das zentrale Nervensystem (ZNS)

6. 1. Aufbau des Nervensystems Das menschliche Nervensystem das periphere Nervensystem (PNS) das zentrale Nervensystem (ZNS)

7. 1. Aufbau des Nervensystems • 1.1 Das zentrale Nervensystem (ZNS) • Das ZNS umfasst das Gehirn und das Rückenmark. Die Aufgaben des ZNS sind: • Integration aller „sensiblen“ Reize, die ihm – afferent – von innerhalb oder außerhalb des Organismus zugeleitet werden • Koordination sämtlicher motorischer Eigenleistungen des Gesamtorganismus • Regulation aller dabei ablaufenden innerorganischen Abstimmungsvorgänge, zwischen den organischen Subsystemen oder Organen, einschließlich solcher hormoneller Art

8. 1. Aufbau des Nervensystems • 1.1 Das zentrale Nervensystem (ZNS) • Das ZNS wird eingeteilt in graue und weiße Substanz • Die graue Substanz liegt im Gehirn außen und im Rückenmark innen. Sie besteht hauptsächlich aus den Nervenzellkörpern. • Die weiße Substanz liegt im Gehirn innen und im Rückenmark außen. Sie besteht hauptsächlich aus den Nervenfasern, also Axonen und Dendriten. • Das ZNS ist durch den Schädel, den Wirbel – Spinal – Kanal und die Blut – Hirn – Schranke geschützt.

9. 1. Aufbau des Nervensystems • 1.2 Das periphere Nervensystem (PNS) • Das periphere Nervensystem umfasst alle Nervenzellen, die nicht zum ZNS gehören. Eine starre Abgrenzung ist allerdings nicht sinnvoll. • Motorische und vegetative Neuronen haben ihre Zellkörper im ZNS, die Fortsätze reichen aber ins PNS. • Die sensiblen Neurone dagegen haben ihre Zellkörper fast ausnahmslos in Ganglien (Nervenknoten) außerhalb des ZNS, ihre Fortsätze ziehen aber fast alle ins ZNS. • Nur bei intramuralen Nerven (Nerven in der Wand von inneren Organen) findet die Informationsverarbeitung teilweise unabhängig vom ZNS statt.

10. 1. Aufbau des Nervensystems • 1.2 Das periphere Nervensystem (PNS) • Das PNS wird in das somatische und das autonome Nervensystem weiter unterteilt. • Das somatische Nervensystem regelt die Funktionen, die der Beziehung zur Außenwelt dienen, also der willkürlichen und reflektorischen Motorik und der Oberflächen- und Tiefensensibilität. • Das autonome (auch: vegetative) Nervensystem kontrolliert die „Vitalfunktionen“, wie Herzschlag, Atmung, Blutdruck, Verdauung und Stoffwechsel. Außerdem werden Sexualorgane und das Blutgefäßsystem vom autonomen Nervensystem beeinflusst.

11. Informationsübertragung im Nervensystem 2. Aufbau einer Nervenzelle

12. 2. Aufbau einer Nervenzelle • Eine Nervenzelle besteht aus folgenden (Haupt-) Bestandteilen: • Zellkörper (Soma) • Dendriten • Axon • Synapsen

13. 2. Aufbau einer Nervenzelle • Soma: • enthält den Zellkern und einige Zellorganellen • ist etwa 0,25mm groß • in ihm werden alle für die Funktion der Nervenzelle wichtigen Stoffe produziert, wie z.B. Neurotransmitter • Dendriten: • nehmen Signale von anderen Neuronen oder Sinneszellen auf und leiten sie zum Soma weiter • Dendritenbaum einer einzigen (menschlichen) Zelle kann mit bis zu 200.000 Fasern anderer Neuronen in Kontakt stehen

14. 2. Aufbau einer Nervenzelle • Axon: • leitet die Signale vom Soma weg hin zu den Synapsen • im Soma produzierte Neurotransmitter werden durch das Axon zu den Synapsen transportiert • kann je nach Typ der Nervenzelle von 1µm bis über einen Meter lang sein • wird von aufeinanderfolgenden Myelinscheiden umhüllt, die von sog. Ranvier‘schen Schnürringen unterbrochen werden • Synapsen: • Verbindungspunkt zwischen zwei Nervenzellen an dem Reizübertragung meist chemisch erfolgt • ein Neuron hat bis zu 10.000 Synapsen, das menschliche Gehirn etwa 1 Billiarde

15. 2. Aufbau einer Nervenzelle Charakteristische Anordnung der Dendritischen Fortsätze verschiedener Neurone im ZNS Kleinhirnrinde Rückenmark Großhirnrinde

16. Informationsübertragung im Nervensystem 3. Ruhemembranpotential

17. 3. Ruhemembranpotential Wie die Membranen von anderen Zellen besteht die Membran einer Nervenzelle aus einer Doppellipidschicht in die Proteine eingelagert sind. Zu beiden Seiten der Membran sind unter anderem Salze in wässriger Lösung. Wichtig sind hier NaCl und KCl.

18. 3. Ruhemembranpotential Die Natrium – Kalium – Pumpe Eigentlich würden sich die Konzentrationen im Intra- und Extrazellulärraum ausgleichen, aber die sog. Natrium – Kalium – Pumpe pumpt Natriumionen aus der Zelle herraus und Kaliumionen in die Zelle hinein. Die dafür benötigte Energie wird aus dem Zellstoffwechsel durch die Umwandlung von ATP bereitgestellt. Stöchiometrisch bedeutet die Umwandlung von einem ATP – Molekül das 3 Natriumionen aus der Zelle herausgepumpt werden und 2 Kaliumionen in die Zelle hineingepumpt werden. Die Aktivität der Natrium – Kalium – Pumpe hängt von der Ionenkonzentration zu beiden Seiten der Membran ab.

19. 3. Ruhemembranpotential Die erste treibende Kraft: Ionenkonzentrationsgradienten Durch die Natrium – Kalium – Pumpe ist die Konzentration von Natrium außerhalb der Zelle sehr viel höher als innerhalb. Für die Konzentration von Kalium ist es umgekehrt. Auch für die Konzentration von Chlorionen bildet sich infolge eines aktiven Transports durch die Membran ein Konzentrationsungleichgewicht aus. Es bildet sich also über der Membran ein Konzentrationsgradient aus. Die zweite treibende Kraft: Potentialdifferenz Da die Natrium – Kalium – Pumpe elektrogen arbeitet, bildet sich über der Membran außerdem eine Potentialdifferenz aus.

20. 3. Ruhemembranpotential Die zwei treibenden Kräfte des Ruhemembranpotentials

21. 3. Ruhemembranpotential • Diese Treibenden Kräfte können nur in Bewegung umgesetzt werden, wenn die Membran für die verschiedenen Ionen durchlässig ist. • Für Kaliumionen ist die Membran relativ gut durchlässig. • Für Natriumionen ist die Membran so gut wie gar nicht durchlässig. • Verantwortlich für die selektive Permeabilität sind Kanalproteine in der Membran, die jeweils für eine bestimmte Ionensorte durchlässig sind.

22. 3. Ruhemembranpotential Durch das Zusammenspiel der Natrium – Kalium – Pumpe und den zwei treibenden Kräften baut sich entlang der Membran ein elektrisches Feld auf, dessen negativer Pol im Zellinneren liegt. Diese Potentialdifferenz wird Ruhemembranpotential genannt und ist gleich dem Kalium - Gleichgewichtspotential.

23. 3. Ruhemembranpotential Registrierung von Ionenströmen durch Membrankanäle Die Ionenströme die durch Membrankanäle fließen können mit der sog. Spannungsklemme gemessen werden. Dabei wird über der Membran eine bestimmte Spannung eingestellt und konstant gehalten. Damit diese Spannung konstant bleibt muss der Ionenstrom durch die Kanäle genau kompensiert werden. Mit der Patch – Clamp Methode kann der Strom durch einzelne Kanäle erfasst werden. Mit einer Kapilare wird ein kleiner Membranfleck angesaugt, der möglichst wenige Kanäle enthält. Dann wird das Potential auf einen konstanten Wert eingestellt und der benötigte Kompensationsstrom gemessen.

24. 3. Ruhemembranpotential Potentialregistrierung Zur Messung des Membranpotentials wird eine Mikroelektrode in die Zelle eingeführt. Das ist eine Glaskapilare mit einem Spitzendurchmesser von 0,1 bis 1µm. Diese wird mit einer Elektrolytlösung gefüllt, und so eine elektrisch leitende Verbindung zum Intrazellulärraum hergestellt. Mit einem Spannungsmessgerät kann die Potentialdifferenz zwischen dem Zellinneren und der Referenzelektrode im Extrazellularraum gemessen werden.

25. 3. Ruhemembranpotential • Das Kaliumgleichgewichtspotential liegt bei den meisten Warmblütern zwischen –80 und –90mV. • Es kann mit der Nernst – Gleichung berechnet werden: E = RT/(zF)*ln(c(intrazellulär)/c(extrazellulär)) • Es kann an natürlichen Membranen vom Ruhemembranpotential abweichen, da natürliche Membranen nicht völlig undurchlässig für Natrium- und Chlorionen sind. Das Verhältnis der Permeabilitäten ist: P(K):P(Na):P(Cl) = 1:0,04:0,45 • Das Ruhemembranpotential kann durch Änderung der Ionenkonzentrationsgradienten oder durch Änderung der Permeabilitäten geändert werden

26. 3. Ruhemembranpotential Um die Änderung des Membranpotentials zu untersuchen werden zwei Mikroelektroden in die Zelle eingeführt, eine zur Ableitung des Membranpotentials (ME1), eine zur Veränderung des Membranpotentials (ME2). Der Ausgangswert für das Membranpotential wird variiert und dann die Permeabilität für die Kaliumionen selektiv erhöht.

27. 3. Ruhemembranpotential

28. Informationsübertragung im Nervensystem 4. Aktionspotential

29. 4. Aktionspotential • 4.1 Aufbau und Funktion spannungsgesteuerter Ionenkanäle • In der Membran von Nervenzellen gibt es ein zweites Kanalsystem, das seine Permeabilität für kurze Zeit ändern kann. • Weil die Permeabilitätsänderung durch Spannungsänderungen hervorgerufen wird, nennt man diese spannungsgesteuerte Ionenkanäle. • Es gibt drei Sorten von spannungsgesteuerten Ionenkanälen: Kaliumkanäle, Natriumkanäle und Calciumkanäle.

30. 4. Aktionspotential • Aufbau spannungsgesteuerter Ionenkanäle am Beispiel eines Kaliumkanals: • Bestehen aus 4 Untereinheiten • Untereinheiten bestehen aus 6 Segmenten (Proteine in  - Helix – Struktur) • Untereinheiten sind durch Aminosäureketten untereinander verbunden

31. 4. Aktionspotential • Spannungsgesteuerte Ionenkanäle können drei Funktionszustände einnehmen: • Die Ionenkanäle können geschlossen sein. • Die Ionenkanäle können durch Depolarisation geöffnet sein. Dabei wird das Kanalmolekül umgelagert. Die auftretenden Ladungsverschiebungen sind als sog. Torströme messbar. • Währen der Depolarisation können die Kanäle inaktiviert werden. Der inaktivierte Zustand („sekundäre Geschlossenheit“) kann nur durch eine Repolarisation der Membran wieder aufgehoben werden.

32. 4. Aktionspotential • 4.2 Ablauf des Aktionspotentials • Wenn die Depolarisation des Membranpotentials einen kritischen Wert erreicht, die sog. Membranschwelle, öffnen sich die spannungsgesteuerten Ionenkanäle. • Zunächst öffnen sich die Natriumkanäle und Natrium strömt in die Zelle ein. Die Membran wird also weiter depolarisiert. Im Sinne einer positiven Rückkopplung werden mehr Natriumkanäle geöffnet und mehr Natrium strömt ein. • Das Membranpotential nähert sich dem Natrium – Gleichgewichtspotential. Das Membranpotential wird positiv und die treibende Kraft für Natrium ist wieder nach außen gerichtet. • Die Natriumkanäle inaktivieren sich selbstständig. • Kurz nach dem Öffnen der Natriumkanäle öffnen sich die Kaliumkanäle, so dass Kalium aus der Zelle ausströmen kann. Der Kaliumausstrom wächst aber wesentlich langsamer, als der Natriumeinstrom, und erreicht sein Maximum erst während der Schließung der Natriumkanäle. • Auch die Kaliumkanäle inaktivieren sich selbstständig wenn sich das Potential wieder dem Kaliumgleichgewichtspotential nähert. • Nach Beendigung des Aktionspotentials kann ein sog. Nachpotential auftreten, das entweder hyperpolarisierend oder depolarisierend ist.

33. 4. Aktionspotential Zeitlicher Verlauf von Ionenein- und -ausstrom Typischer Verlauf eines Aktionspotentials

34. 4. Aktionspotential • 4.3 Charakteristika des Aktionspotentials • Die Depolarisation erfolgt innerhalb von weniger als 1ms mit einer maximalen Depolarisationsgeschwindigkeit von 1000V/s. • Die Repolarisation hat bei unterschiedlichen Zelltypen einen unterschiedlichen Zeitverlauf. • Bei Nervenzellen stellt sich das Ruhemembranpotential in 1ms wieder ein. • Bei Muskelzellen erfolgt zunächst auch eine schnelle Repolarisation, die sich aber bei –60 bis –70mV stark verlangsamt. Das Ruhemembranpotential wird erst nach ca. 10ms wieder erreicht. • Beim Herzmuskel verläuft die Repolarisation im positiven Bereich sehr langsam. Erst nach 200 bis 300ms hat sich das Ruhepotential wieder eingestellt

35. 4. Aktionspotential • 4.3 Charakteristika des Aktionspotentials • Die Amplitude des Aktionspotentials ist unabhängig von der Höhe der Depolarisation. Wird die Membranschwelle erreicht, wird ein Aktionspotential ausgelöst, andernfalls nicht. Diese Reaktionsweise wird als „Alles – oder – Nichts – Regel“ bezeichnet. • Die Amplitude des Aktionspotentials ist nicht konstant, sondern hängt vom Ausgangsmembranpotential ab. • Die Erregbarkeit der Membran hängt vom extrazellulären Ionenmillieu ab. Bei geringerer Calciumkonzentration als normal, genügen wesentlich geringere Depolarisationen um ein Aktionspotential auszulösen und umgekehrt. • Während eines Aktionspotentials kann auch mit hohen Depolarisationen kein weiteres Aktionspotential ausgelöst werden, da der Natriumeinstrom vom Ausgangspotential abhängt. Erst in der späten Repolarisationsphase sind die Natriumkanäle zunehmend wieder aktivierbar. Die Depolarisation muss aber umso höher sein, je früher sie an das vorangegangene Aktionspotential anschließt. Dieses Phänomen heißt Refraktärität. Aktivierbarkeit der Natriumkanäle in Abhängigkeit vom Ruhemembran-potential Aktivierung der Natriumkanäle in Abhängigkeit vom Ausmaß einer raschen Depolarisation bei unterschiedlichen extrazellulären Calciumkonzentrationen

36. 4. Aktionspotential • Die Refraktärität kommt dadurch zustande, das die Membranschwelle kurz nach einem Aktionspotential sehr weit vom Ruhemembranpotential entfernt ist und sich nur langsam auf ihren normalen Wert einstellt. Sie lässt sich in zwei Phasen unterteilen: • Während der absoluten Refraktärphase kann kein neues Aktionspotential ausgelöst werden, egal wie hoch die Depolarisation ist. • Während der relativen Refraktärphase können zwar Aktionspotentiale ausgelöst werden, jedoch sind dazu höhere Depolarisationsamplituden notwendig, als zur Auslösung des vorangegangenen Aktionspotentials. • Die Wiederholungsfrequenz für neuronale Erregungen ist also durch die Refraktärzeit begrenzt.

37. Informationsübertragung im Nervensystem 5. Erregungsleitung

38. 5. Erregungsleitung Erregungsleitung

39. 5. Erregungsleitung Erregungsleitung • kontinuierliche Erregungsleitung • kommt hauptsächlich bei wirbellosen Tieren vor

40. 5. Erregungsleitung Erregungsleitung • kontinuierliche Erregungsleitung • kommt hauptsächlich bei wirbellosen Tieren vor • saltatorische Erregungsleitung • alle Nerven beim Menschen und anderen Säugetieren leiten Informationen saltatorisch weiter

41. 5. Erregungsleitung 5.1 Zwei Arten der Erregungsleitung Die kontinuierliche Erregungsleitung Ist an einer Stelle der Nervenfaser ein Aktionspotential ausgebildet, so liegt an dieser Stelle der positive Pol der Potentialdifferenz im Inneren der Zelle und der negative Pol im Extrazellulärraum. Beim Rest der Zelle ist es umgekehrt. Es bildet sich also zusätzlich zur Potentialdifferenz über der Membran eine Potentialdifferenz entlang der Membran aus. Der dadurch entstehende Kationenstrom depolarisiert die Membran in den Nachbarbereichen. Dadurch wird an diesen Stellen wieder ein Aktionspotential ausgelöst. Das Aktionspotential hat sich also entlang der Membran „bewegt“. Die saltatorische Erregungsleitung Myelinisierte oder markhaltige Nervenfasern werden von aufeinanderfolgenden Myelinscheiden umwickelt. Diese isolieren die Nervenfaser elektrisch vom Extrazellulärraum. Je dicker die Myelinscheide ist, umso stärker ist die Nervenfaser isoliert, und umso geringer ist der Ionenaustausch zwischen Inter- und Extrazellularraum. Die Ionenströme die sich zu beiden Seiten der Membran bei einem Aktionspotential bilden und für die Weiterleitung des Aktionspotentials verantwortlich sind müssen also bis zum nächsten Ranvier‘schen Schnürring fließen um das nächste Aktionspotential auszulösen. Der Weg den das Aktionspotential in einer markhaltigen Nervenfaser zurücklegt ist in der gleichen Zeit viel größer als in der marklosen Nervenfaser.

42. 5. Erregungsleitung Sprunghafte (saltatorische) Erregungsleitung in einer Nervenfaser mit Markscheide

43. 5. Erregungsleitung

44. 5. Erregungsleitung Ausschnitt aus einem peripheren Nerv der Maus (20900fach, Einschaltbild 87200fach). Im linken Bildteil eine rasch leitende Nervenfaser von einer Markscheide (Schwannschen Scheide) umgeben. Im Einschaltbild wird der lamellenartige Aufbau dieser Scheide deutlich. Im rechten Bildteil langsam leitende Nervenfasern (NF) von einer Schwannschen Zelle umgeben.

45. 5. Erregungsleitung Bild einer Myelinscheide

46. 5. Erregungsleitung Bei multipler Sklerose werden vom körpereigenen Immunsystem die Myelinscheiden im ZNS zerstört. Die Ursachen dafür sind noch nicht vollständig geklärt, es wird jedoch ein Virus als Auslöser angenommen. Durch den Myelinscheidenzerfall wird die Erregungsleitung verzögert und zum Teil sogar unterbrochen. Folgen können u.a. Lähmungen, Inkontinenz und Demenz sein. Einen gegenteiligen Effekt kann man mit Sport erreichen. Eine Gruppe von Forschern um Henner Ertel, Professor für Neuropsychologie am G.R.P. Institut für Rationelle Psychologie, hat herausgefunden, dass „durch eine Kombination von aerobem Bewegungstraining und Lernen“ die Anzahl der Neuronen im Gehirn zunimmt, es zu neuen synaptischen Verbindungen kommt und die Myelinisierung der Nervenzellen sich verbessert. Eine Studie mit über 30.000 Probanden bestätigt ohne Ausnahme, dass es durch ein solches Training zu einer „besseren Informationsaufnahme und –verarbeitung sowie zu mehr Kreativität und Intelligenz“ kommt.

47. 5. Erregungsleitung • 5.2 Leitungsgeschwindigkeit von Nervenfasern • Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Aktionspotentials entlang einer Nervenfaser hängt von mehreren Faktoren ab. Grob kann man sagen: • je größer der Natrium – Einstrom, also je größer der Strom zur Depolarisation benachbarter Membranabschnitte • je größer der Faserdurchmesser, also je geringer der intrazelluläre Widerstand • je höher der Membranwiderstand • desto größer ist die Leitungsgeschwindigkeit.

48. 5. Erregungsleitung 5.2 Leitungsgeschwindigkeit von Nervenfasern Nervenfasern können nach Leitungsgeschwindigkeit und funktioneller Einbindung in verschiedene Gruppen eingeteilt werden. Einteilung der Nervenfasern nach Lloyd und Hunt:

49. 5. Erregungsleitung Einteilung der Nervenfasern nach Erlanger und Gasser:

50. 5. Erregungsleitung • 5.3 Stofftransport in Nervenfasern • Durch die Röhrenform eignet sich das Axon einer Nervenzelle auch für den Transport von Molekülen. Die drei wichtigsten Stofftransporte sind: • Der schnelle, vom Zellkörper zur Synapse gerichtete Transport erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 40cm pro Tag. Transportiert werden im Zellkörper produzierte Stoffe wie Neurotransmitter. Als Transportmedium dienen Vesikel und Ribosomen, die unter ATP – Verbrauch an Tubuli und Filamenten entlangtransportiert werden. • Der langsame Transport vom Zellkörper zur Synapse erreicht Geschwindigkeiten von 0,1 – 0,5cm pro Tag und transportiert Elemente des Zellskeletts und Enzyme. • Der Transport von der Synapse zum Zellkörper erreicht bis zu 20cm pro Tag und ist für die Aufrechterhaltung der Eiweißsynthese im Zellkörper verantwortlich, allerdings ist noch nicht geklärt in welcher Weise. • Außerdem können Viren intraaxonal durch den Körper transportiert werden, z.B. das Herpes – Simplex – Virus.